MIKE21-水动力模块中文教程.pdf

MIKE21-水动力模块中文教程.pdf

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MIKE模型水利数值模拟计算技术应用教程2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水动力模块原理水动力模块原理1.3.1控制方程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：

hSyvhxuhth=+（1-1）（）（）202000012axysxbxxxxxxysphuhuhuvhfvhghtxyxxssghxxyhThThuSxyhrttrrrrr+=-+-+（1-2）（1-3）式中：

t为时间；,xy为笛卡尔坐标系坐标；h为水位；d为静止水深；hdh=+为总水深；,uv分别为,xy方向上的速度分量；f是哥氏力系数，2sinfwj=，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；xxs、xys、yys分别为辐射应力分量；S为源项；（,）ssuv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：

ddhuuzh-=，ddhvvzh-=（1-4）（）（）ShvhTyhTxysxsyghyphyghhufyvhxuvhtvhsyyxyyyyxbysya+-+-=+000020212rrtrtrrrh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MIKE模型水利数值模拟计算技术应用教程3ijT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：

2xxuTAx=，（）xyuvTAyx=+，2yyvTAy=（1-5）1.3.2数值解法数值解法

（1）空间离散计算区域的空间离散是用有限体积法（FiniteVolumeMethod），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。

在MIKE软件2007版本只能是三角形网格。

浅水方程组的通用形式一般可以写成（）（）t+=UFUSU（1-6）式中：

U为守恒型物理向量；F为通量向量；S为源项。

在笛卡尔坐标系中，二维浅水方程组可以写为（）（）IVIVyyxxtxy-+=FFFFUS（1-7）式中：

上标I和V分别为无粘性的和粘性的通量。

各项分别如下：

hhuhv=U，（）22212Ixhuhughdhuv=+-F，02VxuhAxuvhAyx=+F（）22212Iyhvhuvhvghd=+-F，02VxuvhAyxvhAx=+F（1-8）MIKE模型水利数值模拟计算技术应用教程420000020000001212xyaxxsxbxsyxyysybyasspsdhghgfvhhuxxyxysspdhghgfuhhvyyyxyttrhrrrrrttrhrrrrr=+-+-+-+-+S对方程（4-6）第i个单元积分，并运用Gauss原理重写可得出（）（）dddiiiAAstG+=UFnSU（1-9）式中：

iA为单元iW的面积；iG为单元的边界；ds为沿着边界的积分变量。

这里使用单点求积法来计算面积的积分，该求积点位于单元的质点，同时使用中点求积法来计算边界积分，方程（4-9）可以写为1NSijijiUStA+DG=Fn（1-10）式中：

iU和iS分别为第i个单元的U和S的平均值，并位于单元中心；NS是单元的边界数；jDG为第j个单元的长度。

一阶解法和二阶解法都可以用于空间离散求解。

对于二维的情况，近似的Riemann解法可以用来计算单元界面的对流流动。

使用Roe方法时，界面左边的和右边的相关变量需要估计取值。

二阶方法中，空间准确度可以通过使用线性梯度重构的技术来获得。

而平均梯度可以用由Jawahar和Kamath于2000年提出的方法来估计，为了避免数值振荡，模型使用了二阶TVD格式。

（2）时间积分考虑方程的一般形式（）t=UGU（1-11）对于二维模拟，浅水方程的求解有两种方法：

一种是低阶方法，另一种是高阶方法。

低价方法即低阶显式的Euler方法）（1nnntUGUUD+=+（1-12）式中：

tD为时间步长。

高阶的方法为以如下形式的使用了二阶的RungeKutta黎曼MIKE模型水利数值模拟计算技术应用教程5方法1/21（）2nnnt+=+DUUGU11/2（）nnnt+=+DUUGU（1-13）（3）边界条件1）闭合边界沿着闭合边界（陆地边界），所有垂直于边界流动的变量必须为0。

