SMS系統(tǒng)軟件在水利工程中的應(yīng)用

薛立梅

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司科學(xué)研究院，吉林長(zhǎng)春 130061）

SMS（The Surface-water Modeling System）水動(dòng)力學(xué)軟件是由美國(guó)Brigham大學(xué)環(huán)境模型研究實(shí)驗(yàn)室（EMRL）和美國(guó)陸軍水道實(shí)驗(yàn)站（USACEWES）開發(fā)的軟件,可用于模擬和分析地表水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。它包含一、二維有限單元模型、有限差分模型,以及三維水動(dòng)力學(xué)模型，既可以進(jìn)行水動(dòng)力學(xué)模擬，也可以進(jìn)行水質(zhì)模擬，是一款較為成熟的水環(huán)境模擬軟件。它還可以根據(jù)不同的水環(huán)境模擬條件選擇不同的模型進(jìn)行模擬，這也是 SMS的一大優(yōu)點(diǎn)。目前，SMS的最新版本為10.1版。

SMS軟件中包含的程序分為有限單元模型與有限差分模型2種。

1）有限單元模型包括以下幾個(gè)模塊：

①RMA2—計(jì)算沿水深平均的二維水動(dòng)力程序模塊，其網(wǎng)格為無(wú)結(jié)構(gòu)的三角形或四邊形網(wǎng)格，2種網(wǎng)格可混合使用；

②GFGEN—將網(wǎng)格地形文件轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制文件,提供給RMA2程序計(jì)算；

③RMA4—在RMA2計(jì)算基礎(chǔ)上計(jì)算污染物集中擴(kuò)散變化情況的程序模塊；

④SED2D2WES—在水動(dòng)力模塊RMA2計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上計(jì)算泥沙輸運(yùn)與河床演變的程序模塊；

⑤HIVEL22D—用來(lái)計(jì)算急變流 (如水躍)的程序模塊；

⑥ADCIRC—最新一代高級(jí)循環(huán)多維水動(dòng)力模塊，其網(wǎng)格同樣采用高度靈活的無(wú)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格；

⑦CGWAVE—模擬人工建筑物(如碼頭、防波堤等)條件下港口波浪泊穩(wěn)的程序模塊。

2）有限差分模型包含的模塊有兩個(gè)：

①STWAVE—有效計(jì)算恒定狀態(tài)波譜能量傳播的程序模塊；

②GHOST—模擬不規(guī)則波在近海傳播的程序模塊，模型中用方向譜來(lái)定義波浪要素。

除上述二維有限單元模型與有限差分模型外,SMS軟件中還包含了模擬河網(wǎng)地區(qū)水位與流速的一維程序模塊HecRas，以及三維水動(dòng)力模塊RAM10。

從二維河道計(jì)算的實(shí)際應(yīng)用方面細(xì)述SMS軟件中Rma2模型的具體的使用過程。

1 模型的建立

通過dxf格式的CAD文件確定計(jì)算邊框，SMS可以方便的自動(dòng)生成三角形或四邊形網(wǎng)格，散點(diǎn)導(dǎo)入并投影出地形，如果地形數(shù)據(jù)足夠詳細(xì)，SMS可以投影出非常完美的地形。SMS還自帶網(wǎng)格質(zhì)量檢查的顯示，可以針對(duì)異常顯示的網(wǎng)格進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整，有利于模型計(jì)算時(shí)的收斂。SMS還可以對(duì)橋墩等地形做出很好的模擬和計(jì)算。

2 計(jì)算過程

二維河道計(jì)算時(shí)使用的是SMS中的RMA2模塊，RMA2模塊是水環(huán)境綜合模型TABS-MD下的水動(dòng)力學(xué)模型，是有限元二維平均水深水動(dòng)力緩流分析模型，其基本原理是質(zhì)量守恒定律，其基本理論的基礎(chǔ)是 Feigner和Harris建立的河流動(dòng)力學(xué)模型，使用的方程近似假設(shè)：水流主要是二維的，河道橫斷面近似矩形，水流波長(zhǎng)顯著大于水深。該模塊可以計(jì)算自由表面緩流的水面高程和水平流速，是計(jì)算二維平均水深的恒定和非恒定流的通用模塊，可接受多種形式的邊界條件，可以控制材料的渦黏系數(shù)，模擬干濕事件，實(shí)現(xiàn)河道的動(dòng)態(tài)流場(chǎng)的模擬。

3 結(jié)果顯示

SMS的后處理做的非常出色，模型收斂后，計(jì)算結(jié)果可以自動(dòng)添加到窗口左側(cè)樹狀目錄中，點(diǎn)取結(jié)果，可以在主窗體中顯示所要看的結(jié)果，包括流速、水位、水深等，還可直接顯示出動(dòng)態(tài)流場(chǎng)、斷面結(jié)果過程線，分流比等計(jì)算結(jié)果，還可以在同一窗體顯示出不同工況的結(jié)果，同一地形的不同工況結(jié)果比對(duì)非常方便。另：SMS還支持衛(wèi)片、圖片的加載，可將計(jì)算結(jié)果直接進(jìn)行比對(duì)。

4 結(jié)語(yǔ)

從整個(gè)河道計(jì)算流程來(lái)講，SMS軟件有著出色的前后處理過程，就模型計(jì)算過程來(lái)講，模型不太易收斂，受網(wǎng)格質(zhì)量、渦黏系數(shù)，干濕事件等參數(shù)的影響較明顯，但計(jì)算速度快，操作流程簡(jiǎn)單，計(jì)算結(jié)果顯示及數(shù)據(jù)導(dǎo)出形式多樣，基本滿足河道計(jì)算的使用者的需求。

SMS軟件可應(yīng)用于海洋潮汐、風(fēng)暴潮數(shù)值模擬、港口、海岸工程泊穩(wěn)分析、電廠取水口附近流場(chǎng)數(shù)值模擬、港口、海岸工程建筑物布置方案比選、防波堤防浪效果分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)、河流航道整治工程效果數(shù)值評(píng)估、河道取水口對(duì)內(nèi)河航道通航的影響、河網(wǎng)水流條件數(shù)值模擬、河道橋墩壅水?dāng)?shù)值模擬等。