楔子

      大理洱海監控預警系統（以下簡稱“洱海系統”）的建設發軔于2017年，經過長達三年多的持續努力，到2020年基本完成了底層核心模型體系及預警模塊的構建和初步完善，并從2020年下半年開始向智慧洱海系統演化，正式進入決策支撐板塊構建和洱海保護治理實際決策支撐應用的新階段。

      到目前為止，洱海系統已經為洱海流域保護治理進行了大量的決策支撐工作，并逐步成為洱海多領域研究成果的融合平臺和洱海治理決策支撐的智能中樞。近兩年來，洱海系統在國內已經產生了廣泛的影響，大量來自全國各地的專家、學者和流域管理人員都到大理實地考察和參觀過這個系統。英特-智水團隊作為洱海系統核心模型體系的構建者，經常會收到來自全國很多單位同行們的問題，大家都熱切地希望我們分享一些在構造洱海模型體系和進行核心決策支撐服務過程中的經驗和感悟，以期在未來國內其他流域的保護中，幫助大家沿著一條被證明是正確有效的道路前進。

      為此，最近鄒老師安排英特-智水的同學們把我們在洱海模型體系研發、構建和應用過程中的經歷經驗寫成一個一個的小故事進行系列分享，希望為中國流域治理走上智能流域管理的道路貢獻我們的一點綿薄之力。洱海系統實際上是“智能流域管理”理論和技術體系的首次落地應用，是一個世界先進的流域管理理念的實體化。就如任何一個新生事物的誕生和成長過程一樣，洱海系統的構建和應用過程也是充滿了大量艱苦卓絕和痛苦的探索，但同時，在這痛苦的探索中我們也一次又一次享受到柳暗花明時的狂喜，感受到一次又一次聽到當地的領導和專家說“ “時的滿足感。因此，我們的分享，將不只是單純地對一些技術內容的枯燥的描述，而是在分享技術經驗的同時，也分享我們這一路行來所經歷的痛苦和快樂。

     這是一次關于在智能流域管理之路上旅行的敘述，我們就姑且把這個系列的分享稱之為洱海行罷，英特-智水之洱海行。

在開始之前，我們要對所有在洱海系統構建過程中向我們提供過無私幫助的眾多單位表示感謝：大理州洱海管理局（原大理州洱海流域保護局），感謝你們在項目執行過程中所給予的全方位支持，無論是在數據協調、需求分析、提供研究資源和精神鼓勵方面，你們都給予了巨大的幫助；云南省生態環境科學研究院，感謝你們在洱海流域基礎調研和數據收集方面提供的幫助和你們長期的友誼；四創科技，感謝你們在洱海系統建設過程中與我們的攜手同行；大理州氣象局、大理州水文局、大理州生態環境局、大理市洱海管理局、上海交通大學云南（大理）研究院、大理州洱海湖泊研究院、中國環境科學研究院、大理州生態環境監測站、大理海東開發管理委員會、大理市住建局等，感謝你們提供的大量水文、氣象、水質水生態監測數據，為洱海模型體系的構建提供了良好的數據基礎；我們還要感謝這幾年在大理幫助和陪伴過我們的所有的人，無論是知名還是不知名的朋友們，是你們的熱情讓我們心里感到無比溫暖，是你們對洱海的熱愛讓我們覺得所有的辛苦都更加值得，是你們的支持，讓我們能夠更順利地推進我們對洱海的研究；最后，我們也感謝那下關的風，上關的花，蒼山的雪，還有洱海的月，是你們的存在，讓我們的洱海之行充滿美的色彩！

第一集白云出岫

                文靜篇

      大家好，我是英特-智水2015級的一員，姓馬名文靜。其實在很多人眼里我一點都不文靜，因為我特別愛笑，而且笑聲有點兒擾民哈哈。我大笑的豪爽度在團隊里面僅次于我們的陳星博士，而和曉玲博士不相上下，這讓我有點兒小驕傲。

