MIKE泥沙模拟教程2
MIKE模型学习教程
（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。
mike21泥沙理论
说明:
– 如果传输受扩散影响,用第一套方案; – 如果剪切扩散和不稳定过程时考虑第二个方案.
MIKE-21/3 FM 传输模型: 理论背景
MIKE-21/3 第二套方案.
– 从第一个方案中去掉泰勒扩展参数:
∆t ∂ 2C ∆t 2 ∂ 3C ∆x 2 ∂ 3c ∆y 2 ∂ 3c TE = + +u +v + HOT 2 3 3 3 2 ∂t 6 ∂t 6 ∂x 6 ∂y
= Dx
传输项离散于第一个方案
+ v n,k j
C n,k +1 − C n, k −1 j j 2∆y
∆x 2 + Dy C n,k +1 − 2C n,k + C n, k −1 j j j ∆y 2 + TE
C n+1,k − 2C n,k + C n−1, k j j j
扩散项离散于第二个方案
Dshear
z 1 1 h = − ∫ u '∫ 0 D h 0 z
∫
z
0
u ' dzdzdz
非紊流背离平均流:从Karmans规律得到
为什么离散系数与湍流扩散系数成反比例??
MIKE-21/3 FM 传输模型: 理论背景
Gives (综合和假设) 其它公式包括:
– Krenkel (1962) 明渠水流:
扩散系数来自于以下几个方面: – 1. 扩散:
• 分子扩散; • 湍流扩散; • 离散;
Mixing across Water course in y plane
横向的湍流混合
Velocity Profile Point source Ambient Current y
mike21c泥沙模块科学手册中文版
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。
mike2-水动力模块中文教程
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 URBAN-体验教程
3.1 集水区的定义 .............................................................................................................. 10
3.2 定义一个降雨径流模型 ................................................................................................ 13
© DHI
DHI 定制系统解决方案 DHI 定制系统解决方案（MIKE Customised）为客户提供度身定制的系统解决方案，
并有效降低成本。这些系统级的解决方案大部分以DHI 系列软件产品为模拟核心，并且 作为DHI 咨询服务的一部分提供给最终用户。该产品取得了全球各相关领域用户的一致 认可。
2.3 为节点直径赋值........................................................................................................... 44
3
降雨径流模型的搭建......................................................................... 44
mikeurban手动建模41mikeflood模型培训教程?dhi1smikeurbancs建模所需信息?管网拓补结构人孔集水井管道泵堰阀门等的位置?集水区相关信息排水管网的服务范围泵站服务区等土地利用图层?模型边界条件排水出口处的水位受纳水体的水位降雨数据雨水管网污水点源和面源信息?实测数据用于模型率定数据率定验证数据越多模型越可靠但随之率定的工作量越大?泵堰阀门设计参数以及调度规则2建立简单的管网拓扑在mikeurban中mouse管网可以通过多种方式定义
MIKE中文教程
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。
MIKE-使用说明
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泥沙理论
Dshear = 0.404
u*h
κ3
Dshear = 9.1u * h
– Yotsukura & Fierinr (1964) 平滑的渠道: Dshear = 13u * h – Thackston (1966) :
Dshear = 7.25(u / u*)1/ 4 u * h
关键点:
– 1.剪切影响在河口海岸是最有效的 影响在河口海岸是最有效的; 影响在河口海岸是最有效的 – 2.相对于先于模拟的紊流混合系数来说，估算剪切扩散系数是重要的 相对于先于模拟的紊流混合系数来说， 相对于先于模拟的紊流混合系数来说 估算剪切扩散系数是重要的; – 3.当一些稳定的因素出现在垂面上时，剪切扩散被加强: 对于查理孙数在 当一些稳定的因素出现在垂面上时，剪切扩散被加强 当一些稳定的因素出现在垂面上时 05-1时影响变得大 时影响变得大
