流域數(shù)學模擬系統(tǒng)發(fā)展方向及關鍵技術

余 欣，寇懷忠，王萬戰(zhàn)

(1.黃河水利科學研究院，河南 鄭州 450003;2.黃河水利委員會，河南 鄭州 450003)

1 國內(nèi)幾個代表性的流域模擬系統(tǒng)

以建設目標、總體架構、建模方法及關鍵技術為主線，重點介紹了中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所開展的“數(shù)字黑河”模型集成、清華大學研制的數(shù)字流域模型、中國水利水電科學研究院開發(fā)的二元演化模擬系統(tǒng)以及黃委構建的黃河數(shù)學模擬系統(tǒng).

1.1 黑河流域綜合模型

2003—2008年，中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所開展了“黑河流域交叉集成研究的模型開發(fā)和模擬環(huán)境建設”項目，初步建成“數(shù)字黑河”流域綜合模型［1］.

數(shù)字黑河由數(shù)據(jù)平臺、模型平臺和數(shù)字化觀測系統(tǒng)組成，其核心是觀測、數(shù)據(jù)和模型平臺中的信息基礎設施建設，但同時也外延而擴展為以流域綜合模型為骨架的各種應用［2－3］.

(1)模型集成總體設計 從“水－土－氣－生－人”復雜系統(tǒng)集成的角度出發(fā)，運用集成的流域模擬模型和管理模型，利用大量空間數(shù)據(jù)，把流域作為水－生態(tài)－經(jīng)濟整體研究，既定量地描述流域過程機理，又回答宏觀層面的戰(zhàn)略決策問題.為此，要求科學目標和流域管理目標并重，發(fā)展兩種類型的集成模型.第一類集成模型更多地回應科學目標，主要通過對水文和生態(tài)過程的模擬促進對流域水循環(huán)和生物化學循環(huán)的深入理解.重點是以區(qū)域大氣模型為驅(qū)動，以分布式水文模型以及陸面過程模型為骨架，耦合地下水模型、水資源模型和生態(tài)模型，建立能夠綜合反映流域水文和生態(tài)過程的集成模型;在此基礎上耦合社會經(jīng)濟模型，形成具有綜合模擬能力的流域集成模型.第二類集成模型回應流域管理目標，最終建成以空間顯式的流域集成模型為基本骨架的流域水資源和其他自然及社會經(jīng)濟資源可持續(xù)利用空間決策支持系統(tǒng).同時，發(fā)展以先進的信息技術為支撐的建模環(huán)境，為建立流域集成模型提供有力工具.

(2)近期建設目標 一是提出適用于黑河流域上、中、下游的模擬模型.上游以分布式水文模型為核心，兼顧氣候模擬以及區(qū)域氣候模型輸出結(jié)果的降尺度研究，重點解決出山口徑流變化預測問題和大氣－植被－土壤－凍土－積雪系統(tǒng)耦合問題;中游以水－生態(tài)－經(jīng)濟耦合為核心，以水資源合理利用為核心的流域可持續(xù)發(fā)展合理策略的問題，即建成多學科集成的生態(tài)水文和生態(tài)經(jīng)濟模型;下游在考慮水－生態(tài)－經(jīng)濟耦合系統(tǒng)的同時，側(cè)重于解決地表水和地下水模型的耦合及與生態(tài)的關系.二是初步建成模擬環(huán)境.

(3)主要集成模型 綜合模型研制中涉及了各類水文模型、地下水模型、水資源模型、陸面模型、土地利用模型、生態(tài)模型、社會經(jīng)濟與生態(tài)經(jīng)濟模型.同時，引進和應用了模塊化建模系統(tǒng)(MMS:the modular model system)和空間建模環(huán)境(SME:spatial modeling envionment)等多種建模環(huán)境.

(4)發(fā)展重點 圍繞黑河流域水－生態(tài)－經(jīng)濟－管理耦合模型，加強參數(shù)和模型不確定性研究.上游山區(qū)，將重點在自有版權分布式水文模型DWHC基礎上，深究凍融和積雪水文的物理過程，加強人類活動(如修建梯級水電站)對山區(qū)水文過程影響研究，重點突破凍土水文過程模型，突出積雪水文模擬.中游地區(qū)，加強季節(jié)性凍土和平原地下水排泄區(qū)微地貌的觀測分析，提高數(shù)據(jù)資料的完整性;開展流域盆地水資源轉(zhuǎn)化專題的綜合研究;將SME和PLM景觀模型(PLM:the patuxent landscape model)全面應用于中游地區(qū).下游地區(qū)，重點解決好地表水和地下水模型的耦合，開展生態(tài)水文建模工作.

