MIKE 21---Users Interface

MIKE21FM 非结构网格模型界面说明

1 基本参数

1.1模型范围（Domain）

MIKE21 Flow Model FM是一个基于不规则网格的模型。

地形网格影响是模型精度的第一要素。设定网格的工作包含选择适当的区域，适当的解析度，以及适当的波浪，风，流边界等资料。再者，地理空间上的解析度选择也必须满足于模型稳定性的要求。

1.1.1 网格及地形（Mesh and Bathymetry）

此处要输入的网格地形要在在MIKE ZERO的 Mesh Generator 中生成(*.mesh)文件。MIKE ZERO的 Mesh Generator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。

Mesh Generator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。

1.1.2模型范围设定

地图投影(Map Projection)

如果mesh文件是由Mesh Generator生成的，那么其中已包含地图投影信息，并会在用户界面中显示。如果mesh文件上没有设定地图投影信息，那用户就必须为mesh文件选定适当的地图投影。

最小截断深度（Minimum depth cutoff）

最小截断深度是指所有高于此值的高程点，将会在计算过程中被忽略。请注意，在mesh文件中，水深的设定是负值。

如同时应用了Datum shift功能，那么截断深度是相关于应用Datum shift校正后的深度。

举例来说在一个范围介于+2 m到 -20m的mesh文件。设定一个基准面调整值，如增加+1m（即水深增加1m）。于是调整后的地形数据介在+1m到-21m间。如果设定的minimum depth cutoff为-2m，地形数据范围便成-2 m到 -21m。

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基准面调整(Datum Shift)

在模型中可以对基准面作调整。如海图基准(CD)，最低天文潮(LAT)或平均海平面(MSL)来取代使用实际的基准。

将要调整的高度输入在Datum Shift中，可以免去改变整个Mesh文件的麻烦。如果不需改动地形文件的基准，可以在Datum Shift中设定0。

datum shift 2 m (-2m)代表水深增加(减少)2m。

网格分解(Mesh decomposition)

重新编列单元号和信点号，以增进数值方法的运算成果，这可以最优化内存的存取，并有效地提高计算速度。

当使用这一项功能时，输出的文件中会使用新的编号资

料，而不是mesh文件上的旧资料。

网格分解技术可以提高数值格式的性能，用户需要指定分区域的总数。如果网格同时也进行了reordering，那么重新排序会在子区域层面进行。

1.1.3边界名称(Boundary names)

使用MIKE ZERO MESH GENERATOR 生成网格后，需要设定每个边界的边界代号(boundary code)如Figure1.1所示。

Figure 1.1 在Mesh Generator 中设定边界代号

2

在这个例子中，有code2，code3，code4三个开边界。在边界命名的对话框中，你可以重新命名边界名称，如Figure 1.2，把名称改变为易于记忆的标志。

Figure 1.2 在mesh文件中，改变预设的边界名称为易于记忆的名称

1.1.4 GIS背景 (GIS background)

如果在本机已安装ESRI ArcMap，那么用户会有一个选项可导入GIS 图层文件 (.lyr) 为背景。这个图层文件将会被投影在使用者所选定的地图投影中。

1.2 时间步长 (Time)

在本对话框中需要指定模拟所覆盖的时间段。需要输入的有 ：开始时间（Simulation start date），时间步数(overall No. of time steps)，以及以秒为单位的主时间步长(overall time step interval)。需要注意的是，此处的时间步长不是真正的计算时间步长，它是计算输出的频率。用于协调不同模块之间的信息交换。

1.2.1备注与提示

Figure1.3说明了MIKE21 Flow Model FM的主时间步长和各模块所使用的局部时间步长的关系。

Figure 1.3 主时间步长和局部时间步长的关联比较

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水动力模块(Hydrodynamic)，扩散模块(Advection-dispersion), 波谱模块(Spectral Waves)，在满足模型稳定不发散的前提下，可以基于主时间步长对局部时间步长做改变。

各个模块运算时会在主时间步长和模型作数据交换，举例来说对流扩散模块(Advection-dispersion)会在每个主时间步长和模型作交换，而Sand Transport和ECOLab模块则可以在每两个主时间步长和模型作交换。

1.3 模块选择

MIKE21 Flow Model FM 包含多个模块，使用者可依照需求做选择：

? Transport (对流扩散模块) ? ECOLab (水质水生态模块) ? Mud Transport (粘性泥沙模块)

? Particle Tracking（粒子追踪模块） ? Sand Transport（非粘性泥沙模块）

使用者可以根据需要选择一个或多个模块使用，但是水动力(Hydrodynamic)模块始终是必需的。

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2 水动力模块（HYDRODYNAMIC MODULE）

水动力模块可针对不同的外力和边界条件计算得到水流和温盐分布。温度和盐度的变化对斜压影响也在模块中被设定，但其在水动力模块的影响并不是主要的。

2.1 求解格式（solution technique）

模型计算时间和精确性取决于计算数值方法所使用的格式精度。模型计算可以使用低阶（一阶精度）或是高阶（二阶精度）的方法。低阶方法计算快但计算结果但精确度较差，高阶的方法计算精度高但速度较慢。更多关于数值计算方法的细节，请参考科学算法背景手册。

浅水方程的时间积分和传输(扩散)方程是使用显式法。因为显式法的限制，为了维持模型的稳定 ，时间间隔的选定必须使CFL number (p.27)小于1。一个可变动的时间范围用以测试所有网格点CFL number是否满足此一限制。通常在传输方程式中CFL

number的设定限制会小于浅水方程的限制。传输方程使用的时间间距会比浅水方程所使用的大。因此用户可以设定最大及最小时间步长。传输方程式的时间间距以基于全时间间距作变动，浅水方程的时间间距可以基于传输方程来作变动。

