英特-智水之洱海行

 楔子

      大理洱海监控预警系统（以下简称“洱海系统”）的建设发轫于2017年，经过长达三年多的持续努力，到2020年基本完成了底层核心模型体系及预警模块的构建和初步完善，并从2020年下半年开始向智慧洱海系统演化，正式进入决策支撑板块构建和洱海保护治理实际决策支撑应用的新阶段。

      到目前为止，洱海系统已经为洱海流域保护治理进行了大量的决策支撑工作，并逐步成为洱海多领域研究成果的融合平台和洱海治理决策支撑的智能中枢。近两年来，洱海系统在国内已经产生了广泛的影响，大量来自全国各地的专家、学者和流域管理人员都到大理实地考察和参观过这个系统。英特-智水团队作为洱海系统核心模型体系的构建者，经常会收到来自全国很多单位同行们的问题，大家都热切地希望我们分享一些在构造洱海模型体系和进行核心决策支撑服务过程中的经验和感悟，以期在未来国内其他流域的保护中，帮助大家沿着一条被证明是正确有效的道路前进。

      为此，最近邹老师安排英特-智水的同学们把我们在洱海模型体系研发、构建和应用过程中的经历经验写成一个一个的小故事进行系列分享，希望为中国流域治理走上智能流域管理的道路贡献我们的一点绵薄之力。洱海系统实际上是“智能流域管理”理论和技术体系的首次落地应用，是一个世界先进的流域管理理念的实体化。就如任何一个新生事物的诞生和成长过程一样，洱海系统的构建和应用过程也是充满了大量艰苦卓绝和痛苦的探索，但同时，在这痛苦的探索中我们也一次又一次享受到柳暗花明时的狂喜，感受到一次又一次听到当地的领导和专家说“ “时的满足感。因此，我们的分享，将不只是单纯地对一些技术内容的枯燥的描述，而是在分享技术经验的同时，也分享我们这一路行来所经历的痛苦和快乐。

     这是一次关于在智能流域管理之路上旅行的叙述，我们就姑且把这个系列的分享称之为洱海行罢，英特-智水之洱海行。

在开始之前，我们要对所有在洱海系统构建过程中向我们提供过无私帮助的众多单位表示感谢：大理州洱海管理局（原大理州洱海流域保护局），感谢你们在项目执行过程中所给予的全方位支持，无论是在数据协调、需求分析、提供研究资源和精神鼓励方面，你们都给予了巨大的帮助；云南省生态环境科学研究院，感谢你们在洱海流域基础调研和数据收集方面提供的帮助和你们长期的友谊；四创科技，感谢你们在洱海系统建设过程中与我们的携手同行；大理州气象局、大理州水文局、大理州生态环境局、大理市洱海管理局、上海交通大学云南（大理）研究院、大理州洱海湖泊研究院、中国环境科学研究院、大理州生态环境监测站、大理海东开发管理委员会、大理市住建局等，感谢你们提供的大量水文、气象、水质水生态监测数据，为洱海模型体系的构建提供了良好的数据基础；我们还要感谢这几年在大理帮助和陪伴过我们的所有的人，无论是知名还是不知名的朋友们，是你们的热情让我们心里感到无比温暖，是你们对洱海的热爱让我们觉得所有的辛苦都更加值得，是你们的支持，让我们能够更顺利地推进我们对洱海的研究；最后，我们也感谢那下关的风，上关的花，苍山的雪，还有洱海的月，是你们的存在，让我们的洱海之行充满美的色彩！

第一集白云出岫

                文静篇

      大家好，我是英特-智水2015级的一员，姓马名文静。其实在很多人眼里我一点都不文静，因为我特别爱笑，而且笑声有点儿扰民哈哈。我大笑的豪爽度在团队里面仅次于我们的陈星博士，而和晓玲博士不相上下，这让我有点儿小骄傲。

