SMS系统软件在水利工程中的应用

薛立梅

（中水东北勘测设计研究有限责任公司科学研究院，吉林长春 130061）

SMS（The Surface-water Modeling System）水动力学软件是由美国Brigham大学环境模型研究实验室（EMRL）和美国陆军水道实验站（USACEWES）开发的软件,可用于模拟和分析地表水的运动规律。它包含一、二维有限单元模型、有限差分模型,以及三维水动力学模型，既可以进行水动力学模拟，也可以进行水质模拟，是一款较为成熟的水环境模拟软件。它还可以根据不同的水环境模拟条件选择不同的模型进行模拟，这也是 SMS的一大优点。目前，SMS的最新版本为10.1版。

SMS软件中包含的程序分为有限单元模型与有限差分模型2种。

1）有限单元模型包括以下几个模块：

①RMA2—计算沿水深平均的二维水动力程序模块，其网格为无结构的三角形或四边形网格，2种网格可混合使用；

②GFGEN—将网格地形文件转换为二进制文件,提供给RMA2程序计算；

③RMA4—在RMA2计算基础上计算污染物集中扩散变化情况的程序模块；

④SED2D2WES—在水动力模块RMA2计算结果的基础上计算泥沙输运与河床演变的程序模块；

⑤HIVEL22D—用来计算急变流 (如水跃)的程序模块；

⑥ADCIRC—最新一代高级循环多维水动力模块，其网格同样采用高度灵活的无结构网格；

⑦CGWAVE—模拟人工建筑物(如码头、防波堤等)条件下港口波浪泊稳的程序模块。

2）有限差分模型包含的模块有两个：

①STWAVE—有效计算恒定状态波谱能量传播的程序模块；

②GHOST—模拟不规则波在近海传播的程序模块，模型中用方向谱来定义波浪要素。

除上述二维有限单元模型与有限差分模型外,SMS软件中还包含了模拟河网地区水位与流速的一维程序模块HecRas，以及三维水动力模块RAM10。

从二维河道计算的实际应用方面细述SMS软件中Rma2模型的具体的使用过程。

1 模型的建立

通过dxf格式的CAD文件确定计算边框，SMS可以方便的自动生成三角形或四边形网格，散点导入并投影出地形，如果地形数据足够详细，SMS可以投影出非常完美的地形。SMS还自带网格质量检查的显示，可以针对异常显示的网格进行手动调整，有利于模型计算时的收敛。SMS还可以对桥墩等地形做出很好的模拟和计算。

2 计算过程

二维河道计算时使用的是SMS中的RMA2模块，RMA2模块是水环境综合模型TABS-MD下的水动力学模型，是有限元二维平均水深水动力缓流分析模型，其基本原理是质量守恒定律，其基本理论的基础是 Feigner和Harris建立的河流动力学模型，使用的方程近似假设：水流主要是二维的，河道横断面近似矩形，水流波长显著大于水深。该模块可以计算自由表面缓流的水面高程和水平流速，是计算二维平均水深的恒定和非恒定流的通用模块，可接受多种形式的边界条件，可以控制材料的涡黏系数，模拟干湿事件，实现河道的动态流场的模拟。

3 结果显示

SMS的后处理做的非常出色，模型收敛后，计算结果可以自动添加到窗口左侧树状目录中，点取结果，可以在主窗体中显示所要看的结果，包括流速、水位、水深等，还可直接显示出动态流场、断面结果过程线，分流比等计算结果，还可以在同一窗体显示出不同工况的结果，同一地形的不同工况结果比对非常方便。另：SMS还支持卫片、图片的加载，可将计算结果直接进行比对。

4 结语

从整个河道计算流程来讲，SMS软件有着出色的前后处理过程，就模型计算过程来讲，模型不太易收敛，受网格质量、涡黏系数，干湿事件等参数的影响较明显，但计算速度快，操作流程简单，计算结果显示及数据导出形式多样，基本满足河道计算的使用者的需求。

SMS软件可应用于海洋潮汐、风暴潮数值模拟、港口、海岸工程泊稳分析、电厂取水口附近流场数值模拟、港口、海岸工程建筑物布置方案比选、防波堤防浪效果分析及优化设计、河流航道整治工程效果数值评估、河道取水口对内河航道通航的影响、河网水流条件数值模拟、河道桥墩壅水数值模拟等。