对于动量方程，可以得知沿着陆地边界是完全平稳的。

2）开边界开边界条件可以指定为流量过程或者是水位过程。

3）干湿边界处理动边界问题（干湿边界）的方法是基于赵棣华（1994）和Sleigh（1998）的处理方式。

当深度较小时，该问题可以被重新表述，通过将动量通量设置为零以及只考虑质量通量来实现。

只有当深度足够小时，计算不考虑该网格单元。

每个单元的水深会被监测，并且单元会被定义为干、半干湿和湿。

单元面也会被监测，以确定淹没边界。

满足下面两个条件单元边界被定义为淹没边界：

首先单元的一边水深必须小于dryh，且另一边水深必须大于floodh；第二，水深小于dryh的单元的静水深加上另一单元表面高程水位必须大于零。

满足下面两个条件单元会被定义为干单元：

首先单元中的水深必须小于干水深dryh；另外，该单元的三个边界中没有一个是淹没边界。

被定义为干的单元在计算中会被忽略不计。

单元被定义为半干：

如果单元水深介于dryh和floodh之间，或是当水深小于dryh但有一个边界是淹没边界。

此时动量通量被设定为0，只有质量通量会被计算。

单元会被定义为湿：

如果单元水深大于weth。

此时动量通量和质量通量都会在计算中被考虑。

如果模型中的区域是处在干湿边交替区，为了避免模型计算出现不稳定性，使用者可以启用FloodandDry选项。

在这个情形下使用者必须设定一个干水深MIKE模型水利数值模拟计算技术应用教程6（dryingdepth），淹没深度（floodingwaterdepth）和湿水深（wettingdepth）。

dryh、floodh、weth三者必须满足dryfloodwethhh。

应注意的是，对于值很小的weth，在模拟过程中可能出现不符合实际的高流速，并引起稳定问题。

当某一单元的水深小于湿水深时，在此单元上的水流计算会被相应调整，而当水深小于干深度的时候，会被冻结而不参与计算。

淹没深度是用来检测网格单元是不是己经被淹没。

当水深小于湿水深的单元会做相应调整，即不计算动量方程，经计算连续方程。

在没有启用干湿边界的情况下，使用者可以设定一个小于零的最小截断水深。

但在这样的情况下，模型中任一网格单元的总水深小于零，模型便会发散，模型计算也会因此中断。

第二章第二章模型构建模型构建2.1基础数据基础数据构建二维水动力模型需要的基础数据主要包括：

（1）地形数据地形数据主要是指计算范围内地形地貌，这些数据可以是DEM，电子海图，CAD图等，但都需要前期处理才能应用于MIKE21中。

（2）水文数据水文数据包括降雨数据、上下游边界数据（流量，水位）。

（3）糙率糙率是一个结果影响比较大的参数，如果没有实测糙率，则需要根据历史水文数据，对结果进行率定，进而确定糙率。

（4）其它主要包括波浪、风以及潮位等数据资料MIKE模型水利数值模拟计算技术应用教程72.2建模步骤建模步骤第一步准备地形数据，水文数据等，确定计算范围。

第二步用MIKEZero当中MeshGenerator生成mesh文件。

（具体步骤见第三章）第三步建立时间序列文件用作边界条件。

第四步在MIKE21中选择FlowModel（fm）生成模拟文件。

（模拟文件中各选项详细说明见水动力模块教程）MIKE模型水利数值模拟计算技术应用教程8第五步结果后处理。

第三章第三章MESH文件生成文件生成3.1MESH文件生成步骤文件生成步骤第一步第一步在在MIKEZero中选择中选择MeshGenerator。

第二步第二步选择投影带选择投影带MIKE模型水利数值模拟计算技术应用教程9选择投影带主要用来计算地球自转引起的科氏力，当计算区域较小可以不考虑科氏力，此时可选择NON-UTM。

国内常用的北京54及西安80均已经内置，用户直接选择即可。

第三步第三步设置模拟区域设置模拟区域根据实际计算范围，设置工作范围。

依次打开OptionsWorkspace打开相应界面进行设置。

这一步需要指定计算区域左下角和右上角坐标。

第四步第四步导入背景图片导入背景图片

（1）导入背景图片之前，需要将背景图片左下角和右上角在工作范围内的坐标。

这一步可以用Tool中设置（如左图，MIKE2009之前版本没有此功能），也可以直接在图片所在文件夹中放置一个与图片同名的属性文件，用文本编辑器编辑里面的数据。

更为简单的方法是在

（2）步中导入图片后，点击旁边的editMIKE模型水利数值模拟计算技术应用教程10来设置。

（2）完成以上设置后，通过OptionsImportGraphicLayers.点击下图箭头处的图标，新建一个背景图片。

打开顺序：

MIKEZeroMikeZero只需要设置x0,y0,x1,y1的值即可，gifw文件需要与背景MIKE模型水利数值模拟计算技术应用教程11（3）导入后，点击工具栏中缩小按钮，可以显示图片。