1.2 數(shù)字流域模型系統(tǒng)

2001年以來，清華大學以黃河流域為研究對象，開展了數(shù)字流域模型架構設計、關鍵技術研究和模型研發(fā)等工作.其基本結(jié)構、主要進展和下階段發(fā)展重點如下:

(1)基本結(jié)構 數(shù)字流域模型定位于大范圍、流域級的水與遷移物過程模擬，是一個具有多層空間分辨率、模型參數(shù)易于獲取、能夠?qū)崿F(xiàn)并行計算的整體模型［4］.

(2)主要進展 著眼于大流域的水沙過程模擬，提出并建立了數(shù)字流域模型系統(tǒng)的框架.模型框架依托DEM數(shù)據(jù)及其存取系統(tǒng)，以流域分級理論為依據(jù)，將全流域分為4級:坡面、小流域、區(qū)域(支流)和全流域，即在坡面上建立產(chǎn)流和產(chǎn)沙數(shù)學模型，在小流域河網(wǎng)、區(qū)域(支流)和全流域河網(wǎng)上分三級進行匯流演進.通過“坡面產(chǎn)流、逐級匯流”的組織方式，將4個層次的模型整合成一個完整的數(shù)字流域模型系統(tǒng).該系統(tǒng)主要包括五項關鍵技術，即大流域DEM數(shù)據(jù)存取、流域溝道參數(shù)提取、基于遙感圖像的模型參數(shù)提取、分布式降雨量數(shù)據(jù)存取和計算機集群并行計算.模型可用于大流域的降雨－徑流模擬和水資源量計算、次洪水和連續(xù)徑流過程、輔以降雨預報模塊可以預報洪水、大區(qū)域或局部小流域產(chǎn)流產(chǎn)沙計算等［5］.

(3)發(fā)展重點 開展黃河流域區(qū)域模型研究，如河源區(qū)包括融雪模型的高山草原模型、黃土高原多沙粗沙區(qū)水沙一體化模型等;耦合集成降雨預報模型和產(chǎn)匯流模型、地下水運動模型、非點源污染物運動模型;研制全流域骨干河網(wǎng)模型、骨干水庫調(diào)度模型;構建灌區(qū)水分運動模型、淤地壩滯流減沙模型等.

1.3 二元演化模擬系統(tǒng)

1999年以來，中國水利水電科學研究院依托“黃河流域水資源演化規(guī)律與可再生性維持機理”項目開展了二元演化模型研制，其總體架構、核心模型及發(fā)展重點如下［6－8］:

(1)總體架構 流域水資源二元平臺主要包括:基礎平臺(由網(wǎng)絡和操作系統(tǒng)、安全機制、評價機制等組成)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、應用系統(tǒng)(數(shù)據(jù)管理、應用分析和模型庫)三部分.

(2)核心模型 流域水資源二元演化模型，主要由流域分布式水循環(huán)模型(WEP-L:water and energy transfer process model in large river basins)和流域集總式水資源調(diào)配模型(WARM:water allocation and regulation model)耦合而成.

WEP-L模型最大的特點是對分布式流域水文模型與SVATS(土壤－植物－大氣通量交換方法)的綜合，它可以模擬水循環(huán)各要素過程(包括植被截留蒸發(fā)、土壤蒸發(fā)、水面蒸發(fā)、植物蒸騰;降雨入滲及超滲坡面徑流;壤中徑流;地下水運動、流出與溢出;坡面和河道匯流;積雪融雪過程等)，也可以模擬能量循環(huán)過程(包括短波輻射、長波輻射、潛熱通量、地中熱通量、顯熱通量、人工熱排出量等).WARM模型包括水資源合理配置模型和水資源調(diào)度模型.水資源合理配置模型核心模塊是水資源供需平衡模擬子模型、計量經(jīng)濟子模型、人口預測子模型、國民經(jīng)濟需水預測子模型、多水源聯(lián)合調(diào)度子模型、生態(tài)需水預測子模型等.水資源配置模型通常以月或旬為時間尺度，以大空間尺度為配置單元.水循環(huán)模擬則以日為時間尺度，以配置單元套灌域、土地利用和種植結(jié)構為空間尺度.為此，采用雙向耦合模式實現(xiàn)大尺度信息向小尺度的分解，以及小尺度信息向大尺度聚合.

(3)發(fā)展重點 “自然－人工”二元水循環(huán)多元信息采集與同化技術;水循環(huán)大氣－地表－土壤－間環(huán)節(jié)地下水過程的綜合模擬;流域水量循環(huán)及伴生水化學、泥沙、生態(tài)過程綜合模擬;流域環(huán)境虛擬與集成型數(shù)字流域平臺構建技術.

