MIKE2水动力模块中文教学教程.pdf

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1、 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： hS y vh x uh t h = + + （1-1） ()() 2 0 2 0000 1 2 a xy sxbxxx xxxys phuhuhuvh f vhgh txyxx s sgh xxy hThThu S xy h r ttr rrrr +=

2、- +-+ + （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；hdh=+ 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，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； xx s 、 xy s、 yy s分别为辐射应力分量；S为源项；(,) ss 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 huu z h - =，d d hvv z h - = （1-4） ()()ShvhT y hT x y s x s y gh y p

3、h y ghhuf y vh x uvh t vh syyxy yyyxbysy a + + + + -+ - - -= + + 0000 2 0 2 1 2rr 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 MIKE 模型水利数值模拟计算技术应用教程 3 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： 2 xx u TA x = ，() xy uv TA yx =+ ，2 yy v TA y = （1-5） 1

4、.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（Finite Volume 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。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 += U F US U （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 () () IV IV yy xx txy - - += FF FFU S （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

5、如下： h hu hv = U， () 2 22 1 2 I x hu hug hd huv =+- F， 0 2 V x u hA x uv hA yx = + F () 2 22 1 2 I y hv huv hvg hd = +- F， 0 2 V x uv hA yx v hA x =+ F （1-8） MIKE 模型水利数值模拟计算技术应用教程 4 2 00000 2 00000 0 1 2 1 2 xy axxsxbx s yxyysyby a s s psdhgh gf vhhu xxyxy ss pdhgh gf uhhv yyyxy ttr h rrrrr tt r h rr

6、rrr =+-+-+ +-+-+ S 对方程（4-6）第i个单元积分，并运用 Gauss 原理重写可得出 ()( )ddd iii AA s t G += U F nS U （1-9） 式中： i A 为单元 i W 的面积； i G 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 1 NS i ji j i U S tA + DG = F n （1-10） 式中： i U 和 i S 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； j DG为第 j

7、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 = U G U （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 )(

8、 1nnn tUGUUD+= + （1-12） 式中：t D 为时间步长。 高阶的方法为以如下形式的使用了二阶的 Runge Kutta 黎曼 MIKE 模型水利数值模拟计算技术应用教程 5 方法 1/2 1 () 2 nnn t + =+DUUG U 11/2 () nnn t + =+DUUG U （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）

9、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 dry h，且另一边水深必须大于 flood h；第二，水深小于 dry h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 dry h；另外，该单元的三个边界中没有一个是淹没边

10、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 dry h和 flood h之间， 或是当水深小于 dry h 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 wet h。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 Flood and Dry 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 （drying depth） ，淹没深度（flooding water dept

11、h）和湿水深（wetting depth） 。 dry h、 flood h、 wet h三者必须满足 dryfloodwet hhh。 应注意的是，对于值很小的 wet h，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

12、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 7 2.2 建模步骤建模

13、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 MIKE Zero 当中 Mesh Generator 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 Flow Model(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 3.1 MESH 文件生成步骤文件生成步骤 第一步第一步 在在 MIKE Zero 中选择中选择 Mesh Generator。 第二步第二步 选择投

14、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 Options Workspace 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

15、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 edit MIKE 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 Options Import Graphic Layers .点击下图箭头 处的图标，新建一个背景图片。 打开顺序： MIKE Zero Mike Zero 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。

16、当不需要显示图片时，可在第（2）步中界面，选择 Overlay Manager（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 Draw acr 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 select acr 工具（）选择已经绘制的边界，右击选择 Redistribute

17、d Vertices,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 select arc 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 DataImp

18、ort Scatter Data 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 MeshGenerate Mesh 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 MeshSmooth Mesh 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

19、步第十步 导出导出 mesh 点击 MeshExport mesh，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 17 3.2 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 3547.99 4484.42 1 0 0 4022.69 4162.30 1 0 0 4314.88 3541.01 1 0 0 3987.78 2647.47 1 0 0 3527.05 1886.56 1 0 0 2577.66 1432.81 1 0 0 1970.33 1572.43 1 0 0 1698.08 1991.27

20、 1 0 0 1656.20 2717.28 1 0 0 1572.43 3484.17 1 0 0 1614.31 4071.55 1 0 0 1872.60 4314.88 1 0 0 2207.68 4484.42 1 0 0 2744.20 4567.19 1 0 0 3352.53 4581.15 1 0 0 3547.99 4484.42 0 0 0 MIKE 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

21、接处为 0。 （2）地形数据格式）地形数据格式 401374.8230 2624554.1510 14.4180 401482.1110 2624627.8330 17.8190 401369.0520 2624551.0030 14.4150 401374.6300 2624554.0450 14.0690 401378.2560 2624556.0230 14.3890 401386.7320 2624560.6450 10.1910 401491.0920 2624617.5600 17.7460 401378.5620 2624556.1900 11.9320 401456.7730

22、2624447.2920 11.8750 401521.4640 2624484.0870 11.4660 401442.0190 2624439.1270 14.4550 401448.8610 2624442.9130 12.1810 401550.7890 2624499.3120 12.5140 401357.2890 2624544.5880 14.3330 401542.9320 2624494.9660 11.0470 401544.2710 2624494.3.7060 11.7430 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

