MIKE 213_MT_FMChinese

MIKE 21 & MIKE 3非结构网格水流模型泥模块概述MIKE 21 & MIKE 3非结构网格水流模型–泥模块本文档描述了DHI公司最新的二维、三维非结构网格水流模型（FM）中的泥模块（MT）。

MT模块中的泥输移模型可以模拟粘性泥沙在海洋、微咸水、淡水中的侵蚀、输移、沉降和淤积过程。

该模块还可模拟细颗粒非粘性泥沙。

实例：丹麦Øresund疏浚泥沙的扩散MT模块是MIKE 21和MIKE 3非结构水动力模型中的附加模块。

对于底部固结层，需建立水动力结果与输移结果的连接（平流扩散模型）。

水动力基础由MIKE 21或MIKE 3非结构水流模型的水动力模块提供。

通过引入波谱（Spectral Wave）模块，（MIKE 21 FM SW）可以计算波浪对侵蚀/淤积的影响。

对于FM系列，可以将各模块进行动态链接并运行。

如果研究区域的地形变化与水深的变化幅度是同一数量级的，则有必要考虑地形对水动力的影响。

海床更新与水流之间的水动力反馈机制的选择可能在浅水区比较重要，例如，需考虑该区域的长期作用效果。

此外，在浅水区规划大量的维护疏浚，类似的，疏浚物的处理点，在这些区域可选择水动力的反馈机制。

实例：瑞典MalmÖ附近河流中泥沙羽状锋应用领域MT模块应用于粘性泥沙的侵蚀、扩散和淤积。

细颗粒泥沙作用于多方面。

在悬浮物方面，细颗粒泥沙可能会在一定时间内遮蔽部分水域，影响光照。

光照是底栖动植物生存的关键条件。

细颗粒泥沙可能会淤积于一些非理想区域，例如在港口的入口。

此外，污染物（如重金属、TBT）易吸附于粘性泥沙。

如果被污染的泥沙淤积于生态学上的敏感区域，将会对当地的动植物及水质造成重大影响。

实例：在近岸水域的再悬浮泥沙(Caravelas, Brazil)。

如对于疏浚问题，需要将背景沙场和外源泥沙区分开时，需考虑泥沙再悬浮问题。

估算淤积率是MT模块的一个常见应用领域，也是一个重要方面，例如设计航道的新入口或者加深航道，使更大的船只能进入港口。

模拟细颗粒泥沙有助于优化设计，一方面要考虑航运及适航性，另一方面要使疏浚作业量最小化。

MT模块覆盖众多应用领域，最典型的领域包括：∙疏浚泥沙的扩散∙疏浚作业的最优化∙港口淤积∙航道淤积∙粘性泥沙的运动和地貌∙河流羽状物的扩散∙波流作用下细颗粒泥沙的侵蚀∙受污泥沙的运动研究淤泥质河口的实例：巴西Caravelas河口计算特点MIKE 21 & MIKE 3 非结构网格水流模型，泥模块的主要特点是：∙多粒径级配∙多层底床∙絮凝∙干扰沉降∙包括非粘性泥沙∙波流作用下的床面剪切力∙波浪，以波浪数据库或2D时间序列的形式∙固结∙底床地貌更新模拟物理过程模型方程MT模块的控制方程本质上是建立在Mehta等（1989）之上的。

通过引入床面剪切力考虑波浪的作用。

粘性泥沙输运模块或者泥模块（MT ）涉及泥沙在水体中的运动以及泥沙与底床的相互作用。

泥沙的输运一般用以下方程来描述（例：Teisson ，1991）：i i i Tz Tz i i Ty Ty i i Tx Tx is i i i i S z c v z y c v y x c v x zc w z wc y vc x uc t c +⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂=∂∂-∂∂+∂∂+∂∂+∂∂σσσ粘性泥沙的输运采用被动分量输运求解程序(对流扩散模块)。

沉速 s w 是一个沉积响应过程，通过分裂算子法分别定义沉速与特定项zC w is ∂∂。

MT 模块中用于求解底床的交互作用/更新和沉速项。

在泥模块中不考虑沉积响应对水体密度与粘性（近底层的浓悬浮液）的作用。

但会把它们作为独立的子模块，因其仅对较高的悬沙浓度（SSC ）有影响。

法国，Loire 河的淤泥平原沉速悬沙的沉速可设为常数。

絮凝沉降与悬沙浓度有关(参见Burt （1986)）。

当悬沙浓度超过某一值时，则需采用干扰沉降。

为了区分这三种沉降的范围，设定了两个分界点，floc c 和hindered c ，这两者分别是采用絮凝和干扰沉降的临界浓度。

等速沉降低于某一悬沙浓度时，可以忽略絮凝作用并且沉速采用一个常数：k w s = floc c c <其中，s w 是沉速，k 是一个常数。

絮凝沉降悬沙浓度达到floc c 时，泥沙开始絮凝。

Burt （1986）发现了如下的关系式：γρ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=ent se s c k w dim hindered floc c c c >>其中，k 是一个常数，ent se dim ρ是泥沙密度，γ是指数项。

