课题组成立于2003年5月，是一支由16人组成的年轻而有活力的团队。他们依托于黄河水利委员会（以下简称黄委），主要由黄科院泥沙所和水保所主要业务组成，遵循“以我为主，博采众长”的原则，以建设具有自主知识产权的黄河数学模拟系统为目标，并借助其实现黄河治理开发与管理过程中的预警预报和方案生成，提高黄河重大决策的科学化与智能化水平。 “黄河数学模拟系统是指由相互关联、影响和作用的数学模型所构成的、能对黄河水问题进行数值模拟的功能体。黄河数学模拟系统主要由水利专业数学模型、服务于模型的前后处理构件以及对模型进行有效管理的技术架构平台三部分构成。”黄委副总工程师翟家瑞首先向记者介绍起来。 然而，在分析差异存在原因时，黄委进行了调查后吓了一跳。原来黄委内部各个部门在使用和开发的模型竟然有几十个，硬件、软件系统都在开发应用，“各自为战”。因此，黄委决定解决这个问题，做一个统一的、质量高的、有科研延续性的模型。 2001年，水利部副部长、黄委原主任李国英指出：“数字黄河（黄河原型黄河、模型黄河、数字黄河）的关键在于数学模型的好坏，其核心和灵魂就是黄河数学模拟系统。”为此，黄委组织专家在原来的基础上，对全国流域机构作了系统调研，结果发现存在的问题比黄委原先设想的还严重。 据悉，该超级计算中心以开发应用于黄河水利水电大型科学计算、数学模拟与仿真分析为主要任务，是结合黄河下游二维水沙数学模型的开发和黄河小浪底水库至花园口区间洪水预警预报系统建设，借助水利部黄河泥沙重点实验室建设来完成的。今后，治黄现代化所必需的黄土高原土壤模型、水库调度模型、黄河下游河道水沙演进模型、河口模型等一系列数学模拟系统的建设都将依托这个超级计算平台来进行，黄委将据此打造具有自主知识产权的“黄河数学模拟系统”。 同时，黄河超级计算中心又是一个式、基于网络的、可共享的大型科学计算分析。它以“服务黄河、服务社会”为旨，可为水利、水电、气象、遥感等领域用户提供计算资源和技术支持。黄科院院长时明立表示，黄河超级计算中心将依据“共建共享、扩展”的原则，加强与高等院校、科研院所及国内外高性能计算机构的合作交流，使科学计算中心成为计算、人才培养和科育的。 发达国家数学模型开发水平比较高，国际上流行的水文、水力学、水质方面的多数模型是由他们开发完成的。但与国内外领先的商业软件和数学模型相比，面向黄河治理开发、与管理业务需要的黄河数学模型建设存在问题依然突出。 黄科院副院长姚文艺介绍说，黄土高原的土壤有水力、重力、风力等多种形态，想要预报泥沙，就要研究降雨量和降雨强度对不同土壤结构、不同类型区、不同地形地貌、不同植被、不同下垫面条件下随时空的变化，通过机理分析，建立相应的数学模型，然后根据加密的实测资料对模型进行验证、修改和完善。 据悉，经过几年的调水调沙实践，在下游主河槽的过流能力较大程度上恢复的情况下，控制游荡性河道河势，确保花园口最大洪峰流量堤防不决口，在很大程度上依赖现有和待建的下游防洪工程，而这些工程不可能在“原型黄河”上一一试验。因此，建立黄河下游河道数字流场，在虚拟的条件下对工程进行布置，并在数字流场中通过改变来水来沙条件，模拟洪水对各种不同工程方案的影响，然后优化方案，再通过实体模型检验，确定设计方案，能达到事半功倍的效果。 然而团队也明白，黄河数学模拟系统建设是一项长期、复杂的工程。该系统建设必须应对新挑战、满足治黄决策新要求。