MIKE-21-水动力模块中文教程

水动力模块 中文手册 —Flow Model（fm） 2012-6-7 北京 MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 2 目录 第一章 模型介绍 ................................................................................................. 1 1.1 简介 ........................................................................................................ 1 1.2 MIKE 21 软件特点 ................................................................................. 1 1.3 水动力模块原理 .................................................................................... 2 1.3.1 控制方程 ..................................................................................... 2 1.3.2 数值解法 ..................................................................................... 3 第二章 模型构建 ................................................................................................. 6 2.1 基础数据 ................................................................................................ 6 2.2 建模步骤 ................................................................................................ 7 第三章 MESH 文件生成 ..................................................................................... 8 3.1 MESH 文件生成步骤 ............................................................................. 8 3.2 常用数据格式 ....................................................................................... 17 3.3 局部加密 ............................................................................................... 18 3.4 北京 54 坐标投影选择 ......................................................................... 22 第四章 模型文件 ............................................................................................... 23 4.1 基本参数设置 ...................................................................................... 23 4.1.1 模型范围（Domain） ............................................................... 23 4.1.2 时间设置 (Time) ...................................................................... 26 4.1.3 模块选择（Module selection） ................................................ 27 4.2 水动力模块 （Hydrodynamic Module） ............................................ 28 4.2.1 求解格式（Solution technique） ............................................. 28 4.2.2 干湿边界 (Flood and dry) ........................................................ 29 4.2.3 密度（Density） ....................................................................... 31 4.2.4 涡粘系数（Eddy Viscosity） ................................................... 31 4.2.5 底摩擦力（Bed Resistance） .................................................... 35 4.2.6 科氏力 (Coriolis Force) ............................................................ 37 MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 3 4.2.7 风场 (Wind Forcing) .................................................................. 37 注意: .................................................................................................... 38 4.2.8 冰盖 (Ice coverage) ................................................................... 40 4.2.9 引潮势（Tidal Potential） ......................................................... 41 4.2.10 降水-蒸发 （Precipitation-Evaporation） .............................. 42 4.2.11 波浪辐射应力 (Wave Radiation) ............................................ 44 4.2.12 源 (Sources) ............................................................................. 44 4.2.13 水工结构物 （Structures） .................................................... 46 4.2.14 初始条件 (Initial Conditions) .................................................. 61 4.2.15 边界条件 (Boundary Conditions) ........................................... 62 4.2.16 温度/盐度模块 (Temperature/Salinity Module)...................... 68 4.2.17 湍流模块 (Turbulence Module) .............................................. 68 4.2.18 解耦 (Decoupling) ................................................................... 68 4.2.19 输出 (Outputs) ......................................................................... 69 MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 1 第一章 模型介绍 1.1 简介 MIKE 21 是一个专业的工程软件包，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。MIKE 21 为工程应用、海岸管理及规划提 供了完备、有效的设计环境。高级图形用户界面与高效的计算引擎的结合使得 MIKE21 在世界范围内成为了一个水流模拟专业技术人员不可缺少的工具。 丹麦水力研究所开发的平面二维数学模型 MIKE 21，曾经在丹麦、埃及、澳 洲、泰国及中国香港、台湾等国家和地区得到成功应用，在平面二维自由表面流 数值模拟方面具有强大的功能。目前该软件在中国的应用发展很快，并在一些大 型工程中广泛应用，如：长江口综合治理工程、杭州湾数值模拟、南水北调工程、 重庆市城市排污评价、太湖富营养模型、香港新机场工程建设等。 1.2 MIKE 21 软件特点 （1）用户界面友好，属于集成的 Windows 图形界面； （2）具有强大的前、后处理功能。