地表水系統(tǒng)分析模型SMS地表水模擬系統(tǒng)

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(kāi)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。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(shù)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(guò)程線(xiàn)，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)。

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(chǎng)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。

地表水水質(zhì)模型是描述各種污染物質(zhì)在地表水體中混合和輸運(yùn)、在時(shí)間和空間上的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律以及各影響因素相互關(guān)系的數(shù)學(xué)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(zhì)預(yù)測(cè)、水環(huán)境容量研究中起著重要作用。地表水水質(zhì)模型是一種數(shù)學(xué)描述，在其對(duì)地表水水質(zhì)進(jìn)行研究分析的過(guò)程中涉及到許多物理、化學(xué)和生物過(guò)程，因而比較復(fù)雜，研究過(guò)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(lái)，各種地表水水質(zhì)模型不斷涌現(xiàn)，發(fā)展日臻成熟，為地表水水質(zhì)的研究工作提供了基礎(chǔ)。隨著人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、3S技術(shù)以及虛擬技術(shù)等的不斷發(fā)展以及與地表水水質(zhì)模型的進(jìn)一步結(jié)合，極大地促進(jìn)了地表水水質(zhì)研究技術(shù)和水環(huán)境管理技術(shù)的發(fā)展，為水環(huán)境規(guī)劃與管理工作提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障和支持。

20世紀(jì)以后，世界上大量水庫(kù)（水電站）的興建，促進(jìn)了河川徑流調(diào)節(jié)理論的發(fā)展。開(kāi)始時(shí)多使用經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的方法，利用水庫(kù)對(duì)河川的洪水和枯水進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算，蘇聯(lián)學(xué)者于20世紀(jì)20年代初提出了水庫(kù)調(diào)節(jié)的概念，美國(guó)學(xué)者于40年代初把優(yōu)化的概念引入水庫(kù)調(diào)節(jié)計(jì)算，以后逐步發(fā)展形成以水庫(kù)調(diào)度圖為核心的水庫(kù)（水電站）模型。在50年代，系統(tǒng)分析技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得以最大經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)的水庫(kù)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(yùn)行為目標(biāo)的水庫(kù)（水電站）優(yōu)化調(diào)度計(jì)算模型日趨完善，并在實(shí)際運(yùn)用中獲得了效益。在80年代～90年代，由于微型計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度飛速提高，網(wǎng)絡(luò)、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(shù)的發(fā)展成熟和普及，使得水庫(kù)（水電站）管理調(diào)度模型應(yīng)用的規(guī)模不斷擴(kuò)大，全流域或全區(qū)域的管理調(diào)度模型系統(tǒng)應(yīng)用，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。中國(guó)自20世紀(jì)50年代末開(kāi)始進(jìn)行大規(guī)模的水利工程建設(shè)，并隨之開(kāi)展水庫(kù)（水電站）模擬調(diào)度的研究和實(shí)踐上作。60年代后，部分大中型水庫(kù)開(kāi)始根據(jù)模型計(jì)算編制年度計(jì)劃，研究使用動(dòng)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(kāi)始研制綜合利用水庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度模型，研究應(yīng)用計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行水庫(kù)（水電站）群的優(yōu)化調(diào)度的研究。90年代，針對(duì)黃河斷流問(wèn)題進(jìn)行了黃河全流域水庫(kù)（水電站）群配水調(diào)度，以及1998年長(zhǎng)江特大洪水的支流水庫(kù)群和分蓄洪區(qū)防洪搶險(xiǎn)的抗洪調(diào)度，并向完善的水庫(kù)（水電站）群優(yōu)化調(diào)度、預(yù)警決策、自動(dòng)化管理信息系統(tǒng)方向發(fā)展。

水庫(kù)（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(gè)結(jié)點(diǎn)。它是一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。表達(dá)或控制動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)方程，構(gòu)成了水庫(kù)（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(kù)根據(jù)需求泄放的水量；v為水庫(kù)蓄水量；t為時(shí)間；z為水庫(kù)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(kù)水量與出席水量及蒸發(fā)滲漏損失量的函數(shù)。若入庫(kù)水量采用實(shí)測(cè)系列值，則構(gòu)成確定性實(shí)測(cè)入流系列水席模擬調(diào)度模型；若入庫(kù)水量采用隨機(jī)生成系列值，則構(gòu)成隨機(jī)性綜合生成入流系列水庫(kù)模擬調(diào)度模型。按照系統(tǒng)中水庫(kù)的數(shù)量、連接方式和調(diào)節(jié)的周期，還可分為：?jiǎn)螏?kù)模擬調(diào)度模型和庫(kù)群模擬調(diào)度模型；梯級(jí)串聯(lián)水庫(kù)調(diào)度模型和并聯(lián)水庫(kù)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(kù)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(dāng)模型中加入一定的目標(biāo)函數(shù)或最優(yōu)化約束條件，則構(gòu)成水庫(kù)（水電站）優(yōu)化調(diào)度模型。當(dāng)模型中只有一個(gè)目標(biāo)函數(shù)，稱(chēng)為單一目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型，有兩個(gè)以上目標(biāo)函數(shù)時(shí)，稱(chēng)為多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型。

在水庫(kù)（水電站）優(yōu)化調(diào)度模型中，根據(jù)生態(tài)環(huán)境利國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)度的要求，常把目標(biāo)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(kù)（水電站）系統(tǒng)總費(fèi)用最合理，進(jìn)行求解。為了使求解結(jié)果比較實(shí)用，常采用的目標(biāo)函數(shù)為：水電站系統(tǒng)總發(fā)電量最大（對(duì)以發(fā)電為土的水庫(kù)）；水庫(kù)系統(tǒng)總棄水量最?。▽?duì)以灌溉和供水為主的水庫(kù)）；電力系統(tǒng)總平均耗煤量最?。▽?duì)庫(kù)群或水火電站群系統(tǒng)）等。