MIKE泥沙模拟教程2

（3）水动力学模型MIKE软件
MIKE软件是由丹麦水力研究所（Danish Hydraulic Institute，简称DHI）研究开发的，集降雨径流、地下水、河道乃至海洋，水体污染物物理、化学及生物模拟功能为一体的数学模拟软件。

其主要的模块包括：MIKE11（一维模型）、MIKE21（二维模型）、MIKE3（三维模型）、MIKE BASIN（流域管理模型），MIKE SHE（水文与地下水模型）、LITPACK（海岸线动力模型）、MIKE URBAN （城市给排水管网模型）、WEST（污水处理模型）等。

①MIKE11是一维河道、河网综合模拟软件，主要用于河口、河流、灌溉系统和其他内陆水域的水文学、水力学、水质和泥沙传输模拟，在防汛洪水预报、水资源水量水质管理、水利工程规划设计论证均可得到广泛应用。

图？？MIKE 11模型主界面
②MIKE21是二维河口、海岸及海洋模拟软件，主要用于模拟河流、湖泊、河口、海湾、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及环境等。

图？？MIKE 21模型主界面
③MIKE FLOOD是一、二维模型的耦合工具，为MIKE 11和MIKE 21提供不同的连接方式，实现一、二维模型的耦合计算，连接方式有：标准连接、侧向连接、水工建筑物连接、流量连接（X，Y）等。

图？？MIKE FLOOD模型主界面。

3 河流地貌学（河床变形模型）河流地貌学模型是水动力学模型和泥沙输移模型的结合。

根据河床地形的变化不断更新水流流场。

河流地貌学模型传统上分为耦合模型和非耦合模型两种。

对于耦合模型，水流控制方程和泥沙输移方程合并到一个方程组中，同时求解。

对于非耦合模型，水动力学流控制方程的求解在泥沙输移方程求解的前一个时间步里完成，然后计算出新的床面高程，并对下一时间步的水流方程进行求解。

本模型采用的就是后一种方法（非耦合）。

本模型包括的其他子模型，诸如河岸侵蚀，岸线更新，动床阻力，床面形态，床沙级配等，都将在本章中加以描述。

3.1 泥沙连续方程根据计算的床沙质（推移质和悬移质）输移（状况），可以从以下方程求得床面高程的变化：式中：S x为X方向输沙量S y为Y方向输沙量n 床沙孔隙率t 时间（x，y）笛卡儿坐标系ΔSe 由于河岸侵蚀引起的侧向泥沙补给。

总输沙量等于推移质和悬移质之和，对于曲线网格（s，n），方程3.1将略有不同，数值处理中在每一个网格单元的入流和出流边界上使用不同的Δs和Δn，见图3.2。

本模型采用空间中心差分和时间上的向前差分格式。

时间步长受Courant准则的限制，即Courant数必须小于1。

波数可以用式3.1的一维版本加以估算：通过假定床和泥沙输移是仅是希尔兹切应力θ的函数，那么沙波的波速就可以表示为：如果谢才系数假定为常数，那么θ与h2成反比，即，对Engelund & Hansen输沙公式，有：式中：S 输沙率h 水深c bw粗估的沙波速基于图 3.2的符号系统，曲线网格的泥沙连续方程可以表达为如下差分格式：式中：S s s方向的输沙率S n n方向的输沙率n 床沙孔隙率t 时间（s，n）曲线坐标系Δs s方向的空间步长Δn n方向的空间步长（j，k）网格坐标为了系统的封闭，在上边界上需要提供边界条件。

可选择两种（边界条件），指定床面高程变化率或简单的指定进入系统的输沙率。

理论上讲，只需指定上边界泥沙输移条件。

被推荐为河流、湖泊、河口和海岸水流的二维仿真模拟工具。

1.3 水动力模块原理1.3.1 控制方程 模型是基于三向不可压缩和Reynolds 值均布的Navier-Stokes 方程，并服从于Boussinesq 假定和静水压力的假定。

