一、系统建设的必要性
（１）“数字黄河”工程建设的迫切需要。目前，数学模型模拟与基本理论研究、原型资料分析、实体模型试验构成水科学研究的主要技术手段，作为“数字黄河”的核心和灵魂，数学模型的水平决定着“数字黄河”工程的建设水平，构建黄河模型系统是“数字黄河”工程建设发展的必然要求。
（２）黄河水沙科学规律研究和定量表述的要求。用数学模型模拟复杂的物理过程，有助于对复杂物理问题的认识；通过模拟试验既可以了解运动结果，又可以了解运动整体的与局部的细致过程，有助于深刻地了解运动过程，揭示新的规律。另一方面，已有的对黄河水沙输移规律的认识，有必要通过模型进行数学描述，实现水利科技向现实生产力的转化。再者，数学模型的研究应用可以加快黄河水沙科学的数学化过程，促进其从力学机理的角度开展规律研究，而不仅仅徘徊于对水沙现象的简单描述。
（３）数学模型可持续发展的要求。目前，黄河数学模型存在总体结构设计粗糙、功能单一、计算时效和计算精度有限、与ｉｔ技术结合不足且低水平重复建设严重等问题。其发展后劲不足且难以满足黄河治理开发和管理的要求，因此，加快黄河数学模型建设，也是数学模型可持续发展的要求和流域治理、开发和管理的现实要求。
二、建设目标及原则
２．１ 建设目标
建成具有黄委知识产权的、基于ｇｉｓ的河流、潮流、泥沙、河冰、水质、产流产沙耦合的黄河数学模型系统，直接为黄河防洪减灾、水资源管理与调度和水资源保护提供技术支撑和决策支持。模型系统要突出黄河特色，并在国内外有较强影响力。
２．２ 建设原则
（１）以我为主、博采众长。“以我为主”是基于黄委对黄河水沙规律有深刻全面的把握，同时是黄河治理开发可持续发展对技术和人才的要求；“博采众长”是基于国内外在数学模型研发方面有可供借鉴的成功经验，要以开放的心态吸收各种智力资源。
（２）实用先进。所谓先进要求模型表述的规律符合三大定律、ｃｆｄ、传质输移力学等；所谓实用要求模型能突出黄河水沙特点、计算精度满足工程要求、匹配现有观测条件，在预测计算时有可操作性。
三、技术路线
模型系统建设是一个多学科的综合性研究课题，要坚持“多手段兼施，多途径并举”的路线。
（１）加强应用性研究。根据模型建设需要，结合黄河含沙量高、河势游荡、冲淤变化迅速、边界复杂等特点，有目的地开展关键性技术问题攻关，掌握表达对象的物理机制。
（２）开展广泛的模型调研和实地查勘。强化后发优势，分析综合已有成果，去伪存真，保证工作的高起点，同时对模拟对象的物理特征要全面把握。
（３）与“原型黄河”和“模型黄河”相结合。 “三条黄河”既要相互适应，更要相互促动，以促动求共同发展。
四、建设内容
４．１ 模型开发
４．１．１ 二维模型系统构建
主要包括平面二维河道洪水演进、水库及河道泥沙输移和污染物迁移模型、黄河口平面二维潮流输沙模型和中游淤地坝溃坝分析模型。
二维河道洪水演进模型，拟采用质量及动量守恒性较好的有限体积法，通过求解黎曼近似解构造相应数值格式，同时考虑游荡性河道河岸冲刷和崩塌模拟，并与滩区及滞洪区灾情评估模型耦合；开发污染物迁移转化模拟构件，并作为共用构件；在二维河道模型基础上，将模拟区域和功能适当扩展，开发水库泥沙输移和污染物迁移模型主要进行库区水沙输移、库岸坍塌以及库区污染物对流扩散、水温、泥沙吸附、浮游植物和ｐｈ值模拟等。黄河口平面二维潮流输沙模型主要模拟盐水侵蚀、潮流、风生流、波浪流以及变化环境下海岸带动力变化过程。中游淤地坝溃坝分析模型主要作为水库安全评价及风险分析的主要工具，模拟分析中游大量淤地坝之安全情况和溃坝后洪水变化过程。
４．１．２ 一维模型系统构建
全面整合现有黄河中游水库和下游河道一维水动力学模型，同时与水质构件、流域产流产沙构件、河冰构件耦合，建立流域、水库及河网模拟系统。水库一维非恒定流水沙模型在考虑水库防洪运用和调水调沙运用方式后，可以用于黄河中游四库联合调度；若考虑浑水水库环境下泥沙群体沉降和异重流爬高行为下动能与势能转化过程，可以作为浑水水库模型；流域产流产沙构件主要考虑分布式水文模型，河冰构件可以采用已有构件。
一维模型系统构建，可以“一揽子”解决黄土高原区产沙、中游水库联合调度、下游河道非恒定流洪水演进预报、枯水条件下水量调度和水质评价的模拟仿真。
