6.2.2.1 模型的概化
流域泥沙过程研究中所采用的建模方式遵循 “基于物理机制且简单易于计算”的原则，这是因为:
(1)由于实际观测条件和基础资料获取的限制，使得模型计算的输入数据就精度不高，甚至隐含着一些错误信息。因此，必须从物理机理出发，而非通过经验统计的方式，才能最大限度地减小这些因素的影响，使模型具有更强的“抗干扰”能力，从而增加模型的适用性。
(2)在进行大尺度的流域水沙模拟时，由于基本单元数目众多，计算量将随模拟时段的延长和时间步长的缩短而急剧增加。因此在基本单元的层次上必须寻求概化且简单的计算模式，而不能在单坡面上、单河段内就应用计算量很大的基于微分方程数值解的方法。
(3)流域泥沙运动的机理十分复杂，影响因素多且相互影响。因此应该抓住主要因素和特征进行简化和分析，以大范围全过程泥沙运动的定量模拟为首要目标。过多地注重数值解法或者拘泥于尚未了解其微观机理的细节并不能提高精度，反而可能造成难以承受的计算量或者忽略了主要矛盾。
在这种思路下，可以把十分复杂的流域泥沙过程概化为四个简单过程:坡面产流产沙过程，沟坡重力侵蚀坍塌过程，沟道高含沙水流过程及河道水沙运动过程。在过去，对坡面产流产沙及河道输沙过程开展了较多的研究，也取得了丰富的成果，已经提出了坡面产沙模型，建立了河道水沙过程动力学模型;而对沟坡的重力侵蚀过程和沟道的高含沙水流过程的研究较少，关于模型方面几乎是空白，为建立流域泥沙过程模拟研究的重点和难点。
在模型基本单元的选择上，以坡面和沟道作为研究的基本单元为宜。以往的实践表明，矩形网格单元的模式不能适应多沙粗沙区的复杂地貌形态，子流域单元的模式会因为子流域规模的不同而产生一定的尺度效应，都存在一定的不足。通过高精度DEM 数据可以获得较为准确的坡面和沟道信息，通过控制河网提取的参数，可以使这些坡面和沟道具有一定的“不可再分”的性质，从而使模型忠于原型的程度不因模型单元尺度的变化而受到影响。
坡面单元上的机理模型有产流模型和坡面产沙模型。产流模型是具有物理意义的概念型坡面模型，它提供的坡面水量过程是泥沙产生和输移的基本条件。坡面产沙模型同样建立在坡面单元上，它通过分析单位面积上水流和泥沙的运动学关系以及垂直坡面方向上水流侵蚀的动力学关系，得到概化坡面上产流与产沙的数量关系，反映以沟蚀和片蚀为主的坡面产沙过程。
沟(河)道单元上的机理模型有汇流输沙模型、重力侵蚀模型及河道水沙动力学模型。沟道汇流输沙模型根据长度、坡降等河段基本参数采用精确扩散波方法进行流量过程演进计算，并获得一定精度的流速、水深等水力参数，应用到泥沙运动模型中，从而能得到逐河段的输沙过程。在具有实测断面资料的干流河段，汇流输沙模型则采用河道水沙动力学模型计算，以获得干流较高的精度。
重力侵蚀模型虽然建立在沟道单元上，但其模拟的对象则是沟道水流与其两侧的沟坡区域土体共同作用的过程。通过分析降雨入渗引起的土壤含水量变化对土体强度的影响以及包括土体重力、坡脚水流侧向切割、裂隙水压力等在内的影响抗滑力与下滑力对比关系的力学因素，并且运用不确定性理论对力学分析得到的稳定安全系数进行不确定性分析，从而得到反映重力侵蚀发生的力学条件与不确定性的重力侵蚀模型。
在模型的实现与组织上，相关机理模型单独验证后集成在数字流域平台上，再应用于较小尺度的子洲岔巴沟流域进行验证，然后在黄河多沙粗沙区全区范围内进行水沙过程模拟，通过一定的参数调整后应用。通过将模拟结果与典型年份流域内主要水文测站的实测资料对比，以证明本模型能够正确反映黄河中游多沙粗沙区内不同尺度流域泥沙产生与输送过程的时间变化和空间分布规律。
6.2.2.2 数字流域平台
数字流域平台是以DEM 数据及其存取系统为依托，以流域分级理论为依据，将坡面、小流域、区域、全流域四个层次的模型整合成一个完整的流域产流产沙模型系统(王光谦等，2006)。
上述说明从数字流域平台的空间结构角度进行描述的。从逻辑结构上看，数字流域平台是包括数据层、模型层和应用层在内的流域水沙过程的模拟系统。其中数据层为系统提供包括降雨、地形、下垫面条件等基础数据。模型层作为数字流域平台的核心，提供适当的理论和模拟方法对流域内的径流、产沙、输沙进行模拟计算;在此基础上，可以进行洪水过程、泥沙输移等预报以及为水土保持工程的方案规划提供数据支持，从而构成模型的应用层。
将数字流域作为模型计算平台，具有如下优势:
(1)数字流域平台在构建过程中始终在代码级与GIS技术耦合在一起，同时能够灵活处理遥感信息。这种特性不仅为流域泥沙过程模拟提供计算所需的地形数据(坡度、坡长等)以及降雨径流分布数据，还为汇流输沙提供沟道河网信息，从而使产流—产沙—汇流输沙过程形成一个有机的整体。