      鄒老師說，創立團隊時，心里想的原是雅典學園這樣的存在。他希望英特-智水是這樣的地方，可以讓一群熱愛學問的人在一起，像那些古代的先哲們一樣，快樂地進行持續一生的學習和研究。所以，團隊里面的人都以同學而不是同事相稱，而我們大家也都根據入門先后自然而然地成為了“師兄”、“師弟”、“師姐”和“師妹”。2015級，其實到現在也只不過是六年級，只因為后面還有大批“低年級”的同學，所以我就順理成章成了同學們口中的”馬師姐”，有時就連鄒老師也玩笑般地這么叫我。

      2015年研究生畢業后，我加入英特-智水團隊，然后在鄒老師的指導下進行了江西八里湖、江蘇吳淞江、安徽太平湖等相關的幾個流域模型的研究。其實研究生期間我是摸索過幾年流域模型的，碩士論文就是以HSPF模型為題。不過在跟著鄒老師開始學習模型后，我卻覺得自己以前就像沒有學過模型一般，一切仿佛回到了起點。所以在英特-智水進行的那幾個流域模型的學習和探索，讓我感覺到自己便如經過了易筋洗髓，慢慢開始對模型有了比較深的體會。

      人若沉浸在一種狂熱的學習狀態中，時間過得尤其的快。一轉眼就是2017年夏天，鄒老師因為洱海系統的事情正式回國了。他后來給我們分享過他在回國的飛機上做的一首詩“萬里浮云歸國門，心憂萬頃困濁渾。愿有才力解江海，敢將翰墨寫昆侖。”他說這個萬頃，直接意思是洱海，深一層的涵義則是我們中國的江河湖海。不過，一切美好的道路，都需要一個開始，我們就從洱海開始，把我們的智能流域管理之路從藍圖變成真正的存在吧。就這樣，我們一群同學跟著鄒老師，帶著希望和理想來到了洱海，開始了這一次綿延至今的洱海之行。

      洱海，是大理的母親湖，也是中國的西南明珠，歷來就以清波如鏡、鐘靈毓秀而全國聞名。但是近20多年來，隨著流域社會經濟發展帶來的影響，這顆明珠的光彩開始出現了黯淡之色。保護洱海，已是刻不容緩。在大理，無論走到哪里，都能夠看到“洱海清，大理興”的標語。記得鄒老師有次提到這個“大理興，洱海清”，恰似兩個相輔相成的視角。不能脫離環境談發展，也不能脫離發展談環境，二者就仿佛道的陰陽。

      我們在洱海所進行的工作名叫大理洱海監控預警系統項目，我們負責整個系統的核心模型體系和預警引擎的建設，包括洱海流域水文與污染負荷模型、洱海湖體三維水動力水質模型、洱海湖體三維水生態模型和洱海三維數值源解析模型等。洱海流域極其復雜，流域內的水系之間的各種截流分水縱橫交錯，為了能夠有效地支持洱海保護決策，對模型的可靠性的要求就特別高。從2017年開始，一直到現在，在鄒老師的指導和直接參與下，我們從資料收集到數據分析，從模型的搭建到調試校準，從機理分析到新模塊研發，每一個步驟，每一個節點，都有過太多難忘的經歷和奮斗時刻。 不過這些都不是我今天要和大家分享的內容，或許以后有機會，我和其他小伙伴會把其中的一些經歷和經驗分享出來。今天我要講的，是2019年年底和鄒老師去洱海流域保護指揮部的一次經歷。

      洱海項目自2017年做到2019年年底，已經過去兩年多了。在這段時間里，鄒老師一直是親自在第一線做洱海湖體的水質水生態模型，從未間斷。直到如今，洱海系統已經從監控預警系統演化到了智慧洱海系統，里面內核的底層水質模型還是鄒老師在親自負責開發完善。但是，有一件事是我們一直不是特別明白的，就是那兩年鄒老師除了應邀在大理做過兩次講座，以及去各種現場考察和進行需求調研之外，一直沒有和洱海管理部門的領導們進行正式的“官方”接觸。以至于有一次洱海管理局的領導問我們，說他們總是在不同場合聽到鄒老師的大名，也知道鄒老師在帶領我們進行洱海模型體系的研究，但是卻從來沒有見過他，還問什么時候希望見面探討洱海保護問題。