      邹老师说，创立团队时，心里想的原是雅典学园这样的存在。他希望英特-智水是这样的地方，可以让一群热爱学问的人在一起，像那些古代的先哲们一样，快乐地进行持续一生的学习和研究。所以，团队里面的人都以同学而不是同事相称，而我们大家也都根据入门先后自然而然地成为了“师兄”、“师弟”、“师姐”和“师妹”。2015级，其实到现在也只不过是六年级，只因为后面还有大批“低年级”的同学，所以我就顺理成章成了同学们口中的”马师姐”，有时就连邹老师也玩笑般地这么叫我。

      2015年研究生毕业后，我加入英特-智水团队，然后在邹老师的指导下进行了江西八里湖、江苏吴淞江、安徽太平湖等相关的几个流域模型的研究。其实研究生期间我是摸索过几年流域模型的，硕士论文就是以HSPF模型为题。不过在跟着邹老师开始学习模型后，我却觉得自己以前就像没有学过模型一般，一切仿佛回到了起点。所以在英特-智水进行的那几个流域模型的学习和探索，让我感觉到自己便如经过了易筋洗髓，慢慢开始对模型有了比较深的体会。

      人若沉浸在一种狂热的学习状态中，时间过得尤其的快。一转眼就是2017年夏天，邹老师因为洱海系统的事情正式回国了。他后来给我们分享过他在回国的飞机上做的一首诗“万里浮云归国门，心忧万顷困浊浑。愿有才力解江海，敢将翰墨写昆仑。”他说这个万顷，直接意思是洱海，深一层的涵义则是我们中国的江河湖海。不过，一切美好的道路，都需要一个开始，我们就从洱海开始，把我们的智能流域管理之路从蓝图变成真正的存在吧。就这样，我们一群同学跟着邹老师，带着希望和理想来到了洱海，开始了这一次绵延至今的洱海之行。

      洱海，是大理的母亲湖，也是中国的西南明珠，历来就以清波如镜、钟灵毓秀而全国闻名。但是近20多年来，随着流域社会经济发展带来的影响，这颗明珠的光彩开始出现了黯淡之色。保护洱海，已是刻不容缓。在大理，无论走到哪里，都能够看到“洱海清，大理兴”的标语。记得邹老师有次提到这个“大理兴，洱海清”，恰似两个相辅相成的视角。不能脱离环境谈发展，也不能脱离发展谈环境，二者就仿佛道的阴阳。

      我们在洱海所进行的工作名叫大理洱海监控预警系统项目，我们负责整个系统的核心模型体系和预警引擎的建设，包括洱海流域水文与污染负荷模型、洱海湖体三维水动力水质模型、洱海湖体三维水生态模型和洱海三维数值源解析模型等。洱海流域极其复杂，流域内的水系之间的各种截流分水纵横交错，为了能够有效地支持洱海保护决策，对模型的可靠性的要求就特别高。从2017年开始，一直到现在，在邹老师的指导和直接参与下，我们从资料收集到数据分析，从模型的搭建到调试校准，从机理分析到新模块研发，每一个步骤，每一个节点，都有过太多难忘的经历和奋斗时刻。 不过这些都不是我今天要和大家分享的内容，或许以后有机会，我和其他小伙伴会把其中的一些经历和经验分享出来。今天我要讲的，是2019年年底和邹老师去洱海流域保护指挥部的一次经历。

      洱海项目自2017年做到2019年年底，已经过去两年多了。在这段时间里，邹老师一直是亲自在第一线做洱海湖体的水质水生态模型，从未间断。直到如今，洱海系统已经从监控预警系统演化到了智慧洱海系统，里面内核的底层水质模型还是邹老师在亲自负责开发完善。但是，有一件事是我们一直不是特别明白的，就是那两年邹老师除了应邀在大理做过两次讲座，以及去各种现场考察和进行需求调研之外，一直没有和洱海管理部门的领导们进行正式的“官方”接触。以至于有一次洱海管理局的领导问我们，说他们总是在不同场合听到邹老师的大名，也知道邹老师在带领我们进行洱海模型体系的研究，但是却从来没有见过他，还问什么时候希望见面探讨洱海保护问题。