(2)数字流域平台在地形分割上采用元流域结构，即在所划分的河段及其对应的三个坡面:源、左和右作为基本水文单元，每个“河段+坡面”单元称为一个元流域，而产流产沙模拟在元流域上进行，汇流输沙模拟在由河段组成的河网中进行。这样的结构与流域的自然过程具有一致性，便于按照自然过程建立具有物理机理的专业模型。
(3)数字流域平台在计算机制上采用并行计算模式，并且与模型划分的元流域单元结构相结合，具有很强的计算能力，对于多个专业模型在多沙粗沙区等大尺度流域上进行多单元、长时段的大量计算是至关重要的。
6.2.2.3 流域泥沙过程研究与数字流域平台的关系
数字流域平台的核心是模型层。模型层主要包含用于模拟产流产沙和汇流输沙的专业模型，而流域泥沙过程研究所解决的主要问题正是这些主要模型的建立及模型间的合理耦合方式。或者从另一个角度讲，数字流域平台产生的一个主要动力正是人们对大流域全过程泥沙研究这一科学问题的需求。
数字流域平台的框架结构如图6-6所示。在数字流域中，最小的物理单元是 “河段+坡面”组成的元流域。因此流域水沙过程模拟的空间步长即是坡面与河段单元，模型系统的一个重点是在模拟域内的运算顺序和各专业模型间的耦合方式。模型采用代码级的紧密耦合，以便于在内存中完成计算过程中的中间数据交换，保证运行效率。
图6-6 数字流域平台的框架结构
由数字流域平台的框架结构可以看出，流域泥沙过程研究为数字流域平台提供产沙输沙的专业模型。这些专业模型建立后集成到数字流域平台后，在数据层的支持下并与其他过程模型耦合，能够预报全流域的水沙过程。本章重点介绍流域泥沙过程模型，关于数字流域平台见相关介绍(王光谦，刘家宏，2006)。
6.2.2.4 河网编码与计算机制
沟道、河道水系是水沙运动的通道，将是模型系统所要处理的一个重要对象，为实现适用于大范围的模拟系统，需要提出一种与树状河网的拓扑特征相适应的、分区分级的、易于检索的河网编码方法。另一方面，大范围、多模型的模拟将耗费较多的计算机时间，是单机运算不能接受的，为此需要考虑并行计算方法，并研究对应于河网编码的并行计算任务分配调度方法。
数字流域平台中将树状河网抽象为二叉树，确定了一种能够直接定位节点的二叉树二元编码方法。这一编码生成简便，能够显示河段的主要拓扑信息和河网的某些拓扑特征，易于实现各种河网关系的运算。编码的这些特性为相关研究的数据存储、程序设计等提供方便，使自然流域的超一维汇流结构能够方便地在数据库中存储和查找。
限于编码的表示能力并为适应划分子流域的习惯，对于覆盖范围广、地形精度高的大规模河网，采用了分级分区编码的方法。河流级别参照美国地貌学家Strahler(1964)提出的地貌几何定量数学模型分级方法，对干支流的级别进行如下定义:黄河干流为第1级，直接汇入干流的支流为第2级，直接汇入2级支流的支流为第3级，以此类推直至所有支流分级完成。同级支流按汇入干流的位置编号，最接近干流出口的支流为第0号，紧邻的支流为第1号，如此上溯到离出口最远的支流。考虑河网的规模，给每一级支流预留两位数字记录位置编号，前缀其所属上一级的子流域编码。如:黄河干流的区域编码为0，无定河的区域编码为0017，简记为17;无定河的支流槐理河的区域编码为1700，紧邻的大理河为1701，再向上游的支流编号分别为1702、1703等。
图6-7 数字流域多沙粗沙区水系编码示意图
将数字流域的河网编码方法应用于黄土高原多沙粗沙区的主要区域，将其划分为4级37区(如图6-7所示)，共完成了对84618个河段的编码，详细的编码数值从略，可参见相关成果(李铁键，王光谦等，2006)。
相应地，需要提出一种基于此编码方法的并行计算任务分配算法与相应的并行调度流程，用于完成流域泥沙过程模拟的并行化计算。其中的任务分配算法以全流域河网向可控规模的子流域拆分为基础，将分得的子流域作为计算任务包，通过主从模式的并行调度流程分配至不同的计算节点进行专业模型计算。这种模式较好地处理了汇流过程中的上下游依赖，能够在无人干预的情况下按照可控的并行粒度进行天然河网的分片计算，大大缩短流域泥沙过程模拟的计算时间。在自主搭建的MPI计算集群上进行的初步应用表明，所采用的并行算法适用于大规模河网的水沙运动模拟，集群计算较大提高了模型的计算速率。
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