干扰沉降当悬沙浓度达到一个相对较高值（hindered c ）时，絮凝体的沉降物开始干扰并降低沉速。

可以采用Richardson 和Zaki 公式（1954）以及Winterwerp （1999）公式。

淤积淤积可表述为（Krone ，1962）：d b s D p c w S =其中，s w 是悬沙的沉速（m s -1），b c 是近底层的悬沙浓度，d p 是淤积概率的表达式：cdbd p ττ-=1 在三维模型中，b c 为紧贴底床网格内的泥沙浓度。

在二维模型中，有两种方式计算b c 。

如果应用Rouse 公式得到的悬沙垂线分布，则近底层的泥沙浓度为垂线平均泥沙浓度乘以某一质心高度：)(height centroid c c b ⨯=Teeter （1986）将近底层悬沙浓度与佩克莱特数（e P ），床面通量，垂线平均悬沙浓度相联系。

在此情况下，近底层的泥沙浓度可表述为：()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫⎝⎛++⨯=5.275.425.11d eb p Pc c 其中，e P 是佩克莱特数：zs e D hw P =其中，h 是水深，z D 是涡流扩散率，两者都通过水动力模型计算得到。

侵蚀根据侵蚀的不同特征，可采用以下两种方式。

硬底床对于一个固结床面，可用以下方式表示侵蚀率（Partheniades ，1965）：nce b E E S ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=1ττ c b ττ> 其中，E 是侵蚀度（kg m -2s -1），n 是侵蚀的指数，b τ是床面剪切力（N m -2），ce τ是侵蚀的临界剪切力。

E S 是侵蚀率（kg m -2s -1）。

软底床对于一个软的，部分固结的底床，可用以下方式表示侵蚀率（Parchure 和Mehta ，1985）：()()c b eE S E ττα-= c bττ>固结如果进行长期模拟，淤积泥沙的固结可能是一个重要的过程。

如果有几个河床床层，则可采用转换率（i T ）。

这将使泥沙从顶层转换至其下层。

求解方法输运方程的解与水动力条件密切相关。

在空间上，采用中心有限体积法对原方程进行离散。

把整体的计算区域细分为非重叠的单元。

水平方向上采用非结构网格，在三维模型中垂向上采用结构网格。

在二维模型中，单元体可以是三角形或者四边形的。

在三维模型中，如果水平方向上是三角形，则单元体是棱柱形；如果水平面上是四边形，则单元体是砖块形。

时间上采用显示积分。

泥模块是一个工具，用于复杂河口的泥沙管理，例如美国加利福尼亚的三藩市海湾。

模型输入粘性泥沙的基本动力性质表明数值模型需要结合大量的野外工作或者基于实测数据的率定。

必须给定以下输入参数：∙沉速∙临界侵蚀剪切力∙临界淤积剪切力∙侵蚀系数∙侵蚀指数∙悬沙∙开边界的浓度∙扩散系数∙每层河床的厚度或者整个区域内所有泥沙的总量。

∙每层河床间的交换系数∙河床的干密度模型输出以下是主要的输出项：∙时空上的悬沙浓度∙河床泥沙的质量和高度∙泥沙的净通量∙计算河床剪切力∙计算沉速∙地形更新三维网格原理验证模型引擎已被全球的许多研究充分证实。

