1.目的

该规范文件从专业角度规定了开展环境水力学物理模型与数值模拟研究的有关要求，包括水质、沉积物或地貌研究在内。具体从以下两个方面考虑：

•  物理模型与/或数值模拟的主要步骤；
•  材料和装置方面的具体要求。

规范文件重点关注具有基金或商业支持的研究。虽然研究者可能来自于实验室、研究所、咨询公司或承包人，上述不同类型的组织或个人在该文件统称“顾问”。

2.物理模型与数值模拟的主要步骤：

本节概述了大多数建模应遵循的一般步骤。

2.1    第1步：数据收集分析

以下步骤有利于确保在现有知识和数据的基础上建模：

•    资料收集

–  客户提供；

–  第三方提供；

•    文献研究分析；

•    附加数据（按需）；

•    挖掘收集数据与元数据的对比检验，以便归档和检索；

•    收集分析数据；

•    综合以上分析结果建立概念模型。

2.2    第2步：选择模型

建模人员应当理解以下内容，以便将概念模型转换为数学符号进行编程：

•    确保所选模型可以表达所关注的问题；

•    确定所选模型可以通过特定的物理模型和/或数值模型实现^[1]；

•    明确所用方法的局限性。

2.3    第3步：模型开发

为了确保构建模型能够通过同行审查检验，并能满足客户需求，顾问需要列出并制作以下文件：

•    模型模拟各种可能出现的现象，进行模型性能测试；

•    模型的理论基础和假设条件是有效的；

•    符合研究区域的实际情况；

•    所选模型、方法和工具经过了适当的基准测试。

应当指出的是，建模方法在某些情况下可能超出其适用的有效范围。在这种情况下，应对所选方法展开详细讨论，确定模型应用是可接受的，同时对任何可能出现的结果及替代方案可行性展开讨论，以便用户在使用模型时能够得到正确的结果。

2.3.1  阶段--模型设计

模型描述应包括以下部分：

•    模型的地域跨度；

•    确定模型边界条件的依据，及相应描述；

•    具有代表性的特征水深和地形信息；

•    对于数值模拟模型：

–  应当列出网格特性及其适用性；

•  对于物理模型：

–  选择具有代表性的现象进行模拟；

–  无量纲数是守恒的；当无量纲数不守恒时，需要展开具体讨论以证明模型的有效性，说明无量纲数及其对物理模型的影响；

–  物理实际构建模型时的设备设施。

2.3.2  阶段--模型构建

对于数值模拟模型：

当条件，或实验设备允许时，这些条件或设备都需要有详细记录。同样，任何代码的更改、简化，以及网格或模型构建步骤的调整，都应有详细记录。

对于物理模拟模型：

任何可能影响模型尺度改变或简化，或者影响模型结果的任何因素，也都应详细记录。

2.3.3  阶段--模型率定与验证

模型率定与和验证取决于模型的类型^[2]，用来测试模型的数据。应包括以下几个部分：

•    在模型率定时，通过不断调整模型参数以提高实测数据与模拟数据的拟合程度。虽然一般情况下是必须的，但如果模型参数在以往研究中被证实是可接受的，那么这一步可以省略；

•    模型参数调整是为优化率定效果，需要注意只有目标应用的模型中为常量的参数才应进行调整

•    为验证模型，通常可与一个或更多已率定的模型进行比较。如果模型已用部分数据率定，那么验证时需要采用其它时段的数据进行验证；

•    模型的率定和验证过程也必须详细记录；

•    记录文件应当涵盖以下内容的讨论：

–  记录定量和定性的比较结果，应特别关注模拟结果较差的部分以及这些差异与模型应用的相关性；

–  率定效果对模型设计的支撑效果，见（阶段2.3.1）；

–  概念模型中应当涵盖任何可能的变化；

–  模型率定时发现的突出问题有可能影响模型应用和模拟结果的准确性；

•    参数敏感性分析应当综合考虑模型参数的选择或模型边界条件对模拟结果的响应；

•    虽然有些模型可能需要设置输出结果，需要解决以下内容的不确定性：知识、有限的数据以及未来的条件，这意味着需要调查这些不确定性的影响，并尝试量化其影响，这将更好地优化模拟结果；

应当注意的是，率定和验证后的模型对于一定范围内的变化条件是可靠的，因模型已经被率定和验证。但是如果超过这一范围，模型将不再可靠。

2.4    第四步：模型应用

模型应用时应保证可重复性。这就要求：

•    定义模拟时的各种条件；

•    记录所使用的软件版本，各个模拟时的模型输入和输出文件，各个模拟时的改动及原因；

•    模拟结果输出按一定规则排序整理，保证元数据有序保存和检索，以便模型以后可以重新运行。

理解模型本身的不确定性十分重要，应当从整体考虑模型，或使用概率框架扩大模型的不确定性。

2.5    第五步：模型输出结果分析

•    应当使用经过验证的分析工具和模型对模型构建过程中使用的数据进行分析。

2.6    第六步：成果交付

不同客户的需求会有所不同。同时需要根据不同的用户群体，提交高水平的摘要，结果数据库和各种形式的可视化或交互文档。以下的交付成果清单是一个较好的基本成果交付所需，以确保其他人能够审核或评估模拟结果。