1.4 黃河數(shù)學模擬系統(tǒng)

2003年以來，黃河水利委員會編制了《“數(shù)字黃河”工程黃河數(shù)學模擬系統(tǒng)建設規(guī)劃》，明確了模擬系統(tǒng)建設目標和主要任務，開展了集成平臺和數(shù)學模型研發(fā)等工作［9］.

(1)建設目標 以河流自然場、經(jīng)濟社會場和生態(tài)系統(tǒng)場耦合的“數(shù)字流域”的新理念為指導，運用先進的水利和信息技術，構建水利專業(yè)、宏觀經(jīng)濟社會和生態(tài)系統(tǒng)模型，構建虛擬仿真的黃河流域，并借助其實現(xiàn)黃河治理開發(fā)和保護管理過程中的預警預報和方案生成，為各類重大治黃決策提供技術支撐.

(2)系統(tǒng)架構 系統(tǒng)采用基于.NET的三層架構進行組織，同時考慮通過企業(yè)服務總線(ESB)等產(chǎn)品實現(xiàn)與J2EE等架構的有效集成.遠期將采用面向服務架構(SOA)的設計思想，利用Web Service等應用技術，實現(xiàn)模型分布式部署、組合和響應.

(3)主要進展 構建了黃河數(shù)學模擬系統(tǒng)集成平臺，可以初步滿足不同來源各類專業(yè)模型的集成和運行;研制了黃土高原第一副區(qū)水土流失模型、河道平面二維水沙數(shù)學模型、河道一維非恒定流水流－泥沙－水質(zhì)模型、水庫一維恒定流水沙模型、水庫三維紊流水沙模型、河口平面二維潮流輸沙模型等六類模型;建成了黃河超級計算中心，為數(shù)值天氣預報、空間大尺度水沙模擬提供了穩(wěn)定服務;編制了《黃河數(shù)學模型研發(fā)導則》、《黃河數(shù)學模型評價辦法》，規(guī)范了研發(fā)過程，提供了評價標準等.

(4)發(fā)展重點 研究完善黃河數(shù)學模型評價指標體系，建立共享內(nèi)的模型評測服務環(huán)境;建立河流－流域數(shù)值模擬平臺，實現(xiàn)數(shù)字流域模型(TU－BASIN)與黃河數(shù)學模擬系統(tǒng)的耦合;研發(fā)黃土高原水土流失模型(二期)，建立可推廣應用于丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū)以中尺度流域為單元的水土流失年經(jīng)驗模型、以小流域為單元的次暴雨洪水泥沙作業(yè)預報模型，探討解決黃土高原丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū)資料匱乏流域侵蝕產(chǎn)沙量預報問題，初步建立第三副區(qū)年侵蝕經(jīng)驗模型和部分小流域次暴雨產(chǎn)沙數(shù)學模型等;研制水流運動－泥沙輸移－河床演變?nèi)詈夏Ｐ?、基于MPI的水庫剖面二維水沙動力學模型、復式河道主槽一維與灘地二維復合模型、基于動力學模式的水沙演進實時校正模型;建成寧夏－內(nèi)蒙古河道冰凌動力學模型;建立河道水質(zhì)預警預報模型，實現(xiàn)黃河干流龍門以下干流突發(fā)性污染事故的過程預警預報.

2 流域數(shù)學模擬系統(tǒng)發(fā)展趨勢

流域數(shù)學模擬系統(tǒng)建設，日益注重與3S技術，特別是GIS技術的耦合;注重前后處理可視化，以交互的方式監(jiān)視和干預計算過程，實現(xiàn)駕馭式計算功能(computational steering)外［10］，在發(fā)展理念、生產(chǎn)方式、質(zhì)量評測、集成建模以及支撐途徑等方面均呈現(xiàn)了新的發(fā)展態(tài)勢.

(1)在發(fā)展理念上，從水、經(jīng)濟、生態(tài)分離模擬轉(zhuǎn)向水循環(huán)及其伴生水過程綜合模擬和水－經(jīng)濟－生態(tài)過程的耦合模擬.

流域是一個相對完整的地貌單元，水文循環(huán)驅(qū)動化學、泥沙、生態(tài)演化遷移，塑造相應的河流地貌.水流因傳質(zhì)而改變了特征，不同傳質(zhì)如污染物因泥沙存在而產(chǎn)生的吸附降解作用顯著改變著各自的運動變化，不同流域地貌又造就各自獨特的水文過程.為研究單一傳質(zhì)或過程采用的“分離”方法，要轉(zhuǎn)向多過程多傳質(zhì)耦合的“綜合”方法，來實現(xiàn)水循環(huán)及其伴生水過程的綜合模擬.已經(jīng)證明采用偏微分方程組(PDEs)的方法可求解多物理場現(xiàn)象，為綜合模擬提供了技術支持［11－12］.