在前处理方面，能根据地形资料进行计 算网格的划分；在后处理方面具有强大的分析功能，如流场动态演示及动画制作、 计算断面流量、实测与计算过程的验证、不同方案的比较等； （3）多种计算网格、模块及许可选择确保用户根据自身需求来选择模型； （4）可以进行热启动，当用户因各种原因需暂时中断 MIKE21 模型时，只 要在上次计算时设置了热启动文件，再次开始计算时将热启动文件调入便可继续 计算，极大地方便了计算时间有限制的用户； （5）能进行干、湿节点和干、湿单元的设置，能较方便地进行滩地水流的 模拟； （6）具有功能强大的卡片设置功能，可以进行多种控制性结构的设置，如 桥墩、堰、闸、涵洞等； （7）可广泛地应用于二维水力学现象的研究，潮汐、水流，风暴潮，传热、 盐流，水质，波浪紊动，湖震，防浪堤布置，船运，泥沙侵蚀、输移和沉积等， 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 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 y vh x uh t h = ¶ ¶ + ¶ ¶ + ¶ ¶ （1-1） ( ) ( ) 2 0 2 0 0 0 0 1 2 a xysx bx xx xx xy s phu hu huv h f vh gh t x y x x ssgh x x y hT hT hu S x y h r t tr r r r r ¶¶ ¶ ¶ ¶ + + = - - - ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶æ ö¶¶ + - - + +ç ÷¶ ¶ ¶è ø ¶ ¶ + + ¶ ¶ （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 dh= + 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， 2 sinf 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； xxs 、 xys 、 yys 分别为辐射应力分量； S 为源项； ( , )s su 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 ， ddhv v z h - = ò （1-4） ( ) ( ) ShvhT y hT x y s x s y gh y ph y ghhuf y vh x uvh t vh syyxy yyyxbysy a + ¶ ¶ + ¶ ¶ +÷÷ ø ö çç è æ ¶ ¶ + ¶ ¶ --+ ¶ ¶ - ¶ ¶ - ¶ ¶ --= ¶ ¶ + ¶ ¶ + ¶ ¶ 0000 2 0 2 1 2 rr t r tr r r h Administrator 波浪线 Administrator 波浪线 Administrator 波浪线 Administrator 注释框 雷诺 Administrator 注释框 纳维耶斯托克斯方程 Administrator 注释框 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 ijT 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 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 ¶ +Ñ × = ¶ U F U S 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 ( )( ) I VI V y yx x t x y ¶ -¶ -¶ + + = ¶ ¶ ¶ F FF FU S （1-7） 式中：上标 I 和V 分别为无粘性的和粘性的通量。各项分别如下： h hu hv é ù ê ú = ê ú ê ú ë û U ， ( )2 2 21 2 I x hu hu g h d huv é ù ê ú ê ú= + - ê ú ê ú ê úë û F ， 0 2Vx u hA x u v hA y x é ù ê ú ê ú ê úæ ö¶ê ú= ç ÷ê ú¶è øê ú ê úæ ö¶ ¶ +ç ÷ê ú¶ ¶è øë û F ( )2 2 21 2 I y hv huv hv g h d é ù ê ú ê ú = ê ú ê ú + -ê ú ë û F ， 0 2 V x u v hA y x v hA x é ù ê ú ê ú ê úæ ö¶ ¶ê ú= +ç ÷ê ú¶ ¶è øê ú ê úæ ö¶ ç ÷ê ú¶è øë û F （1-8） Administrator 波浪线 Administrator 下划线 MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 4 2 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 1 2 1 2 xya xx sx bx s yx yy sy bya s sp sd h gh g f vh hu x x y x y s spd h gh g f uh hv y y y x y t trh r r r r r t trh r r r r r é ù ê ú ê ú ê ú¶æ ö¶ ¶¶ ¶ê ú= + - - - + + - +ç ÷¶ ¶ ¶ ¶ ¶ê úè ø ê ú ¶ ¶æ ö¶¶ ¶ê ú+ - - - + + - +ç ÷ê ú¶ ¶ ¶ ¶ ¶è øë û S 对方程（4-6）第i个单元积分，并运用 Gauss 原理重写可得出 ( ) ( )d d d i i iA A s t G ¶ + × = ¶ò ò ò U Ω F n S U Ω （1-9） 式中： iA 为单元 iW 的面积； iG 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 NSi j i ji U S t A ¶ + × DG = ¶ åF n （1-10） 式中： iU 和 iS 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； jDG 为第 j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 )(1 nnn t UGUU D+=+ （1-12） 式中： tD 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 Administrator 波浪线 Administrator 注释框 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 ( ) 2n n n t+ = + DU U G U 1 1/2( )n n nt+ += + DU U G 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（干湿边界）的方法是基于赵棣华（1994）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 dryh ，且另一边水深必须大于 floodh ；第二，水深小于 dryh 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 dryh ；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 dryh 和 floodh 之间，或是当水深小于 dryh 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 weth 。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 Administrator 下划线 Administrator 下划线 Administrator 下划线 Administrator 下划线 Administrator 下划线 Administrator 波浪线 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 depth）和湿水深（wetting depth）。 dryh 、 floodh 、 weth 三者必须满足 dry flood weth h h< < 。 应注意的是，对于值很小的 weth ，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，模型便会发散，模型 计算也会因此中断。 第二章 模型构建 2.1 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 Administrator 高亮 Administrator 高亮 MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 7 2.2 建模步骤 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 MESH 文件生成 3.1 MESH 文件生成步骤 第一步 在 MIKE Zero 中选择 Mesh Generator。 第二步 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 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 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 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 Administrator 删除线 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 Administrator 删除线 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。 