MIKE-21/3 FM Transport Module: Theoretical Background
– 2. Vertical shear:
• Turbulent mixing in the longitudinal direction dominated by ’shear dispersion’. See Taylor (1954); Jirka (2005)
– 2.垂直剪切:
• 纵向的湍流混合受控 ’剪切扩散’. 参看 泰勒 (1954); Jirka (2005)
垂向的扩散溶解
浓度分布沿剪切面展开
MIKE-21/3 FM 传输模型: 理论背景
垂直剪切间接的包涵在3维模型中. 但是把它合并到二维模型中是困难的. 通常的解决方法: 用近似法和比较湍流扩散与分子扩散系数的方法 计算 ’剪切粘性系数’. Elder (1959):
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Transport rates输沙率 Erosion / deposition 冲刷/淤积
Morphology 水下地貌演变
SAND TRANSPORT IN MIKE MODULES MIKE 模块中的沙输运
SAND Transport in MIKE 21 , Classic MIKE 21 沙输运，矩形网格
T (C )
2 8 .9 - 2 9 . 2 9 2 8 .5 1 - 2 8 . 9 2 8 .1 1 - 2 8 . 5 1 2 7 .7 2 - 2 8 . 1 1 2 7 .3 3 - 2 7 . 7 2 2 6 .9 3 - 2 7 . 3 3 2 6 .5 4 - 2 6 . 9 3 2 6 .1 5 - 2 6 . 5 4 2 5 .7 5 - 2 6 . 1 5 2 5 .3 6 - 2 5 . 7 5 2 4 .9 7 - 2 5 . 3 6 2 4 .5 7 - 2 4 . 9 7 2 4 .1 8 - 2 4 . 5 7 2 3 .7 9 - 2 4 . 1 8 2 3 .3 9 - 2 3 . 7 9 Be low 2 3.3 9 Un d e fin e d V a l u e
MIKE 3 (FM) 3D modelling 三维模型
MIKE 21 (FM) 2D modelling 二维模型
LITPACK 1D modelling assuming quasi-uniform conditions 一维模型假定准均匀剖面海滩
MODULAR STRUCTURE OF CALCULATION 模型计算流程
Bathymetry 地形 Boundary data 边界条件 Wind 风 Bathymetry 地形 Boundary data 边界条件 Wind 风
Sediment properties
泥沙特性 Boundary data 边界数 据
Wave Model 波浪模型
Radiation stresses辐射 应力
CHOICE OF SEDIMENT MODEL泥沙模型的选择
Investigate situation and determine important issues 调查情况并确定重要的研究问题
Area of interest ? 研究范围 What is the purpose of the simulation? 模拟目的 Type of sediment 泥沙类型 ▪ Sand ? 沙？ ▪ Mud ? 泥？ Type of bathymetry 地形的类型 ▪ Complex 2D ? 复杂的二维？ ▪ Quasi-uniform ? 准均一地形？ Hydrodynamic conditions 水动力条件？ ▪ Mean annual ? 年平均？ ▪ Extreme ? 极端条件？ What kind of effects are important ? 哪些影响因素是重要的？
Sand Transport Options 沙输运选项
▪ Pure current 纯水流
(transport rates calculated directly 直接计算输沙率)
▪ Combined wave and current 波流耦合
(transport rates found by interpolation in table 从输沙表中 插值得到输沙率)
Hydrodynamic Model 水动力模型
Currents 水流
Water levels 水位
Waves 波浪
Sediment Model 泥沙模型
MIKE 21 NSW MIKE 21 PMS MIKE 21 HD
MIKE 21 ST
Transport rates输沙率 Erosion / deposition 冲刷/淤积
泥沙特性 Boundary data 边界数据
Sediment Model 泥沙模型
Transport rates输沙率 Erosion / deposition 冲刷/淤积
Morphology 水下地貌演变
SEDIMENTS IN MIKE 21 AND MIKE 3 MIKE 21和MIKE 3中的泥沙
Morphology 水下地貌演变
