流域智能化管理中数学模型的应用

在流域管理过程中，遇到对大江大河进行分析时，面对水流的情况比较复杂的情况，通常会应用模型预估和理解水流的过程。流域模型按模拟方式分为物理模型和数学模型。常见的物理模型是科研中在实验室搭建的缩微模型，例如模拟丰水期和枯水期水流经过水坝时的状况。数学模型则是应用软件进行模拟，特别是针对一些特定的分析条件，如流域水平分析中百年一遇降水，数学模型可以实现形象化、可视化，非常直观的模拟出丰水和枯水的程度。

流域数学模型可分为水文模型、水力模型、水质模型。通常水文和水力模型会一同搭建，因为水文和水力具有前后相连的关系。水质模型往往单独搭建，例如点、面、源的污染物污染。本文主要针对水文和水力模型展开。

流域管理中智能化模型的设计涉及到机理模型和数据模型的选择。机理模型是通过物理机理或数学公式建立起数学模型然后进行校准。数据模型是通过对实时收集的数据进行统计分析，运用机器学习算法训练，发现规律和关联的模型。

流域智能化主要是通过机理模型，配合数据资源，通过整合来减少人工模糊处理，使管理更加智能化。

作为环保工程师或水文水利工程师，在进行设计时经常要把模型和设计过程并行。模型能够提供准确直观的设计细节。

水文模型主要用来计算特定位置或特定区域的流量和峰值流量。水力模型是通过峰值流量、径流量来预测水面高程、流速或水面宽度。

水文模型可以模拟降水径流的过程。比如雨水从高点流到低点、河流沿峡谷流动的过程，其模拟需要降雨流量，土壤特征等数据。水力模型运用水文模型计算出的径流量和峰值流量，导入水力模型计算出河流当中水面的高程、流速等。需要的输入值包括水文模型计算流量、起始水位、排水的网络特征如给排水的管网和河道存储区域（集水区）。

常见的水文模型软件包括HEC-HMS,、AutoCAD Civil 3D、SWMM等，水力模型软件包括AutoCAD Civil 3D、 HEC-RAS、SWMM、WaterGEMS、InforWorks等，其它模型软件包括ArcGIS。

其中ArcGIS是非常重要的基础软件，ArcGIS的全称是地理信息系统。它可以把所有的地形地貌特征、区域情况等通过文件的形式导入到软件中。所有的水文水利模型都是在这个基础基底进行模拟。大江大河、水利管网的分析与地形存在着非常重要的关系。

常用的AutoCAD可以实现二维绘图的功能，在水文水力建模中，需要AutoCAD Civil 3D实现三维绘图，其主要特点是增加了垂直方向上的设计。而且软件支持BIM文件，其集成功能可改进绘图、设计和施工文档的编制，对于大型的项目，比如大型写字楼的建设中污水管进水管的设计，建筑团队、暖通团队、给排水团队负责的部分是不同的，需要通过BIM将每个团队的设计汇总并连接，达到协同工作的目的。AutoCAD Civil 3D具有动态相关性，因为其具有垂直方向设计能力，面对例如管道的高程需要修改的情况，只需要在AutoCAD软件中改变数值，软件会重新进行计算，平面图、剖面图等都会进行相应的改变，不需要人为重新绘制。AutoCAD Civil 3D可以对设计数据进行管理、储存和传递，能够将数据导入到BIM当中，对于大型项目的管理会节约大量时间。

AutoCAD Civil 3D的功能：

1. 地形勘测：负责勘测的工程人员到野外去探测地形，相关数据直接导入到AutoCAD Civil 3D，可形成地形信息。

2. 项目设计：应用的项目类型包括给排水（污水管、净水管、雨水管等）、勘测测绘、场地设计、交通运输（道路）、景观设计、城市规划、结构设计等。

这是一款由AutoCAD Civil 3D延伸出的软件，可以看做插件类型的软件，主要功能是针对污水雨水进行管网或集水区的分析。我们可以把它理解为InforWorks、WaterGEMS的同类软件。

该软件的优势在于可以与AutoCAD Civil 3D无缝连接。当使用AutoCAD Civil 3D设计完成三维图纸之后，可以直接导入到Sanitary and Storm Analysis界面开展分析。