当不需要显示图片时，可在第

（2）步中界面，选择OverlayManager（见下图）,去掉图片前的对号，即可隐藏图片。

导入导入新建新建MIKE模型水利数值模拟计算技术应用教程12第五步第五步描绘边界描绘边界边界可以在底图上描绘，也可以直接导入数据确定边界。

（1）在导入底图后，可以用工具栏中Drawacr工具进行描绘边界。

边界描绘完成后，可能由于底图的原因，无法看到描绘的边界，此时可以按照第四步（3）中方法隐藏图片。

MIKE模型水利数值模拟计算技术应用教程13

（2）通过selectacr工具（）选择已经绘制的边界，右击选择RedistributedVertices,选择适当的距离对Vertices进行均匀化处理。

MIKE模型水利数值模拟计算技术应用教程14第六步第六步定义边界定义边界

（1）将需要定义为开办界的线段两端的vertice（图中显示为红色的点）转换为node（图中显示为蓝色的点）。

用工具选择vertice，右击选择VerticesNodes

（2）转换后，用selectarc选择该边界，右击选择property，将表中数字改为大于0的数字，即可将该线段定义为开办界。

MIKE模型水利数值模拟计算技术应用教程15第七步第七步导入地形数据导入地形数据依次打开DataImportScatterData打开相应界面，点击Add可导入后缀为.xyz的地形文件。

地形文件中数据依次为X，Y，Z坐标，可事先制作好。

第八步第八步生成网格生成网格

（1）在导入地形数据后，依次点击MeshGenerateMesh打开网格设置界面，可以设置网格最大面积等相应参数。

参数设置完后，点击Generate可生成网格。

MIKE模型水利数值模拟计算技术应用教程16

（2）点击MeshSmoothMesh可对网格进行平滑处理。

第九步第九步地形插值地形插值点击MeshInterpolate，对地形进行插值，保证每一个网格都有地形数据。

第十步第十步导出导出mesh点击MeshExportmesh，输出mesh文件，供模型文件使用。

注意文件名及路径中尽量不要有中文。

MIKE模型水利数值模拟计算技术应用教程173.2常用数据格式常用数据格式

（1）边界文件格式）边界文件格式3547.994484.421004022.694162.301004314.883541.011003987.782647.471003527.051886.561002577.661432.811001970.331572.431001698.081991.271001656.202717.281001572.433484.171001614.314071.551001872.604314.881002207.684484.421002744.204567.191003352.534581.151003547.994484.42000MIKE模型水利数值模拟计算技术应用教程18上述数据共分为5列，第一列为x坐标，第二列为y坐标，第三列为连接属性，第四列为z坐标，第五列为节点类型，其中前三列为必须数据，后两列可以省略。

第三列一般为1，在连接处为0。

（2）地形数据格式）地形数据格式401374.82302624554.151014.4180401482.11102624627.833017.8190401369.05202624551.003014.4150401374.63002624554.045014.0690401378.25602624556.023014.3890401386.73202624560.645010.1910401491.09202624617.560017.7460401378.56202624556.190011.9320401456.77302624447.292011.8750401521.46402624484.087011.4660401442.01902624439.127014.4550401448.86102624442.913012.1810401550.78902624499.312012.5140401357.28902624544.588014.3330401542.93202624494.966011.0470401544.27102624494.3.706011.7430上述数据第一列为x坐标，第二列为y坐标，第三列为z坐标。