由于人類活動的參與性，天然河流已變成人工天然河流，滿足單目標的分散模型已不足以反應各種工程與非工程措施所引起的河流復雜響應.流域管理的多目標和精細化，愈加突出自然過程、生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟社會的綜合模擬，愈加需要全過程、全要素的動態(tài)定量模擬預報.為此，要從“水－土－氣－生－人”復雜系統(tǒng)集成的角度出發(fā)，運用交叉集成的流域模擬模型和管理模型，構建流域數(shù)學模擬系統(tǒng)，實現(xiàn)水－生態(tài)－經(jīng)濟多場耦合.

(2)在生產(chǎn)方式上，從粗放的源代碼級開發(fā)，轉(zhuǎn)向模塊化開發(fā)、構件化組裝的集約化生產(chǎn)方式.

早期涉水模型多為“誰使用、誰開發(fā)”或“誰開發(fā)、誰使用”，一個功能模塊或模型對應一個或極其有限個用戶.同時限于開發(fā)者本人的知識背景，粗放的源代碼級開發(fā)盡管增強了研發(fā)者對模擬問題的認知，也積累了大量的可供深加工“原材料”.但開發(fā)出來的程序模塊化不足、復用性不強、可擴展性不夠.

流域數(shù)學模擬系統(tǒng)建設重點解決“一個功能模塊對應不同層次用戶或多個不同功能模塊對應一個用戶”，需要系統(tǒng)結(jié)構由粗放的源代碼級開發(fā)向模塊式、組件化方向發(fā)展.這將使軟件系統(tǒng)更易局部更新，適用范圍更廣，靈活性更強，也使用戶可以更加方便地將自己編制的模型程序嵌入進這類軟件中.同時輔以足夠的文件系統(tǒng)和用例幫助用戶熟悉與操作軟件、開發(fā)完備的錯誤防止措施及檢測系統(tǒng)，從而使模型更易維護、知識更易積累、效用發(fā)揮更足、生命周期更長［13－15］.可以敏捷地滿足隨需而變的應用系統(tǒng)需求.

(3)在質(zhì)量評測上，從單純注重結(jié)果，轉(zhuǎn)向過程和結(jié)果并重，更加注重模型和參數(shù)的不確定性.

在評價模型時，經(jīng)常聽到“我才不管你怎樣算，只要給出‘合理’的結(jié)果就行”.潛意識中在回避模型本身的不確定性，將模型評測這個復雜的科學問題簡單化，把一個目前還相對“灰色”的模型評測問題變成了僅以結(jié)果來確定是與否的“黑白”問題.不重視甚或忽略模型和參數(shù)不確定性一直是制約國產(chǎn)軟件發(fā)展的最主要瓶頸之一.

數(shù)學模型是對描述對象規(guī)律性認識的數(shù)學化表述，其主要誤差包括數(shù)值誤差、物理誤差和邊界誤差等.數(shù)值誤差指計算機本身帶來的可能誤差和數(shù)值方法產(chǎn)生的誤差;物理誤差指模型所描述的物理現(xiàn)象數(shù)學表述不完備或簡化處理而引起的誤差;邊界誤差主要指初、邊界條件表達不完備所引起的誤差.James Westervelt在其專著中還提出諸如被排除在外的因素引起的誤差、內(nèi)含誤差、不正確的算法、不合適的內(nèi)插和外推、不合適的時間和空間分辨率、不合適的時間步長算法、不正確的輸入、不合適的執(zhí)行次序等因素所帶來的誤差.隨著數(shù)學模型的大量研發(fā)和應用，使我們逐步認識到，在任何建模工作中，誤差源是大量的，有時令人驚訝.對模型人員的挑戰(zhàn)是要敢于承認模型和參數(shù)的不確定性，追蹤確認與模型相伴的實際誤差，并了解這些誤差對于模型為之服務的管理決策的可能影響等［16］.

(4)在面向流域管理的集成建模上，由公共用戶界面、科學模型集成于管理模型的底層、轉(zhuǎn)化為管理模型的模塊轉(zhuǎn)向公共開發(fā)環(huán)境建設.