23、（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 Draw arc 工具将拟加密区域，描绘出来，形成封闭区域。 （2） 用工具栏中 Insert Ploygons 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 Select Ploygons 工具，选择在（2）中点绘的点，右击选择 properties,选择 apply triangular mesh，并勾选 use local maximu

24、m area，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 Exclude from mesh，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 Exclude from mesh，则网格是： MIKE 模型水利数值模拟计算技术应用教程 22 3.4 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

25、 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 1.5 4.5 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

26、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 - 3 3 度带中央子午线计算公式： 当地经度/3=N；中央子午线 L=3 X N 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

27、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

28、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 Beijing 1954 3 Degree GK CM 75E.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； Beijing 1954 3 Degree GK Zone 24.3.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； Beijing 1954 GK Zone 1

29、4.2.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； Beijing 1954 GK Zone 13N.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 MIKE Flow Model FM 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 Mike Flow Model FM 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

30、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 24 MIKE Flow Model FM 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（Mesh and bathymetry） 用户可基于 MIKE ZERO 的 Mesh Generator 生成网格文件(*.mesh)。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 Mes

31、h 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(Dmain specification) 地图投影地图投影(Map Projection) 如果搭建模型时所使用的 mesh 文件是由 Mesh Generator 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（Minimum depth cutoff） 最小截断深度是指在计算过程中，所有高程高于此值

32、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 Datum shift 功能， 则截断深度应为最终基于 Datum shift 校正后的深度。 举例来说，对于一个网格点高程介于+2 m 到 -20m 的 mesh 文件，设定一个 基准面调整值（Datum shift），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 minimum depth cutoff 为-2m， 实际计算时所采用的地形数据则为介于-2 m 到 -21m 间。 基准面调整基准面调整(Datu

33、m Shift) 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（datum shift）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

34、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 Datum Shift 选项设定为 0 即 可。 例如：datum shift 设置为 2 m (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(Mesh decomposition) 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

35、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(Boundary names) 在使用 MIKE ZERO MESH GENERATOR 生成网格时，用户需要定义每个 边界的边界代号(boundary code)，如图 4.1 所示。 图图 4.1 在在 Mesh Generator 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，

36、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 4.1.1.4 GIS 背景背景 (GIS background) 如果在本机已安装有 ESRI ArcMap，哪么程序会为用户提供一个可将 GIS 图层文件 (.lyr)作为背景图层显示的选项，这个图层文件将会被投影显示在用户 所选定的地图投影中。 4.1.2 时间设置时间设置 (Time) 模型计算所需的各时间项在本对话框中进行设置。 需要设置内容有：模拟开 始时间（Simulation start date）、总时间步

37、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，此处设置的主时间 步长主要用于各模块相应模拟结果输出频率的设定和满足不同模块间数据同步 时间设置上的需要。 通常模型自时间步 0 开始计算，相应计算开始时间为用户所设定的时间步 0 所对应时间，计算结束时间则为用户设定总时间步长所对应的时间。 图 4.3 为 MIKE Flow Model FM 的主时间步长和各模块所使用的局部时间步 长关系的图解说明。 MIKE 模型水利数值模拟计算技术应用教程 27 图图 4.3 主时间步长和局部时间步

38、长的关联比较主时间步长和局部时间步长的关联比较 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 时间步长进行调整。 各个模块运算时会在主时间步长时间节点处进行数据交换、 同步，举例来说 对流扩散模块(Advection-dispersion)会在每个主时间步长和水动力模块进行数据 交换，而 Sand Transport 和 ECOLab 模块则可以在多个主时间步长和水动力模块 进行数据交换。 4.1.3 模块选择（模块选择（Module selec

39、tion） MIKE Flow Model FM 包含多个模块，使用者可依照需求做选择： l Transport (对流扩散模块) l ECOLab (水质水生态模块) l Mud Transport (粘性泥沙模块) l Particle Tracking（粒子追踪模块） l Sand Transport（非粘性泥沙模块） 用户可按需选择一个或多个模块使用，但水动力(Hydrodynamic)模块始终是 必需的。 MIKE 模型水利数值模拟计算技术应用教程 28 4.2 水动力模块水动力模块 （Hydrodynamic Module） 水动力模块可计算多种外力和边界条件驱动下的水流和温盐分布

40、情况。温度、 盐度变化引起的斜压效应以及湍流等在水动力计算中相对次要的问题均在本模块中 进行设定。 4.2.1 求解格式（求解格式（Solution technique） 模型计算的时间和精度取决于计算数值方法所使用的求解格式精度。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。更为详尽的关于数值计算 方法的介绍，请参考科学背景手册。 浅水方程的时间积分和输移(扩散)方程是基于半隐格式求解，相应平流项采用 显式格式求解，而垂直对流项则采用全隐格式求解。受显式格式稳定性的限制，为 保持模型计算的稳定性，模型中时