      其实，我们也曾有同样的疑问。要知道一开始我们几个在洱海前线，压力是非常大的。这种压力不只是来源于模型复杂性和其他工作自身的压力，更来源于我们在不同场合遇到的各种对模型的质疑。所以很多时候，我们都特别希望邹老师能够亲自出马，给我们“撑腰”。但当我们把遇到质疑的事情向邹老师汇报后，他却说受到质疑是正常的，没有质疑反而是不正常的。我们回应质疑最好的方式，不是用身份、名气甚至学识去压服别人，而是要靠我们一点一滴积累起来的真实的成果。要知道，人，要么只相信他原来相信的，要么只相信他愿意相信的，要么就相信他所看到的。这是人性，无可厚非。而我们要做的，就是踏踏实实地工作，把模型做好，真心实意地为洱海保护尽一份心力，一步一个脚印，天长日久，人们就会看到科学的力量，模型的力量，看到洱海保护需要智能化模型体系的支撑。只有到了那个时候，人们才会真的相信。因为看到，所以相信；因为看到，才会相信。邹老师说的道理，看上去是非常简单。有时候我想，也许就是因为这些道理太简单太真实，反而我们常常不明白。

      时间就这样来到2019年11月，邹老师到大理参加智慧湖泊治理方面的研讨会，做了关于洱海模型和决策支持方面的报告。而后有一天，邹老师说，小马，今天下午我们一起去洱海指挥中心吧。那几天刚好其他几个同学回了南京和昆明，张博士也回了美国，所以就只有我跟着邹老师去了。

      会面的场所还是平常我们经常去的指挥中心会议室，不一样的只是那天我的心情很放松，有一种大树下面好乘凉的感觉哈哈。在邹老师和我的对面，坐着大理州政府的周副秘书长、洱管局的李副局长以及另外几位领导和专家。

      一开始几位领导都半认真半玩笑地说，邹老师终于来和我们见面了，然后邹老师说，很抱歉一直没有来，不是因为我不愿意来和大家会面，而是因为没有到该会面的时候。我们做事不是单纯以项目为目的，我们来做的严格意义上不是一个项目，而是要来研究整个洱海，研究洱海流域，以便我们能够真正地为洱海保护出一份力。所以我不想太早来，给大家不切实际的希望。过去的两年多我们一直全力以赴地开发和完善洱海模型体系，但是模型的成长需要时间。如果在模型不足以回答问题的时候贸然地用模型来分析问题，那么就失去了科学决策支撑的意义。而如果不依靠模型来回答问题，那我对洱海的分析也未必比前人强胜多少。然后邹老师接着说，现在我来了，是因为我们的模型已经开始有了回答一些具体决策问题的能力。洱海流域太复杂，洱海湖体太复杂，不存在一劳永逸的措施，也不存在包打天下的方案。所以，当我们的模型有一定基础后，我们就要一个一个问题地来研究，一个问题一个问题地来回答。今天我就是希望和大家沟通，了解有没有迫切需要科技支撑的决策需求。有些需求，或许我们现在还是无法回答，那么我们就继续针对性地研究。但是有些需求，我们可能现在就可以开始提供帮助了。

      听了邹老师的讲述，周副秘书长非常感兴趣，他说, 我对于邹老师您这种做事理念和做事方式非常认同，听了邹老师的讲述，对于洱海的治理，我有了更加坚定的信心，邹老师这次来的正是时候，最近州政府希望通过局部补水工程来改善洱海局部可能出现较高叶绿素a浓度的情况，减小藻类聚集的风险，但是不知道这样的方式是否能够产生预期效益，这是我们最困惑的一个事情，不知道你们能否帮助研究一下这个问题？邹老师笑道，这正好就是模型的价值所在，我们的模型也正好有把握回答这个问题，不过时间上要在数据齐全后最少两到三周的时间，希望能够尽早提供分析所需要的数据和工程资料。会谈后来又持续了很久，气氛一直都很热烈。那天的会上，我只觉得心头舒畅，真的有想要开心地笑出来的感觉。我能够清晰地感受到，在会议室里面，有一种叫做激情和希望的东西在弥漫，久久不散。