流域集成建模方法從發(fā)展階段來講，主要包括公共用戶界面方法、科學模型集成于管理模型的底層、科學模型轉(zhuǎn)化為管理模型的模塊等(如圖1)［16－17］.公共用戶界面方法是已有的科學模型集中放置在公共用戶界面之后，由它來逐個調(diào)用.該方法一般只是適合于科學家和工程師.將科學模型集成于管理模型的底層，可以使用非直接的方式調(diào)用模型，或者那些運行模型的科學家對它們進行參數(shù)化.該方法一則受限于原模型的數(shù)據(jù)定義、時空分割方法等;二則需要順序執(zhí)行模型，如果模擬模型不斷改變其他模型作為(在啟動時)固定狀態(tài)的條件，這種方法就不適應了.舍棄已有科學模擬模型的用戶界面和數(shù)據(jù)輸入，將其轉(zhuǎn)化為管理模型的模塊或子程序，并且采用多個模型同步運行的公共執(zhí)行環(huán)境(如美國地質(zhì)調(diào)查局的模塊建模系統(tǒng)(MMS)等)，其不足之處在于:模擬模塊依然存在由數(shù)據(jù)定義、內(nèi)部數(shù)據(jù)格式、通信中的低效率所造成的問題等.

從計算機科學的角度，最徹底的集成方法是從頭開發(fā)新軟件.從底層集成避免軟件之間接口的復雜性，這是因為不同軟件是在不同的時間和地點，使用不同的語言和方法開發(fā)的.如通用的地理信息系統(tǒng).當前的挑戰(zhàn)是建立一個用于開發(fā)大量集成化軟件組件的公共開發(fā)環(huán)境.近階段，解建倉等［18］提出的“知識可視化綜合集成支持平臺”，為流域集成建模和水利信息化綜合集成應用提供了新的模式和平臺.以平臺為核心的應用模式如圖1所示，該過程反映開發(fā)方法和具體使用平臺的步驟:①專家或決策者在腦海中形成主題.包括靈感觸發(fā)，思想形成到明確主題.②概念形成.繪制知識圖，將主題轉(zhuǎn)化為整體或者上層概念，通過知識圖著作工具進一步細化概念.③關系的形成，通過知識圖概念關系的連接，優(yōu)化概念結(jié)構，反復逼近，獲得滿意的主知識圖.④主知識圖分解為子知識圖，即從定性到定量的轉(zhuǎn)換，具體表現(xiàn)在概念向方法、模型的轉(zhuǎn)換，主知識圖向有方法和關系形成子知識圖的轉(zhuǎn)換.⑤數(shù)據(jù)模型關聯(lián)，即定量表達，具體表現(xiàn)在知識圖與組件關聯(lián)，這需要以組件為核心應用模式的強力支持.⑥應用的部署和使用.平臺還提供應用運行環(huán)境，即將編輯好的知識圖加載到運行環(huán)境中執(zhí)行.

圖1 以平臺為核心的應用模式Fig.1 The application model with platform as its core

(5)在支撐途徑上，更加注重多源數(shù)據(jù)同化，更加注重以模型關鍵參量和物理圖式確定基礎性研究.

“數(shù)據(jù)同化”是由早期氣象學中的“分析”(Analysis)技術發(fā)展而來的，其基本含義是:根據(jù)一定的優(yōu)化標準和方法，將不同空間、不同時間、采用不同觀測手段獲得的觀測數(shù)據(jù)與數(shù)學模型有機結(jié)合，納入統(tǒng)一的分析與預報系統(tǒng)，建立模型與數(shù)據(jù)相互協(xié)調(diào)的優(yōu)化關系［19］.數(shù)據(jù)同化可為數(shù)值計算、數(shù)值預報提供初始場、邊界條件，確定某些難以觀測的輸入量;同時，模型中的某些參數(shù)也可以通過同化得到優(yōu)化.因而，利用數(shù)據(jù)同化技術可以最大限度地提取觀測數(shù)據(jù)所包含的有效信息，提高和改進分析與預報系統(tǒng)的性能.目前發(fā)展的數(shù)據(jù)同化方法有很多種，如多項式內(nèi)插法、最優(yōu)插值法、客觀分析法、Blending法、Nubging法、卡爾曼濾波法、變分伴隨法等.以上方法已在氣象學和海洋學領域得到廣泛應用［20－21］，水利行業(yè)中也有涉及［22－23］.