黄河数学模拟系统建设面临着两方面的挑战，一是如何应对风起云涌的模拟系统建设新；二是模型功能和性能如何持续满足领导决策的新要求，不断适应用户业务增值的新需求。 记者了解到，从张勇传院士提出的以数学模型为引擎的“数字清江”到王光谦院士提出的“数字流域模型”；从程国栋院士提出的“黑河流域交叉集成研究的模型开发和模拟建设”到王浩院士提出的“流域水量及其伴生水化学、泥沙、生态过程综合模拟”，都着构建多物理过程综合模拟系统已成为“数字流域”发展的新方向。 此外，流域管理的多目标和精细化，愈加突出自然过程、生态和经济社会的综合模拟，愈加需要全过程、全要素的动态定量模拟预报。用户选择模型的多途径和个性化，必然要求黄河数学模拟系统在功能上更加完备、在性能上更加便捷高效。 翟家瑞举例说，2006~2009年，每年6月19日~30日是实际调水调沙，应该在19日之前预测一下来水情况、水库调度情况和河道的变化情况，把计算结果交给防办。在调水调沙运行一半的时候，大概到25日，将19日~25日这个过程，将实际调度过程加上25日以后未来调度过程，变成一个完整过程，再计算一次，将计算结果再交给防办。等30日结束之后，再计算一次，把计算结果交给防办。等水文部门把下游实际情况真实数据交给防办，然后防办再把计算结果和实际结果进行比对，提出改进方案，通过应用改进过程，逐步提高模型预报的精度。2009年之后，基本调度就采用模型计算的结果直接为调度方案的决策提供直接的数据支撑。 十余年的发展，也让研发队伍从初始的几人发展到现在的十几人，在系统内外拥有了一批志同道合的战略合作伙伴。按照最初的设想，黄河数学模拟系统目前已在水库模型、河道模型、河口模型研发和应用方面取得了突破性进展，利用当下最先进的IT 技术，建成可以满足各类模型有效集成和运行的系统平台。 2009 年12 月，大学Matti 教授在黄委现场使用黄河数学模拟系统后，十分惊奇。他说：“我的印象中，国际上一般都用欧美开发的流体、河口海岸软件包进行科研、生产，在中国、在黄河竟然看到你们自行开发出功能完善的模拟系统，针对黄河的复杂河道和水沙特点开展相应的基础研究，并能够计算的可靠性。”他由衷地赞叹：“你们利用数年时间完成了欧美国家耗时几十年才完成的数学模拟系统，真了不起！” 首次建立了较完备的模块、构件、整体模型设计和测试、率定、验证的研发体系，极具实用性、可重用性和可追溯性，同时弥补了以往模型开发过程中的不严谨和测试过程不完备的缺陷，纠正了以往模型率定和验证相互混淆的。 突破了黄河下游游荡性河道主槽地形自动生成难题，自主研发了河道水下地形断面内插技术。这种利用有限的实测资料快速生成精确数字地形的软件包引起荷兰 Bas VanMaren 博士等数学模型研发专家的极大关注，2004 年，对方付费两次邀请攻关组赴荷兰开展为期6 个月的技术交流。 首次采用紧密集成模式将GIS、计算可视化和过程模拟计算集合成一个运行，并为可视化系统开发了专用黄河下游水、沙、地貌数据库管理系统，使计算结果得到充分直观的表达，可同时再现水流、泥沙在河道中的真实演进情况。 “十一五”国家科技支撑计划重点项目“基于GIS的黄河水沙输移模拟系统研发”课题中，“3S”技术、面向服务的组件技术、虚拟现实和系统仿真技术的应用，成功构建了先进实用的黄河中下游数学模拟系统。在国家防汛指挥系统（I期）、黄河调水调沙、黄河下游河道整治工程方案设计、黄河洪水风险图等大量生产实践中的运用，均取得了良好的经济效益和社会效益。 