 国顺篇

      我叫张国顺，也就是前面我们那位并不文静的文静同学口中的张博士。自2017年洱海监控预警系统项目开始，我就开始了在大理的“度假”生活。我的主要责任是前端对接和沟通，算是项目的老人了，在大理也交到了不少朋友。在常驻大理的这段时间，每天都为大家自发保护洱海的责任感和使命感所感染，我也越来越体会到了我们肩头上的担子有多重。

      过去这几年，一路走来，我亲眼见证了洱海模型如何从大家口中一个陌生的词语逐渐成长为现在流域日常决策分析的重要工具。如同罗马，模型也不是一天就建成的。或许未来有一天，大家会惊叹于洱海模型之美，依赖于洱海模型之力，但是只有我们这些从一开始就来进行洱海模型体系研究开发的同学，也许才能真切地知道这模型成长过程中曾经有过多少酸甜苦辣。

      最初接到双廊补水分析任务，是2020年3月初的一个中午。大理的初春，阳光灿烂，我和其他单位几位同事正要去看洱海监控预警系统风向风速站的现场，电话铃突然响了起来。电话是云南省水堪院一位同事打来的，大意是需要对双廊补水不同方案的叶绿素改善效果进行评估，而且电话里对方说这个事情很着急，第二天就要开会讨论，所以希望我们当天晚上就能有一个初步的分析结果。接了电话之后，我的心情还是比较复杂的，因为这是洱海流域内除了云南省环科院和中国环科院之外，第一次有其他团队主动请我们用模型来支撑他们的工作，说明已经有更多人开始对模型有了了解和信心。联想起以前在一些会上被质疑的委屈，心里还是有些遇到知音的兴奋感；但同时因为时间上要求很急，在心里也产生了很大的压力。

      和对方电话之后，我马上就把这个需求向邹老师汇报了，他听完汇报后说这应该就是上次周副秘书长说的那个事情了，当时就请他们准备数据，估计现在是数据准备好了吧。 这个分析非常复杂，不单是模型本身很复杂，更复杂的是如何针对需要回答的问题进行合理的科学假设和情景设置，这都需要大量的工作。当时和管理部门会面时就已经告诉过他们，这个分析最少需要两到三周的时间, 要想明天就拿到结果是绝对不可能的。当时我也问邹老师有没有可能更快，他说这个两到三周已经是极限了，不可能更短。我听说后赶紧把消息反馈给了水堪院的同事，他们一听就有些焦急了，因为事先没有想到需要这么长时间才能完成这个分析。后来他们就提出来说能不能做一个简化的分析，先能有个初步的数字用于讨论就可以了，不要求那么科学和精细，然后请我再去问邹老师。

      我把他们这个提议转达给邹老师，也跟他说水堪院的同事们的确太着急了，问有没有可能做个简化的分析先应个急？记得邹老师当时说，这个没法简化，如果没有足够的科学性和精细度，那么这些分析就失去了意义。局部补水的分析本身就属于小尺度高复杂度的问题，尤其关注对象是藻类，这中间存在极其复杂的动力学过程和时空分异性，如果只做概化的分析，那就可能得出误导性的结论。这个研究关系到的决策，会涉及到实实在在的工程建设投入，国家的投入动辄千万甚至上亿元，所以下相关结论更得万分谨慎，宁可多花一些时间，把这个分析清楚，远远好过仓促拿出来一个可能是错误的成果，这样才是负责任的态度。如果这么着急要结果，那我们只好袖手了，不是我们不愿意帮忙，而是实在无法满足这个时间要求。

