水利数值模拟软件的现状和发展是怎样的？

一年多以前提的问题，关注和回答者都寥寥无几，毕竟行业太小。 今天抛砖引玉，希望能引发更多的交流和讨论。

水利数值模拟这个概念很大。粗略划分的话，有模拟降雨-径流过程的水文模型，有模拟河道、海岸水流传播的水动力模型（当然也可包括模拟地下水的地下水动力模型），也有模拟水质的水质模型，等等。而模型和软件的区别，我个人理解是有没有相对完善的用户界面，免费或收费暂且不论。

我所学习的、包括目前从事的主要还是水动力模型软件领域方面的工作内容，就依此做一个简单的介绍。

水动力模型的基本原理是，基于描述水流运动的基本数学物理方程（如圣维南方程组），利用有限差分、有限元等方法对方程进行离散化处理，最后借助现代信息技术的强大计算能力求解近似值（一般为流量、水位等）的一套方法理论。这是我个人的粗浅解释。

目前常用的水动力模型软件主要来自欧美。 欧洲的水动力模型软件主要来自三个研究所，丹麦的丹麦水力研究所（DHI）、荷兰的三角洲研究院（Deltares）以及英国的HR Wallingford。 DHI的MIKE系列软件以河道/流域模拟见长，包括了进行一维二维水动力模拟的MIKE11/21，进行城市水模拟的MIKE URBAN，分布式水文模型MIKE SHE以及进行流域水资源分析管理的MIKE Basin等等； Deltares也有相关功能的商业软件，如进行一维二维模拟的SOBEK，流域管理的RIBASIM等等。而Deltares最著名的软件则是一款开源软件，进行三维水动力模拟的Delft3D； HR Wallingford则以城市排水管网模型闻名，Infoworks ICM集成了管网、河道，可以说是进行二维城市内涝淹没模拟的利器。

美国也有三个机构的水动力模型软件十分知名，分别是美国地质调查局（USGS）、美国环境保护署（EPA）以及美国陆军工程师兵团水力工程中心（HEC）。 USGS开发了进行地下水模拟的MODFLOW； EPA开发了著名的城市雨洪模型SWMM； 而HEC则开发了进行一维二维水动力模拟的HEC-RAS。

以上软件各有优劣。比如，SWMM、HEC-RAS和Delft3D由于是开源软件，在世界范围内使用者众多。而像MIKE、Infoworks这样的商业软件，由于集成度非常高，可以完成类似“降雨径流-洪水演进-决策支持”全过程的复杂的综合水资源管理。

国内目前在工程领域的软件使用，无论是免费还是付费，大体逃不出上述模型软件的范畴，或是针对以上软件的二次开发。而国内自主开发的水动力模型，大多还停留在本单位/学校自主使用的“模型”阶段，离推广以及商业化，还有着不小的距离。

而在应用方面，目前国内大一点的城市，都会收集相关数据进行水动力建模，并根据结果绘制洪水风险图，以此对接下来的水利工程建设、水资源规划等提供相应的决策支持。而随着当下海绵城市建设的开展，内涝问题的日益严重，在未来相当长的一段时间内，水动力建模都有着很大的用处。

在发展前景上，以我个人有限的经验来看，目前的水动力模型正越来越朝着实时在线模型的方向发展。 比如我所接触到的，某单位目前想借助Infoworks ICMLive实时模型，结合实测数据及气象预报数据，对某地区未来一段时间内的内涝情况进行模拟并给出预警。而另一地区的单位，也想根据这样的实时模型对供水调度进行实时模拟，并期望能在此基础上进行实时的水质模拟，以对突发水质污染事件给出预警。 这类预报预警系统（Early Warning and Forecasting System）有着非常好的应用前景，但目前发展仍不成熟。以城市洪水淹没的实时模型为例，受制于计算机的运算能力，目前实时模型仍以一维模拟为主，要想实现二维淹没的模拟，非常耗时。

以上是我结合个人学习工作经验给出的一点粗浅介绍，如有错误也欢迎业内相关人士指正交流。