      其實，我們也曾有同樣的疑問。要知道一開始我們幾個在洱海前線，壓力是非常大的。這種壓力不只是來源于模型復雜性和其他工作自身的壓力，更來源于我們在不同場合遇到的各種對模型的質疑。所以很多時候，我們都特別希望鄒老師能夠親自出馬，給我們“撐腰”。但當我們把遇到質疑的事情向鄒老師匯報后，他卻說受到質疑是正常的，沒有質疑反而是不正常的。我們回應質疑最好的方式，不是用身份、名氣甚至學識去壓服別人，而是要靠我們一點一滴積累起來的真實的成果。要知道，人，要么只相信他原來相信的，要么只相信他愿意相信的，要么就相信他所看到的。這是人性，無可厚非。而我們要做的，就是踏踏實實地工作，把模型做好，真心實意地為洱海保護盡一份心力，一步一個腳印，天長日久，人們就會看到科學的力量，模型的力量，看到洱海保護需要智能化模型體系的支撐。只有到了那個時候，人們才會真的相信。因為看到，所以相信；因為看到，才會相信。鄒老師說的道理，看上去是非常簡單。有時候我想，也許就是因為這些道理太簡單太真實，反而我們常常不明白。

      時間就這樣來到2019年11月，鄒老師到大理參加智慧湖泊治理方面的研討會，做了關于洱海模型和決策支持方面的報告。而后有一天，鄒老師說，小馬，今天下午我們一起去洱海指揮中心吧。那幾天剛好其他幾個同學回了南京和昆明，張博士也回了美國，所以就只有我跟著鄒老師去了。

      會面的場所還是平常我們經常去的指揮中心會議室，不一樣的只是那天我的心情很放松，有一種大樹下面好乘涼的感覺哈哈。在鄒老師和我的對面，坐著大理州政府的周副秘書長、洱管局的李副局長以及另外幾位領導和專家。

      一開始幾位領導都半認真半玩笑地說，鄒老師終于來和我們見面了，然后鄒老師說，很抱歉一直沒有來，不是因為我不愿意來和大家會面，而是因為沒有到該會面的時候。我們做事不是單純以項目為目的，我們來做的嚴格意義上不是一個項目，而是要來研究整個洱海，研究洱海流域，以便我們能夠真正地為洱海保護出一份力。所以我不想太早來，給大家不切實際的希望。過去的兩年多我們一直全力以赴地開發和完善洱海模型體系，但是模型的成長需要時間。如果在模型不足以回答問題的時候貿然地用模型來分析問題，那么就失去了科學決策支撐的意義。而如果不依靠模型來回答問題，那我對洱海的分析也未必比前人強勝多少。然后鄒老師接著說，現在我來了，是因為我們的模型已經開始有了回答一些具體決策問題的能力。洱海流域太復雜，洱海湖體太復雜，不存在一勞永逸的措施，也不存在包打天下的方案。所以，當我們的模型有一定基礎后，我們就要一個一個問題地來研究，一個問題一個問題地來回答。今天我就是希望和大家溝通，了解有沒有迫切需要科技支撐的決策需求。有些需求，或許我們現在還是無法回答，那么我們就繼續針對性地研究。但是有些需求，我們可能現在就可以開始提供幫助了。

      聽了鄒老師的講述，周副秘書長非常感興趣，他說, 我對于鄒老師您這種做事理念和做事方式非常認同，聽了鄒老師的講述，對于洱海的治理，我有了更加堅定的信心，鄒老師這次來的正是時候，最近州政府希望通過局部補水工程來改善洱海局部可能出現較高葉綠素a濃度的情況，減小藻類聚集的風險，但是不知道這樣的方式是否能夠產生預期效益，這是我們最困惑的一個事情，不知道你們能否幫助研究一下這個問題？鄒老師笑道，這正好就是模型的價值所在，我們的模型也正好有把握回答這個問題，不過時間上要在數據齊全后最少兩到三周的時間，希望能夠盡早提供分析所需要的數據和工程資料。會談后來又持續了很久，氣氛一直都很熱烈。那天的會上，我只覺得心頭舒暢，真的有想要開心地笑出來的感覺。我能夠清晰地感受到，在會議室里面，有一種叫做激情和希望的東西在彌漫，久久不散。