2.1.1 CFL数(CFL number)

对于笛卡尔坐标下的浅水方程式，Courant-Friedrich Levy (CFL) number 定义为

CFLHD??gh?u??t???xgh?v??t

?y其中h为总水深。u和v为流速在x和y方向的分量。g是重力加速度。Δx 和Δy是x 和 y 方向的特征长度，Δt是时间间距。Δx 和Δy近似于三角形网格的最小边长，水深和流速值则是发生在三角形的中心。

传输方程式在笛卡尔坐标上的CFL 数是定义为

CFLAD?u?t?x?v?t?y

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2.5.2 推荐值

如果考虑水深的相关变量，就应该设定Manning数。Manning数介于20-40m值32m1313/s ，如果没有其他相关信息，通常建议使用预设

/s。

如果使用的是Chezy数，则在海岸工程应用的建议值范围为30-50m3/s。

备注与提示

如果边界条件造成模型在边界的计算不稳定。为了移除这些扰

动，可以沿边界局部区域内设定曼宁系数5-10m3/s，或糙率高度1m。但最好是在无法用其他方式解决边界条件的问题时，再使用这一方法。

112.6 科氏力 (Coriolis Force)

科氏力的影响可以以三个方式设定

? 无科氏力

? 在模型范围内设定一个常数 ? 在模型范围内设定不同数值

如果选择在模型范围内设定一个常数，科氏力会被设定为某一参考纬度上的值。

如果在选择在模型范围内设定不同数值，科氏力根据地形文件所设定地理信息做计算。

2.7风场 (Wind Forcing)

在流场的计算中，还可以考虑风的影响。 风场的数据可以设定为

? 常数。设定整个模型过程中的所有范围内风场为为一个常

数，强度及方向不变。

? 随时间改变在空间上为定值。风场在整个模型范围内为定

值，但强度和方向随时间改变。 ? 强度和方向随着时间和空间改变。

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注意: 风场方向是风的来向，自正北方为0度，顺时针方向计算角

度。

数据

若使用风场在模型范围内为一个常数，但随时间改变的资料。输入文件必须包含风速(m/s)，风向(自正北方开始以度来计算)，在设定水动力模块之前必须准备好一个dfs0输入文件。数据可以先以ASCII形式储存在文件中，并用写字板进行编辑后，由MIKE ZERO Time Series Editor时序列编辑器读入，以dfs0文件储存。风场文件必须覆盖整个模拟周期。但是风场资料的时间步数不需要和水动力模型的时间间隔吻合。如果时间步数不相吻合，模型会自动进行线性内插。

若风场随时间和模型改变，在执行水动力模块前，输入文件必须为一个包含风速(m/s)，风向(自正北方开始以度来计算)，及气压场(hPa)的dfs2 或 dfs0文件。Mike21所提供的两个风场生成模型(由风或气压生成气旋，或由数值气压场生成风场)可以得到风场。或者数据可以先以ASCII形式储存在文件中并用写字板编辑后，由MIKE ZERO Grid Series Editor 时序列编辑器读入。你必须准备一个和模型范围相同的dfsu文件或dfs2文件。风场文件必须覆盖在整个模型周期内。但是风场资料的时间步数不需要和水动力模型的时间步相吻合。如果时间步数不相吻合，模型会自动进行线性内插。

中性压力

在风场随时间空间作不同变化的例子中，你必须设定一个参考或中性压力标准(hPa)。

软起动

在风速由零开始往上增加的情况下，可以设定一个软起动间距(以秒为单位)，以避免模型中生成震荡波。预设的软起动间距是零，也就是无软起动。在软起动期间风向不会随之改变。

风场摩擦力

风场摩擦力可以设定一个常数，或为一个风速的函数。在后面的例子中，摩擦力是两个风速值的线性内插的函数，如果风速小于最小值或大于最大值，摩擦力则取为最大最小值而不再随风速变化做内插。

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一般性描述

你可以依照下面的方法去模拟模型中风场的影响。表面摩擦力?s是由水表面的风速来决定的。剪力值是由下面的经验公式关系得到

?s??acdusuw

???这里?a是空气密度，cd是空气中的经验拖曳力，uw?(uw,vw)是海平面十公尺处所测量到的风速。

?请注意风向的设定是风来自的方向（相对于正北方）请见Figure 2.1

Figure 2.1 风向定义

拖曳系数可以被设定为一个常数或依照风速来设定。Wu（1980，1994）的经验公式

cd?caw10?wa?c?ca??w10?wa? wa?w10?wb ??ca?bw?wba?w10?wb?cb?

其中ca，cb，wb的经验值为ca?1.255?10?3，cb?2.425?10?3，

wa?7m/s，wb?25m/s。应用于开阔海面的情况下，这些值基

本上给予较好的结果。实际量测的结果告诉我们湖泊的拖曳力较开阔海面大。关于拖曳力的描述请参见Geenaert and Plant (1990)。

备注与提示

可以使用拖曳力作为模型率定的参数。

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2.8冰盖

在流场中也可将冰盖的影响考虑进去，冰盖可以为下列三种情况

? 无冰盖

? 设定冰浓度 ? 设定冰厚度

? 设定集中冰浓度及冰厚度

对两个包含冰浓度的例子(一个区域的冰覆盖率)是考虑区域内冰的影响大于用户所设定的临界浓度(预设为0.9)。在这个例子中，设定冰厚度的影响，只局限在冰厚度大于零的区域。

在模型中必须包含一个文件表明各区域冰的浓度及厚度。

在被冰所覆盖的海面，风剪力是不被考虑的，因此风速可以被设定为0。另外流场中考虑冰糙率系数，此时糙率高度须要被设定。

冰盖数据

在执行水动力模块之前，你需要准备一个文件包含冰浓度或冰厚度的信息。你必须准备一个和模型范围相同的dfsu文件或dfs2文件。文件必须包含整个模型周期。但是资料的时间步数不需要和水动力模型的时间步相吻合。如果时间步数不相吻合，模型会自动进行线性内插。

临界浓度

在区域中冰浓度大于临界浓度，冰在流场上的影响会被考虑。

糙率数据

糙率高度的形式可以被设定为，ks(m)