      我把邹老师的意见转达了对方，他们又进一步转达给了州里面有关领导，然后告诉我说，领导听了他们转达的意见后说还是要尊重科学规律，就按照我们说的办，给足够的时间去好好研究。我把这个反馈转达给邹老师时，邹老师说，国顺，这件事情值得你好好体会。我们做事情有我们的原则，那就是真诚地对待我们的模型，真诚地秉承科学的原则，不要被外部的各种意见左右。对于一个具体的问题，领导或者业主肯定是希望我们能够尽快地把结果给他们，最好是立等可取，这是人之常情。但是他们可能不了解具体分析的复杂性和工作量，而我们是专业人员，我们知道要得到一个可靠的决策分析结果，需要多少工作量，需要多少时间。所以我们的责任是把我们的专业判断诚实地告诉领导或业主，而不是对他们的要求盲目去迎合。外面的确有人以为只要是领导要求的，就必须去做，而不顾科学规律，这已经给国家造成了很多不必要的损失，所以我们可千万不能像这样啊。听了他的话，我心里其实还是很惭愧的，因为虽然在团队里面这么些年，听邹老师和大家讲这些理念也有好多次了，但是每次真的遇到事情的时候，有时还是不免就有些立足不稳，容易受到外部压力的影响。譬如这次，当知道水堪院的同事那么焦急，第二天就需要模型结果上会讨论时，我就有了那么一刻的动摇。学习，真的是一生的事情啊。

      在确定进行双廊补水分析的事情之后，我们在团队里面进行了一次讨论，最后决定由邹老师指导以小樊为主的几位同学来进行这个研究。欲知具体的分析过程和研究结果，就请我们的小樊同学慢慢道来。

小樊篇

      大家好，我是小樊，研究生毕业后，转眼间在英特-智水快有5年了，但是在模型路上仍然是小学生。按理说从研究生算起，接触了6年多的模型了，按理怎么也应该算是模型高手了吧，但是在模型这条路上越走，就会发现自己要学的东西越多，慢慢的就理解了像邹老师说的，自己要成为一个终身学习者，按照这个时间尺度来说，我说自己还是个小学生就不奇怪了。很多时候我们以为自己是个高手，是个专家了，很可能只不过是因为我们的无知造成的错觉。

      说起洱海，不得不提起自己刚去大理时的见闻，就是大街小巷的到处都是洱海保护宣传标语。刚去的时候没有在意，只是看到马路边有一些宣传，但是后来就发现小区里的告示板上，还有墙上都有宣传要好好保护洱海的语句，最后发现商家的跑马灯都是前面一句是宣传保护洱海的，后面一句才是自己的广告，当时就觉得大理这里保护洱海的意识的确是非常高。

      2020年3月初的时候，我当时正在从老家回南京的路上，接到了张总的电话，说我们要做一个洱海补水方案的评估，邹老师安排由我来负责主要的情景模拟，其他同学配合进行分析，遇到技术问题就请邹老师指导，然后就跟我大概描述了任务的基本背景，先给我了一些资料，让我进行准备。

      我听后，既兴奋又紧张，兴奋是因为我们的模型要开始直接支撑洱海的日常管理工作了，前面也说过，过去几年我们一直在打造洱海模型体系这把利剑，现在终于要出鞘了。紧张是因为这个分析直接关系到政府的工程投资决策，而要做的分析又非常复杂，难度很高，一点都不可以掉以轻心。所以拿到资料之后，我立马就开始着手进行准备工作，随即邹老师就和我们开了一个会，对技术思路和团队协作模式进行了安排，并让我们在遇到任何疑难时就去找他。然后，战斗就正式打响了。

      在继续我的讲述之前，先介绍下这次任务的基本情况。近年来洱海水质整体有所改善，但是局部湖湾，如双廊湖湾片区还是存在一定的叶绿素a浓度局部升高的风险，管理部门为了防患于未然，就考虑建设三库连通工程的双廊支管，旨在通过应急补水增强双廊湖湾片区的水动力条件，减少叶绿素a出现高浓度的风险。

      双廊补水方案的拟建管线补水口布置如下图所示，共设6个分水口，管道设计流量为1m3/s。在上述管道的设计下，拟计划的补水策略如下表所示，共12种补水策略，分为1个口门、2个口门、3个口门同时补水的组合，那么这些不同补水策略，总的补水量是相同的，为了让这些水发挥最大的效益，最好的策略是什么？这些补水是否能够有效降低叶绿素a局部升高的风险？