４．１．３ 三维模型系统构建
开发多沙河流河道及水库三维水沙数学模型。建立小浪底库区三维模型，全面模拟干流洪水实时调度和水库调水调沙运用环境下，支流“拦门沙”形态、异重流产生及输移、浑水水库输沙变化、满足水库和下游河道减淤排沙洞、孔板洞和明流洞等泄水建筑物不同运用组合下出库流量、含沙量和级配过程。河道三维水沙模型将为河道整治工程规划、跨河桥涵建筑物设计和取水工程布设提供空间动力场。
４．１．４ 黄河防洪智能应急响应系统
以建立的数学模型系统为核心，耦合嵌套“小花间洪水预警预报系统”和“中游四库联合调度模型”及“黄河下游洪水演进及灾情评估模型”。利用ｇｉｓ提供关于地图、卫星遥感影像、土地分类、海拔数据等空间地理信息数据，结合防汛指挥子系统、实时监测子系统对洪灾造成的破坏进行评估，对于洪水状态进行预测，对所要形成的破坏进行评估及预警，为防洪减灾提供决策支持平台。
４．２ 关键技术问题研究
初步考虑需重点研究的课题包括。强健数值格式和算法应用研究；模型测试方案设计技术研究；网格自动生成及动态调整技术研究；模型可视化系统研究；数学模型计算误差可信度的水科学信息技术应用研究；变动水位环境下大坝、库周及下游游荡性河道冲刷坍塌模拟技术；二维动床阻力和水流挟沙力、二维扩散方程边界条件确定研究；高含沙水流条件下污染物迁移转化规律研究等。
五、其它问题
５．１ 数据质量
数学模型主要通过“数据驱动”，数值全面性、时效性、准确性决定了模型的功能和质量。
（１）全面性。数学模型要适应原型观测，也要注意挖掘原型观测的潜力，能用实测资料尽量用实测数据，减少因数据提供不足而产生的误差。
（２）时效性。在实时预报时，对时效性要求是显而易见的，目前，振动式测沙仪、ａｄｃｐ、激光粒度仪等先进测验仪器不断应用，实时数据获取成为可能。另外一种情况是对河床边界而言，当河道边界条件发生显著变化时，要及时进行测量；河势及滩地地物地貌变化，应考虑尽快利用卫星影像进行遥测。
（３）准确性。数学模型的精度不可能高于实测资料的精度，因此，提高数据精确性是提升模型模拟精度的主要途径之一。为描述不同尺度的河床演变行为，应注重河道特别是游荡性河段断面加密测验建设；历史河道情况要尽可能还其原貌，以提高率定参数的合理性。
５．２ 运行环境
稳定快捷的模型运行环境是模型实用性的重要保障，也是推动二维和三维模型发展应用的主要“催化剂”。
（１）稳定性。大尺度、多传质数值模拟运行时间较长，稳定的计算机操作系统和应用平台是必须的。因此，要求网络系统、数据传输系统稳定安全，在洪水期异常天气环境下尤显重要。
（２）误差可控制性。数学模型误差主要源于浮点运算舍入误差、模型系统误差和数据测验误差。对浮点运算舍入误差可以利用双精度加以控制；模型系统误差主要通过“知识更新”、“反复训练”等途径解决；数据测验误差要做到“心中有数”。
（３）计算快捷性。在依靠计算机升级换代的同时，可以考虑计算网格和数值算法优化，１ｄ、２ｄ、３ｄ模型嵌套，分段模拟计算，同时要研究采用并行计算的可行性。
５．３ 规范运作
（１）模型系统建设应按照“软件工程”标准执行，在源代码编制阶段要成立模型编程小组，同时要有程序验证员和注释员；（２）对模型开发过程中产生的各种技术文件要建立档案，保证模型研发过程的可追溯性；（３）要严格遵循总体设计～详细设计～模块编程～构件测试～构件耦合～模型率定～模型验证～模型试运行等步骤要求，由“利益无关”者进行测试、审核和审查验收。
５．４ 后期维护
黄河数学模型研发要长期规划，协调好建设与管理的关系。为此要作好以下工作：（１）模型系统建设要尽可能使用工业标准化非核心的软件（２）系统建设要注重核心构件的可扩展性；（３）加快数据中心建设；（４）注意研发工作的阶段性和连续性，稳定模型研发队伍，注重人才培养。
六、结语
立足“三条黄河”建设，从黄河治理开发长远发展和现状资源考虑，建设黄河数学模型系统是具有战略眼光的。黄河数学模型系统建设可以直接为黄河防洪减灾、水资源调度与管理、水污染防治提供决策支持，同时也可以为国内其它模型系统建设和其它流域机构管理提供示范和借鉴。
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