業(yè)務應用是規(guī)律研究和模型建設的目的和歸宿，并為其提供需求和檢驗平臺;規(guī)律研究可以為數(shù)學模型和業(yè)務應用提供基礎支撐;模型作為“中介”，是聯(lián)系業(yè)務應用和基本規(guī)律研究的紐帶，通過業(yè)務應用檢驗規(guī)律研究的可靠性.數(shù)學模型要求機理研究不僅能給出一個物理圖式，能定性描述，更要給出準確的數(shù)學公式，能定量表達.基本規(guī)律之于數(shù)學模型，猶如空氣和水之于人的生命，基本規(guī)律研究認識不清楚，流域模擬系統(tǒng)就沒有生命力，就不能持續(xù)健康發(fā)展.圍繞模型關鍵參量和物理圖式的確定，開展流域水循環(huán)及其伴生物質(zhì)演化過程規(guī)律性研究尤為必要且更具針對性.

3 模擬系統(tǒng)建設熱點和難點問題

針對流域數(shù)學模擬系統(tǒng)建設，當前研究的熱點和難點問題主要包括:

(1)數(shù)學模型不確定性及評價技術 不確定性研究的意義在于，它力圖反映河流水沙數(shù)值模擬能在多大程度上接近真實的過程，以便使用者做到心中有數(shù).主要研究方向包括:蒙特卡羅模擬等不確定性方法應用;模型誤差來源、概率分布及其量化表達方法;數(shù)學模型質(zhì)量評價準則及要素;數(shù)學模型評價標準用例建設等.

(2)數(shù)學模型復雜數(shù)據(jù)高效存取及其仿真可視化 針對數(shù)學模型復雜數(shù)據(jù)，研究流域數(shù)學模擬系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理技術，實現(xiàn)海量復雜數(shù)據(jù)高效訪問和存取;利用VTK等技術渲染模型結(jié)果復雜數(shù)據(jù);研究相關技術，實現(xiàn)遙感影像、DEM矢量數(shù)據(jù)、模型結(jié)果復雜數(shù)據(jù)的疊加耦合，以及基于流域?qū)嵕暗貓D環(huán)境的模型計算結(jié)果動態(tài)展示.

(3)協(xié)調(diào)大尺度和跨學科模型集成及云服務技術 主要包括:不同流態(tài)/空間尺度的高效能數(shù)值格式應用研究(如坡面產(chǎn)流與溯源沖刷時流態(tài)計算等);水－生態(tài)－經(jīng)濟等多時空尺度模型的雙向耦合技術;集成化軟件組件的公共開發(fā)環(huán)境開發(fā);數(shù)字流域平臺/軟件云服務技術等.

(4)卡爾曼濾波法和三維/四維變分同化技術應用 目的在于如何充分利用各類點/面觀測數(shù)據(jù)，獲得最佳的模式參數(shù)，構建適合的流域模型，減小觀測值和計算值之間的誤差;在復雜模型選擇和海量觀測數(shù)據(jù)提供間尋求平衡，提升無資料和不完全信息下水文過程預報精度.

(5)基于物聯(lián)網(wǎng)的混合虛擬河流試驗技術 混合虛擬河流試驗是將現(xiàn)實河流試驗和虛擬河流試驗結(jié)合、互動而形成的一種虛實耦合河流試驗方式，可以實現(xiàn)虛擬計算和現(xiàn)實模擬的同步.依據(jù)河流實體模型試驗的相關方法與技術［24－25］，重點建立包括虛擬河流試驗相似原理等的理論框架;探討野外河流試驗、室內(nèi)河流模型試驗與數(shù)字虛擬試驗的對應、關聯(lián)與互補關系，建立動態(tài)復雜性河流系統(tǒng)的試驗地理方法;設計與實現(xiàn)用于支持動態(tài)聯(lián)動試驗的傳感器網(wǎng)絡與實時信息傳輸技術，基于高性能計算、可視化地學協(xié)同技術，構建混合虛擬河流實驗的計算支撐與綜合集成協(xié)同研討環(huán)境.

(6)水循環(huán)及其多物質(zhì)輸移過程及模擬技術 如流域水文與地貌特征關系研究及量化表達;黃土高原坡溝耦合侵蝕過程及模擬方法研究;坡面產(chǎn)沙與溯源沖刷過程相似性及模擬方法研究;水流運動－泥沙輸移－河床演變?nèi)詈夏M理論與技術;河道河勢變化過程機理及模擬方法研究;波浪掀沙、潮流輸沙過程耦合及其模擬方法研究;高含沙水流環(huán)境下不同類屬污染物的沉降再懸浮、吸附解吸和降解過程及模擬方法研究;冰體熱力生消、封凍河流阻力變化等過程及模擬方法;水庫群聯(lián)合調(diào)度模擬與優(yōu)化耦合技術等.