? 在模型范围内设定一个常数值 ? 在模型范围内设定不同数值

在执行水动力模块之前，你需要准备一个文件包含拖曳系数和糙率高度冰的信息。你必须准备一个和模型范围相同的dfsu文件或dfs2文件。文件必须包含整个模型周期。但是时间步数不需要和水动力模型的时间步相吻合。如果时间步数不相吻合，模型会自动进行线性内插。

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2.9引潮势（Tidal Potential）

引潮势是一个由地球和天体之间作用而成的外力。这个外力作用在整个模型运行范围。外力是各种分潮引力的总和，各个分潮可以被分别设定。

? 从对话框中设定 ? 从文件中设定

分潮引力是由一系列的分引应力组成。Table 2.1以M2分潮为例，预设的11个分潮是M2,O1,S2,K2,N2,K1,P1,Q1,Mm,Mf,和Ssa。设定分潮的数目没有限制，各个分潮的相关信息可以参考Push,1987的分潮标准手册。

Table 2.1 M2分潮的设定资料

备注与提示

潮汐引力通常会在深且封闭的水体中作用明显，如地中海，墨西哥湾，或大尺度的模型如太平洋模型。在模型设定中所设定的边界条件通常会影响流的变化。

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2.10降雨蒸发

在受降雨影响的应用中，模型运算需考虑降雨。降雨可以下面三个方式加入

? 无降雨 ? 设定降雨 ? 净降雨

净降雨是指降雨减去蒸发值，因此蒸发也可视为负的净降雨值。选择无降雨值或设定降雨蒸发也可以下列三个方式设定

? 无蒸发 ? 设定蒸发

? 由模型中热交换计算蒸发率

在这三种方式中，蒸发率是作为潜热通量来计算。这个选项只可以在密度变化和热交换被包含在模型中的时候被选取。

如果选定了降雨(或净降雨)选项，则需要设定以mm/day为单位的降雨率。如果选择设定蒸发率选项，则需要设定以mm/day为单位的蒸发率。

数据

降雨强度的形式(或净降雨强度)和以mm/day为单位的蒸发率可以被设定为

? 在时间和空间上为一个常数

? 随时间变化但在空间上为一常数 ? 随时间和空间变化

如果选择设定降雨/蒸发率，则降雨/蒸发率则必须是一个正数。如选择净降雨，则设定负值的降雨率被视为蒸发率。

如果是降雨随时间变化但不随空间变化(强度为mm/day)，在搭建水动力模块之前你必须准备一个包含降雨强度的dfs0文件，且这个文件必须覆盖整个降雨周期。输入文件的时间步数不需要和水动力模型的时间步相吻合。如果时间步数不相吻合，模型会自动进行线性内插。

如果降雨强度是随时间和空间改变的，必须在搭建水动力模块之前，准备一个以mm/day为单位的降雨强度面文件。必须准备一个和模型范围相同的dfsu文件或dfs2文件。输入文件必须包含整

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个模型周期。但是其时间步数不需要和水动力模型的时间步相吻合。如果时间步数不相吻合，模型会自动进行线性内插。

如果选择的是蒸发率随时间改变但不随空间改变。输入文件必须依照上述降雨文件的准备方式准备。

软起动

你可以设定一个软起动间距(以秒为单位) 使降雨蒸发由零开始往上增加，以避免模型中生成冲击波。预设的软起动间距是零，也就是无软起动。

2.11波浪辐射应力

由于短波破碎所引起的二阶应力可以被包含在模型运算中。辐射应力会对平均流速产生作用，可用来计算波生流。

如果在模型中要添加辐射应力，输入文件中需包含三个数值项(辐射应力除以水密度)，分别是Sxx、Syy、Sxy（m2/s2）。

辐射应力文件可以由MIKE21 SW、MIKE21 NSW、MIKE21 PMS模型得到。

你必须在设定水动力模块之前，准备一个输入文件，输入文件中需包含三个数值项(辐射剪力除以水密度)（m2/s2）。你必须准备一个和模型范围相同的dfsu文件或dfs2文件。输入文件必须覆盖整个模型周期。但是其时间步数不需要和水动力模型的时间步相吻合。如果时间步数不相吻合，模型会自动进行线性内插。这个文件必须包含整个模拟周期。但是输入文件的时间步数不需要和水动力模型的时间步相吻合。如果时间步数不相吻合，模型会自动进行线性内插。

软起动

辐射应力由零开始加到所指定数值前，可以设定一个软起动间距(以秒为单位)，以避免模型中生成震荡波。预设的软起动间距是零，也就是无软起动。

2.11.1 建议

为了不使模型产生突变，建议使用软启动周期。

2.11.2 备注与提示

既然波浪辐射应力描述的是一个波浪周期里的平均流动，波应力

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应该和一定的水深关联在一起。(如潮汐或风暴潮)，但必须考虑因水深改变而产生的误差。

如果应用干湿边界，用户必须确定波浪辐射应力在所有的湿点上都有被定义。一般来说，不推荐同时使用波浪辐射应力和干湿边界。

2.12源

河流，电厂，进排水口的影响等，可以列为模型中的源项。

除了一个源项清单表，源项的地理位置也可以地理位置方式呈现。

新建源汇项的方式有二种。1，在清单表中你可以按按键”new source”, 建立一个新的源项，或按按键”delete source”删除。2，对于每个源汇项，不管是否纳入计算，你都可以设定名字。在源汇项名称的后面，可以设定关于源汇项的信息。最后面有个”GO TO”按键，或是选取要编辑的源汇项，按下面的”Edit Source”，便会跳到源汇项的页面开始编辑。

在地理位置视图上，可以在某个位置上双击，建立新的源汇项。或是选择源汇项清单中的”New Source” 按键。接下来便可按照上述方法编辑源汇项。

2.12.1源汇项设定

有三种类型可以设定源汇项

? 简单源项 ? 标准源项 ? 源汇对

简单源汇项，只考虑水量平衡的连续方程而不考虑动量方程。在这个选项中，你只需设定源项的强度(m3/s)。如果源项的强度是正的，水是由源流进水体，如果源项强度是负的，那水就是由水体流向源。