•    提交第1步至第5步的完整报告，针对客户所提问题的分析结果，根据客户的要求后期处理结果；

•    提交后期处理结果的电子文档，包括图、表等；

•    提交模拟研究的数字档案，包括以下内容：

–  研究中所用的所有元数据；

–  研究中使用的数据集，包括可能用到的任何许可条件；

–  研究中所用模型的元数据；

–  对数值模拟模型研究

–  按照许可边界条件的要求，所有的文件需要能够支撑模型运转、模型代码和源代码的修改。

电子化的文件档案应当根据顾问的管理质量要求制作，并/或根据他们的合同协议交付。

一个普遍的制约是模型结果展示的研究。对于模拟结果及客户后续使用的模拟结果分析来说，通常需要对模拟结果进一步分析。而后续的模拟结果分析工作往往比建模工作更繁重。

客户和顾问之间项目验收会是强烈推荐的。这将确保所有成果的交付，并且对研究结果有共同的理解。

备注：

•    该方法可根据客户需求而调整。

•    合同问题，例如(Ⅰ)知识产权（数据属性，相关研究，数据或软件）(Ⅱ)可能的利益冲突等应当在研究之始就讨论并明确解决方案。

3. 能力和组织

3.1    顾问的知识水平

在配置条件和能力的要求方面是双重的：

3.1.1  基本知识

缺乏这方面的知识很可能影响研究的实现。顾问应当具备相关研究问题的全面知识、经验以及相关知识。个人可能强调相关过程、理论和实验，或合适的数值或物理模拟技术应用，但顾问的集体必须兼具这两种技能。顾问的经验和知识应当根据经常使用的软件或实验室设施，从而确定在研究中使用的软件或设施。同样重要的是，顾问已专门针建模的需求建立了一个质量控制和审核过程。这将包括，软件版本控制，定期验证软件以引入新版本的软件，并在实验室定期校准仪器。

3.1.2  所需知识

这是一个可提高服务质量的附加要素，同时可用来比较不同建模顾问的基础。包括客户正在研究的特定问题，建模工作的背景。对于大多数研究，这可能包括设计或影响评估经验、环境监理知识、社会经济决策过程和多学科协作的团队工作经验。正确使用模型的一个特定技能就是在更广泛的背景下解释模型模拟结果，建立模型和科学/工程技能的组合。

3.2    顾问的承诺

顾问预计将提供以下内容：

•    研究经验和技术诀窍；

•    研究中各个步骤的质量控制；

•    履行其义务，以产出可交付的成果；

•    明确规定交付时间；

•    支撑开展研究的充足资源和必要能力；

•    遵守保密和知识产权相关法律规定；

•    服务结束后的反馈分析。

3.3    客户的承诺

对于每个服务请求，定购方提供以下内容：

•    预期交付成果的技术规范；

•    交付的时间限制，以及其它可能的限制；

•    研究的评价标准。

在某些情况下，研究任务是探索性的研究。在这种情况下，客户应明确制定研究目标，通过客户和顾问之间的反复对话制定可接受的方案。

3.4    承诺提供服务

对于每一个服务请求，顾问提供以下内容：

在规范基础上的价格和交付时间；

技术提供明确以下几点：

•    分析应用中工具和方法的描述；

•    预期研究结果的总结；

•    服务的任何限制或条件。

如3.3所指的是探索性研究，双方可能需要更灵活的付款和交付安排，并在一开始就应明确商定这些内容。

3.4.1  工艺原理

服务提供工艺原理以满足在技术选择、工具、方法等受限的表达，详见第1步至第6步。对于那些在常规基础上进行建模工作的人，客户应尽量保证相关工艺流程符合ISO 9001标准。

3.4.2  推荐组织

提供包括项目团队介绍、技能和经验等方面的内容。

3.4.3  特殊困难

如有必要，该服务应列出针对相应规定中特别困难的部分。可能包括：重大困难、可能的简化、假设顾问选择不选择或修改、资金方面的惩罚等。

3.4.4  计划安排

服务应明确规定各阶段的时间安排和完成日期，以及顾问参与项目的相应日期。

3.5    附加内容

3.5.1  业务连续性

研究团队的任何变化都不应影响最初的时间安排。

3.5.2  手段

软件许可证和计算设施是顾问的责任。

3.5.3  后续研究

规定项目的后续研究需要。

3.5.4  义务

交付成果的竣工验收不代表顾问的义务结束。当发现研究中心错误时，顾问有义务（也可能是契约）来解决问题。在可能情况下，合同也可涉及错误修正以及相应的时间安排。

摘译自：hydrolink  2015年第3期

[1] 当使用物理模型和数值模拟组合时，应包括一个所用方法和它们之间关系的解释说明。

[2] 这里模型验证是指为特定应用检验模型的适用性，作为不同的验证软件，以证实该模型的通用性和准确性。见IAHR，1994，‘Guidelines for documenting the validity of computational modelling software’ for further details.