二维非恒定浅水方程组为：hS yv h x u h t h =¶¶+¶¶+¶¶ （1-1） ()()202000012a xy sx bx xx xx xy s p hu hu huv h f vh gh t x y x xs s gh x xy hT hT hu S x yh r t t r r r r r ¶¶¶¶¶++=---¶¶¶¶¶¶æö¶¶+--++ç÷¶¶¶èø¶¶++¶¶ （1-2） （1-3）式中：t 为时间；, x y 为笛卡尔坐标系坐标；h 为水位；d 为静止水深；h d h =+为总水深；, u v 分别为, x y 方向上的速度分量；f 是哥氏力系数，2sin f w j =，w 为地球自转角速度，j 为当地纬度；g 为重力加速度；r 为水的密度；xx s 、xy s 、yy s 分别为辐射应力分量；S 为源项；(,)s s u v 为源项水流流速。

字母上带横杠的是平均值。

例如，u 、v 为沿水深平均的流速，由以下公式定义：d d hu u z h -=ò，d d hv v z h-=ò （1-4） ()()S hv hT y hT x y s x s y gh yp h y gh h u f y v h x uv h t v h s yy xy yy yx by sy a +¶¶+¶¶+÷÷øöççè涶+¶¶--+¶¶-¶¶-¶¶--=¶¶+¶¶+¶¶000020212r r t r t r r r h 雷诺纳维耶斯托克斯方程质的各向同性的线性半空问表面上作用一集中力Ｐ，在线性变　形体内任何点Ｍ的应力分布的弹性理论公式ij T 为水平粘滞应力项，包括粘性力、紊流应力和水平对流，这些量是根据沿水深平均的速度梯度用涡流粘性方程得出的：2xx u T A x ¶=¶，()xy u v T A y x ¶¶=+¶¶，2yy v T A y¶=¶ （1-5） 1.3.2 数值解法（1）空间离散 计算区域的空间离散是用有限体积法（Finite V olume Method ），将该连续统一体细分为不重叠的单元，单元可以是任意形状的多边形，但在这里只考虑三角形和四边形单元。

MIKE中文教程《MIKE中文教程》第一章：简介MIKE是一款强大而全面的水文水资源模拟软件。

MIKE软件系列是丹麦水利研究所（DHI）开发的，已经在全球范围内得到广泛应用。

MIKE软件主要用于水文水资源研究和管理工作，包括河流、湖泊、海洋等水域模拟以及水资源评估等方面。

第二章：安装和配置第三章：基础概念本章介绍MIKE软件中的基础概念，包括水文学基础、水资源管理概述、模型基础等。

用户需要了解这些基础概念，才能更好地理解和应用MIKE软件。

第四章：模型建立本章介绍如何在MIKE软件中建立水文水资源模型。

包括数据导入、模块选择、模型参数设置等方面的内容。

用户需要掌握模型建立的方法和步骤，以便能够灵活地应用MIKE软件进行模拟分析。

第五章：模型运行本章介绍如何对建立好的模型进行运行和分析。

包括模型参数调整、模拟结果分析等方面的内容。

用户需要学会合理地调整模型参数，并能够准确地评估模拟结果。

第六章：模型评估本章介绍如何对模型进行准确性评估。

包括观测数据对比、模型表现评价等方面的内容。

用户需要学会评估模型的准确性，以便能够对模拟结果提供可靠的科学依据。

第七章：模型应用本章介绍如何将MIKE软件应用于具体的水资源管理工作中。

包括洪水预测、水质评估、水资源规划等方面的内容。

用户需要学会将MIKE软件与实际工作相结合，提供可行的管理措施和建议。

第八章：常见问题解答本章收集了使用MIKE软件过程中常见的问题及解答，帮助用户更好地解决遇到的困惑。

第九章：案例分析本章选取一些典型的水文水资源管理案例，进行详细分析和讨论。

用户可以通过这些案例了解实际应用中的问题和解决方法，提高自己的模拟分析能力。

第十章：进阶技巧本章介绍一些高级的模拟技巧和工具，帮助用户深入了解MIKE软件的功能和应用。

包括参数优化、模型调试等方面的内容。

第十一章：附录本章提供了一些相关的附加资料，包括MIKE软件的文献文档、参考书目等。

用户可以通过这些附录资料进一步扩展自己的知识面。

1 基本参数与设置度可以忽略时，湖泊、河口、海湾、海岸和海洋的水动力、环境现象的模拟。

共分为4个模块：• 水动力模块（Hydrodynamic ）；• 平流扩散模块（Advection-Dispersion ）； •泥沙输运模块（Mud Transport ）； •生态过程模块（ECO Lab ）。

