mike21泥沙输运

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。

MIKE21介绍
MIKE21软件基于有限元和有限差分方法，利用数值模型来描述和求
解水动力学方程。

它的核心功能包括计算流速、水位、悬移物输运、波浪
传播和沉积物变化等。

它还可以考虑各种物理和生物过程的影响，如潮汐、风、河流流量、植被和人类干预等。

MIKE21可用于各种海洋和河流工程应用，包括航道设计、海岸保护、港口规划和泥沙管理。

它可以帮助工程师和规划者预测和评估不同工程方
案的效果，以减少对环境和生态系统的不良影响。

此外，MIKE21还可以
用于水域环境管理和水资源规划，以优化水资源的利用和保护。

MIKE21的模拟结果可以以各种方式进行可视化和呈现。

软件提供了
丰富的图形和统计工具，用于分析和展示模拟结果。

此外，它还具有用户
友好的界面，使用户能够轻松设置模型参数和运行模拟，并可根据需要进
行灵活的参数调整。

总结起来，MIKE21是一个功能强大且广泛应用的水动力学模型软件。

它具有高度的可扩展性和灵活性，能够满足不同领域用户的需求。

通过使
用MIKE21，用户可以模拟和预测水动力学过程，为工程设计和环境管理
提供重要的决策支持。

训教程•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•Mike21在波浪泥沙模拟中的实践操作•总结与展望波浪理论基础知识波浪基本概念与分类波浪定义海洋表面由于风力作用而产生的起伏波动现象。

波浪分类按成因可分为风浪、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。

波浪要素及表示方法波浪要素包括波峰、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。

波浪传播特性与影响因素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。

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、输移和沉积过程泥沙运动影响因素分析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Mike21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。

