SMS8.1地表水模拟软件使用说明与开发
SMS 是英文Surface Water Modeling System(地表水模拟系统) 首个字母的组合，是美国陆军工程兵水利工程实验室(United States Army Corps of Engineers Hydraulics Laboratory)和扬·伯明翰大学(Brigham Young University)等合作开发的商业软件，可用来模拟水体的流场和浓度场。它由FESWMS-2DH 、RMA2、RMA4、SED2D 等软件包组成。本章对将使用的RMA2和RMA4软件包及其强大的后处理功能作较详细地说明。
1 水动力模型的建立
水动力模型建立的步骤如图1所示：
图1 RMA2二维水动力模型的工作流程
1.1 输入底图
采用SMS 进行地表水模拟时，首先要输入较详细的底图。SMS8.1软件输入底图的途径主要有两种：
一、 打开tiff 格式的图形文件，将地图中随机的三点的坐标输入定位，使底图与实际地
形吻合；
二、 此外SMS8.1软件还支持AutoCAD 转换成的R12的.dxf 格式的电子地图，可以直接
打开.dxf 格式的地图。
1.2定义节点
具体操作如下：
1、 点击图标增加节点，利用图标选择节点，以便对节点进行修改；
2、 选中两节点，在SMS8.1版本中在窗口下方偏右出现distance 项为两节点距离，如
图2所示。已知两点距离，可在Node/Interpolation Option项中调整插入的节点数，根据实际情况插入节点。
3、 节点坐标包括x 、y 、z 值可在坐标框中输入，确定节点的确切位置及高程，如图3
所示。
图2 两节点间距离显示图
图3 节点坐标显示图
1.3 构建网格
1.3.1 网格的构建应满足以下条件：
1、 据水力特征流速大小和过水能力的大小使网格疏密有致；
2、 构建模型者所估计的流线平行；
3、 三角形与四边形注意过渡。边界、流场复杂区域用三角形，流速均匀、航道、湖区
等地使用四边形。
1.3.2 构建方法：
1、手动添加网格单元: 选中三个节点，点击
选中四个节点，点形成八节点的四边形网格；点，形成形如图标的六节点三角形网格；分割四边形网格或将两相邻的三角形网格合成为四边形网格；点将内含两个三角形网格的四边形网格调转方向，使得网格
满足适应流线，避免出现网格质量的原则。
2、通过节点线构造三角形、四边形网格：
节点如图4所示，点连接节点线，三角形网格三边界，四边形网格四边界，从起点开始，终点双击结束，形如图5所示；最终，6条边界的节点线如图6所示。
图4 图5 图6 点选择节点线，三边界须构造三角形网格单元，选中三条边界，在Element/Triangular Patch 构造三角形单元，点Preview 预览，如图7；
图7
四边形网格构造与三角形网格构造大体相同，选其四条边界，在Element /Rectangular Patch 中构造, 如图8；另外可根据图中的四条边界End1、End2、Side1、Side2中Distribute 命令可在中间插入若干个节点，此方法适合构建大规模、结构简单的四边形网格。
图8
3、通过map 模型，构造大规模的网格 按切换至地图模型，点在底图边界上绘制节点线，起始点单击，在终点双击结束此条节点线的绘制, 如图9。绘制另一条相邻的节点线时，软件将自动识别节点之间的耦合性如图10。不管地形规则或不规则，都要形成一个图块，图块至少需要四条节点线，形如图11所示。构建模型时，为了不同的材质、地形可设置互相连接的若干个块；连接完所有的块，点feature objects/build polygons，这时，模型自动建立块，但是从界面上看不出来。
点再选择你所要构造的块，出现如图12 所示的效果。接下来点feature objective\attribute ，出现如图13所示，您可以在Mesh Type 中选择网格的类型，分paving 、patch 、adaptive tessellation分别代表三角形网格、四边形网格、密集型三角形网格。点preview 预览。假如构造的块含有4条以上的节点线，点选中某个你认为不必要的点（此点是节点线的起点或终点）在node option 中选择merge 就可以把此点转换成中间点，可进行下一步骤。最后点feature objects/map->2D mesh把地图生成二维网格。