41、间步长的设定必须保证 CFL 数小于 1，输移（扩 散）方程相对与浅水方程对 CFL 数的要求相对较为宽松，通常前者的时间步长可以 大于后者。为保证所有网格点 CFL 数均满足该限制条件，模型中时间步长的取值采 用一浮动范围的方式，因此模型中用户需设定一最小和最大时间步长范围，相应扩 散方程的时间步长在模型的计算过程中自动与主时间步长相匹配，而浅水方程的时 间步长则自动与扩散方程的时间步长相匹配。 4.2.1.1 CFL 数数 (CFL number) 对于笛卡尔坐标下的浅水方程式，Courant-Friedrich Levy (CFL) number 定义为 ()() y t vgh x t

42、 ughCFLHD D D + D D += (4.2.1) 式中 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。x 和 y 是 x 和 y 方向的特征长度，t 是时间间距。x 和 y 近似于三角形网格的最 小边长，水深和流速值为三角形网格中心的取值。 输移方程式在笛卡尔坐标上的 CFL 数是定义为 MIKE 模型水利数值模拟计算技术应用教程 29 y t v x t uCFLAD D D + D D = (4.2.2) 4.2.1.2 备注与提示（备注与提示（Remarks and hints） 在所模拟的物理过程中，如果对流占优，则应选择较高阶的空间离散格式

43、。如 果扩散占优，则较低阶的空间离散格式就可以满足模拟所需精度。一般来说，时间 积分和空间离散方法应选择同样的计算精度格式。 通常模型计算中采用高阶时间积分方法的计算时间是低阶方法的两倍；而采用 高阶的空间离散方法所耗计算时间为采用低阶方法的 1 到 2 倍。 若同时选择高 阶的时间积分及空间离散方法， 所耗计算时间将会是同时选择低阶方法时的 3-4 倍。 一般来说采用高阶方法的计算结果的精确性通常会高于采用低阶方法的计算结果。 模型中 CFL 数的程序默认设置为 1。 一般而言 CFL 数小于 1 时， 模型即可保持 计算的稳定性。但因实际计算过程中 CFL 数的数值为近似预估值，故在这种默

44、认设 置情况下仍然存在发生模型计算失稳的可能性。因此当这种情况发生时，用户可将 临界 CFL 值适当减小（取值范围介于 0 到 1 之间） ，此外用户亦可适当减小所设定 的最大时间步长。 必须指出，当用户将最小和最大时间步长均设定为与主时间步长相同时(p23)， 模型将以恒定时间步长进行计算，此时为保证计算的稳定性，相应时间步长的取值 必须要满足 CFL 值小于 1。 对于对时间积分的浅水方程式和输移方程式而言，在 log 文件中会显示总时间 步数和最大最小时间间距，而 CFL 则可以被储存在输出文件中。 4.2.2 干湿边界干湿边界 (Flood and dry) 如果所模拟区域中存在显著的

45、干湿交替区域，为了避免模型计算中出现计算失 稳问题，用户可在模型中开启 Flood and Dry 选项。开启改选项时，用户需设定三个 参数： 干水深(drying depth)， 淹没深度(flooding water depth)， 和湿水深(wetting depth)。 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。当水 深小于干水深时，该网格单元将被冻结不再参与计算，直至重新被淹没为止，模型 中基于淹没深度参数来判定某一网格单元是否处于淹没状态；当某一网格单元处于 MIKE 模型水利数值模拟计算技术应用教程 30 淹没状态但水深小于湿水深时，模型中将在该网格点处不再

46、进行动量方程的计算， 仅计算连续方程。 在没有开启干湿边界选项的情况下， 用户可以设定一个小于零的最小截断水深。 但在这种情况下，一旦计算过程中任一网格单元上出现负水深，模型便会发散，计 算也会因此中断。 4.2.2.1 概述（概述（General description） MIKE FM HD 中干湿动边界处理技术采用 Zhao (1994) 和 Sleigh (1998)的研究 成果。当网格单元上的水深变浅但尚未处于露滩状态时，相应水动力计算采用特殊 处理，即该网格单元上的动量通量置为 0，只考虑质量通量；当网格上的水深变浅 至露滩状态时，计算中将忽略该网格单元直至其被重新淹没为止。 模型

47、计算过程中，每一计算时间步均进行所有网格单元水深的检测，并依照干 点、半干湿点和湿点三种类型进行分类，且同时检测每个单元的临边以找出水边线 的位置。 满足下面两个条件的网格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 dry h ，且另一边水深必须大于 flood h 。其次水深小于 dry h 的网格单元的静水深 加上另一单元表面高程水位必须大于零。 满足下面两个条件的网格单元会被定义为干点：首先单元中的水深必须小於干 水深 dry h ，另外该单元的三个边界中没有一个是淹没边界。被定义为干点的网格单 元不参与计算。 网格单元被定义为半干点的条件：如果网格单元水深介于 dry h 和 wet h 之间，或是 水深小于 dry h 但有一个边界是淹没边界。 此时动量通量被设定为 0， 只进行质量通量 的计算。 网格单元被定义为湿点的条件：如果网格单元水深大于 wet h 。这种情况下，该 网格点上同时进行动量通量和质量通量的计算。 注意：注意：当网格单元成为干点并从计算中剔除时，网格单元中的水也会从模拟区