MIKE 21-STChinese - 图文

MIKE 21 & MIKE 3非结构网格水流模型

沙输移模块

概述

MIKE 21 & MIKE 3非结构网格水流模波浪和水流作用对河床变形的反馈机制。

应用领域

泥沙输移模块可以用于量化泥沙输移能力，适用于由于波浪、潮流或波流共同作用下的非粘性泥沙运动区域。ST模型适用范围极广，可应用于大至整个区域（10km）小至海岸建筑物周边的局部区域（按照需要分辨率可至m）。

潮汐通道描绘了一个复杂的水域，这里海岸区段完全遭受波浪作用，上游及进口段基本受控于水流作用，且螺旋运动对泥沙输运模式有重要影响。泥沙输运模型适用范围已扩展到从横垮河流到海洋之间的区域。

型

– 泥输移模块

? 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）中的沙输移模块（ST）。 ? MIKE 21、MIKE 3 非结构网格水流模型（FM）

中的泥沙输移模块(ST)主要功能为计算波流共同作用下的非粘性泥沙（沙）输移能力及相应的河床变形初始速率。

? 沙输移模块(ST) 输沙率的计算是根据非

结构网格的水动力模型计算结果，MIKE 21 SW模块计算所得的波浪数据以及表征床砂性质的参数信息。

应用区域实例：潮汐通道

MIKE 21、MIKE 3 非结构网格水流模型（FM）,泥沙输移模块是一个计算非粘性泥沙输移速率、相应的河床变化和底床演变的数值模拟工具

泥沙模块的数值计算是基于给定地形条件下的相应水动力条件进行。可通过引入对河床变形速率的反馈机制进行地貌演化计算。

为全方面考虑地貌演化的影响动力机制，进行波流共同作用下的地貌演化数值模拟，本复合模型中已耦合波浪模块（SW），可全方面考虑

ST模块覆盖众多应用领域，最典型的领域包括：

? 海岸带管理

? 港口最优化布置 ? 护岸工程

? 潮汐通道稳定性

? 疏浚通道或港池口门泥沙淤积 ? 海底埋设管道的侵蚀 ? 河床演变 例如：港口最优布局需要考虑港池口门处的泥沙沉降、回淤及向外扩散的影响；详尽的近岸护岸工程对邻近海岸带的影响调查；海湾由于裂流产生的泥沙损耗，等等。

求解方法

MIKE 21 & MIKE 3 非结构网格水流模型，

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泥沙输运模型适用范围涵盖了从单一水流作用到包括波浪破碎影响的波流共同作用下的区域。对于纯水流作用及波流共同作用情况，二者数值求解方法有所差异。

三维模型设置中泥沙输运计算基于平均水平速度分量完成。因此泥沙输运计算并非真正三维计算。尽管如此，更为详尽的3D水动力模型可通过输出垂向3维流场或借助于近底剪切力推算相应平均水平速度分量的方式给出近底水动力条件。

波流联合作用泥沙输移-准3D方法

在波流共同作用情况下，泥沙输沙率基于模拟开始前已建立的表格插值获得。表格中输沙率基于准三维方法获得，这里需考虑当地波浪条件、流速剖面及泥沙特性。模型中可以包括如下空间点上的流速剖面及附近泥沙输运等参数：

1. 相对于流方向的波浪传播角度 2. 波浪破碎产生的能量损耗 3. 底质的颗粒级配 4. 海床的沙纹形态 5. 海床坡度

6. 回头浪（离岸流） 7. 不对称波 8. 纯水流

上述4-8项为非必要条件，用户可根据实际情况定制。

准三维模拟方法包括：垂向泥沙扩散方程基于内波周期网格求解，它提供了详细的破波或非破波和流作用下的非粘性泥沙输移机制。

泥沙输运模型的输入项为平均水平速度分量和垂线平均流速。尽管如此，由于悬浮泥沙运动发生在紊流边界层，在波浪及覆盖整个水深的充分发展的稳定流作用下的边界层厚度较小，所以水流的垂向分布的描述是必需的。这可以通过空间点上的‘点模型’获得，它包括空间点水柱上面足够的计算点，可有效描述波浪边界层及悬沙分布。二次流剖面对泥沙输运也有重要影响。