图9 图10 图11 图12
网格构造完后，要对模型定义底高程。确定模型所用的单位（米或英尺及其它），在edit\current coordination中改变unit 选项调整单位。
图13 网格的类型
1.4 模型质量检查
整个计算区域的网格划分完毕后，为使网格收敛，点击
对网格进行检查，检查内容包括：
1、三角形内角满足10°≤α≤150°，四边形内角满足30°≤α≤150°；
2、两单元之间的地形最大坡度≤10%；
3、相邻有限元的面积比是否控制在0.5~2之间；
4、三角形、四边形任意两条边长度的最大比值不超过10；
5、节点地面高程大于水面高程时，是否打开“干/湿”边界条件；
6、为保证能量守恒，尽量使系统的边界光滑；
7、三角形、四边形有限元是否光滑、平整；
8、为节省计算时间，需要对有限元网格重新编号。
对于不符合要求的有限元网格如图14所示，可根据检查结果进行调整，具体步骤如下：
1、首先将选项Nodes/Locked前面的对号去掉，以便可以任意移动节点； 点击图标移动节点，直到该节点处不出现质量问题为止； 图标选中Mesh quality选项，
2、对于一些节点需改变其底高程，可在图3节点坐标显示图中输入适当的值，直到不出现网格质量；
3、点击图标按逆时针方向，点击需光滑的节点线起始点，按住Ctrl 键点击终点，
然后点击图标选中需光滑的节点线，点击Nodestrings/Smooth命令即可；
4、此外，对于四边形单元应尽量使其长边与短边的比例增大，并使长边方向与水流方向一致。在敏感区域（如水流变化较大处）需适当增加单元数，以使网格收敛。
修改后直至不再出现网格质量问题，方可进行下一步操作。
图14网格质量显示图
1.5 定义材质
不同的材质有不同的糙率，定义材质步骤如下：
1、添加新材质，选择Edit /Material Date 点击New 创建新材质，点击对话框中的ID 、Name 和Pattern 可以定义不同的特性。
2、选择Element/Option，点击Set default material可以设置默认的材质。若需更改单元的材质，可以点击
新选择材质。
3、最后在RMA2/Material Properties中设置材质的不同的参数（曼宁系数和涡粘性系数等）。
1.6 设置边界条件
1、利用工具，按下Shift 键点击起始点，最后双击终点即可创建节点串。然后利用工具选择需要修改的单元。然后选择Element/Assign Element Type 重工具点击节点串，查看边界线方向。入流边界方向应朝向计算域内，出流边界方向应朝向计算域外。若不符合要求，可以选择Nodestrings /Reverse Direction更改方向。
2、入流与出流边界方向确定后，利用工具点击节点串选择RMA2/Assign BC分别设
置入流和出流边界条件。选项Boundary Condition Type中可以设置边界的类型，Specified flow可以定义流量边界；Water surface elevation 可以定义水位高程边界；Reflecting boundary 可以定义反射边界；Rating curve 可以定义非恒定边界。一般进口处可以设置入流量和流速，出口处设置水位。
1.7 模型控制参数设置
模型控制参数的设置是用来定义水动力模型的初始条件的。选择RMA2/Model Control 打开模型控制对话框，参数设置具体步骤如下：
1、General 选项：计算机类型Machine Type 选择第一项；Water Properties 选择中，Temperature 设置水温，Density 设置水的密度，Specify initial water surface for定义模型出口初始水位，Specify 1D node initial condition设置初始水深和流速估计值；其它选项取默认值，如图15所示。
图15 RMA2模型控制General 选项对话框
2、Timing 选项：模拟类型Simulation Type中恒定计算选择Steady state，动态模拟则选择Dynamic ；设置迭代次数Iteration For Flow Calculations/Initial；在Depth Convergence Parameters/Steady state depth选项中输入模拟计算的收敛标准（一般取0.0001）；非恒定计算选择Dynamic ，迭代次数和收敛标准设置同上，并在Computation Time中输入各项值。