巴西Rio Grande河口2001年，这个模型用于巴西Rio Grande河口的三维研究。

该研究主要针对与Rio Grande河口平面布置变动相关的一系列的水动力问题。

此外还研究了沉积模式和疏浚需求的可能性变化。

巴西Rio Grande河口的表层悬沙浓度（kg/m3）巴西Rio Grande河口的瞬时侵蚀率（kg/m2/s)下图为最常见的率定参数——悬沙浓度（SSC）。

虽然有很大的不确定因素，但泥输运模拟给出了较为合理的结果。

巴西Rio Grande河口的悬沙浓度丹麦Graadyb潮汐汊道泥模块也用于Graadyb潮汐汊道，位于丹麦，Wadden Sea。

该处的大潮的潮差可达1.7m，风暴潮可达2-4m。

Esbjerg港口的航道最大流速为1-2m/s。

以平均海平面为基准，航道水深为10-12m。

丹麦Graadyb 潮汐汊道丹麦Graadyb潮汐汊道的地形和计算网格下图为悬沙浓度时间序列的实测值与计算值的比较。

总体比较结果良好。

丹麦Graadyb 河口悬沙浓度的实测值与计算值的比较图形用户界面MIKE 21 &MIKE 3无结构水流模型中的泥模块可通过友好的用户界面来操作。

每个阶段可通过在线帮助系统提供技术支持。

MIKE 21 Flow Model FM 图形化用户界面，泥沙输运模块，包括在线帮助系统例子硬件及操作系统需求MIKE21适用于Microsoft Windows XPProfessional Edition, Microsoft Windows 2000 and Microsoft Windows XP Professional x64 Edition 等操作系统。

网络许可管理和在线帮助功能基于IE4.0或更高版本。

为运行MIKE21&MIKE3 Flow Model FM 泥沙输运模块推荐的硬件配置如下：支持关于新的特性，应用软件，手册，更新，修补程序等等新闻可在/Software/Marine.asp x获取。

MIKE 21 Flow Model FM软件更进一步的消息，请联系当地的DHI软件的代理商或销售商，Hørsholm, Denmark获取支持：DHIAgern Allé 5DK-2970 HørsholmDenmarkTel: +45 4516 9333Fax: +45 4516 9292software@参考书目Burt, N., 1986. Field settling velocities of estuary muds. In: Estuarine Cohesive Sediment Dynamics, edited by Mehta, A.J.Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo, 126-150.Krone, R.B., 1962. Flume Studies of the Transport of Sediment in Estuarine Shoaling Processes. Final Report to San Francisco District U. S. Army Corps of Engineers, Washington D.C.Mehta, A.J., Hayter, E.J., Parker, W.R., Krone, R.B. and Teeter, A.M., 1989. Cohesive sediment transport. I: Process description. Journal of Hydraulic Engineering-ASCE115(8), 1076-1093.Parchure, T.M. and Mehta, A.J., 1985. Erosion of soft cohesive sediment deposits. Journal of Hydraulic Engineering-ASCE111(10), 1308-1326.Partheniades, E., 1965. Erosion and deposition of cohesive soils. Journal of the hydraulics division Proceedings of the ASCE 91 (HY1), 105-139.Richardson, J.F and Zaki, W.N., 1954. Sedimentation and fluidization, Part I, Transactions of the institution Chemical Engineers 32,35-53.Teeter, A.M., 1986. Vertical transport infine-grained suspension and newly deposited sediment. In: Estuarine Cohesive Sediment Dynamics, edited by Mehta, A.J.Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo, 170-191.Teisson, C., 1991. Cohesive suspended sediment transport: feasibility and limitations of numerical modeling. Journal of Hydraulic Research 29(6), 755-769.Winterwerp, J.C. (1999) “Flocculation and settling velocity”, TU delft. pp 10-17参考实例Edelvang, K., Lund-Hansen, L.C., Christiansen, C., Petersen, O.S., Uhrenholdt, T., Laima, M. and Berastegui, D.A., 2002. Modelling of suspended matter transport from the Oder River. Journal of Coastal Research 18(1), 62-74. Lumborg, U., Andersen, T.J. and Pejrup, M., 2006. The effect of Hydrobia ulvae and microphytobenthos on cohesive sediment dynamics on an intertidal mudflat described by means of numerical modeling. Estuarine, Coastal and Shelf Science 68(1-2), 208-220. Lumborg, U. and Pejrup, M., 2005. Modelling of cohesive sediment transport in a tidal lagoon —An annual budget. Marine Geology 218(1-4), 1-16.Petersen, O. and Vested, H.J., 2002. Description of vertical exchange processes in numerical mud transport modeling. In: Fine Sediment Dynamics in the Marine Environment , edited by Winterwerp, J.C. and Kranenburg, C. Elsevier, Amsterdam, 375-391.Petersen, O., Vested, H.J., Manning, A.J., Christie, M. and Dyer, K., 2002. Numerical modeling of mud transport processes in the Tamar Estuary. In: Fine Sediment Dynamicsin the Marine Environment, edited by Winterwerp, J.C. and Kranenburg, C. Elsevier, Amsterdam, 643-654.Valeur, J.R., 2004. Sediment investigations connected with the building of the øresund bridge and tunnel. Danish Journal of Geography 104(2), 1-12.。