图中所示的储水池，包含很多雨水管网，当设计不合理的时候，管网可能会溢满，也可能存水能力较差，通过Sanitary and Storm Analysis分析，可以直观的判断设计高程是否合适，可随时更改设计体现效果。

SWMM是一个水文、水利乃至水质均可兼顾的软件。它的全称是Storm Water Management Model雨水管理模型。SWMM是免费公开的软件，用户数量较多。软件可以运用于都市雨洪模拟。城市地面大多由沥青、水泥覆盖，对雨水的径流、下渗影响很大。城市区域的排水受下渗效率较低的影响，主要通过排水系统解决排水问题，一旦排水系统饱和或者发生堵塞，就会导致城市发生洪涝灾害，这款软件能够对城市雨水洪水进行很好地模拟。对于非都市或者山区，SWMM同样可以应用。

SWMM水力模型主要应用于管网设计，包括雨水管网、明渠流以及水泵、分流器、存储设备等其它设施的设计。水文模型主要应用于实时降雨数据、雨水下渗、水汽蒸发以及降雨径流绿色设计。

SWMM模型的应用主要包括雨水排水系统设计、滞洪设施设计、雨污合流系统CSO设计、洪水地图确定、低影响开发LID和绿色基础设施应用、水质模型分析等。

低影响开发LID作为海绵城市的应用，是一种利用土地开发、再开发尽可能模拟或者维持原来生态水文系统的方法，随着城市化进程的加快，SWMM在低影响开发中的雨水排水系统设计方面发挥出更大的作用。

HEC-HMS（Hydrologic Engineering Center's Hydrologic Modeling System）是一款功能强大、广泛用于模拟流域水文过程的软件工具。HEC-HMS可以模拟完整的径流过程，包括降水、蒸发、入渗、径流和流量, 适用于各种范围大小的地理区域，这包括大型水库供水和洪水水文，以及小型城市或自然流域径流等。

HEC-HMS 包含多种模拟水文过程的方法，用户可以根据项目实际情况选择最适合方法，并且可以支持水文过程的连续模拟，允许用户模拟流域对长期气候条件的响应。HEC-HMS支持GIS功能，可用于导入和导出地理数据，方便创建和编辑流域模型，以耦合其他工程模型，如水文化学模型、水力学模型和水资源管理模型，以进行更综合的水文分析和规划。

HEC-HMS可用于分析降雨产流、径流过程、洪水预报和水资源管理等方面，生成的结果可直接或与其他软件结合使用，用以研究城市排水、流量预测、未来城市化的影响、水库溢洪道设计、洪水损害减少、洪泛区调节和系统运行。

HEC-RAS（Hydrologic Engineering Center's River Analysis System）是一款水力学建模软件。它是用于模拟河流流态、水力特性和洪水影响的工具。HEC-RAS系统包括水力学分析组件、数据存储管理组件、制图报告组件。HEC-RAS可以进行稳定水流模拟、一维二维非稳定水流模拟、飘沙水动力模型模拟、水质模型分析。如模拟水流流经明渠系统并计算水面剖面，由于长期冲刷沉积造成的漂沙计算等。

HEC-RAS被广泛应用于水资源工程、河流管理、环境工程、城市规划等领域，用于解决与河流水文、水力学和水资源相关的问题，尤其是在洪泛平原管理和洪水保险研究中最为常见。一些其他用途包括：桥涵设计和分析、堤坝安全性分析，堤坝和防洪墙设计、漂沙分析、湿地保护等。

随着流域管理数字化与智能化的不断深入，各类模型的应用不可或缺，在应用模型的过程中，需要针对场景选择合适的模型，在收集详实准确信息、合理进行推论演算的同时，尽可能协调相关各方资源来完善模型。各类模型的应用能够提高流域管理的科学性、精准性和效率性，是推动水资源管理现代化、智能化和可持续发展的重要手段和途径，为实现水资源可持续利用和保护提供了强有力的支撑和保障。随着技术的不断进步和应用的不断推广，数字化智能化流域管理将为全球水资源管理带来革命性的变革和提升。