 國順篇

      我叫張國順，也就是前面我們那位并不文靜的文靜同學口中的張博士。自2017年洱海監控預警系統項目開始，我就開始了在大理的“度假”生活。我的主要責任是前端對接和溝通，算是項目的老人了，在大理也交到了不少朋友。在常駐大理的這段時間，每天都為大家自發保護洱海的責任感和使命感所感染，我也越來越體會到了我們肩頭上的擔子有多重。

      過去這幾年，一路走來，我親眼見證了洱海模型如何從大家口中一個陌生的詞語逐漸成長為現在流域日常決策分析的重要工具。如同羅馬，模型也不是一天就建成的。或許未來有一天，大家會驚嘆于洱海模型之美，依賴于洱海模型之力，但是只有我們這些從一開始就來進行洱海模型體系研究開發的同學，也許才能真切地知道這模型成長過程中曾經有過多少酸甜苦辣。

      最初接到雙廊補水分析任務，是2020年3月初的一個中午。大理的初春，陽光燦爛，我和其他單位幾位同事正要去看洱海監控預警系統風向風速站的現場，電話鈴突然響了起來。電話是云南省水堪院一位同事打來的，大意是需要對雙廊補水不同方案的葉綠素改善效果進行評估，而且電話里對方說這個事情很著急，第二天就要開會討論，所以希望我們當天晚上就能有一個初步的分析結果。接了電話之后，我的心情還是比較復雜的，因為這是洱海流域內除了云南省環科院和中國環科院之外，第一次有其他團隊主動請我們用模型來支撐他們的工作，說明已經有更多人開始對模型有了了解和信心。聯想起以前在一些會上被質疑的委屈，心里還是有些遇到知音的興奮感；但同時因為時間上要求很急，在心里也產生了很大的壓力。

      和對方電話之后，我馬上就把這個需求向鄒老師匯報了，他聽完匯報后說這應該就是上次周副秘書長說的那個事情了，當時就請他們準備數據，估計現在是數據準備好了吧。 這個分析非常復雜，不單是模型本身很復雜，更復雜的是如何針對需要回答的問題進行合理的科學假設和情景設置，這都需要大量的工作。當時和管理部門會面時就已經告訴過他們，這個分析最少需要兩到三周的時間, 要想明天就拿到結果是絕對不可能的。當時我也問鄒老師有沒有可能更快，他說這個兩到三周已經是極限了，不可能更短。我聽說后趕緊把消息反饋給了水堪院的同事，他們一聽就有些焦急了，因為事先沒有想到需要這么長時間才能完成這個分析。后來他們就提出來說能不能做一個簡化的分析，先能有個初步的數字用于討論就可以了，不要求那么科學和精細，然后請我再去問鄒老師。

      我把他們這個提議轉達給鄒老師，也跟他說水堪院的同事們的確太著急了，問有沒有可能做個簡化的分析先應個急？記得鄒老師當時說，這個沒法簡化，如果沒有足夠的科學性和精細度，那么這些分析就失去了意義。局部補水的分析本身就屬于小尺度高復雜度的問題，尤其關注對象是藻類，這中間存在極其復雜的動力學過程和時空分異性，如果只做概化的分析，那就可能得出誤導性的結論。這個研究關系到的決策，會涉及到實實在在的工程建設投入，國家的投入動輒千萬甚至上億元，所以下相關結論更得萬分謹慎，寧可多花一些時間，把這個分析清楚，遠遠好過倉促拿出來一個可能是錯誤的成果，這樣才是負責任的態度。如果這么著急要結果，那我們只好袖手了，不是我們不愿意幫忙，而是實在無法滿足這個時間要求。

