水利數值模擬軟體的現狀和發展是怎樣的？

研究對象限定為「水」，但可就不同應用領域展開，如：水工結構，水文，河口海岸，泥沙運動，地下水，給水排水，水資源管理，水環境等等。

議題包括但不限於：

常用的軟體有哪些？各自特點如何？它們在具體工程中是怎樣發揮作用的？國內外的應用又有什麼區別或差距？未來發展前景怎樣？

相似問題：

岩土數值軟體的目前的現狀和發展是怎樣的？ - 土木工程

一年多以前提的問題，關注和回答者都寥寥無幾，畢竟行業太小。
今天拋磚引玉，希望能引發更多的交流和討論。

水利數值模擬這個概念很大。粗略劃分的話，有模擬降雨-徑流過程的水文模型，有模擬河道、海岸水流傳播的水動力模型（當然也可包括模擬地下水的地下水動力模型），也有模擬水質的水質模型，等等。而模型和軟體的區別，我個人理解是有沒有相對完善的用戶界面，免費或收費暫且不論。

我所學習的、包括目前從事的主要還是水動力模型軟體領域方面的工作內容，就依此做一個簡單的介紹。

水動力模型的基本原理是，基於描述水流運動的基本數學物理方程（如聖維南方程組），利用有限差分、有限元等方法對方程進行離散化處理，最後藉助現代信息技術的強大計算能力求解近似值（一般為流量、水位等）的一套方法理論。這是我個人的粗淺解釋。

目前常用的水動力模型軟體主要來自歐美。
歐洲的水動力模型軟體主要來自三個研究所，丹麥的丹麥水力研究所（DHI）、荷蘭的三角洲研究院（Deltares）以及英國的HR Wallingford。
DHI的MIKE系列軟體以河道/流域模擬見長，包括了進行一維二維水動力模擬的MIKE11/21，進行城市水模擬的MIKE URBAN，分散式水文模型MIKE SHE以及進行流域水資源分析管理的MIKE Basin等等；
Deltares也有相關功能的商業軟體，如進行一維二維模擬的SOBEK，流域管理的RIBASIM等等。而Deltares最著名的軟體則是一款開源軟體，進行三維水動力模擬的Delft3D；
HR Wallingford則以城市排水管網模型聞名，Infoworks ICM集成了管網、河道，可以說是進行二維城市內澇淹沒模擬的利器。

美國也有三個機構的水動力模型軟體十分知名，分別是美國地質調查局（USGS）、美國環境保護署（EPA）以及美國陸軍工程師兵團水力工程中心（HEC）。
USGS開發了進行地下水模擬的MODFLOW；
EPA開發了著名的城市雨洪模型SWMM；
而HEC則開發了進行一維二維水動力模擬的HEC-RAS。

以上軟體各有優劣。比如，SWMM、HEC-RAS和Delft3D由於是開源軟體，在世界範圍內使用者眾多。而像MIKE、Infoworks這樣的商業軟體，由於集成度非常高，可以完成類似「降雨徑流-洪水演進-決策支持」全過程的複雜的綜合水資源管理。

國內目前在工程領域的軟體使用，無論是免費還是付費，大體逃不出上述模型軟體的範疇，或是針對以上軟體的二次開發。而國內自主開發的水動力模型，大多還停留在本單位/學校自主使用的「模型」階段，離推廣以及商業化，還有著不小的距離。

而在應用方面，目前國內大一點的城市，都會收集相關數據進行水動力建模，並根據結果繪製洪水風險圖，以此對接下來的水利工程建設、水資源規劃等提供相應的決策支持。而隨著當下海綿城市建設的開展，內澇問題的日益嚴重，在未來相當長的一段時間內，水動力建模都有著很大的用處。

在發展前景上，以我個人有限的經驗來看，目前的水動力模型正越來越朝著實時在線模型的方向發展。
比如我所接觸到的，某單位目前想藉助Infoworks ICMLive實時模型，結合實測數據及氣象預報數據，對某地區未來一段時間內的內澇情況進行模擬並給出預警。而另一地區的單位，也想根據這樣的實時模型對供水調度進行實時模擬，並期望能在此基礎上進行實時的水質模擬，以對突發水質污染事件給出預警。
這類預報預警系統（Early Warning and Forecasting System）有著非常好的應用前景，但目前發展仍不成熟。以城市洪水淹沒的實時模型為例，受制於計算機的運算能力，目前實時模型仍以一維模擬為主，要想實現二維淹沒的模擬，非常耗時。