其中，水动力模块是基础，为其他三个模块的计算提供动力。

泥沙输运模块可以用来模拟波流共同作用下粉砂、淤泥和粘土的冲刷、输移与沉降。

适用范围：矩形网格。

• 水动力模块（Hydrodynamic Module ） • 输运模块（Transport Module ）• 生态过程、溢油模块（ECO Lab/Oil Spill Module ） •淤泥输运模块（Mud Transport Module ） • 粗砂输运模块（Sand Transport Module ） • 粒径追踪模块（Particle Tracking Module ） •波谱模块（Spectral Wave Module ）其中，水动力模块与波谱模块是最基本的两种。

适用范围：三角网格。

Alternative Direction Implicit Method ）：交替方向隐式方法。

把每一个时间步长分成两步进行，前半步隐式计算x 方向流速分量及潮位，显式计算y 方向流速分量；后半步隐式计算y 方向流速分量及潮位，显式计算x 方向流速分量。

2.9m 。

simulation start time ）、总步数（no. of time steps ）及时间步长（time step interval ）。

时间步长一方面决定了结果文件的最大输出频率，另一方面实现了不同模块的同步耦合。

具体计算时的时间步长则是在solution technique 中定义的。

水动力、平流扩散和波谱模型的计算步数是动态的，只要满足稳定性要求即可；对于泥沙输运和水质模型，进程可能多个步长更新一回。

MIKE 3 FLOW MODEL FM粘性泥沙模块用户手册目录1关于本文档(About this guide) (4)1.1 编写本文档的目的(Purpose) (4)1.2 用户所需的知识背景(Assumed User Background) (4)1.3 MIKE Zero模型编辑器程序界面结构(General editor layout) (4)1.3.1 导航栏(Navigation tree) (4)1.3.2 编辑窗体（Editor window） (4)1.3.3 有效性显示窗体(Validation window) (5)1.4 在线帮助系统(Online help) (5)2粘性泥沙模块(MUD TRANSPORT MODULE) (6)2.1 参数的选取(Parameter Selection) (6)2.2 求解格式(Solution Technique) (6)2.2.1 备注与提示（Remarks and hints） (6)2.3 水体参数(Water Column Parameters) (7)2.3.1 非粘性泥沙组分(Sand fraction) (7)2.3.2 沉速(Settling) (8)2.3.3 淤积(Deposition) (13)2.3.4 粘滞系数与密度(Viscosity and Density) (15)2.4 底床参数(Bed Parameters) (15)2.4.1 概述(General description) (15)2.4.2 侵蚀(Erosion) (16)2.4.3 床层的密度(Density of bed layers) (18)2.4.4 床面糙率(Bed roughness) (20)2.4.5 床层间的转换(Transition between layers) (20)2.5 地貌(Morphology) (21)2.5.1 一般性描述(General description) (21)2.5.2 备注与提示(Remarks and hints) (21)2.6 外力(Forcings) (21)2.6.1 一般性描述(General description) (21)2.6.2 波浪(Waves) (22)2.7 扩散(Dispersion) (25)2.7.1 平流扩散(Horizontal dispersion) (25)2.7.2 垂向扩散(Vertical dispersion) (26)2.7.3 推荐设置(Recommended values) (26)2.8 源(Source) (26)2.8.1 源的设定(Source specification) (26)2.8.2 备注与提示(Remarks and hints) (27)2.9 初始条件(Initial Conditions) (27)2.9.1 悬沙组分浓度(Fraction concentration) (27)2.9.2 床层厚度(Layer thickness) (28)2.9.3 粒径组的分布(Fraction distribution) (28)2.10 边界条件(Boundary Conditions) (28)2.10.1边界设置（Boundary Specification） (28)2.11 输出(Outputs) (30)2.11.1 地理视图(Geographical View) (30)2.11.2 输出设定(Output specification) (30)Table 2.4 各种文件的查看，编辑和绘制工具列表 (30)输出文件(Output file) (31)∙整个区域 (31)∙仅输出湿区 (31)2.11.3 输出项目(Output items) (33)1关于本文档(About this guide)1.1 编写本文档的目的(Purpose)编写本文档的主要目的在于指导用户使用MIKE3 Flow Model FM模型中的粘性泥沙模块，该模块主要用于模拟粘性泥沙的输运。