      我把鄒老師的意見轉達了對方，他們又進一步轉達給了州里面有關領導，然后告訴我說，領導聽了他們轉達的意見后說還是要尊重科學規律，就按照我們說的辦，給足夠的時間去好好研究。我把這個反饋轉達給鄒老師時，鄒老師說，國順，這件事情值得你好好體會。我們做事情有我們的原則，那就是真誠地對待我們的模型，真誠地秉承科學的原則，不要被外部的各種意見左右。對于一個具體的問題，領導或者業主肯定是希望我們能夠盡快地把結果給他們，最好是立等可取，這是人之常情。但是他們可能不了解具體分析的復雜性和工作量，而我們是專業人員，我們知道要得到一個可靠的決策分析結果，需要多少工作量，需要多少時間。所以我們的責任是把我們的專業判斷誠實地告訴領導或業主，而不是對他們的要求盲目去迎合。外面的確有人以為只要是領導要求的，就必須去做，而不顧科學規律，這已經給國家造成了很多不必要的損失，所以我們可千萬不能像這樣啊。聽了他的話，我心里其實還是很慚愧的，因為雖然在團隊里面這么些年，聽鄒老師和大家講這些理念也有好多次了，但是每次真的遇到事情的時候，有時還是不免就有些立足不穩，容易受到外部壓力的影響。譬如這次，當知道水堪院的同事那么焦急，第二天就需要模型結果上會討論時，我就有了那么一刻的動搖。學習，真的是一生的事情啊。

      在確定進行雙廊補水分析的事情之后，我們在團隊里面進行了一次討論，最后決定由鄒老師指導以小樊為主的幾位同學來進行這個研究。欲知具體的分析過程和研究結果，就請我們的小樊同學慢慢道來。

小樊篇

      大家好，我是小樊，研究生畢業后，轉眼間在英特-智水快有5年了，但是在模型路上仍然是小學生。按理說從研究生算起，接觸了6年多的模型了，按理怎么也應該算是模型高手了吧，但是在模型這條路上越走，就會發現自己要學的東西越多，慢慢的就理解了像鄒老師說的，自己要成為一個終身學習者，按照這個時間尺度來說，我說自己還是個小學生就不奇怪了。很多時候我們以為自己是個高手，是個專家了，很可能只不過是因為我們的無知造成的錯覺。

      說起洱海，不得不提起自己剛去大理時的見聞，就是大街小巷的到處都是洱海保護宣傳標語。剛去的時候沒有在意，只是看到馬路邊有一些宣傳，但是后來就發現小區里的告示板上，還有墻上都有宣傳要好好保護洱海的語句，最后發現商家的跑馬燈都是前面一句是宣傳保護洱海的，后面一句才是自己的廣告，當時就覺得大理這里保護洱海的意識的確是非常高。

      2020年3月初的時候，我當時正在從老家回南京的路上，接到了張總的電話，說我們要做一個洱海補水方案的評估，鄒老師安排由我來負責主要的情景模擬，其他同學配合進行分析，遇到技術問題就請鄒老師指導，然后就跟我大概描述了任務的基本背景，先給我了一些資料，讓我進行準備。

      我聽后，既興奮又緊張，興奮是因為我們的模型要開始直接支撐洱海的日常管理工作了，前面也說過，過去幾年我們一直在打造洱海模型體系這把利劍，現在終于要出鞘了。緊張是因為這個分析直接關系到政府的工程投資決策，而要做的分析又非常復雜，難度很高，一點都不可以掉以輕心。所以拿到資料之后，我立馬就開始著手進行準備工作，隨即鄒老師就和我們開了一個會，對技術思路和團隊協作模式進行了安排，并讓我們在遇到任何疑難時就去找他。然后，戰斗就正式打響了。

      在繼續我的講述之前，先介紹下這次任務的基本情況。近年來洱海水質整體有所改善，但是局部湖灣，如雙廊湖灣片區還是存在一定的葉綠素a濃度局部升高的風險，管理部門為了防患于未然，就考慮建設三庫連通工程的雙廊支管，旨在通過應急補水增強雙廊湖灣片區的水動力條件，減少葉綠素a出現高濃度的風險。

      雙廊補水方案的擬建管線補水口布置如下圖所示，共設6個分水口，管道設計流量為1m3/s。在上述管道的設計下，擬計劃的補水策略如下表所示，共12種補水策略，分為1個口門、2個口門、3個口門同時補水的組合，那么這些不同補水策略，總的補水量是相同的，為了讓這些水發揮最大的效益，最好的策略是什么？這些補水是否能夠有效降低葉綠素a局部升高的風險？