在做糙率场时，第三列为（x,y）处的糙率。

3.3局部加密局部加密在生成网格时，可以对某一部分区域网格进行局部加密，具体方法如下：

MIKE模型水利数值模拟计算技术应用教程19

（1）使用Drawarc工具将拟加密区域，描绘出来，形成封闭区域。

（2）用工具栏中InsertPloygons工具，在拟加密区域中点绘一个点。

拟加拟加现有现有MIKE模型水利数值模拟计算技术应用教程20（3）用工具栏中SelectPloygons工具，选择在

（2）中点绘的点，右击选择properties,选择applytriangularmesh，并勾选uselocalmaximumarea，指定加密区域最大划分面积。

MIKE模型水利数值模拟计算技术应用教程21注意：

若选择Excludefrommesh，则该区域作为固边界，不打网格。

在水域中心有岛，桥墩等情况时，常采用此方法将其排除在计算区域之外。

（4）设定好后，在进行全局打网格时，该区域将会被加密。

若选择Excludefrommesh，则网格是：

MIKE模型水利数值模拟计算技术应用教程223.4北京北京54坐标投影选择坐标投影选择北京坐标系下，投影带的选择方法北京坐标系下，投影带的选择方法12.5万及15万的地形图采用6度分带投影，即经差为6度，从零度子午线开始，自西向东每个经差6度为一投影带，全球共分60个带，用1，2，3，4，5，表示即东经06度为第一带，其中央经线的经度为东经3度度，东经612度为第二带，其中央经线的经度为9度11万的地形图采用3度度分带，从东经1.5度的经线开始，每隔3度度为一带，用1，2，3，表示，全球共划分120个投影带，即东经1.54.5度为第1带，其中央经线的经度为东经3度度，东经4.57.5度为第2带，其中央经线的经度为东经6度如何计算当地的中央子午线？

如何计算当地的中央子午线？

当地中央子午线决定于当地的直角坐标系统，首先确定您的直角坐标系统是3度带还是6度带投影公式推算:

6度带中央子午线计算公式：

当地经度/6=N；中央子午线L=6*N（带号）当没有除尽，N有余数时，中央子午线L=6*N-33度带中央子午线计算公式：

当地经度/3=N；中央子午线L=3XN我国的经度范围西起73东至135，可分成六度带十一个（13号带23号带），各带中央经线依次为（75、81、123、129、135）；三度带二十二个（24号带45号带）。

各带中央经线依次为（72、75、132、135）；六度带可用于中小比例尺（如1：

250000）测图，三度带可用于大比例尺（如1：

10000）测图，城建坐标多采用三度带的高斯投影如何判断投影坐标是如何判断投影坐标是3度带坐标还是度带坐标还是6度带坐标度带坐标如（4231898,21655933）其中21即为带号，同样所定义的东伪偏移值也需要加MIKE模型水利数值模拟计算技术应用教程23上带号，如21带的东伪偏移值为21500000米。

假如你的工作区经度在120度至126度范围，则该坐标系为6度带坐标系，该带的中央经度为123度。

如（2949320,36353822）其中36即为带号，已知该地点位于贵阳市附近，而从地图上我们看到贵阳大概的经度是东经108度左右，因此可以36*3=108，所以该坐标系为3度带坐标系，该带的中央经度为108度。

而不可能为6度带：

36*6=216。

MIKE中北京中北京54坐标系带区表示方法坐标系带区表示方法Beijing19543DegreeGKCM75E.prj表示三度分带法的北京54坐标系，中央经线在东75度的分带坐标，横坐标前不加带号；Beijing19543DegreeGKZone24.3.prj表示三度分带法的北京54坐标系，中央经线在东75度的分带坐标，横坐标前加带号；Beijing1954GKZone14.2.prj表示六度分带法的北京54坐标系，分带号为13，横坐标前加带号；Beijing1954GKZone13N.pr表示六度分带法的北京54坐标系，分带号为13，横坐标前不加带号。

第四章第四章模型文件模型文件本章主要介绍MIKEFlowModelFM模型中模型文件中各项参数的含义与设置方法。

4.1基本参数设置基本参数设置4.1.1模型范围（模型范围（Domain）搭建一个恰当的适用于MikeFlowModelFM的网格对于最终取得良好的模拟结果是非常重要的。