MIKE21建模流程MIKE21是一种用于水力运动和波浪传播建模的软件工具。

它是由丹麦Hydraulic and Coastal Engineering Lab开发的，专门为河流、湖泊、港口等水体动力学研究而设计的。

MIKE21建模流程是利用该软件进行水动力学建模的一般流程，下面将对其进行详细说明。

1.数据准备：在开始建模之前，需要收集和整理相关的输入数据。

这包括地形数据、温度和盐度数据、气象数据等。

地形数据主要包括DEM（数字高程模型）和水深图，可使用测量数据或卫星数据。

温度和盐度数据主要用于模拟咸淡水交互作用。

气象数据包括风速、风向、气温、降水等。

2.基础设置：在MIKE21中，需要进行一些基础设置，以确定建模的范围和边界条件。

范围确定主要包括水体的外围边界，如河流的上游、下游边界；边界条件则是确定水动力学模型中的输入条件，如流量、水位、风速等。

3.网格划分：MIKE21建模过程中需要将水域划分为多个小区域，即建模网格，以便进行计算。

网格的划分可以选择矩形网格、三角形网格或均衡网格等，根据需要选择合适的网格类型。

网格越细，模拟结果越精确，但计算量也会增加。

4.边界条件设置：根据建模范围和边界条件，在MIKE21中设置相应的边界条件。

这些边界条件包括水位、流速、盐度、温度和波浪等。

这些数据可根据实测数据、历史数据或模型计算结果进行设定。

5.水动力计算：在MIKE21中进行水动力计算，根据初始条件和边界条件，进行模拟计算得到水位、流速等结果。

MIKE21使用数值方法来求解水动力方程，考虑各种物理现象如惯性、湍流、底摩擦等。

6.结果分析：计算完成后，可以通过MIKE21中的可视化工具对计算结果进行分析。

可以绘制水位、流速等等物理量的时空变化图，帮助理解水体动力学的变化规律。

7.模型验证：在完成模型计算后需要对计算结果进行验证。

可以通过与实测数据进行对比，评估模型的准确性和可靠性。

如果模型与实测数据吻合较好，可以认为模型可信。

第28卷第6期2007年12月大连大学学报JOURN AL OF DAL A I N UN V I ERS I T YVo.l28No.6Dec.2007 M IKE21计算软件及其在长兴岛海域改造工程上的应用陈雪峰,王桂萱(大连大学土木工程技术研究与开发中心,辽宁大连116622)摘要:M I K E21数值计算与分析软件是国际上比较成熟的DH I软件系列中关于水动力、波浪和泥沙输运等模型进行潮流场、代表波要素的波浪场和泥沙输运的数值模拟工具,在国内至少有上百个成功的工程实际计算实例.本文以作者正在进行的/长兴岛附近海域原油码头项目)))泥沙冲於0为工程背景,详细介绍了该计算软件的计算方法,将该数值计算软件的模拟结果与实际泥沙冲淤规律进行对比,二者符合较好,说明本文建立的数值模型可以成功地预测长兴岛附近海域泥沙淤积的规律,为工程设计单位提供指导.关键词:M IKE21计算软件;长兴岛海域;泥沙冲淤规律中图分类号:P753文献标识码:A文章编号:1008-2395(2007)06-0093-06收稿日期:2007-09-03;修订日期:2007-09-14作者简介:陈雪峰(1973-),女,副教授,博士后,主要从事港口工程、海岸及近海工程、结构工程研究1中国经济的腾飞使中国与国际在海上交通和运输方面越来越频繁,我国各大港口、码头和防波堤等近海建筑物担负着愈来愈重要的作用,致使近海水域的水动力、波浪和泥沙输运规律越来越被人们关注.如何准确、详细地描述近海流域的流场变化、波浪冲击规律以及近海建筑物附近的水流和波浪掀沙能力等成为国际上日益迫切需要解决的问题.鉴于上述原因,丹麦数百位数学家、水力学家以及计算机科学家等历经几十年成功开发了DH I软件系列[1],从工程的具体地理位置和地形形态,流体在水渠、江河、海域的一维、二维、三维等运动,波浪在各个方面的传播以及水流、波浪共同作用下泥沙的运动规律等进行了详细地分析和数值模拟[1].大连大学土木工程技术研究与开发中于2003年购置了M I K E21计算软件,该软件包括流体运动模块(FL U I D MODEL)、波浪传播模块(WA VE MODE l)以及泥沙运动模块(SEDI M ENT MODEL).其中流体运动模块(F M)可以给出工程附近水域的流场质点的流速及流向,该模块还可以计算污染物质在水体的输移和扩散规律;波浪传播模块(WA VE MODE l)包括NS W、B W、P M S W 以及E M S W等,可以计算波浪由外海向近海的传播变形,风生成浪以及近海建筑物附近的波浪变形问题;泥沙运动模块(SED I M ENT MODEL)有悬移质和推移质2个模块.应用M I K E21计算软件,该中心成功地进行了很多实际工程项目的模拟,包括广西沙田渔港、舟山市虾峙渔港防波堤设计波浪要素、胜利油田附近泥沙淤积、长兴岛附近海域波浪变形及泥沙冲於规律、香炉礁船坞工程附近水域波浪数值计算、大连燃供码头工程设计波浪要素及港内波况的数值计算、上海洋山港附近海域波浪变形以及大窑湾附近波浪、水流的变化规律等,上述数值计算结果均被工程采用,对工程实际其一定的指导作用.本文以作者正在进行/长兴岛附近海域原油码头工程项目0为背景,详细介绍了该计算软件的计算方法,将该数值计算软件的模拟结果与实际泥沙冲淤规律进行对比,二者符合较好,说明本文建立的数值模型可以成功地预测长兴岛附近海域泥沙淤积的规律,为工程设计单位提供指导.1M I KE21软件数学模型及计算方法简介1.1F M数学模型该模型所采用的潮流控制方程为垂向平均的连续方程和运动方程:5G 5t+5(H u)5x+5(H v)5y=0(1)94 大连大学学报第28卷5u 5t +u 5u 5x +v 5u 5y -f v =-g 5G 5x +1Q H(S s x -S b x )(2)5v 5t +u 5v 5x +v 5v 5y -f u =-g 5G 5y +1Q H(S s y -S b y )(3)式中,t 为时间;x 和y 为原点置于未扰动静止海面的直角坐标系坐标;u 和v 分别为沿x 、y 方向的垂向平均流速分量;H =h +G 为总水深;h 为海底到静止海面的距离;G 为自静止海面向上起算的海面波动(潮位);f =2X sin U 为柯氏参数,其中X 是地转角速度、U 是地理纬度;g 为重力加速度;S s x 和S s y 分别为海面风应力在x 和y 方向的分量;S b x 和S b y 为海底涡动摩擦应力在x 和y 方向的分量;Q为海水密度.