国家“863”计划重大项目“面向水利信息化的高性能计算与网格应用”的成功开展，对于搭建黄河网格，开展二维、三维水沙过程等空间大尺度模型的高效能计算起到了很大的促进作用，直接促成了黄河超级计算中心的建立。 翟家瑞介绍说，目前，黄河数学模拟系统建设已取得七大突破性进展：一是编制完成《“数字黄河”工程黄河数学模拟系统建设规划》，明确了“十二五”期间黄河数学模拟系统的建设目标和任务，已全面指导了黄河数学模拟系统建设；二是构建了黄河数学模拟系统支撑平台，基本可以满足不同来源各类专业模型的高效集成和运行；三是研发了黄土高原第一副区水土流失模型、河道平面二维水沙数学模型、河道一维非恒定流水流泥沙水质模型、水库一维恒定流水沙模型、水库三维紊流水沙模型、河口平面二维潮流输沙模型等 6 类模型，并初步开展了宁蒙河段河冰动力学模型框架建设；四是建成了黄河超级计算中心，为数值天气预报、空间大尺度水沙模拟提供了全天候的稳定高效服务；五是编制了《黄河数学模型研发导则》《黄河数学模型评价办法》，规范了研发过程，提供了评价标准，创新开展黄河数学模型评测，初步满足河道水沙演进和水库冲淤数学模型评价；六是数学模型广泛应用于典型流域土壤预测预报、防洪风险图编制、水库运用方式研究、调水调沙试验与生产运行、小北干流放淤试验、河道整治方案研究等重大治黄业务，产生了显著的经济和社会效益；七是创新践行了“首席专家+团队”的研发模式，打造了一支能打硬仗的攻关团队。 2012年12月，黄委提出了新时期“数字黄河”的发展目标，要求到 2020年基本实现治黄水利工作信息化，基本实现水沙情势可、资源配置可模拟、工程运行可掌控、调度指挥可协同。“四个可”的实现是由“数字黄河”到“智慧黄河”的标志。 黄河数学模拟系统研发首席专家翟家瑞、寇怀忠撰文指出，10年间，“数字黄河”框架基本建成，应用系统和水沙数学模型与核心业务融合，在维持黄河健康、支持流域经济社会发展方面发挥了重要作用；初步建成了信息化基础设施和信息高速公，开展了防汛减灾、水资源管理与调度、水土保持、水资源、工程建设管理、电子政务等六大系统建设。 黄河数学模拟系统目前是水利行业第一家面向水利行业的软件专题规划，其规划目标是建立一个河流自然生态经济社会耦合系统。在河流安全的情况下，从经济社会方面治理河流，考虑社会发展和生态，同时让沿河老百姓得到好处。 同时，大数据时代，要让数据说话，整合水文观测、工程运用、规划设计、水利普查、卫星遥用、调水调沙等大量数据，利用大数据技术对数据挖掘分析处理，为科学决策提供强力支持；把“数字黄河”建成为认识、理解黄河的平台，成为参与塑造黄河流域人水和谐关系的平台，成为黄河治理开发与的科学支撑平台。 在一个组织中，团队是坚强战斗力的有力保障，创新是永葆生机的制胜法宝。攻关课题组积极践行“献身、负责、求实”的水利，面向信息化发展的大潮、同步世界软件发展趋势、追踪国内外水沙基本理论研究进展，服务黄河治理开发生产第一线，精诚团结，为维持黄河健康生命提供持续的科技支撑。 回首十年来，黄河数学模拟系统从无到有，从弱变强，大家深深感受到，团队是一个文化，不能因为害怕改变而退却，应该适应变化、拥抱变化。否则，这个团队只能是一群乌合之众。余欣，团队多年来沉淀下来的是一种文化，需要在层面进行沉淀。“可以预见，我们团队文化就来源于每个人的行为沉淀，照此下去，2050年，希望我们这个团队将依旧存在。”他说。 |