［1］程國棟.黑河流域水－生態(tài)－經(jīng)濟系統(tǒng)綜合管理研究［M］.北京:科學出版社，2009.(CHENG Guo-dong.The integrated pest management of water-ecological-economic system in Heihe River Basin［M］.Beijing:Science Press，2009.(in Chinese))

［2］李新，程國棟.流域科學研究中的觀測和模型系統(tǒng)建設［J］.地球科學進展，2008，23(7):756-764.(LI Xin，CHENG Guo-dong.On the watershed observing and modeling systems［J］.Advances in Earth Science，2008，23(7):756-764.(in Chinese))

［3］李新，程國棟，康爾泗，等.數(shù)字黑河的思考與實踐3:模型集成［J］.地球科學進展，2008，25(8):851-865.(LI Xin，CHENG Guo-dong，KANG Er-si，et al.Digital Heihe River basin.3:model integration［J］.Advances in Earth Science，2008，25(8):851-865.(in Chinese))

［4］王光謙，劉家宏.數(shù)字流域模型［M］.北京:科學出版社，2006.(WANG Guang-qian，LIU Jia-hong.Digital basin model［M］.Beijing:Science Press，2006.(in Chinese))

［5］王光謙，李鐵鍵.黃河數(shù)字流域模型［J］.中國科技論文在線，2007，2(7):492-499.(WANG Guang-qian，LI Tie-jian.Digital Yellow River model［J］.Sciencepaper Online，2007，2(7):492-499.(in Chinese))

［6］王浩，賈仰文，王建華，等.黃河流域水資源及其演變規(guī)律研究［M］.北京:科學出版社，2010.(WANG Hao，JIA Yangwen，WANG Jian-hua，et al.Study on the Yellow River Basin's water resources and their evolutionary laws［M］.Beijing:Science Press，2010.(in Chinese))

［7］王浩，嚴登華，賈仰文，等.現(xiàn)代水文水資源學科體系及研究前沿和熱點問題［J］.水科學進展，2010，21(4):479-489.(WANG Hao，YAN Deng-hua，JIA Yang-wen，et al.Subject system of modern hydrology and water resources and research frontiers and hot issues［J］.Advances in Water Science，2010，21(4):479-489.(in Chinese))

［8］游進軍，甘泓，王浩.水資源配置模型研究現(xiàn)狀與展望［J］.水資源與水工程學報，2005，16(3):1-5.(YOU Jin-jun，GAN Hong，WANG Hao.Advance in water allocation model and prospect［J］.Journal of Water Resources ＆ Water Engineering，2005，16(3):1-5.(in Chinese))

［9］水利部黃河水利委員會.“數(shù)字黃河”工程數(shù)學模擬系統(tǒng)建設規(guī)劃報告［R］.鄭州:水利部黃河水利委員會，2009.(Yellow River Water Conservancy Commission.Report of the mathematical simulation system construction of“Digital Yellow River”project［R］.Zhengzhou:Yellow River Water Conservancy Commission，2009.(in Chinese))

［10］葉素飛.有壓箱涵雙孔出流水力特性研究［D］.南京:河海大學，2008:8-10.(YE Su-fei.Hydraulic characteristic study on double-pore outflow of pressure box culvert［D］.Nanjing:Hohai University，2008:8-10.(in Chinese))

［11］寧建國，馬天寶，王成.國內(nèi)外爆炸力學仿真軟件研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［C］∥中國科學院技術科學論壇第二十三次學術報告會議(CAE自主創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略)論文集，上海，2006.(NING Jian-guo，MA Tian-bao，WANG Cheng.Research and development trends of simulation software for explosion mechanics at home and abroad［C］∥Proceedings of Twenty-third Meeting of the Academic Report/Forum on Science and Technology of China Academic of Science:Development Strategy of CAE Independent Innovation，Shanghai，2006.(in Chinese))

［12］胡振東.多物理場耦合技術的研究進展與發(fā)展趨勢［EB/OL］.(2009－11－27)［2011－10－08］http:∥www.cntech.com.cn/news/media/2009－11/Multiphysics-Modeling-Trend.html.(HU Zhen-dong.Research and development trends of the coupled technology of multiple physical fields［EB/OL］.(2009－11－27)［2011－10－08］http:∥www.cntech.com.cn/news/media/2009－11/Multiphysics-Modeling-Trend.html.(in Chinese))

［13］黃柳青，王滿紅.構件中國－面向構件的方法與實踐［M］.北京:清華大學出版社，2006.(HUANG Liu-qing，WANG Man-hong.New software engineering:a component-oriented approach［M］.Beijing:Tsinghua University Press，2006.(in Chinese))