标准源汇项，同时考虑了连续方程和动量方程式的影响。在这个选项中，你必须设定点源强度(m3/s)、流速(m/s)。注意动量方程只有在强度为正值(水由源汇项排入临近水体中)的时候被考虑。

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源汇对，同时考虑了连接于连续方程和动量方程式的影响。在这个选项中，你必须设定源汇项所连接的点源编号。源汇项的强度会由所连接的点源来决定，但符号相反。你必须设定源项排入水体的速度(m/s)。动量方程只有在强度为正值(水由源汇项排入水体中)的时候被考虑。

位置

在设定源汇项坐标前，必须选择地图投影(经纬度投影，UTM投影)。

数据

源项的资料可以被设定为

? 不随时间变化的常数 ? 随时间变化

如果要使用随时间变化的源汇项资料，你必须在搭建水动力模块之前，准备一个输入文件，包含流量(m3/s)，速度(m/s)。你必须准备一个和模型范围相同的dfs0文件。输入文件必须包含整个模型周期。但是其时间步数不需要和水动力模型的时间步相吻合。如果时间步数不相吻合，模型会自动进行线性内插。

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2.13 水工结构物

水平尺度上的结构物通常较模型计算用的网格尺度小很多，因此结构物的影响通常使用亚网格技术来处理。模型中包含五种不同的结构物模拟：

? 堰 ? 涵洞 ? 闸门 ? 桥墩 ? 涡轮机

再者，你可以任意结合其中两到三个基本结构物，构造复杂结构物。

2.13.1堰

选择property page可以看见结构物的视图(Geographic View)，或是堰的清单列表(List View of the weirs)。

设定堰的方法有两种，在清单列表(List of View)，你可以按”New Weir”按键，建立一个新的堰，或是”Delete Weir”按键移除一个既有的堰。每一个堰需设定一个名字，并在后面设定一些关于堰的细节。在堰的清单列表（List of View）中，你可以选定其中一个堰，使用”Go to “按键，并且使用”Edit Weir”按键编辑。

直接在视图中（Geographic View）双击地图，可以建立一个新的堰，点击的位置定义了堰在地理位置上的一点。或是按”New weir”按键，在设定堰的名称及地理位置后，可以编辑堰的相关信息。

堰的设定

设定堰的几何形状。

位置

堰在模型范围内被定义为由点组成的断面(至少两个点是必需的)。断面是由若干连续线段组成的，线段则是由两个点所构成。断面在数值模型的计算中定义为邻近两个单元(Element)的一个边（face）。堰的地理坐标位置可以在对话框下面输入，或是由ASCII文件导入。文件中数值以浮点数格式储存，x坐标和y坐标数值以空格分开。定义出的线段列于log文件中。

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在对话框中，堰位置的地理坐标可以选择设定为(经纬度，UTM投影等) 。 属性

属性中，堰流计算的公式的选项有：

? 宽堰顶公式 ? 堰流公式1

? 堰流公式2（Honma 公式） 阀

带有阀的结构物可以对水流进行调节，MIKE21支持四个不同的阀调整形式:

? 无阀结构(水流未经调整) ? 只有正向流

只有正向的流可以被考虑。阀调整结构若遇到负向的流况，在

结构中的水流会被视为零。 ? 只有负向流

只有负向的流可以被考虑。阀调整结构若遇到正向的流况，在

结构中的流会被视为零。 ? 阀结构完全被关闭

?0

当堰的上下游水位差较小时，模型计算可能会产生不稳定。为了解决这一问题，引入水位差?0，当上下游水位差小于?0时，采用此线性变化直接计算。

水头损失系数

水流经过水工结构物的时候，水头损失系数决定了能量损失。

可以定义下面的局部水头损失系数 (对正负流向):

? 入流 ? 出流

? 自由溢流

水头损失系数仅应用在宽堰顶公式建筑物流的计算和特殊堰的计算中。

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堰的几何形状

堰的几何形状定义了水流活动范围内堰的形状。几何形状是在Level/Width表中定义的一系列水位和流宽关系，列表中水位必须是递增的。

水位的定义是相对于堰的基准面(始于堰顶或由堰底为开始的基准)。

基准定义的偏差值会在计算时加到Level/Width 表里。

Level/Width表中定义堰的形状为一系列水位和流宽的关系。水位值在此必须是一个连续，递增的值。

注意: 只有宽顶堰可以定义堰的几何形状。

一般性描述

Figure 2.2 水流定义简图

宽顶堰

标准的宽顶堰堰流公式是由堰形状、使用者设定的水头损失系数和率定系数通过程序计算。这些公式假设静水压力分布在堰顶，在淹没出流和自由出流的时候自动转换使用不同的公式。

堰流公式1

堰流公式是基于一个标准堰的表示，根据Villemonte Formula:

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q?WC?Hus?Hw?k??1???Hds?Hw??H?Hw?us???????0.385

这里Q是通过结构物的流量，W是宽度，C是堰流系数，k是堰的指数, Hus是上游的水位，Hds是下游的水位，Hw是堰顶高程(参见图2.2)。反向的标高分别是进水口及出水口的最低点。

堰流公式2

堰流公式2是根据Villemonte Formula:：

?for?Hds?H?C1W?Hus?Hw??Hus?Hw? Q??for?Hds?H??C2W?Hds?Hw??Hus?Hds??/Hus?/Husww?2/3?2/3

这里Q是通过结构物的流量，W是宽度, C1C2是堰系数，

C2?1.53C1，Hus是上游的水位，Hds是下游的水位，Hw是堰

顶高程(参见图2.2)。

流向

堰流的正逆向流向定义如Figure2.3。正向流定义为沿结构物概化线方向（从起点到终点方向），由右通过概化线到左方为正向流。

Figure 2.3 正逆向流向定义

水头损失系数

一般结构物的局部水头损失定义为

?H??tVs2

2g

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2.13.2 涵洞

?H是通过结构物的能量损失，?t是总水头损失系数，Vs是结构

断面平均流速。

?t总水头损失系数是由进水头损失系数?1和出水头损失系数?2组成。系数为入流参数?in和出流参数?out，和速度V及断面A的函数:

???2t??1?????v12in????AS?

