1.3 水利水电工程建模的思维导向和原则

随着社会的发展，解决工程问题的方法、计算机软硬件、数学方法等手段的不断革新，加之水利水电工程学科的发展应用，都会对水利水电工程模型有深远的推动作用。但是，模型的准确性和应用的成效性在一定程度上取决于建模人员对水利水电工程学科的认识深度和概括能力，而这一切均表现出建模人员的建模思维导向和原则。

1.3.1 水利水电工程建模的思维导向

建模的导向归纳起来有3种，即：问题导向思维模式、模式导向思维模式和方法导向思维模式。

1.问题导向思维模式

问题导向思维模式可以描述为：当建模者面对一个具体的水利水电工程问题时，在意识上、思想上先不要受到条件的约束和限制，采用系统的观点去分析工程问题本身，弄清楚其细节和关键，找到症结所在，然后再检查是否存在一定的解决这类工程问题的技术和方法，如果存在，就借用解决工程问题；否则，去寻找或研究新的技术和方法以求解决目标问题。其导向框架如图1.1所示。

图1.1 问题导向思维模式框架

2.模式导向思维模式

模式导向思维模式可以描述为：它注重研究工程问题所采用的模式，在分析解决水利水电工程问题之前，由于受某些专业传统的或者成功的、经典模式的影响，建模者的头脑中已经自觉或不自觉的形成一个先入为主的必须套用的研究模式；解决问题过程中建模者必将采用这种模式，当这种模式不适合时，建模者将修改问题以求向这种模式靠拢，或通过改变模式来解决问题，如图1.2所示。

3.方法导向思维模式

方法导向思维模式，可以描述为：在面对水利水电工程的具体问题深入分析之前，建模者在头脑中已经先入为主地有了一些现成的研究方法，准备用这种方法去解决水利水电工程问题，如某些问题与某些方法不符，不套用此方法，建模者将简化问题以适应先入为主的方法，或者改进方法以求解决问题，如图1.3所示。

图1.2 模式导向思维模式框架

图1.3 方法导向思维框架

按照不同的思维导向思维模式，针对解决同样的水利水电工程问题，也可能会得到不同的模型结果，哪一种结果更接近工程实际呢？这种结果是依据哪种思维导向创建的呢？下面简短分析3种思维导向，一般而言，我们推荐使用问题导向的思维方式，它可以避免或减少建模的失真现象。因为这种思维导向符合人类科学思维的基本规律，不从教条出发，鲜明地支持什么或反对什么，当遇到问题时不急于寻找解决方法，而是力求全面分析问题本身的信息，从而为正确地解决问题奠定一个良好的不可或缺的基础。而模式导向和方法导向的思维，建模者在遇见问题时，就会带着已经存在的某些模式和方法去考虑处理问题，常常因有意无意中被某些教条所制约和约束，限制思维的范围。这两种思维导向往往不是引导建模人员从工程学科实际去研究解决问题，而是去复制基本的过程，机械地反复操作，如果问题与方法不符或不完全相符，导致建模最终失败。

总之，在建模过程中甚至在学习本书的过程中，应该清醒自己的头脑，应该克服以上两种思维导向，摆正态度，从学科自身入手，认真分析，掌握水利水电工程的基本建模、仿真和计算的规律，而不要认为水利水电工程建模、仿真计算似乎只是一些具体的数理方法与计算机应用技术的交汇。其实不然，任何工具只是工具而已，任何模型只能表述特定的工程实际，同样的，ANSYS软件也只是工具，重在方法的获得。

1.3.2 水利水电工程建模遵循的原则

（1）实事求是原则，或称真实性原则。这个原则是水利水电工程建模全过程必须遵从的原则，要求建模的理论必须科学合理，建模的过程能受到严格的监控，建模的成果要能真实地反映研究对象。建模过程中对研究对象的信息要全面认真分析、总结、归纳、提炼，最后做合理的取舍和简化，制定科学合理的建模方案，执行严格的理论监控，得到真实的模型成果。建模过程中各个环节都不能随意地忽略、修改、删除研究对象的主要信息，也不能添加研究对象之外且不合理的控制因素。总之，水利水电工程模型必须严格地反映水利水电工程的关键和本质规律。

（2）保证精度原则。在有限元模拟建模的过程中，计算精度的控制是一项关键性难题，计算精度受到模型误差、离散误差、边界条件误差和单元形状误差等多方面的因素影响。作为大尺度的水利水电工程的仿真模型而言，精度的保证更为艰难。同样边界的复杂性也增加了保证精度的难度。因此，在水利水电工程建模的过程中，精度保证应该贯穿建模和仿真的全过程，要根据精度情况适时地调整建模或仿真的方案。

（3）控制规模的原则。水利水电工程的尺度是比较大的，其变化过程可以表示为：几个流域→一个大流域→小流域→枢纽工程→主体工程→主体工程上主要对象→……一个过水管道→……一根钢筋……这个尺度范围太大，对于具体的研究目的，应该制定合理的仿真方案，选取合理的计算规模，有针对性地解决仿真的目的。因为模型的规模对计算仿真的影响是很大的，主要受限于这样几个因素：计算时间、数据存储空间、计算机的计算能力、计算精度的要求、网格划分、边界处理及人为操作等。

（4）实用经济性原则。建模过程中，需要建模人员在模型精度、模型规模、模型复杂度和经济费用等因素上综合考虑权衡，最终选用实际可行的模型。

（5）全面系统性原则。不同的模拟研究目的，需要对同样的研究对象进行合理的简化，所以必须全面系统的对该过程进行研究，制定多角度、多层次的方案进行比较，选取合理的可行的模型进行研究应用。因为水利水电工程研究对象比较复杂，变化规律繁多，甚至各种规律相互影响，故在建模时可以采用分解与合并两种手段，进而在全面认识研究对象的基础上建立科学的模拟模型。

（6）目的性原则。对于同一个水利水电工程研究对象，不同的研究目的，考虑研究对象的信息各有差异，主要因素选取也不同。在建模过程中，建模人员应该明确建模目的。

（7）简明性原则。对一个具体的研究对象，一个模型虽然能反映研究对象实际本身，也能满足建模目的，计算精度和经济性也符合条件，但是还需要模型简明。简明的模型有很多显而易见的优点。

（8）标准化原则。标准化模型是模型在行业中流通的首要条件。模型标准化是学科发展成熟的标志之一，有利于在应用过程中进行更好地更新和维护，甚至会减少重复建设和计算的浪费，提高效率。

（9）量纲一致性原则。复杂的研究对象会涉及多种物理变量，且物理变量之间存在很多关系，量纲使用正确与否决定了模型的成功。量纲统一是必备的要求，只有量纲统一了，变量之间的关系才有可能是合理科学的，模型才有可能是正确的。