以上是我結合個人學習工作經驗給出的一點粗淺介紹，如有錯誤也歡迎業內相關人士指正交流。

河流動力模型

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現狀

一維，總體普及 —— 不管你是商業的，還是自己編的，還是網上找的excel拉公式，至少都能算出個「結果」來，恭喜我大水利，設計都是有依據的。

• 一維恆定流，真的不能再低了，什麼！？直接用謝才-曼寧公式算梯形渠道比降？這你也好意思叫模型？
• 稍提一檔，一維非恆定，估計能砍死一大半設計院，雖然用成型的軟體並沒比恆定流複雜多少，但很多市縣裡的小院是靠著能量方程過活的，沒辦法。
• 再提一檔，一維泥沙或者水質，哀鴻遍野，能算出來就很不容易了，對錯都可以暫且不論。

二維，輕奢標配 —— 甲級和部分乙級院才能搞出來，花花綠綠甚是好看。不管你是商業的，還是自己編的（這個excel真拉不了），至少可以對市縣裡那些小院們進行「降維」打擊了（我真的不是三體看多了）。

• 二維水流，或者是重要項目的關鍵節點，或者是非重要項目的出彩點，從建模成本、計算時間、結果展示上，都帶有一股淡淡的文藝范，是當下水利最流行的色彩。
• 二維泥沙或者水質，能算的單位就又少了很多，很有趣的是，有些單位，會算二維水流，不會算一維泥沙，泥沙的問題啊，真是人算不如機算，機算不如天算啊。

三維，王者榮耀——我所知道的設計單位能算三維的很少很少，一般都是高校才有這個實力，最後做出來的成果也非常漂亮，可以說，這就是水利工程行業的頂級配置了。

• 三維模型也分商業和自己編的，但是普遍建模成本高、計算時間長，三維模型一般都是很局部的工程設計才會做，算一個河段就太奢侈了。傳說（大概只是傳說），現代水力學數學模型模擬水流相似度可以達到90%以上，當然指的是三維。

總結，有句話叫做 模型都是做一個錯一個的，因為你不可能完全還原實物。但是計算精度在很多時候才是考量模型的唯一標準，甭管你用什麼模型，算的准永遠是最重要的，會用二維不算什麼牛逼，因為對於一個二維菜鳥，算某些河段可能還不如別人用一維算的准。而說到底，模型只是一種輔助設計和評價的工具，不是水利的最核心——有些時候，我反倒覺得一些老專家，不用算就能拍出一個水位來，更讓人相信！

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發展

一維模型將在很長時間內繼續統治水利行業。

• 一方面是現有的工程設計主要是一維模型計算，很多成果必須繼承（嗯，必須）。
• 一方面是仍然有一部分設計院正處於一維計算初級階段（比如用excel拉公式），它們就算晉級了，也暫且晉級到一維計算高級階段吧。
• 演算法上的發展空間不大了，以後主要是進一步降低建模的門檻吧。

二維模型將逐漸成為趨勢。

• 二維模型建模概化較一維更合理，有時候甚至更容易，行業技術要求也逐漸傾向於二維，計算短河段，將越來越多採用二維模型。
• 隨著諸多商業軟體的發展，建模成本越來越低，而計算時間成本，隨著電腦CPU提升，GPU加入，也會得到很大的壓縮，隨著市場競爭激烈，二維計算的價格也會大幅度跳水（好像很多地方已經跳了）。
• 演算法上二維模型還有一些改進空間，未來應該向著更快、更准、更省錢的方向發展。

三維模型將成為科研主力，對於研究性項目，和複雜水利工程的水力模擬，都是三維將要擔負起的任務，而對於普通項目，一段時間內用三維計算還是牛刀殺雞。

泥沙模型，將廣泛入住甲乙級設計院，但短時間內不會有什麼成效。

• 一個原因是，我國有比較詳盡泥沙監測資料的河流太少，模型好建，數據難得。
• 另一個原因是，泥沙的理論支撐還不夠，算泥沙更像是算命，如果你覺得算對40%就算可以了，好吧，
• 泥沙模型對於很多設計院就像現在用二維模型算橋樑防評一樣，錦上添花而已。

水質模型，沒碰過，不曉得。

水利數值模擬涵蓋的範圍太廣，普遍來講由於要算的區域很大，總要根據具體研究的問題相應做一些簡化，所以給我的感覺就是很少有各種問題通吃的商業軟體。大學裡有很多組都自己寫自己的code，互相兼容性極差，用起來極其不user friendly，基本只能解決自己研究的那一點點問題。當然也有一些大家都用的像delft3D, fvcom之類的，但是上手一套新code也很不容易啊。。。

有供水管網實時在線的水動力模型介紹嗎？