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数学模型里的治黄愿景

本站记者 李银鸽

编者按:

  青年是国家的未来、民族的希望。维护黄河健康生命,促进流域人水和谐,治黄青年科技人才扮演着不可或缺的角色。他们奉献智慧和辛劳,挥洒青春和汗水,在推动治黄科研事业发展中谱写着美好篇章。

  在黄河水利科学研究院超算中心,电脑屏幕上正在呈现模拟小浪底水库与黄河下游河道洪水演进过程的动画,点击屏幕可以显示洪水过程中流量、流速、淹没水深和淹没面积等信息。这些直观、生动的数字信息获取,背后离不开核心业务数学模型的支撑。窦身堂博士就是数学模型的主要研发者,黄河数学模型攻关组核心成员。

投身治黄 学以致用

  求学期间,窦身堂一直很喜欢数学,特别是对高等数学和数学计算方法等课程充满兴趣,着迷于数学的魅力。攻读研究生时,他毫不犹豫地选择了河流数值模拟方向,师从国内有名的河流数学模型领域专家杨国录教授和余明辉教授,开始了河流数学模型学习与研究。

  2009年,博士即将毕业的窦身堂与黄科院余欣副院长(时为泥沙所副所长、黄河数学模型首席专家)相谈甚为投契。他放弃了其他多份工作邀请,抱着对黄河的热爱以及探索黄河奥秘的热情,加入到了治黄科研队伍中,开始向治黄工作者的身份转换。

  与一般河流不同,黄河高含沙水流特性复杂,河势变化迅速,河道内部边界及河床阻力多样,生产堤溃口引起河床边界实时调整。面对这些难题,如何能够把握黄河宏观规律并准确反映具体细节,使得在学校学习的基本理论和技术方法得以充分发挥,让自己“有劲使得上”?这是一开始接触治黄工作的窦身堂一直在思考,并付诸行动的首要问题。他不断向治黄前辈们取经、借鉴和吸收相关学术观点与研究思路,利用最短的时间完成身份转变。

  同时,他紧追国内外最新的泥沙基本理论研究成果和模型软件的开发进展,加强对河流数学模型相关知识的积累与更新。2011至2014年,窦身堂在中国科学院寒区旱区环境与工程研究所进行博士后研究工作,并以“全优”成绩出站,通过科研交流与学术报告,开拓了学术视野和研究思路。

  正是树立“终身学习”理念,不断提高自身科研能力,学以致用、推动了工作的创新。

攻坚克难 勇于创新

  “做数学模型时,在准确把握物理实质的基础上,借助理论推导形成计算模式,将头脑中的构想最终以形象化的方式呈现出来,这就像在做一件艺术品。”从窦身堂的言谈中就能深切地感受到,他是一位对自己工作充满热情,也乐在其中的年轻人。

  根据业务需要和团队工作安排,窦身堂最初负责针对多沙河流水库存在的溯源冲刷和支流倒灌等特殊问题,建立合理有效的计算模式对该过程予以准确模拟,以反映多沙河流水库的复杂输沙机制。艰难的任务,既考验一个人的能力,也考验一个人的耐力。窦身堂反复查阅文献资料,虚心咨询同行专家,逐步把握问题实质与内涵,掌握了解决问题的宏观理念和技术细节,继而全力投入到对该问题的理论分析、数理推导、模式建立与程序编制之中,最终基于最新的理论成果和计算方法,形成功能完善、计算结果可靠的水库水沙动力学模型,为每年调水调沙方案制定和汛期防洪预案编制提供技术支撑。多沙河流水库干支流倒灌和溯源冲刷模块,这两项成果作为主要创新点,先后获得黄委科技进步一等奖和大禹水利科学技术一等奖。

  随后,窦身堂与团队成员一起,联合研发了小浪底水库立面二维水沙模型,可模拟库区泥沙垂线分布和不同闸门开闭组合下的排沙出库情况,为水库精细调度研究提供技术支撑;主导研发了计算区域多种网格的高效生成方法,利用混合网格生成技术解决了黄河下游“主槽一条线、滩地一大片”、内外边界复杂网格生成不易的难题,为黄河下游洪水演进高效计算奠定了基础,提高时效性和计算精度;建成了小花间无控区二维模型,实现小浪底水库以下河道的整体模拟;深入推进水流—潮流—波流—泥沙—水环境三维教学模型研发,实现河口区、水库坝区及涉水建筑物局部冲刷等过程的统一精细模拟。作为主要完成人研发的河道数学模型,通过国家防办组织开展了洪水风险图编制项目软件遴选,入选国家洪水风险图编制软件名录。

  研究的创新成果被广泛认可。发表学术论文20余篇,专著合著4部;近5年来,主持国家自然基金2项,国家和省部级专题5项,负责中央级公益性科研院所长基金2项;获大禹水利科技进步一等奖1项,黄河水利委员会科技进步一等奖4项,二等奖1项,黄河博士论坛一等奖。

心怀愿景 一往无前

  窦身堂要求自己做个科研的“有心”人,所谓的“有心”,在窦身堂看来就是做事用心、有职业良心,不能放弃自己的责任。就像黄科院泥沙所所长李勇教授评价他时所说:“既有‘冒着点傻气’的奉献精神,也有‘自作多情’的责任意识。”

  正是这种奉献精神使他始终坚持一种信念:用智慧和汗水,投身水利科研,为科技治黄尽微薄之力。窦身堂的同事都说他是一个勤奋又较真的人,不论负责的哪个项目,他都要尽最大的努力做到最好,所以加班便成了家常便饭。但是窦身堂认为即使做了最充分准备,很多时候也很难做到尽善尽美,只有更加努力,才能在力所能及的条件下让做出来的成果更加接近完美。

  在窦身堂看来,建设黄河数学模型是一件历久弥新,越做越有挑战的事。数学模型是从基本理论到数学公式再到模型的过程,也就是将人的语言转化成数学语言,之后转化为计算机语言,最后输出成为直观、易用的模拟系统。

  然而,随着经济社会的不断发展,人们对黄河的理论研究不断深入,模型软件也在不断开发更新,甚至黄河自然条件也会因时间的推进而发生变化。就像手机系统的会随着科技进步和用户需求不断更新操作系统一样,黄河数学模型建设也会处于一个不断更新换代的过程中。做得越深入,越发现要解决的问题太多。

  目前,黄河数学模型主要应用于对已提出的理论给予技术支撑或者因工程需要进行模拟实验。窦身堂认为黄河数学模型下一步的发展应该是以黄河流域河流自然、经济社会和环境生态三方面相互制约、互为影响的态势对黄河流域综合一体化管理提出的新要求为指导,建立综合化、精细化的一体化模型,引领治黄工程建设与管理,进一步提高治黄的主动性。

  科研不是坦途,而是一条充满了挑战与希望的未知之路。窦身堂正在与团队按照“研发—集成—推广—应用”的总体思路,努力“打造一流的现代科研团队,构建一流的黄河数学模拟系统”,实现美好的治黄愿景。


发布时间:2017年04月18日 责任编辑:范江涛  来源:
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