?v????out?s?A??2?这里下标1和2表示流出和流入结构物的速度和水流面积，s表示结构中的流速和过流面积。

然而，在当前的模型处理中，水下游断面并不是从地形提取出来的，因此无法准确地确定水位和过水断面之间的关系。为此上下游面积都设定为一个非常大的值，即

?t??1??2??in??out

必须要小心的选择水头损失系数，特别是在亚临界流和超临界流都会发生的情况下。当流况由亚临界流变化到超临界流(附录书，Fr>1)，损失系数?in和?out(在Head Loss Factor Box中设定)会被改动为:

? 如果FR>1 在上游水位点，则?in??in/2 ? 如果FR>1 在下游水位点，则?out??out/2

选择property page你可以参见视图(Geographic View)或是涵洞的清单列表(List View of the culverts)。

有两种方法可以设定新涵洞。在List View你可以按”New culvert”按键，建立一个新的涵洞。在Culvert list 中选择一个涵洞，按按键”Delete culvert”移除涵洞。每一个涵洞你可以设定一个名字，并在后面设定一些关于涵洞的细节。在List of View页面上，你可以选定其中一个涵洞，使用”Go to “按键，并且使用”Edit culvert”按键编辑。

直接在视图（Geographic View）双击地图上的位置上的一点，可以建立一个新的管流，点击的位置定义了涵洞在地理位置上的一

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点。或是按”New weir”按键，在设定涵洞的名称及地理位置后，可以编辑涵洞的相关信息。

涵洞的设定

设定涵洞的位置和排流孔的几何形状。

位置

涵洞在模型范围内被定义为由若干点组成的断面(至少两个点是必需的)。断面是由若干连续线段组成的，线段则是由两个点所构成。断面在数值模型的计算中定义为邻近两个单元(element)的一个边（face）。涵洞的地理坐标位置可以在对话框下面输入，或是由ASCII文件导入。文件中数值以浮点数格式储存，x坐标和y坐标数值以空格分开。定义出的线段列于log文件中。

在对话框中，涵洞位置的地理坐标可以选择设定为(经纬度，UTM格式等) 。 属性

属性中，定义涵洞参数的特征有：

? 上游管底高程(Upstream Invert) 涵洞中的上游入水处的管底高程

? 下游管底高程(Downstream Invert) 涵洞中下游的出水处的管底高程

? 长度

涵洞的长度

? 曼宁系数n

涵洞中的曼宁底床摩擦系数（表示摩擦力造成的损失） n=1/M （曼宁数）

? 涵洞的数量

在所设定的涵洞所在 地, 涵洞的数量是定义有多少相同的涵洞存在。

举例来说: 五个相同形状的排水管并排在一个坝中，为了不去 一个个定义五个个别的涵洞，可以在”No of Culverts”中定义为5，计算时模型会以这个位置有五个相同形状大小的涵洞来计算。

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? ?0

当堰的上下游水位差较小时，模型计算可能会不稳定。为了解

决这一问题，引入水位差?0，当上下游水位差小于?0时，采

用线性变化直接计算。

阀

带有阀的结构物可以对水流进行调节，MIKE21支持四个不同的阀调整形式:

? 无阀结构(水流未经调整) ? 只有正向流

只有正向的流可以被考虑。阀调整结构若遇到负向的流况，在

结构中的水流会被视为零。 ? 只有负向流

只有负向的流可以被考虑。阀调整结构若遇到正向的流况，在

结构中的流会被视为零。 ? 阀结构完全被关闭

断面类型

涵洞的断面类型可以被定义为闭管(closed)或开管(open)。

水头损失系数

系数决定能量损失发生在水流经过水工结构物的时候。

局部水头损失系数可以被定义为(对正负流向):

? 入流 ? 出流

? 自由溢流 ? 弯道

涵洞的几何形状

涵洞的几何形状定义为水流活动范围内的涵洞的形状。几何形状可以被定义为：

? 矩形：设定宽度和高度

? 圆形：设定直径

? 宽度及水位高度表（Level-Width Table）：设定宽度和所

对应的高度水位高度。其中水位高度必须由小到大设定。

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宽度及水位高度表定义涵洞中流宽和水位高度的关系。在

水位是定义相关于堰(始于堰顶或由堰底为开始的基准)。

基准定义的偏差值会在计算时加到level/width table里。

一般性描述

流向

堰流的正逆向流向定义如Figure2.4。正向流定义为沿结构物概化线方向（从起点到终点方向）。

Figure 2.4 正逆向流方向定义

闭合断面/开断面的转换

一个涵洞结构可以转换闭合断面或开断面来模拟开放性的结构。举例来说，在长涵洞的情况下沿涵洞长度方向的摩擦力是很重要的，出流处和入流处的水流是绝对不相同。

如果设定涵洞为开断面，水流在管中则不会是满管的情况，因此在模拟中，水表面状况设定为自由表面。当水位高于管腹时，水利参数是根据断面上管腹到断面水位的垂直距离作计算。举例来说，矩形断面中的高是多余的，因为计算中会采用断面宽和水位的高来做计算。

但在圆形管的例子中，不提供闭合断面和开断面的转换。

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2.13.3 闸门 水头损失系数

涵洞中的总水头损失，?H定义为

2??HQ?loss???1??f??b?2?2g??A22?2s1AsA? as2?

AS是涵洞的断面面积，Q是流量，?1是入流处的收缩损失，?2是出水处的扩张损失，?f是摩擦损失计算，?b是弯曲损失系数。

???AS?1?in??1?? ?A?1?2??2??out??1?AS?