3、File 选项：该选项中设计到文件的存储功能。若是冷启动，则保持选项中的默认值即可；若为热启动，则需在进行初次计算时打开Write hotstart按钮，计算完毕后，系统会自动生成“*. hot ”文件，若需要利用同一地形继续进行计算，则可以打开Hotstart input按钮，找到“*. hot ”文件，便可进行热启动计算。
4、Materials 选项：该选项主要控制干/湿地的打开和关闭。
5、Weather 选项：该选项可以控制风效应、降雨、蒸发等因素对计算的影响。
1.8 RMA2模型检查
上述操作完成后，便可进行RMA2模型检查了。选择RMA2/Model Check，然后点击Run Check 即可运行模型检查。若出现错误，可根据提示进行修改；若无错误提示，剩下的可能提示就是对网格进行重新编号。此时可以利
用工具点击出口处节点串，选择Nodestrings /Renumber 命令即可对网格重新编号，文件存档。
1.9 模型运行
对网格进行重新编号后，便可进行模型计算。选择RMA2/Run RMA2命令进行模型计算，若模型计算结果收敛，则计算框内会出现“RMA2 finished ”字样；若模型计算发散，则会出现“Stop depth convergence exceed 25.0”字样；此时必须重新对网格进行检查，可以通过修改网格、修改参数设置等措施使网格最终收敛。具体操作如下：
1、打开网格质量显示Mesh quality，查看网格是否还有未发现的质量问题；
2、网格总体方向应与水流流向大体保持一致，特别是过渡地区，三角形与四边形应合理选取，网格疏密程度应与水流特性相符，水流较复杂、流速变化较大的区域应加密网格，反之则适当减小网格密度；
3、检查边界条件的设置：出口水位是否太低，入口流量是否太大，在模型控制中，初始水位的设置可以进行调整，方便模型收敛，入口与出口边界应设置过渡段防止局部区域流速过高；
4、糙率问题检查：不同材质之间需要一定的过渡区域，以满足网格收敛。
SMS8.1地表水模拟软件使用说明与开发
SMS 是英文Surface Water Modeling System(地表水模拟系统) 首个字母的组合，是美国陆军工程兵水利工程实验室(United States Army Corps of Engineers Hydraulics Laboratory)和扬·伯明翰大学(Brigham Young University)等合作开发的商业软件，可用来模拟水体的流场和浓度场。它由FESWMS-2DH 、RMA2、RMA4、SED2D 等软件包组成。本章对将使用的RMA2和RMA4软件包及其强大的后处理功能作较详细地说明。
1 水动力模型的建立
水动力模型建立的步骤如图1所示：
图1 RMA2二维水动力模型的工作流程
1.1 输入底图
采用SMS 进行地表水模拟时，首先要输入较详细的底图。SMS8.1软件输入底图的途径主要有两种：
一、 打开tiff 格式的图形文件，将地图中随机的三点的坐标输入定位，使底图与实际地
形吻合；
二、 此外SMS8.1软件还支持AutoCAD 转换成的R12的.dxf 格式的电子地图，可以直接
打开.dxf 格式的地图。
1.2定义节点
具体操作如下：
1、 点击图标增加节点，利用图标选择节点，以便对节点进行修改；
2、 选中两节点，在SMS8.1版本中在窗口下方偏右出现distance 项为两节点距离，如
图2所示。已知两点距离，可在Node/Interpolation Option项中调整插入的节点数，根据实际情况插入节点。
3、 节点坐标包括x 、y 、z 值可在坐标框中输入，确定节点的确切位置及高程，如图3
所示。
图2 两节点间距离显示图
图3 节点坐标显示图
1.3 构建网格
1.3.1 网格的构建应满足以下条件：
1、 据水力特征流速大小和过水能力的大小使网格疏密有致；
2、 构建模型者所估计的流线平行；
3、 三角形与四边形注意过渡。边界、流场复杂区域用三角形，流速均匀、航道、湖区
等地使用四边形。
1.3.2 构建方法：
1、手动添加网格单元: 选中三个节点，点击
