Mike21波浪泥沙培训教程

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：Sx 为X方向输沙量

Sy 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。 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： 3

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

cbw 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：

Ss s方向的输沙率

Sn 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。

水动力模块

中文手册

—Flow Model（fm）

2012-6-7 北京 MIKE模型—水利数值模拟计算技术应用教程

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目录

第一章 模型介绍 ................................................................................................. 1

1.1 简介 ........................................................................................................ 1

1.2 MIKE 21软件特点 ................................................................................. 1

1.3 水动力模块原理 .................................................................................... 2

1.3.1 控制方程 ..................................................................................... 2

1.3.2 数值解法 ..................................................................................... 3

第二章 模型构建 ................................................................................................. 6

2.1 基础数据 ................................................................................................ 6

Mike21波浪泥沙培训教程目录

•波浪理论基础知识•泥沙运动基本规律•Mike21软件介绍及操作指南•波浪泥沙数学模型原理及应用目录

•Mike21在波浪泥沙模拟中的实践操作•总结与展望

01波浪理论基础知识海洋表面由于风力作用而产生的起伏波动现象。波浪定义

按成因可分为风浪、涌浪和近岸浪；按波面形状可分为正弦波和畸形波；按周期可分为长波、中波和短波。

波浪分类波浪基本概念与分类波浪要素包括波峰、波谷、波长、波高、波速、波周期等。

表示方法通常采用波高、波长和波周期三个要素来描述一个波浪。其中，波高指相邻波峰和波谷的垂直距离；波长指相邻两波峰或两波谷间的水平距离；波周期指波

浪起伏一次所需的时间。波浪要素及表示方法传播特性波浪在传播过程中，受到水深、地形、障碍物等多种因素的影响，会发生折射、反射、绕射和破碎等现象。影响因素主要包括风力、风向、风时、风区长度、水深、地形地貌、潮汐潮流等。其中，风是波浪生成和发展的主要动力；水深和地形地貌则影响波浪的传播和变形；潮汐潮

流则可引起波浪的增减和变化。波浪传播特性与影响因素

02泥沙运动基本规律泥沙颗粒的大小、形状和密度等物理特性

泥沙的分类方法和分类标准不同类型泥沙的运动特性差异泥沙颗粒特性与分类

泥沙输移的方式和输移量计算方

法

泥沙沉积的过程和沉积物性质变

化规律

泥沙起动的力学机制和起动条件泥沙起动、输移和沉积过程水流条件对泥沙运动的影响

波浪作用对泥沙运动的影响

其他环境因素（如风、温度、盐度等）对泥沙运动的影响泥沙运动影响因素分析

03Mike21软件介绍及操作指南Mike21软件概述与功能特点强大的数值模拟能力Mike21是一款专业的水动力和环境模拟软件，具备强大的数值模拟能力，可广泛应用于河流、湖泊、水库、近海等水域的模拟分析。丰富的模型库软件内置了多种水动力、水质、生态和泥沙输运模型，用户可根据实际需求选择合适的模型进行模拟分析。高度集成化Mike21实现了前后处理、数值模拟和可视化等功能的集成化，用户可在统一的界面中完成整个模拟过程。灵活的定制性软件提供了丰富的二次开发接口和工具，用户可根据自身需求进行定制开发，扩展软件功能。软件安装、启动及界面介绍安装步骤首先下载Mike21安装包，然后按照安装向导提示逐步完成软件的安装过程。启动方法安装完成后，在桌面或开始菜单中找到Mike21图标，双击即可启动软件。界面组成Mike21的主界面包括菜单栏、工具栏、模型树、属性窗口和图形窗口等部分，各部分功能明确，方便用户进行操作。0102创建新项目在菜单栏中选择“文件”->“新建”->“项目”，然后按照向导提示完成项目创建。导入地形数据在模型树中选择需要导入地形数据的模型，然后在属性窗口中找到“地形”选项卡，点击“导入”按钮选择地形数据文件进行导入。设置边界条件在模型树中选择需要设置边界条件的模型，然后在属性窗口中找到“边界条件”选项卡，根据实际需求设置相应的边界条件。运行模拟在菜单栏中选择“运行”->“开始模拟”，或者在工具栏中点击“开始模拟”按钮，即可开始模拟计算。查看模拟结果模拟完成后，在图形窗口中可查看模拟结果，包括水位、流速、流向、泥沙浓度等参数的分布情况。同时，也可以通过导出功能将模拟结果导出为图片或数据文件进行

MIKE 21/3 FLOW MODEL FM 沙模块 用户使用手册

MIKE 2008，DHI出品 1 目录（Contents） 目录（Contents）................................................................................................................1 1 关于本文档（About this guide）.......................................................................................3 1.1 编写本文档的目的(Purpose)...................................................................................3 1.2 用户所需的知识背景(Assumed User Background)................................................3 1.3 MIKE Zero模型编辑器程序界面结构(General Editor Layout)................................3 1.3.1 导航栏(Navigation tree)................................................................................3 1.3.2 编辑窗体(Editor window)..............................................................................3 1.3.3 有效性显示窗体(Validation window)............................................................4 1.4 在线帮助系统(Online Help).....................................................................................4 2 引言(Introduction)..............................................................................................................5 2.1 概述(General specification)....................................................................................5 2.1.1 适用范围(Application areas).........................................................................5 3 说明(Getting started).........................................................................................................6 4 示例(Examples).................................................................................................................7 4.1 概述(General)..........................................................................................................7 4.2 U型河道示例(U-shaped flume)...............................................................................7 4.3 环流示例(Sand transport in circulation current).....................................................7 5 沙模块（Sand Transport Model）....................................................................................7 5.1 模型定义（Model Definition）................................................................................7 5.1.1 概述（General description）.......................................................................8 5.1.2 床面活动层厚度（Layer thickness）...........................................................8 5.1.3 驱动力参数（Forcing parameters）............................................................8 5.1.4 单一水流工况（Pure flow）.........................................................................8 5.1.5 波流共同作用工况(Combined current and waves)......................................9 5.2 时间参数（Time Parameters）............................................................................10 5.3 求解格式（Solution technique）..........................................................................10 5.3.1 备注与提示（Remarks and hints）...........................................................11 5.4 泥沙特性（Sediment properties）.......................................................................11 5.4.1 泥沙特性（Sediment properties）.............................................................11 5.4.2 推荐取值（Recommended values）.........................................................12 5.5 床面阻力（Bed resistance）................................................................................12 5.5.1 概述（General description）.....................................................................12 5.5.2 参数取值（Data）......................................................................................13 5.5.3 推荐取值（Recommended value）...........................................................13 5.6 驱动力参数（Forcings）.......................................................................................13 5.6.1 波浪（Waves）..........................................................................................14 5.6.2 水流（Flow）..............................................................................................15 5.7 扩散（Dispersion）...............................................................................................16