在本研究中不考虑风应力影响,即S s x =S s y =0,而底摩阻取二次律,即:S b x =Q g C 2(u 2+v 2)1/2u; S b y =Q g C 2(u 2+v 2)1/2v (4)式中,C 为谢才数,它与曼宁数M 的关系为C =M @h 1/6.方程(1)、(2)和(3)构成了求解潮流场的基本控制方程.为了求解这样一个初边值问题,必须给定适当的初始条件和边界条件.1.2波浪数学模型M I KE 21软件系统中的Boussineq 模型可以模拟外海波浪传播至防波堤处的传播过程.该模型考虑了浅水效应、折射、绕射、反射、底摩阻和波浪的非线性等要素.数值模式的基本方程为:5F 5t +55x [(D +F )u ]+55x[(D +F )v]=05u 5t +u 5u 5x +v 5u 5y +g 5F 5x =12D 53(Du )5x 25t +53(Dv )5x 5y 5t -16D 253v 5y 25t +53u 5x 5y 5t 5v 5t +u 5v 5x +v 5v 5y +g 5F 5y =12D 53(Dv )5y 25t +53(Du )5x 5y 5t -16D 253v 5y 25t +53u 5x 5y 5t (5)式中,D 为水深;g 为重力加速度;F 为波面高度;(u,v)为水质点水平运动速度.1.3 NS W 数学模型该软件是谱波模型,可以考虑波浪的折射、底部损耗、波浪破碎、波流联合作用及风等因素对波浪传播的影响,可以用来进行大范围的波浪场的推算,能够满足工程要求.该模型的基本方程为:5(c gx m 0)5x +5(c g y m 0)5y +5(c H m 0)5H=T 0(6)5(c gx m 1)5x +5(c g y m 1)5y +5(c H m 1)5H=T 1(7)式中,m 0(x,y,H )为作用波谱的零阶矩;m 1(x ,y,H )为作用波谱的一阶矩;c gx ,c gy 为x,y 方向上的群速度的分量;c H 为H 方向上波浪传播速度;H 为波浪传播方向;T 0,T 1为源条件;c gx ,c gy ,c H 为由线性波理论获得.模型输入的波浪条件为不规则波,计算时输入有效波高、平均周期和主波向[2].1.4 泥沙数学模型模型中采用了可同时考虑悬沙和底沙的泥沙输运公式.输沙公式如下:q T =q b +q s(8)式中,q s 为悬沙输运量;q b 为底沙输运量.q s 的计算方法如下:5c 5t =w s 5c 5z +55z v T 5c 5z(9)q s =QD 2d 50U (z ,t)c(z ,t)d z (10)式中,c 为瞬时悬沙浓度;U 为瞬时速度;d 50,D 为悬沙积分范围下,代表中值粒径及瞬时水深.q b 的计算方法采用Enge l u nd and Fredsoe 的输沙公式:第6期陈雪峰等:M I K E 21计算软件及其在长兴岛海域改造工程上的应用95q b =5p (H c -0.07H c )(s -1)gd (11)式中,p 为一层内所有沙粒都启动的概率;H c 为与底表面摩阻有关的无量纲剪切应力;H c 为泥沙启动的临界剪切应力;s 为泥沙的相对密度;d 为泥沙粒径.H c =U c 2f (s -1)gd(12)启动概率定义为p =1+P6B H c -H c 4-1/4(13)式中,B 为动摩阻参数.1.5计算方法采用有限差分方法,计算网格采用非均匀交错网格,方程的求解采用AD I 法.2计算实例2.1资料的收集根据甲方工程实际的要求,需要收集工程附近水域的地形图、工程附近验潮站的潮位、流速资料,工程附近的外海波浪、风玫瑰图资料,工程附近底沙分布资料[3-9]以及以前其他人的研究成果等.2.2地形的建立通过M I K E 0将收集到的电子地图转化为M I KE 21默认的地图,如图1.计算范围的选取必须包括工程区域及其附近范围,边界截取到不影响实际工程附近水体的运动.图1水流、泥沙验证模型计算区域图2验潮站位置2.3数值计算结果的验证2.3.1潮位的验证为了检测数值模拟结果的可靠性和真实性,首先在工程附近布置适当的测流点和验潮站,采集不少于12个小时的流速、潮位资料.利用M I KE 21的F M 模块模拟选定区域的流场变化规律,对验潮站的潮位和测流点的流速进行对比验证.图2显示了验潮站的位置,从图中可以知道,验潮站均匀布置在工程区域附近.各潮位站的潮位数值计算结果与实测结果的对比显示在图3和图4.从图中可以看出:该海域的潮96 大连大学学报第28卷汐属于不规则半日潮.一日潮位过程包括一个高潮和一个低潮,不规则半日潮现象明显.图中的实测和数值模拟结果都说明了这一点.从潮位的对比来看1#站潮位结果很好;从实测结果分析,低潮段的涨潮历时2004-11-17T12:00至T18:00潮位3#站的潮型明显发生变化,应该受到其它动力因素的影响.而计算的潮位无法考虑该影响,因而计算结果略有差异.从总的对比结果来看,潮位的模拟结果符合工程的精度的需要.图31#潮位站夏季大潮潮位过程对比图43#潮位站夏季大潮潮位过程对比2.3.2流场的验证图5测流站平面布置图图6测流站05-2大潮流速、流向对比图7大潮期高潮涨急时刻流场图图5显示了测流站的平面布置,图6显示了05-2测站的流速、流向对比分析结果.其他测流站的对比结果类似,这里不再叙述.