选中四个节点，点形成八节点的四边形网格；点，形成形如图标的六节点三角形网格；分割四边形网格或将两相邻的三角形网格合成为四边形网格；点将内含两个三角形网格的四边形网格调转方向，使得网格
满足适应流线，避免出现网格质量的原则。
2、通过节点线构造三角形、四边形网格：
节点如图4所示，点连接节点线，三角形网格三边界，四边形网格四边界，从起点开始，终点双击结束，形如图5所示；最终，6条边界的节点线如图6所示。
图4 图5 图6 点选择节点线，三边界须构造三角形网格单元，选中三条边界，在Element/Triangular Patch 构造三角形单元，点Preview 预览，如图7；
图7
四边形网格构造与三角形网格构造大体相同，选其四条边界，在Element /Rectangular Patch 中构造, 如图8；另外可根据图中的四条边界End1、End2、Side1、Side2中Distribute 命令可在中间插入若干个节点，此方法适合构建大规模、结构简单的四边形网格。
图8
3、通过map 模型，构造大规模的网格 按切换至地图模型，点在底图边界上绘制节点线，起始点单击，在终点双击结束此条节点线的绘制, 如图9。绘制另一条相邻的节点线时，软件将自动识别节点之间的耦合性如图10。不管地形规则或不规则，都要形成一个图块，图块至少需要四条节点线，形如图11所示。构建模型时，为了不同的材质、地形可设置互相连接的若干个块；连接完所有的块，点feature objects/build polygons，这时，模型自动建立块，但是从界面上看不出来。
点再选择你所要构造的块，出现如图12 所示的效果。接下来点feature objective\attribute ，出现如图13所示，您可以在Mesh Type 中选择网格的类型，分paving 、patch 、adaptive tessellation分别代表三角形网格、四边形网格、密集型三角形网格。点preview 预览。假如构造的块含有4条以上的节点线，点选中某个你认为不必要的点（此点是节点线的起点或终点）在node option 中选择merge 就可以把此点转换成中间点，可进行下一步骤。最后点feature objects/map->2D mesh把地图生成二维网格。
图9 图10 图11 图12
网格构造完后，要对模型定义底高程。确定模型所用的单位（米或英尺及其它），在edit\current coordination中改变unit 选项调整单位。
图13 网格的类型
1.4 模型质量检查
整个计算区域的网格划分完毕后，为使网格收敛，点击
对网格进行检查，检查内容包括：
1、三角形内角满足10°≤α≤150°，四边形内角满足30°≤α≤150°；
2、两单元之间的地形最大坡度≤10%；
3、相邻有限元的面积比是否控制在0.5~2之间；
4、三角形、四边形任意两条边长度的最大比值不超过10；
5、节点地面高程大于水面高程时，是否打开“干/湿”边界条件；
6、为保证能量守恒，尽量使系统的边界光滑；
7、三角形、四边形有限元是否光滑、平整；
8、为节省计算时间，需要对有限元网格重新编号。
对于不符合要求的有限元网格如图14所示，可根据检查结果进行调整，具体步骤如下：
1、首先将选项Nodes/Locked前面的对号去掉，以便可以任意移动节点； 点击图标移动节点，直到该节点处不出现质量问题为止； 图标选中Mesh quality选项，
2、对于一些节点需改变其底高程，可在图3节点坐标显示图中输入适当的值，直到不出现网格质量；
3、点击图标按逆时针方向，点击需光滑的节点线起始点，按住Ctrl 键点击终点，
然后点击图标选中需光滑的节点线，点击Nodestrings/Smooth命令即可；
4、此外，对于四边形单元应尽量使其长边与短边的比例增大，并使长边方向与水流方向一致。在敏感区域（如水流变化较大处）需适当增加单元数，以使网格收敛。
修改后直至不再出现网格质量问题，方可进行下一步操作。
图14网格质量显示图
1.5 定义材质
不同的材质有不同的糙率，定义材质步骤如下：
1、添加新材质，选择Edit /Material Date 点击New 创建新材质，点击对话框中的ID 、Name 和Pattern 可以定义不同的特性。
2、选择Element/Option，点击Set default material可以设置默认的材质。若需更改单元的材质，可以点击
新选择材质。