?A??2?

A1和A2在计算中不被考虑，因此定义为无限大。扩张和收缩损失

先被定义为一个无限大的值。?in和?out被定义为入流损失和出流损失。

2?f?2gLn

R43

L是管流长度，n是曼宁系数，R是管内水力半径的平均值。曼宁系数n取决于管的质地，相关文献中可以找到关于n取用的介绍，一般是介于0.011到0.017间。

弯曲损失系数定义为?b是指在弯曲情况或涵洞水闸磨损的情况下造成的损失。对于直线涵洞而言可以设定为零。

临界流(管流中的孔流也是)的状况下要在自由溢流水头损失系数考虑一个临界流系数?c，通常设定值为1.0。

选择property page你可以参见视图(Geographic View)或是闸门的清单列表(List View of the gate)。

有两种方法可以设定新闸门。在List View你可以按”New gate”按键，建立一个新的闸门。在Culvert list 中选择一个闸门，按按键”Delete gate”移除闸门。每一个闸门你可以设定一个名字，并在

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闸门的设定

后面设定一些关于闸门的细节。在List of View页面上，你可以选定其中一个闸门，使用”Go to “按键，并且使用”Edit gate”按键编辑。

直接在视图（Geographic View）双击地图，可以建立一个新的闸门，点击的位置定义了闸门在地理位置上的一点。或是按”New gate”按键，在设定闸门的名称及地理位置后，可以编辑闸门的相关信息。

设定闸门的几何形状。

位置

闸门在模型范围中被定义为由点组成的断面(至少两个点是必需的)。断面是由若干连续线段组成的，线段则是由两个点所构成。断面在数值模型的计算中定义为邻近两个单元(Element)的一个边（face）。闸门的地理坐标位置可以在对话框下面输入，或是由ASCII文件导入。文件中数值以浮点数格式储存，x坐标和y坐标数值以空格分开，定义出的线段列于log文件中。

在对话框中，闸门位置的地理坐标可以选择设定为经纬度，UTM投影等 。 数据

闸门的运算是由一个控制因子来主导。如果控制因子是1, 闸门为开，如果控制因子是零，闸门为关。控制因子可以被设定为:

? 不随时间变化的常数 ? 随时间变化的变量

如果是随时间变化的资料，你必须在设定水动力模块之前，准备一个和模型范围相同的dfs0文件。输入文件必须覆盖整个模型周期。但是其时间步数不需要和水动力模型的时间步相吻合。如果时间步数不相吻合，模型会自动进行线性内插。这个文件必须包含整个周期。但是输入文件的时间步数不需要和水动力模型的时间步相吻合。如果时间步数不相吻合，模型会自动进行线性内插。

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2.13.4 桥墩

桥墩的设定

桥墩的影响可以使用一个简单的拖曳理论在亚网格结构中计算，模拟流速增加时，桥墩产生的生摩擦力变化。

选择property page你可以参见视图(Geographic View)或是桥墩的清单列表(List View of the piers)。

有两种方法可以添加新桥墩。在List View你可以按”New pier”按键，建立一个新的桥墩。在Piers List 中选择一个桥墩，按按

键”Delete Pier”移除桥墩。每一个桥墩你可以设定一个名字，并在后面设定一些关于桥墩的细节。在List of View页面上，你可以选定其中一个桥墩，使用”Go to “按键，并且使用”Edit Pier”按键编辑。

直接在视图（Geographic View）双击地图上的位置上的一点，可以建立一个新的桥墩，点击的位置定义了桥墩在地理位置上的一点。或是按”New Pier”按键，在设定桥墩的名称及地理位置后，可以编辑桥墩的相关信息。

设定桥墩的几何形状。

位置

桥墩在模型范围内被定义为由点组成的断面(至少两个点是必需的)。断面是由若干连续线段组成的，线段则是由两个点所构成。断面在数值模型的计算中定义为邻近两个单元(Element)的一个边（face）。桥墩的地理坐标位置可以在对话框下面输入，或是由ASCII文件导入。文件中数值以浮点数格式储存，x坐标和y坐标数值以空格分开。定义出的线段列于log文件中。

在对话框中，桥墩位置的地理坐标可以选择设定为经纬度，UTM格式等 。 数据

首先你必须设定桥墩的角度根据流线因子和桥墩的垂直断面。

如Figure 2.5，角度是顺时针方向以度为单位，注意投影的北面不一定是地理位置上的北面。

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Figure 2.5 桥墩角度的定义

随拖曳力增加的流线因子，会因着桥墩的影响而造成流速的增加，一般设为1.02。

断面的数目也表示桥墩的种类（断面形状不同的桥墩数目）。

另外设定断面形状以及桥墩的种类:

? 圆形 ? 矩形 ? 椭圆形

随着断面种类的不同，所要设定的参数也不同。圆形断面要设定高(m为单位)，和宽(直径，m为单位)。矩形断面要设定高(m为单位)，和长宽(m为单位)。椭圆断面要设定长宽和高。所设定的第一个断面是桥墩顶部的断面，最后一个是海床底部的断面，参见Figure2.6。

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Figure 2.6 桥墩断面定义

一般性描述

水流受桥墩的影响是通过桥墩所在单元增加拖曳力求出的。

拖曳力F可表示为：

F?12?w?CDAeV

2其中?w是水的密度，?是流线因子，CD是拖曳力，Ae是受潮流影响的面积，V是潮流流速。F为与潮流方向相反的作用力。

2.13.5 涡轮机

涡轮机的影响可以使用简单的拖曳理论，在亚网格结构中计算，模拟流速增加时，涡轮机扇叶产生的生摩擦力变化。

选择property page你可以参见视图(Geographic View)或是涡轮机的清单列表(List View of the piers)。

有两种方法可以设定新涡轮机。在List View你可以按”New turbine”按键，建立一个新的涡轮机。在Turbine List 中选择一个涡轮机，按按键”Delete turbine”移除涡轮机。每一个涡轮机可以设定一个名字，并在后面设定一些关于涡轮机的细节。在List of View页面上，你可以选定其中一个涡轮机，使用”Go to “按键，并且使用”Edit Turbine”按键编辑。