MIKE 21 CAMS
SAND TRANSPORT IN MIKE MODULES MIKE 模块中的沙输运
SAND Transport in MIKE 21(3), Flexible Mesh (FM)
MIKE 21 (3)沙输运，非结构网格
MIKE 21(3) FM
Bathymetry 地形 Boundary data 边界条件 Wind 风
Wave Model 波浪模型
Radiation stresses辐射应 力
Hydrodynamic Model 水动力模型
Currents 水流 Waves Water levels 水位 波浪
Sediment properties
SEDIMENTS IN COASTAL ENGINEERING 海岸工程泥沙
Problem type determines model(s) 问题的类型决定使用哪种模型
CONDITIONS TO CONSIDER 需考虑的条件
Sediment type 泥沙类型
▪ Non-cohesive sediment (>0.06 mm, e.g. sand and shingle)
非粘性泥沙 (>0.06 mm, 如. 砂和砾石)
▪ Cohesive sediment (<0.06 mm, e.g. mud)
粘性泥沙 (<0.06 mm, 如. 泥)
Bathymetry (e.g. depth, bed slope)水深 (如深度, 底床坡度)
Hydrodynamics 水动力
MIKE 21 ST Examples 示例
Thyboron inlet – MIKE 21 Classic 矩形网格 Waves 波浪 (MIKE 21 PMS)
Currents 水流 (MIKE 21 HD)
Sand Transport 泥沙输运 (MIKE 21 ST)
MIKE 21 ST Examples 示例
Sediment properties 泥沙特性 Boundary data 边界数 据
Wave Model 波浪模型
Radiation stresses辐射 应力
Hydrodynamic Model 水动力模型
Currents 水流
Water levels 水位
Waves 波浪
Sediment Model 泥沙模型
Bathymetry 地形 Boundary data 边界数据 Wind 风
Bathymetry 地形 Boundary data 边界条件 Wind 风
Wave Model 波浪模型
Radiation stresses辐射应力
Hydrodynamic Model 水动力模型
Currents 水流 Waves Water levels水位 波浪
Skallingen - MIKE 21 ST FM
Norway
North Sea
Morphology 水下地貌演变
SAND TRANSPORT IN MIKE MODULES MIKE模块中的沙输运
SAND Transport in MIKE 21 MIKE 21中的沙输运
Bathymetry 地形 Boundary data 边 界条件 Wind 风 Bathymetry 地形 Boundary data 边 界条件 Wind 风
Classic model / Flexible mesh model 传统模型/非结构网格模型
Sediment Transport Modules 泥沙输运模块
▪ ST – Sand Transport Module 沙输运模块 ▪ MT – Mud Transport Module 泥输运模块 ▪ (PT – Particle Tracking Module 质点跟踪模块)
Hydrodynamic Model 水动力模型
Currents 水流
Water levels 水位
Waves 波浪
Sediment Model 泥沙模型
Transport rates输沙率 Erosion / deposition 冲刷/淤积
Morphology 水下地貌演变
SW HD ST (MF)
Overview of model grids 模型网格介绍
2 15
2 10 2 05
2 00 1 95
1 90
1 85
1 80
1 75
1 0 0 00
T im e s te p 1 7 8 o f 1 7 9
Xz data.txt
1 50 0 0
2 0 0 00
2 50 0 0
30 0 0 0 F ra m e d e la y 1 0 0 [m s ]
MIKE 21, MIKE 3 和 LITPACK 中的泥沙
When and where to use which models 什么时候、什么条件下使用哪种模型
SEDIMENTS IN COASTAL ENGINEERING 海岸工程泥沙
Integrated Problems 综合问题
Integrated Management 综合管理
▪ Waves (height, direction, period, spreading)
波浪 (波高, 波向, 波周期, 波的传播)
▪ Currents (speed, direction) 流 (流速, 流向) ▪ Tide 潮汐 ▪ Sources 源