双廊段补水口布置图

双廊补水管线供水组合方案

      这个问题属于水环境模型的一类典型应用场景，即对工程效果进行定量评估，从表面上看思路也比较明确，即基于校准好的模型，对工程及设计方案进行概化、抽象、数字化表达和模拟计算，然后对模型模拟的结果进行分析即可。

然而，真的就这么单纯地按照惯常的套路来进行分析就可以吗？答案是否定的。运用模型解决问题时，最难的就是如何用模型合理表达客观现实。一方面模型是现实物理世界的概化，不可能完全事无巨细的刻画客观现实，只能适当简化和抽象地表达；然而过于简化和抽象则会导致模型失真，结果不可靠，难以支撑决策实践。要平衡两者是非常困难的，而这也恰恰是模型艺术性的精髓所在。

      因此，在真正开始之前，首先必须理解所要分析的问题的本质。所谓本质，就是和表象相对的概念。很多表面上听来是同样的问题，其本质却很可能是大相径庭。例如，在我刚听到张总说要做补水方案分析的时候，我以为的是我们团队以前做过的滇池牛栏江补水、程海金沙江补水或者星云湖大龙潭补水类型的模拟分析，但是等我们和邹老师开会讨论后，才理解了这个双廊补水其实并不是真正意义上的补水，而是一种局部叶绿素削峰类型的工程。不同本质的工程，即使它们名字听起来很相似甚至一样，但是其目标函数却可能是大不一样的，相应的分析方法也就会有所不同。因此，如果不清晰地理解问题的本质，而是照搬从文献和教科书里面学来的套路，就会在技术路线、情景设计和结果分析等方面陷入盲目性，导致模型结果毫无意义甚至误导决策者，这样不但无法实现决策支撑的目标，而且还可能有副作用。

      对于双廊补水问题，当我们理解了这个问题的本质后，就可以基于不同的评估深度提出不同的数据需求。对同一个问题，我们可以在不同深度上来分析和回答。越深度的分析，能够为决策提供越精细和可靠的技术支撑，同时也需要更多的数据、更高的机理复杂度和更大的工作量，因此，我们需要根据可行的时间和数据条件，确定合适的深度。然而，并不是一切深度都可能是合理的。邹老师告诉我们，应用模型进行决策支持分析时，对于深度有一个底线，如果模型或数据无法满足这个底线，那么整个分析就会失去意义。这就是为什么当我们合作单位提出请我们用一天时间做一个简化的分析，不要求那么高科学性和准确性时，邹老师会反对这样做的原因。对于没有意义的分析，也就没有进行这种分析的意义。

      关于模型的“底线问题“，邹老师给我们举过一些例子来讲解，在此我和大家分享其中的一个。譬如，如果决策者想要知道的是，局部补水能在多大程度上减少叶绿素峰值或总体叶绿素浓度。那么，要回答这样的决策问题，对应的模型底线就是我们必须有一个校准好的具备模拟特定水体三维水动力、水质、藻类和营养盐交互作用动力学、藻类和光照条件交互作用动力学等能力的模型。虽然按照有些文献和报告，在评估补水效益的时候，往往是用换水周期变短或者水龄变短或者流场变化等来说明补水效益，但这其实是不够科学的，除非补水的目标就只是将换水周期变短，而不是要改善水质。这种单纯依靠水动力模拟来评估水质效益的方法，就属于达不到底线的情形。如果用这种方法来分析补水对叶绿素影响这个问题，其结果就毫无意义，因为在实际湖泊中，换水周期变短并不意味着水质水生态会改善。在有些情况下，换水周期和水质水生态状况在一定范围内反而有可能是负相关的。那么，如果再复杂一点，假如有一个三维水动力水质模型，模型能够准确模拟总氮、总磷的迁移转化，但是不包括藻类与营养盐作用动力学，这个模型是否能够满足需求呢？答案同样是否定的，用这样的模型来评估类似双廊补水这样的问题，也是达不到底线的，因此也无法产生有意义的分析结果。