地表水系統(tǒng)分析模型

SMS （The Surface-water Modeling System）水動力學軟件是由美國Brigham 大學環(huán)境模型研究實驗室（EMRL）和美國陸軍水道實驗站（USACEWES）開發(fā)的軟件，可用于模擬和分析地表水的運動規(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(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行模擬，這也是SMS 的一大優(yōu)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。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(tài)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(wèi)片、圖片的加載，可將計算結果直接進行比對。

SMS 軟件可應用于海洋潮汐、風暴潮數(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)化設計、河流航道整治工程效果數(shù)值評估、河道取水口對內(nèi)河航道通航的影響、河網(wǎng)水流條件數(shù)值模擬、河道橋墩壅水數(shù)值模擬等。

地表水水質模型是描述各種污染物質在地表水體中混合和輸運、在時間和空間上的遷移轉化規(guī)律以及各影響因素相互關系的數(shù)學方程，它是地表水環(huán)境污染治理規(guī)劃決策分析的重要工具和有效手段，在地表水質預測、水環(huán)境容量研究中起著重要作用。地表水水質模型是一種數(shù)學描述，在其對地表水水質進行研究分析的過程中涉及到許多物理、化學和生物過程，因而比較復雜，研究過程中需要根據(jù)需求選擇因子與研究方法，建立不同的模型。最近幾十年來，各種地表水水質模型不斷涌現(xiàn)，發(fā)展日臻成熟，為地表水水質的研究工作提供了基礎。隨著人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術、3S技術以及虛擬技術等的不斷發(fā)展以及與地表水水質模型的進一步結合，極大地促進了地表水水質研究技術和水環(huán)境管理技術的發(fā)展，為水環(huán)境規(guī)劃與管理工作提供了強有力的技術保障和支持。

20世紀以后，世界上大量水庫（水電站）的興建，促進了河川徑流調(diào)節(jié)理論的發(fā)展。開始時多使用經(jīng)驗統(tǒng)計的方法，利用水庫對河川的洪水和枯水進行調(diào)節(jié)計算，蘇聯(lián)學者于20世紀20年代初提出了水庫調(diào)節(jié)的概念，美國學者于40年代初把優(yōu)化的概念引入水庫調(diào)節(jié)計算，以后逐步發(fā)展形成以水庫調(diào)度圖為核心的水庫（水電站）模型。在50年代，系統(tǒng)分析技術和計算機技術的發(fā)展，使得以最大經(jīng)濟效益為目標的水庫優(yōu)化調(diào)度模型，特別是以水電站和電力系統(tǒng)最優(yōu)運行為目標的水庫（水電站）優(yōu)化調(diào)度計算模型日趨完善，并在實際運用中獲得了效益。在80年代～90年代，由于微型計算機的計算速度飛速提高，網(wǎng)絡、衛(wèi)星遙感(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)等技術的發(fā)展成熟和普及，使得水庫（水電站）管理調(diào)度模型應用的規(guī)模不斷擴大，全流域或全區(qū)域的管理調(diào)度模型系統(tǒng)應用，取得了巨大的經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益。中國自20世紀50年代末開始進行大規(guī)模的水利工程建設，并隨之開展水庫（水電站）模擬調(diào)度的研究和實踐上作。60年代后，部分大中型水庫開始根據(jù)模型計算編制年度計劃，研究使用動態(tài)規(guī)劃方法編制較完善的調(diào)度規(guī)程和調(diào)度方式。80年代以后，開始研制綜合利用水庫群優(yōu)化調(diào)度模型，研究應用計算機和網(wǎng)絡技術進行水庫（水電站）群的優(yōu)化調(diào)度的研究。90年代，針對黃河斷流問題進行了黃河全流域水庫（水電站）群配水調(diào)度，以及1998年長江特大洪水的支流水庫群和分蓄洪區(qū)防洪搶險的抗洪調(diào)度，并向完善的水庫（水電站）群優(yōu)化調(diào)度、預警決策、自動化管理信息系統(tǒng)方向發(fā)展。

水庫（水電站）系統(tǒng)是流域或區(qū)域水資源系統(tǒng)的子系統(tǒng)，也可把它視為流域系統(tǒng)中的一個結點。它是一個動態(tài)系統(tǒng)。表達或控制動態(tài)特性的數(shù)學方程，構成了水庫（水電站）特性的模擬模型，其一般形式為

q=f(v，t)或P=f(z，t)

式中，q為水庫根據(jù)需求泄放的水量；v為水庫蓄水量；t為時間；z為水庫蓄水水位；P為水電站發(fā)電出力。

該模型中蓄水量或水位是入庫水量與出席水量及蒸發(fā)滲漏損失量的函數(shù)。若入庫水量采用實測系列值，則構成確定性實測入流系列水席模擬調(diào)度模型；若入庫水量采用隨機生成系列值，則構成隨機性綜合生成入流系列水庫模擬調(diào)度模型。按照系統(tǒng)中水庫的數(shù)量、連接方式和調(diào)節(jié)的周期，還可分為：單庫模擬調(diào)度模型和庫群模擬調(diào)度模型；梯級串聯(lián)水庫調(diào)度模型和并聯(lián)水庫調(diào)度模型；日調(diào)節(jié)、年調(diào)節(jié)和多年調(diào)節(jié)調(diào)度模型等。按照水庫調(diào)度模型的主要功能，還可分為發(fā)電

調(diào)度模型、防洪調(diào)度模型、灌溉調(diào)度模型、供水調(diào)度模型、綜合利用調(diào)度模型等。當模型中加入一定的目標函數(shù)或最優(yōu)化約束條件，則構成水庫（水電站）優(yōu)化調(diào)度模型。當模型中只有一個目標函數(shù)，稱為單一目標優(yōu)化調(diào)度模型，有兩個以上目標函數(shù)時，稱為多目標優(yōu)化調(diào)度模型。

在水庫（水電站）優(yōu)化調(diào)度模型中，根據(jù)生態(tài)環(huán)境利國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃設計調(diào)度的要求，常把目標函數(shù)概化為一元函數(shù)、多元函數(shù)或泛函數(shù)，追求總體最優(yōu)、綜合凈效益極大，或水庫（水電站）系統(tǒng)總費用最合理，進行求解。為了使求解結果比較實用，常采用的目標函數(shù)為：水電站系統(tǒng)總發(fā)電量最大（對以發(fā)電為土的水庫）；水庫系統(tǒng)總棄水量最小（對以灌溉和供水為主的水庫）；電力系統(tǒng)總平均耗煤量最?。▽烊夯蛩痣娬救合到y(tǒng)）等。