雙廊段補水口布置圖

雙廊補水管線供水組合方案

      這個問題屬于水環境模型的一類典型應用場景，即對工程效果進行定量評估，從表面上看思路也比較明確，即基于校準好的模型，對工程及設計方案進行概化、抽象、數字化表達和模擬計算，然后對模型模擬的結果進行分析即可。

然而，真的就這么單純地按照慣常的套路來進行分析就可以嗎？答案是否定的。運用模型解決問題時，最難的就是如何用模型合理表達客觀現實。一方面模型是現實物理世界的概化，不可能完全事無巨細的刻畫客觀現實，只能適當簡化和抽象地表達；然而過于簡化和抽象則會導致模型失真，結果不可靠，難以支撐決策實踐。要平衡兩者是非常困難的，而這也恰恰是模型藝術性的精髓所在。

      因此，在真正開始之前，首先必須理解所要分析的問題的本質。所謂本質，就是和表象相對的概念。很多表面上聽來是同樣的問題，其本質卻很可能是大相徑庭。例如，在我剛聽到張總說要做補水方案分析的時候，我以為的是我們團隊以前做過的滇池牛欄江補水、程海金沙江補水或者星云湖大龍潭補水類型的模擬分析，但是等我們和鄒老師開會討論后，才理解了這個雙廊補水其實并不是真正意義上的補水，而是一種局部葉綠素削峰類型的工程。不同本質的工程，即使它們名字聽起來很相似甚至一樣，但是其目標函數卻可能是大不一樣的，相應的分析方法也就會有所不同。因此，如果不清晰地理解問題的本質，而是照搬從文獻和教科書里面學來的套路，就會在技術路線、情景設計和結果分析等方面陷入盲目性，導致模型結果毫無意義甚至誤導決策者，這樣不但無法實現決策支撐的目標，而且還可能有副作用。

      對于雙廊補水問題，當我們理解了這個問題的本質后，就可以基于不同的評估深度提出不同的數據需求。對同一個問題，我們可以在不同深度上來分析和回答。越深度的分析，能夠為決策提供越精細和可靠的技術支撐，同時也需要更多的數據、更高的機理復雜度和更大的工作量，因此，我們需要根據可行的時間和數據條件，確定合適的深度。然而，并不是一切深度都可能是合理的。鄒老師告訴我們，應用模型進行決策支持分析時，對于深度有一個底線，如果模型或數據無法滿足這個底線，那么整個分析就會失去意義。這就是為什么當我們合作單位提出請我們用一天時間做一個簡化的分析，不要求那么高科學性和準確性時，鄒老師會反對這樣做的原因。對于沒有意義的分析，也就沒有進行這種分析的意義。

      關于模型的“底線問題“，鄒老師給我們舉過一些例子來講解，在此我和大家分享其中的一個。譬如，如果決策者想要知道的是，局部補水能在多大程度上減少葉綠素峰值或總體葉綠素濃度。那么，要回答這樣的決策問題，對應的模型底線就是我們必須有一個校準好的具備模擬特定水體三維水動力、水質、藻類和營養鹽交互作用動力學、藻類和光照條件交互作用動力學等能力的模型。雖然按照有些文獻和報告，在評估補水效益的時候，往往是用換水周期變短或者水齡變短或者流場變化等來說明補水效益，但這其實是不夠科學的，除非補水的目標就只是將換水周期變短，而不是要改善水質。這種單純依靠水動力模擬來評估水質效益的方法，就屬于達不到底線的情形。如果用這種方法來分析補水對葉綠素影響這個問題，其結果就毫無意義，因為在實際湖泊中，換水周期變短并不意味著水質水生態會改善。在有些情況下，換水周期和水質水生態狀況在一定范圍內反而有可能是負相關的。那么，如果再復雜一點，假如有一個三維水動力水質模型，模型能夠準確模擬總氮、總磷的遷移轉化，但是不包括藻類與營養鹽作用動力學，這個模型是否能夠滿足需求呢？答案同樣是否定的，用這樣的模型來評估類似雙廊補水這樣的問題，也是達不到底線的，因此也無法產生有意義的分析結果。