网格的搭建工作包括：

选择一个恰当的模拟区域；准备好足够精度的地形数据、开边界和固边界上的波浪、风以及水流数据资料；此外，选择一个满足计算稳定性要求的恰当精度的网格空间分辨率也是搭建网格所必须的。

MIKE模型水利数值模拟计算技术应用教程24MIKEFlowModelFM是一个基于不规则网格的模型。

4.1.1.1网格及地形（网格及地形（Meshandbathymetry）用户可基于MIKEZERO的MeshGenerator生成网格文件（*.mesh）。

MIKEZERO的MeshGenerator是一个非结构网格生成器，可以用来生成、编辑网格及定义边界条件。

MeshGenerator生成的Mesh文件是一个ASCII文件，其中包含每个网格点的地理坐标位置和高程以及单元之间的拓扑关系信息。

4.1.1.2模型范围设定模型范围设定（Dmainspecification）地图投影地图投影（MapProjection）如果搭建模型时所使用的mesh文件是由MeshGenerator生成的，那么其中已包含地图投影信息，程序将自动在相关属性界面中显示；如果mesh文件中没有设定地图投影信息，则用户必须手工为mesh文件定义相应的地图投影。

最小截断深度（最小截断深度（Minimumdepthcutoff）最小截断深度是指在计算过程中，所有高程高于此值的网格点将会被忽略。

请注意：

在请注意：

在mesh文件中，水深设定为负值。

文件中，水深设定为负值。

如模型设置中同时开启了Datumshift功能，则截断深度应为最终基于Datumshift校正后的深度。

举例来说，对于一个网格点高程介于+2m到-20m的mesh文件，设定一个基准面调整值（Datumshift），如设为+1m（即水深增加1m）。

相应调整后的地形数据即变为介于+1m到-21m间。

如果设定的minimumdepthcutoff为-2m，实际计算时所采用的地形数据则为介于-2m到-21m间。

基准面调整基准面调整（DatumShift）用户可基于任意水深起算基面的地形数据资料构建模型网格。

如使用深度基准面（CD），理论最低潮面（LAT）或平均海平面（MSL）作为水深起算基面的水下地形数据生成模型网格地形。

事实上，采用何种水深起算基面对于构建网格并不重要，关键在于要保证模型计算中牵扯到的相关高程数据的起算基面与网格地形所采用的基面是相同的。

基准面调整的设置功能（datumshift）即为解决这一问题而开发。

当mesh文件中地形数据参考基准面与其他数据（如开边界上或初值场MIKE模型水利数值模拟计算技术应用教程25中的水位）参考基准面不同时，用户可基于该功能设置相应基准面调整量，而无需对mesh文件的地形数据进行修改。

如果模型中所有高程相关数据基准面是一致的，无需对mesh文件中的地形数据进行任何改动，那么用户在搭建模型时只需将DatumShift选项设定为0即可。

例如：

datumshift设置为2m（或-2m），则代表模型计算中网格中所有节点的水深增深（或变浅）2m。

网格重构网格重构（Meshdecomposition）对网格单元和节点进行重新优化编号可以提高数值计算的效率。

基于优化内存读写的目的进行重新编号以后，模型的计算速度会得到大幅提高。

当使用这一项功能时，输出的文件中会使用新的编号信息，而不是mesh文件上的旧有信息。

网格重构技术可以提高数值计算的效率。

用户可指定子区域的数目进行网格重构。

如果指定区域亦包含子区域，则网格重构处理将在子区域内进行。

4.1.1.3边界名称边界名称（Boundarynames）在使用MIKEZEROMESHGENERATOR生成网格时，用户需要定义每个边界的边界代号（boundarycode），如图4.1所示。

图图4.1在在MeshGenerator中设定边界代号中设定边界代号MIKE模型水利数值模拟计算技术应用教程26在这个例子中，有code2、code3和code4三个开边界。

在边界命名的对话框中，用户可以重新命名边界名称，把名称改变为易于记忆的标志。

图图4.2在在mesh文件中，改变预设的边界名称为易于记忆的名称文件中，改变预设的边界名称为易于记忆的名称4.1.1.4GIS背景背景（GISbackground）如果在本机已安装