SMS系統軟件在水利工程中的應用

薛立梅

（中水東北勘測設計研究有限責任公司科學研究院，吉林長春 130061）

SMS（The Surface-water Modeling System）水動力學軟件是由美國Brigham大學環境模型研究實驗室（EMRL）和美國陸軍水道實驗站（USACEWES）開發的軟件,可用于模擬和分析地表水的運動規律。它包含一、二維有限單元模型、有限差分模型,以及三維水動力學模型，既可以進行水動力學模擬，也可以進行水質模擬，是一款較為成熟的水環境模擬軟件。它還可以根據不同的水環境模擬條件選擇不同的模型進行模擬，這也是 SMS的一大優點。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模塊：

①RMA2—計算沿水深平均的二維水動力程序模塊，其網格為無結構的三角形或四邊形網格，2種網格可混合使用；

②GFGEN—將網格地形文件轉換為二進制文件,提供給RMA2程序計算；

③RMA4—在RMA2計算基礎上計算污染物集中擴散變化情況的程序模塊；

④SED2D2WES—在水動力模塊RMA2計算結果的基礎上計算泥沙輸運與河床演變的程序模塊；

⑤HIVEL22D—用來計算急變流 (如水躍)的程序模塊；

⑥ADCIRC—最新一代高級循環多維水動力模塊，其網格同樣采用高度靈活的無結構網格；

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

2）有限差分模型包含的模塊有兩個：

①STWAVE—有效計算恒定狀態波譜能量傳播的程序模塊；

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

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地區水位與流速的一維程序模塊HecRas，以及三維水動力模塊RAM10。

從二維河道計算的實際應用方面細述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文件確定計算邊框，SMS可以方便的自動生成三角形或四邊形網格，散點導入并投影出地形，如果地形數據足夠詳細，SMS可以投影出非常完美的地形。SMS還自帶網格質量檢查的顯示，可以針對異常顯示的網格進行手動調整，有利于模型計算時的收斂。SMS還可以對橋墩等地形做出很好的模擬和計算。

2 計算過程

二維河道計算時使用的是SMS中的RMA2模塊，RMA2模塊是水環境綜合模型TABS-MD下的水動力學模型，是有限元二維平均水深水動力緩流分析模型，其基本原理是質量守恒定律，其基本理論的基礎是 Feigner和Harris建立的河流動力學模型，使用的方程近似假設：水流主要是二維的，河道橫斷面近似矩形，水流波長顯著大于水深。該模塊可以計算自由表面緩流的水面高程和水平流速，是計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，模擬干濕事件，實現河道的動態流場的模擬。

3 結果顯示

SMS的后處理做的非常出色，模型收斂后，計算結果可以自動添加到窗口左側樹狀目錄中，點取結果，可以在主窗體中顯示所要看的結果，包括流速、水位、水深等，還可直接顯示出動態流場、斷面結果過程線，分流比等計算結果，還可以在同一窗體顯示出不同工況的結果，同一地形的不同工況結果比對非常方便。另：SMS還支持衛片、圖片的加載，可將計算結果直接進行比對。

4 結語

從整個河道計算流程來講，SMS軟件有著出色的前后處理過程，就模型計算過程來講，模型不太易收斂，受網格質量、渦黏系數，干濕事件等參數的影響較明顯，但計算速度快，操作流程簡單，計算結果顯示及數據導出形式多樣，基本滿足河道計算的使用者的需求。

SMS軟件可應用于海洋潮汐、風暴潮數值模擬、港口、海岸工程泊穩分析、電廠取水口附近流場數值模擬、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化設計、河流航道整治工程效果數值評估、河道取水口對內河航道通航的影響、河網水流條件數值模擬、河道橋墩壅水數值模擬等。