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直接在视图（Geographic View）双击地图，可以建立一个新的涡轮机，点击的位置定义了涡轮机在地理位置上的一点。或是

按”New Turbine”按键，在设定涡轮机的名称及地理位置后，编辑涡轮机的相关信息。

涡轮机的设定

设定涡轮机的几何形状。

位置

在对话框中，涡轮机位置的地理坐标可以选择设定为(经纬度，UTM投影等) 。

数据

设定的数据有：涡轮机的直径(以公尺为单位)，涡轮转质心的Z坐标位置。必要时可以设定一个常数作为拖曳系数和校正因子。校正因子为一个系数因子，会被直接加在拖曳力上。

校正因子的形式可以被设定为:

? 不随时间变化的常数 ? 随时间变化的变量

如果是随时间变化的资料，你必须在设定水动力模块之前，准备一个和模型时间范围相同的dfs0文件。输入文件必须包含整个模型周期。但是其时间步数不需要和水动力模型的时间步相吻合。如果时间步数不相吻合，模型会自动进行线性内插。

输出

如果需要输出文件，首先你必须设定输出文件的名称。文件中会包含拖曳力，以及用来计算拖曳力的平均流速。

一般性描述

涡轮机对水流的影响是通过拖曳力来模拟的。

拖曳力F可表示为

F?12?w?CDAeV

2其中?w是水的密度，?是矫正因子，CD是拖曳系数，Ae是受潮流影响的面积，V是潮流流速。F为与潮流方向相反的作用力。

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三维模型计算中的拖曳力是由涡轮机覆盖面积的平均潮流速度来决定的。

2.13.6 组合结构物

两个或多个结构物的结合可以被定义为组合结构物，如组合闸门及涵洞等。

举例来说，有多个出水口的桥梁是一个典型的组合结构，这样的结构可以用多个涵洞来表示。此外，闸门上的桥梁如果出流溢顶流，则可以使用堰来表示。

组合结构在程序进行运算时，是以结构物的位置作辨别。组合结构物中结构物的位置必须是相同的，也就是说需要设定所有结构物一个相同的坐标。

2.14 初始条件

水动力模块的初始值可以被定设定为:

? 常数

? 随空间变化的表面水位 ? 随空间变化的水深及速度

如果设定为随空间变化的水深及速度，则可使用上一个模拟过程产生的结果，如此热启动的初始条件对模型演算会有好的影响。

数据

如果要使用随空间变化的表面水位为初始条件，必须在设定水动力模块之前，准备一个表面水位输入文件。你必须准备一个和模型范围相同的dfs2或dfsu文件。文件可以包含上次模型计算出来的数个时间步。如果使用后者，模型启动时间可以是此文件第一个步到最后一步间的任一时间点。模型运算时可以以内插方式，得到这个区段间的任一个时间点，作为初始时间。

如果使用随空间变化的表面水位及速度为初始条件，必须在设定水动力模块之前，准备一个表面水位输入文件，包含表面水位和xy方向的流速。你必须准备一个和模型范围相同的dfs2或dfsu文件。文件可以包含上次模型计算出来的数个时间步。如果使用后者，模型启动时间可以是此文件第一个步到最后一步间的任一时间点。模型运算时可以以内插方式，得到这个区段间的任一个时间点，作为初始时间。

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2.15 边界条件

搭建模型的时候，设定文件(set-up editor)会扫描网格文件，取得在网格文件中的边界，并设定边界一个预设的名称。在Domain对话框中名称可以被改变为其他有意义的词汇。

在graphic view 里面可以看见所有边界的列表。

在列表中，按下”Go To”按键，可以到边界页面设定边界的相关资料。

2.15.1 边界条件

在水动力模块中，有六种形态的边界条件:

? 陆地边界(零垂向流速) ? 陆地(零流速) ? 速度边界 ? 通量边界 ? 水位边界 ? 流量边界

需要注意的是每个边界都必须包含至少两个结点。

有两种固定的陆地边界。一是Land (垂向流速为零)，即一个可以滑动的陆地边界，另一种是边界流速设定为0的无滑动陆地边界。默认的陆地边界code value为1即滑动边界。如果要设定非滑动边界，code value需要被设定为一个大于零的值。

如果你选择流量边界选项，模型会依据均匀流场中的曼宁摩擦力来分配水量。即相关于深度的h设。

数据

速度边界

速度边界需要设定x方向和y方向的流速，模型要接受以下三种方式的输入：

? 不随时间变化的常数

? 沿边界上不变，随时间变化 ? 在边界上随时间和空间变化

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53，对一般的应用来说是好的假

如果在边界上要使用随时间变化随空间不变的边界条件，你必须在设定水动力模块之前，准备一个输入文件，包含x和y方向的速度(m/s)。你必须准备一个和模型时间范围相同的dfs0文件。输入文件必须包含整个模型周期。但是其时间步数不需要和水动力模型的时间步相吻合。如果时间步数不相吻合，模型会自动进行线性内插。

如果在边界上要使用随时间和空间变化的边界条件，你必须在设定水动力模块之前，准备一个和模型范围相同的dfs1文件。输入文件必须包含整个模型周期。但是其时间步数不需要和水动力模型的时间步相吻合。如果时间步数不相吻合，模型会自动进行线性内插。这个文件必须包含整个降雨周期。但是输入文件的时间步数不需要和水动力模型的时间步相吻合。如果时间步数不相吻合，模型会自动进行线性内插。

通量边界条件

通量是速度在深度上的积分，通量边界需要设定x和y坐标 （m2/s），设定方式有下面三种:

? 不随时间变化的常数

? 沿边界上不变，随时间变化 ? 在边界上随时间和空间变化

如果在边界上要使用随时间变化的常数的边界条件，你必须在设定水动力模块之前，准备一个输入文件，包含x和y方向的速度(m2/s)。你必须准备一个和模型范围相同的dfs0文件。输入文件必须包含整个模型周期。但是其时间步数不需要和水动力模型的时间步相吻合。如果时间步数不相吻合，模型会自动进行线性内插。

如果在边界上要使用随时间和空间变化的边界条件，你必须在设定水动力模块之前，准备一个和模型范围相同的dfs1文件。输入文件必须包含整个模型周期。但是其时间步数不需要和水动力模型的时间步相吻合。如果时间步数不相吻合，模型会自动进行线性内插。

水位边界条件

如果边界选定为水位（表面高程，m）

? 不随时间变化的常数

? 沿边界上不变，随时间变化

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? 在边界上随时间和空间变化

如果在边界上要使用随时间变化的常数为边界条件，必须在设定水动力模块之前，准备一个水位输入文件(m)，且准备一个和模型范围相同的dfs0文件。输入文件必须包含整个模型周期。但是其时间步数不需要和水动力模型的时间步相吻合。如果时间步数不相吻合，模型会自动进行线性内插。

如果在边界上要使用随时间和空间变化的边界条件，你必须在设定水动力模块之前，准备一个和模型范围相同的dfs1文件。输入文件必须包含整个模型周期。但是其时间步数不需要和水动力模型的时间步相吻合。如果时间步数不相吻合，模型会自动进行线性内插。

流量边界

流量边界中的流量值为总流量，流量边界有三种形式

? 不随时间变化的常数 ? 随时间变化的变量

如果在边界上要使用随时间变化的常数的边界条件，必须在设定水动力模块之前，准备一个输入流量文件 (m3/s)。你必须准备一个和模型范围相同的dfs0文件。输入文件必须包含整个模型周期。但是其时间步数不需要和水动力模型的时间步相吻合。如果时间步数不相吻合，模型会自动进行线性内插。

插值方式

有两种插值的方法:

? 线性插值

? 分段三次插值

在数值沿边界变化的例子有两种将输入文件投影到边界的方法:

? 正常顺序 ? 倒序

使用正常顺序，线段上的第一个和最后一个点会投影为边界上的第一个和最后一个点，中间的点是以插值的方式求得。使用反向插值，线段上的最后一个和第一个点会投影为边界上的第一个和最后一个点，中间的点是以插值的方式求得。

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软起动间距

你可以设定一个软起动间距(以秒为单位)，在软起动时间中，避免边界值会由原来的值上升为所设定的边界值的同时产生数值震荡波。这个增加过程可以是线性函数或是一个正弦函数。

科氏力/风的矫正

在以水位为边界条件的情况下，如果模型同时考虑了科氏力和风的作用，那么模型结果可能会失真，尤其是在稳态流的情况下，会在边界的一边产生大量入流，而在另一边产生大量出流。 同样，如果边界潮位是预报潮位，那么其中并没有包含风的影响。所有以上的几种边界引起的问题，都可以通过倾斜边界条件来得到改善。同样的，如果设定一个沿边界的水位变化，通常这些变化都不会包含力的影响，例如潮汐引起的水位变化。因此你可以加入风或科氏力的变化来改进边界条件。

如果对边界进行倾斜处理，那么沿边界的水位会由稳态的Navier Stokes方程计算出同时考虑了风和科氏力。当海底是缓坡的情况下，这种非线性方法可以给出最佳的估计。如果海床在边界上不是平滑的，那必须先平滑地形。

如果你有两个邻近的边界，你应该小心避免冲突发生在在交汇处及其附近。

默认状态下模型中没有包含科氏力和风的影响。

压力校正

当边界条件为水深边界，且同时包含随空间变化的风场资料时，可以通过边界水位进行调整，以考虑压力的影响。默认状态下模型中没有包含压力的影响。

辐射应力校正

当边界是水位或流量，且模型中包含了辐射应力时，允许对边界值进行调整。以考虑波浪辐射应力的影响。

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2.15.2 一般性描述

边界方向

当在边界上设定一个线性序列边界条件时，重要的一点是要知道模型如何定义边界上的第一和最后点。

模型内部的规则：模型区域的海岸线左边第一个点为起始边界点。参考Figure2.7。

Figure 2.7 边界上始点和终点的定义惯例

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水位的矫正

由于气压空间分布不均而引起的水位校正，基于公式:

????*?air??neutral?g

其中?air是空气压力，?neutral是中性压力，g是重力加速度，?是谁水的密度，?*是设定的表面水位，?是矫正后应用于边界上的水面高程。

2.16 温度/盐度模块

当设定计算模型为斜压模型时，需要考虑水的密度变化，此时就需要求解温度和盐度的对流扩散方程式，所有温度/盐度的模型设置，就在此一模块中。

2.17解耦

在实际多数应用中，需要进行大量的方案模拟其中过程模块的参数是不断在改变的。但在基础的水动力模块中，参数是不变的。

如果把水动力模块计算出关于流的基本资料储存于输出文件中，便可以解开耦合的模型，以从文件中读取的方式重复计算。运行解耦的模型可以大量减少计算机运算时间。

如果你选择储存解耦的数据你必须设定两个输出文件名称。以及频率。最后你必须设定解耦模型的名称。在运行解耦模型时，你不能改变水动力模块中时间和空间的基本参数，但是你可以改变新加入的模块中的参数。

注意：解耦模型中，水动力的求解不受CFL稳定的限制，但传

输方程式就受此限制。

2.18 输出

这里设定模型输出的数据文件。因为结果通常含有大量数据，因此储存整个范围中所有时间段的数据是不可能的。

在输出的对话框中，你可以按”New Output”按键增加新的输出。或是”Delete output”移除文件。对于每个输出文件，不管文件是否在这次运行中使用，你可以设定每个输出文件文件名称，然后

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