逐浪淘沙引领大河之舞
——记“流域水沙过程与临界调控机理”创新群体

来源:科学时报 2010-12-01

  现在,只要在搜索引擎里输入“清华数字流域模型”,就能找到一个面向大尺度流域的分布式水沙模型。这个模型事实上是一个可视化程度较高,功能较齐全的流域模拟软件平台,它可以为防洪减灾、洪水预报、土壤侵蚀模拟、水土保持规划、流域综合管理、水资源分配等提供技术支持与服务,在流域规划和管理工作中具有广阔的应用前景。

  事实上,该模型已经被成功应用于流域水资源量计算、洪水模拟、侵蚀产沙、淤地坝规划等领域;并在黄河流域水资源调度、汶川地震唐家山堰塞湖排险等重要事件中发挥了关键作用。

  “这个模型更应该称为‘基金委数字流域模型’,因为没有创新群体科学基金就可能不会有这个模型的诞生。”模型的主要设计与搭建者群体学术带头人中国科学院院士王光谦告诉《科学时报》记者。

  创新群体基金助力泥沙研究

  这要从王光谦团队对泥沙问题的研究说起。

  “我国大江大河众多,许多河流特别是以黄河为代表的北方河流由于水土流失严重,大量的泥沙从流域内侵蚀而下,并被输移到河流中,使得河流挟带了大量的泥沙,造成河道和水库的严重淤积抬高,这不仅给水利水电工程建设带来了许多问题,也给河道防洪、沿岸工农业发展和人民生活带来了严重的影响。与水资源问题相比,泥沙问题在我国尤为突出。因此,关于泥沙问题的研究具有关系国计民生的重要意义。”王光谦说。

  我国也因此成为唯一一个设有专门的泥沙学科的国家。

  王光谦团队一直致力于泥沙学科与黄河治理的相关研究,在本世纪初的时候,他们开始试图将传统的河流泥沙研究推广到流域尺度上的泥沙运动研究,将河流演变与流域气候(降雨)、地表特征和人类活动等因素变化直接联系起来。这就需要建立一个具有多层空间分辨率的、模型参数可以容易获取的、能够实现并行计算的全流域级整体模型,即数字流域模型。

  王光谦解释说:“研究要建立的数字流域模型是定位于大范围、全流域级的水文过程模拟,传统的模型构建思路、参数获取方法、数据存取方式、模型计算机制都很难满足大流域模型的需要。因此,必须在研究中提出大量新的关键技术。”

  本来因为这项工作的前途未卜,风险极大,王光谦团队只是想零敲碎打地逐步进行。创新群体基金的设立改变了王光谦的想法。

  创新研究群体科学基金不同于一般的研究项目,也不同于一般的人才基金,它将对以优秀科学家为带头人的研究群体给予持续稳定和较高强度的经费支持。这对于集聚优势人才,保障优秀科学家集中时间和精力,潜心钻研,自由探索创造了宽松的环境。

  王光谦说:“当时我们的研究已经开始,但是在获得创新群体基金资助后我们开始作长远打算,设定科学目标和研究计划时更加前瞻和系统,也敢于触碰风险较大的研究领域。”创新群体独特的评价和审查机制也让“流域水沙过程与临界调控机理”群体顺利获得了2期资助。

  突破5大关键技术问题

  王光谦群体首先对原有水文模型的不足进行了深入研究。原有模型多以中小流域(面积小于1万平方公里)为研究对象,而现代的流域治理规划不仅要考虑一次降水过程的水文响应,而且还要揭示较长系列的水文周期及水沙情势的变化趋势,因此原有模型很难从时空尺度上满足人们的这种需要;另外,原有模型在模拟大流域、长时间序列的水文过程时,由于计算时间过长、数据存储量过大、模型参数获取困难等原因,使其应用受到很大的限制。

  因此,需要建立一个具有多层空间分辨率的、模型参数可以容易获取的、能够实现并行计算的全流域级整体模型,即数字流域模型。

  而数字流域模型的建立需要解决5项关键技术问题,即:大流域DEM数据存取技术、流域沟道参数提取技术、基于遥感图像的模型参数提取技术、分布式降水量数据存取技术和计算机集群并行计算技术。

  另外,还有许多基础性的问题需要解决。例如,流域的划分、分级与编码。王光谦群体设计的数字流域模型采用三级划分的流域层次,模型中的汇流、泥沙与污染物输移等算法都需要在三级河网上计算和表示。为实现在多级河网上高效的拓扑关系运算,需要提出一种更为科学的适合数字流域模型的河网编码方法。这就像人口越多的国家,身份证号码的位数就必须越多一样。

  王光谦群体提出了一种基于二叉树理论,并以二元形式表示的河网编码方法。这种编码方法能够实现任意河段的直接定位和高效的拓扑关系运算。他们还将流域划分成大量的坡面单元,以坡面为基础,通过汇流和叠加得到全流域的水沙模拟结果。每个坡面单元的面积与自然界中实际的坡面面积大致相当,由于在自然界中,不论是大流域还是小流域都由“坡面+沟道”组成的,因此可以通过坡面数量的多少来反映大小不同的流域。模型采用这种划分和组合机制,能够用于大至几十万平方公里,小至一个坡面单元(1平方公里,乃至0.1平方公里)的流域径流、泥沙模拟和预测。

  就这样,在数字流域模型的建设实践中,王光谦群体探讨了各个关键技术问题的解决方法:用分块技术解决大流域DEM数据的存取问题,用TOPAZ模块提取流域沟道参数,从遥感图像提取模型分布式参数,用雨量站插值技术提取面雨量序列,用计算机并行计算技术打破大流域整体模型的计算瓶颈。这些关键技术的研究和应用为数字流域模型的建立奠定了基础。

  从河流泥沙到流域泥沙

  在克服了一个又一个技术难题后,清华数字流域模型真正成为了一个功能较齐全的流域模拟软件平台,并开始在流域综合管理、水资源分配、洪水预报和水土保持等方面大显身手。

  它让黄河全流域实现了统一的水量调度,合理分配使用水资源,让母亲河不再断流从此有了技术支撑。

  汶川地震导致大量堰塞湖形成。王光谦等依托数字流域模型,对各个堰塞湖抢险工程进行全面技术支持。

  王光谦群体的成果远不止是一个数字流域模型。他们已经将传统的河流泥沙研究推广到流域尺度上的泥沙运动研究,将河流演变与流域气候(降雨)、地表特征和人类活动等因素变化直接联系起来。

  此外,通过实地考察结合数值模拟、动床模型试验、遥感分析等关键技术,王光谦群体提出了描述游荡性河流演变规律的理论公式,建立起适用于游荡性河流的数值和物理模型。如今,项目成果应用于黄河、塔里木河河流整治与南水北调穿河工程实践中,为输水、堤防工程建设提供参数,并对工程布置进行优化,从而经济有效地保护了河流的堤防安全,改善了河道两岸生态环境。

  特别值得一提的是,清华数字流域模型采用了模型库的思想,提供了坡面降雨径流和坡面产输沙模型的源代码,用户可以免费下载及修改,其用户还可以自行修改模型源代码,构造自己的模型并覆盖原有模块。

  “虽然模型是针对黄河开发的,但也可以继续完善以用于长江和珠江等其他大江大河,我们愿意把我们的研究成果拿出来与大家分享,希望能够为我国从事水利学科特别是泥沙学科研究的同仁少做一些重复性工作作一些贡献。”王光谦说。 (陈晨)

2010年12月01日 09:53:55  清华新闻网

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