图中结果说明数值模拟结果与实测结果吻合较好,满足工程实际要求,因此可以采用该边界条件来分析工程附近海域的流场和潮位变化规律,以及整个流场的速度矢量分布(图7).2.4波浪数值预测分析根据长兴岛2004~2005年波浪分级分频统计和温坨子海洋站的测波资料可以得到NE 和S W 向为冬季和夏季的主计算波浪,波浪为方向谱,各自包含左右各45b 的波向.计算波浪占总波浪的70%以上.2.5 泥沙计算结果的验证从长兴岛历年泥沙运动规律可以看出,该区域除水流挟沙外,波浪在近海掀沙能力也很强,计算中采用ST 泥沙输运模型,考虑第6期陈雪峰等:M I K E21计算软件及其在长兴岛海域改造工程上的应用97了纯流、波流共同作用下的泥沙输运情况,其中的泥沙既可以计算悬沙,也可以计算悬沙与底沙的总量.通过164个测点的底质取样和分析,可以得到长兴岛拟建工程海区沉积物类型分布图(图8).图8长兴岛拟建工程海区沉积物类型分布图图9工程附近海域泥沙输移验证图图9显示了葫芦山湾附近的泥沙冲於规律的对比验证结果,图中负号表示泥沙冲刷,正号表示泥沙淤积(下同),该图说明该区域的泥沙冲於规律与海图的海床演变规律相似,说明ST模块对参数的选取以及底沙分布资料的分析与实际很吻合.3利用M I KE21软件对工程附近海域的泥沙变化规律进行预测根据甲方单位的要求,按照前面建立好的数学模型对下述4个设计方案进行泥沙冲於规律的预测和分析.3.1设计方案1:修建北防波堤,模拟结果见图10.图10设计方案1泥沙输移图图11设计方案2泥沙输移图3.2设计方案2:修建北防波堤和对面围堰,模拟结果见图11.3.3设计方案3:修建北防波堤和对面围堰,同时航道加宽到300m,吹填区为对面西中岛水域,模拟结果见图12.98大连大学学报第28卷图12设计方案3泥沙输移图图13设计方案4泥沙输移图3.4设计方案4:修建南、北防波堤和对面围堰,模拟结果见图13.从上述计算结果可以看出,随着南北防波堤的修建和对面围堰的形成,对水流和波浪的传播均有很大影响,泥沙的冲淤规律发生很大的变化,设计单位可以根据上面的计算结果来分析泥沙的变化规律,根据工程需要来选择优化方案.4结论M I KE21计算软件具有强大的前后处理功能,本文以长兴岛附近海域原油码头项目)))泥沙冲於为工程背景,详细介绍了采用M I K E21计算软件解决实际工程问题的思路和方法,以及采用该软件得到的计算结果可以为工程设计单位提供设计依据.参考文献:[1]DH I w ate r and env iron m ent.M I KE21使用手册[M].2003.[2]J T J213-98海港水文规范[S].北京:人民交通出版社,1998,8.[3]国家海洋局.长兴岛海洋环境监测站海浪观测记录年报表[R].2005.[4]国家海洋局.长兴岛海洋环境监测站2004年12月~2005年11月潮汐观测月报表[R].2005.[5]国家海洋局.长兴岛海洋环境监测站2004年12月~2005年11月海浪观测月报表[R].2005.[6]国家海洋局.长兴岛海洋环境监测站2004年12月~2005年11月定时2分钟平均海浪观测报表[R].2005.[7]国家海洋局.长兴岛潮汐调和常数及验潮水准关系图[R].2005.[8]国家海洋局.长兴岛波浪谱分析[R].2005.[9]国家海洋局.长兴岛气象、潮汐、波浪、海冰技术报告[R].2005.M I KE21Software and its Application on the O ffs horeReconstruction Engineering of Changxi n g IslandsC H E N Xue-feng,WANG Gu-i xuan(R&D Center of t he C i vil Engineering T echnology,D alian University,D alian116622,Chi na)Abstrac t:M I KE21so ft wa re is a use f u l too l to ca l culate the hydrodyna m i c flo w,w ave propagation and sed i m ent transport i n o cean o r river.A t present,this nume rical too l is adopted by hundreds of rea l eng ineer i ng appli cations in our country.The nu m er i ca l m ethod ofM I KE21soft w are i s i ntroduced i n deta il i n t h is paper.T he compar i son is carr i ed out bet ween the nu m erical resu lts o f usi ng M IKE21and the m easured da ta tha t show s nu m er ica l results ag ree w ellw it h the m easured da ta.T he stud i ed res u lts revea l tha t t he m ethod proposed in t h i s paper can be used to predict the erodi ng and a lluv ial regu l a tion of sed i m ent i n the offsho re reg i on o f Changx i ng i slands.K ey word s:M I KE21so ft w are;offsho re reg i on of Changx i ng isl ands;erod i ng and all uv i a l regulation o f sedi m ent。