MIKE 11 HD、SO、AD、Ecolab完全实例教程通过建立东江水动力、水质模型，熟悉MIKE 11基本功能和应用技巧。

练习中将要建立的模型为DHI咨询项目实例（世银贷款项目），练习所使用的数据完全为该项目真实数据。

让我们从最原始数据开始！1 MIKE 11 HD – MIKE 11 水动力模型MIKE 11 HD建模需要以下各类数据或信息•流域描述－河网形状，可以是GIS数值地图或流域纸图；－最好能包含水工建筑物和水文测站的位置•河道和滩区地形－河床断面，间距视研究目标有所不同，但原则上应能反映沿程断面的变化－滩区地形资料（有时有滩区的水位－蓄水量关系曲线也行），如果要模拟滩区行洪的话•模型边界处水文测量数据－边界最好设在有实测水文测量数据处，如果实在不可能就必须估算边界条件！•用水文测量数据进行率定验证率定验证的数据越多，模型就越可靠，但工作量也会越大。

•水工建筑物设计参数及调度运行规则－所有水工建筑物都有其调度运行规则，问题是1) 能否收集到有关资料？2) 实际是否按照此规则运行了？建筑物处的实测水位或流量资料可以反映实际运行情况。

MIKE 11将上述信息分别存放在以下文件内:•河网文件(.nwk11)•断面数据(.xns11)•边界条件(.bnd11)•模型参数文件(.hd11)• (时间序列文件) (.dfs0)下面开始逐个建立这些文件。

1.1河网文件河网文件或许是MIKE 11所有文件中最复杂、又是最重要的一个文件了。

收集到的原始数据为ArcView河网文件（river.shp）：包含了河道位置、河道长度等信息。

建立河网文件步骤：第一步：从ArcView河网文件提取河网背景图用ArcView打开river.shp文件✍缩放图形区域至完整包含所有将要模拟的河道✍记下此区域左下角和右上角的UTM坐标，比如分别为(，2517015.05)和(，2590115.16) ✍输出为bmp格式图（File ✍ Export...）注：如果是纸图，同样可以将其扫描后生成bmp文件。

Mike 21流体模型用来模拟二维自由表面流。

适用于水平尺度远大于垂向尺度,垂向流速和垂向加速度可以忽略时,湖泊、河口、海湾、海岸和海洋的水动力、环境现象的模拟。

共分为4个模块：• 水动力模块（Hy ｄrodyn ａmic)；• 平流扩散模块（Adve ｃti ｏｎ-Dｉspe ｒsi ｏｎ); • 泥沙输运模块(M ｕd Tran ｓport ）； •生态过程模块（E ＣO Ｌab ）。

其中,水动力模块是基础,为其他三个模块的计算提供动力。

泥沙输运模块可以用来模拟波流共同作用下粉砂、淤泥和粘土的冲刷、输移与沉降。

适用范围：矩形网格。

:• 水动力模块(Hydrody ｎam ｉc Ｍｏｄｕｌe ） • 输运模块(Ｔｒan ｓpo ｒｔ Mo ｄｕl ｅ)• 生态过程、溢油模块(ＥCO L ａb/Ｏil S ｐil ｌ M ｏｄule ） • 淤泥输运模块(Mud Transpor ｔ Ｍodu ｌｅ） • 粗砂输运模块(Sand T ｒanspo ｒt Mod ｕle ）• 粒径追踪模块（Ｐa ｒticle Tr ａc ｋing Modul ｅ） •波谱模块(Spe ｃｔｒa ｌ Wave M ｏｄule ）其中，水动力模块与波谱模块是最基本的两种。

适用范围:三角网格。

Alternat ｉve Di ｒｅcti ｏn I ｍplic ｉｔ Ｍethod ）：交替方向隐式方法。

把每一个时间步长分成两步进行，前半步隐式计算ｘ方向流速分量及潮位,显式计算y 方向流速分量；后半步隐式计算ｙ方向流速分量及潮位,显式计算x 方向流速分量。

.9m 。

,包括起始时间(sim ｕlation start time ）、总步数（no. of ｔime ｓｔe ｐｓ）及时间步长(t ｉme step i ｎｔerva ｌ)。

时间步长一方面决定了结果文件的最大输出频率，另一方面实现了不同模块的同步耦合。

具体计算时的时间步长则是在solu ｔion technique 中定义的。