主要及次要流剖面

泥沙输沙率基于模拟开始前已建立的包括当地水深，波浪条件，平均水平速度分量及底质特性的表格插值获得。泥沙输移模型是次网格法（sub-grid model），它解决了水动力模型不能捕获的过程。

纯水流作用下的泥沙输移

纯水流作用下的泥沙输移模型是一个发展中的模型，可考虑地貌演变过程中水流和悬沙的滞后效应。

悬沙的滞后效应是在对流扩散方程中考虑悬沙浓度存在过饱和或不饱和状态及螺旋流模式来体现。这种方法即通常所讲的不平衡输沙（底床的侵蚀及沉积受水柱上的悬沙浓度的过饱和及不饱和控制）。

在2D中包含的螺旋流及不平衡输沙是可选的，也就是说模型也能作为点模型（‘point model’）运行，此时滞后效应是被忽略的(平衡输沙)或者仅仅被用来调整推移质输移方向。

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是变化的。

模型输入数据

输入数据能被划分成如下组分：

? 区域

? 地形数据（inc1. 地图投影） ? 模拟时间长短

? 水动力数据

? 水深及流场（由水动力模型提

供）

? 波浪数据（如果需要的话）

? 波高、波周期、波向（由波谱模型或

类似模型提供） ? 泥沙特性 ? 大小及底沙颗粒级配

? 地貌形态参数

? 更新频率

为ST模型准备的输入数据中主要任务是生成地形及估计水动力及波浪条件。

在波流共同作用情况下的泥沙输移表格（包含大量具有代表性的泥沙输沙率供在模拟过程中插值）对于模型是必需的。泥沙输移表格可基于MIKE21 Toolbox中‘Generation of Q3D Sediment Tables’来生成。

在受波浪影响情况下，DHI的波浪模型（MIKE 21 NSW, PMS or SW）将模拟波浪辐射应力，这对于计算波生流是必需的。

如果模拟基于耦合模型运行，可通过使用耦合模型FM输入编辑器，建立MIKE21 SW模块来产生波浪条件。

每一默认的水动力条件和泥沙输沙率是同步计算的。但对于耦合模型而言，它可能运行解耦模式（提供水动力条件及波浪条件作为外部数据文件）。

螺旋流插图

床砂表征参数包括横向和纵向海床剖面上的重力作用，此外如果在模型中考虑螺旋流的影响，该参数可起到调整从平均水流中分离床面切应力。

四种不同的泥沙输移公式被用于计算推移质平衡输沙量，而三种公式被用于悬移质平衡输沙量。

Engelund-Hansen全沙输移理论 Engelund-Freds?e全沙（推移质+悬移质）输移理论

Van Rijn全沙（推移质+悬移质）输移理论 Meyer-Peter & Müller 推移质输移理论

平衡输沙能力基于水深，平均水平速度分量，曼宁系数/谢才系数及床砂特性（中值粒径及粒径级配）计算，这些参数在整个模拟区域中都

模型输出数据

从模型中能获得两类输出数据：泥沙输沙率和地形变化。

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模拟海港附近地貌变化和港口口门处详细的泥沙输移率

数据的格式可以是点、线或者区域及任意需要的子集。在输出对话框中，可在列出的基本及附加输出参数中选择输出参数。基本的输出变量包括：悬沙，推移质、悬移质、全沙在x、y方向输沙率、河床高程变化率、河床高程变化和河床高程。附加输出参数如给定泥沙变量的量级、趋势以及累积量，此外还包括水动力及波浪参数。

应用实例及结果

实例的当地地图：Gr?dyb and Torsminde

Gr?dyb Gr?dyb是一个朝向北海海岸的潮汐河口。一个主要的港口位于河口内部。引航道通过疏浚来维持12m水深。每年泥沙疏浚量约1000000m3，其中不包括稳定的沿岸向下漂流的泥沙。

Gr?dyb 河口鸟瞰图。版权归Esbjerg港口。

下图为研究区域贴体网格地形和局部模拟区域泥沙输移图。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/1tot.html