［14］黃柳青.軟件的涅磐［M］.北京:世界圖書出版公司，2005.(HUANG Liu-qing.Software parinirvana［M］.Beijing:WPC，2005.(in Chinese))

［15］杰拉爾德·溫伯格，丹尼斯·溫伯格.系統(tǒng)設計的一般原理［M］.張鎧，王佳，譯.北京:清華大學出版社，2005.(WEINBERG G M，WEINBERG D.General principles of systems design［M］.ZHANG Kai，WANG Jia.Beijing:Tsinghua University Press，2005.(in Chinese))

［16］詹姆斯·韋斯特程.流域管理的模擬建模［M］.程國棟，李新，王書功，譯.鄭州:黃河水利出版社，2004.(WESTERVELT J.Simulation modeling for watershed management［M］.CHENG Guo-dong，LI Xin，WANG Shu-gong.Zhengzhou:Yellow River Press，2004.(in Chinese))

［17］李紀人，潘世兵，張建立，等.中國數(shù)字流域［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.(LI Ji-ren，PAN Si-bing，ZHANG Jian-li，et al.Digital basin of China［M］.Beijing:Publishing House of Electronic Industry，2009.(in Chinese))

［18］解建倉，羅軍剛.水利信息化綜合集成服務平臺及應用模式［J］.水利信息化，2010，10(4):18-23.(XIE Jian-cang，LUO Jun-gang.Integrated service platform for the information explosion process in water resources industry and its application pattern［J］.Water Resource Information，2010，10(4):18-23.(in Chinese))

［19］韓桂軍，馬繼瑞，劉克修，等.四維變分數(shù)據(jù)同化在非線性潮汐模型數(shù)值計算中的應用研究［C］∥《專項學術交流會》籌備組.我國專屬經(jīng)濟區(qū)和大陸架勘測研究論文集，北京:海洋出版社，2002.(HAN Gui-jun，MA Ji-rui，LIU Ke-xiu，et al.A study on the application of 4D-VAR data assimilation for a non-linear numerical model of tide［C］∥Preparatory Group of Special Academic Exchange.Proceedings of China Exclusive Economic Zone and the Continental Shelf Survey，Beijing:China Ocean Press，2002.(in Chinese))

［20］王輝，劉桂梅，萬莉穎.數(shù)據(jù)同化在海洋生態(tài)模型中的應用和研究進展［J］.地球科學進展，2007，22(10):989-996.(WANG Hui，LIU Gui-mei，WAN Li-ying.Review on the data assimilation into marine ecosystem model［J］.Advance in Earth Science，2007，22(10):989-996.(in Chinese))

［21］費劍鋒，韓月琪，王云峰，等.擴展卡爾曼濾波數(shù)據(jù)同化試驗—基于Lorenz(1960)系統(tǒng)的研究［J］.氣象科學，2004，24(4):413-423.(FEI Jian-feng，HAN Yue-qi，WANG Yun-feng，et al.Data assimilation test on the extended Kalman filter—the study based on Lorenz(1960)model［J］.Scientia Meteorologica Sinica，2004，24(4):413-423.(in Chinese))

［22］俞云利，賴錫軍.二維平面非恒定流數(shù)學模型的遙感水位數(shù)據(jù)同化［J］.水科學進展，2008，19(2):224-231.(YU Yun-li，LAI Xi-jun.2D horizontal unsteady flow model for assimilating remote sensing water levels［J］.Advances in Water Science，2008，19(2):224-231.(in Chinese))

［23］黃勇，王穎.集合卡爾曼濾波在淺水模式數(shù)據(jù)同化中的應用［J］.解放軍理工大學學報:自然科學版，2008，9(1):85-90.(HUANG Yong，WANG Ying.Application of shallow water model by use of ensemble Kalman filter data assimilation［J］.Journal of PLA University of Science and Technology(Natural Science Edition)，2008，9(1):85-90.(in Chinese))

［24］龔建華，李文航，周潔萍，等.虛擬地理實驗概念框架與應用初探［J］.地理與地理信息科學，2009，25(1):18-21.(GONG Jian-hua，LI Wen-hang，ZHOU Jie-ping，et al.Exploring conceptual framework and application of virtual geographic experiments［J］.Geography and Geo-Information Science，2009，25(1):18-21.(in Chinese))

［25］龔建華，周潔萍，張利輝.虛擬地理環(huán)境研究進展與理論框架［J］.地球科學進展，2010，25(9):915-926.(GONG Jian-hua，ZHOU Jie-ping，ZHANG Li-hui.Study progress and theoretical framework of virtual geographic environments［J］.Advances in Earth Science，2010，25(9):915-926.(in Chinese))