3、最后在RMA2/Material Properties中设置材质的不同的参数（曼宁系数和涡粘性系数等）。
1.6 设置边界条件
1、利用工具，按下Shift 键点击起始点，最后双击终点即可创建节点串。然后利用工具选择需要修改的单元。然后选择Element/Assign Element Type 重工具点击节点串，查看边界线方向。入流边界方向应朝向计算域内，出流边界方向应朝向计算域外。若不符合要求，可以选择Nodestrings /Reverse Direction更改方向。
2、入流与出流边界方向确定后，利用工具点击节点串选择RMA2/Assign BC分别设
置入流和出流边界条件。选项Boundary Condition Type中可以设置边界的类型，Specified flow可以定义流量边界；Water surface elevation 可以定义水位高程边界；Reflecting boundary 可以定义反射边界；Rating curve 可以定义非恒定边界。一般进口处可以设置入流量和流速，出口处设置水位。
1.7 模型控制参数设置
模型控制参数的设置是用来定义水动力模型的初始条件的。选择RMA2/Model Control 打开模型控制对话框，参数设置具体步骤如下：
1、General 选项：计算机类型Machine Type 选择第一项；Water Properties 选择中，Temperature 设置水温，Density 设置水的密度，Specify initial water surface for定义模型出口初始水位，Specify 1D node initial condition设置初始水深和流速估计值；其它选项取默认值，如图15所示。
图15 RMA2模型控制General 选项对话框
2、Timing 选项：模拟类型Simulation Type中恒定计算选择Steady state，动态模拟则选择Dynamic ；设置迭代次数Iteration For Flow Calculations/Initial；在Depth Convergence Parameters/Steady state depth选项中输入模拟计算的收敛标准（一般取0.0001）；非恒定计算选择Dynamic ，迭代次数和收敛标准设置同上，并在Computation Time中输入各项值。
3、File 选项：该选项中设计到文件的存储功能。若是冷启动，则保持选项中的默认值即可；若为热启动，则需在进行初次计算时打开Write hotstart按钮，计算完毕后，系统会自动生成“*. hot ”文件，若需要利用同一地形继续进行计算，则可以打开Hotstart input按钮，找到“*. hot ”文件，便可进行热启动计算。
4、Materials 选项：该选项主要控制干/湿地的打开和关闭。
5、Weather 选项：该选项可以控制风效应、降雨、蒸发等因素对计算的影响。
1.8 RMA2模型检查
上述操作完成后，便可进行RMA2模型检查了。选择RMA2/Model Check，然后点击Run Check 即可运行模型检查。若出现错误，可根据提示进行修改；若无错误提示，剩下的可能提示就是对网格进行重新编号。此时可以利
用工具点击出口处节点串，选择Nodestrings /Renumber 命令即可对网格重新编号，文件存档。
1.9 模型运行
对网格进行重新编号后，便可进行模型计算。选择RMA2/Run RMA2命令进行模型计算，若模型计算结果收敛，则计算框内会出现“RMA2 finished ”字样；若模型计算发散，则会出现“Stop depth convergence exceed 25.0”字样；此时必须重新对网格进行检查，可以通过修改网格、修改参数设置等措施使网格最终收敛。具体操作如下：
1、打开网格质量显示Mesh quality，查看网格是否还有未发现的质量问题；
2、网格总体方向应与水流流向大体保持一致，特别是过渡地区，三角形与四边形应合理选取，网格疏密程度应与水流特性相符，水流较复杂、流速变化较大的区域应加密网格，反之则适当减小网格密度；
3、检查边界条件的设置：出口水位是否太低，入口流量是否太大，在模型控制中，初始水位的设置可以进行调整，方便模型收敛，入口与出口边界应设置过渡段防止局部区域流速过高；
4、糙率问题检查：不同材质之间需要一定的过渡区域，以满足网格收敛。