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 新建 MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 12 第五步 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 Redistributed 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 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 Vertices→Nodes （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 导入地形数据 依次打开 Data→Import 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 生成网格 （1）在导入地形数据后，依次点击 Mesh→Generate 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。 Administrator 高亮 MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 16 （2）点击 Mesh→Smooth Mesh 可对网格进行平滑处理。 第九步 地形插值 点击 Mesh→Interpolate，对地形进行插值，保证每一个网格都有地形数据。 第十步 导出 mesh 点击 Mesh→Export 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 （1）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 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 Administrator 高亮 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，在连接处为 0。 （2）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 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（x,y）处的糙率。 3.3 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： Administrator 下划线 Administrator 下划线 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 现有 Administrator 波浪线 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 maximum 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 54 坐标投影选择 北京坐标系下，投影带的选择方法 1∶2.5 万及 1∶5 万的地形图采用 6 度分带投影，即经差为 6 度，从零度子 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 0～6 度为第一带，其中央经线的经度为东经 3 度，东 经 6～12 度为第二带，其中央经线的经度为 9 度…… 1∶1 万的地形图采用 3 度分带，从东经 1.5 度的经线开始，每隔 3 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，东经 4.5～7.5 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？ 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 3 度带坐标还是 6 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 54 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 14.2.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 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 4.1.1 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。 Administrator 下划线 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（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 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信息。 4.1.1.2 模型范围设定(Dmain specification) 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（Minimum depth cutoff） 最小截断深度是指在计算过程中，所有高程高于此值的网格点将会被忽略。 请注意：在 mesh 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(Datum 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 Administrator 下划线 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(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 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(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 4.1 在 Mesh Generator 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，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 4.2 在 mesh 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 (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 (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。 Administrator 删除线 MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 27 图 4.3 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（Module selection） 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 （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（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 (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 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。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（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。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 ½ 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 (Flood and dry) 如果所模拟区域中存在显著的干湿交替区域，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 Administrator 下划线 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（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 dryh ，且另一边水深必须大于 floodh 。其次水深小于 dryh 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 dryh ，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 dryh 和 weth 之间，或是 水深小于 dryh 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 weth 。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：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 域中剔除，但该网格单元上的水深纪录会被保留下来供下一次计算时使用。 Administrator 波浪线 MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 31 4.2.2.2 推荐值 (Recommend values) 程序中各参数的默认设置为： 干水深 dryh =0.005m，淹没水深 floodh =0.05m, 湿水深 weth =0.1m 湿水深必须大于干水深和淹没水深，相应关系为： dryh < floodh < weth 4.2.2.3 备注与提示（Remarks and hints） 当 weth 设定为一个较小值时，计算中可能会在水深接近于 weth 的网格点上出现异 常大流速值，从而产生计算失稳问题。 4.2.3 密度（Density） 程序中假定水体密度的变化仅取决于盐度和温度的变化。在正压模式下，温度 和盐度(TS)作为常数处理，水体密度在整个计算过程中亦恒定不变。当采用斜压模 式时（将水体密度密度看作盐度和温度的函数），模型计算中将求解包含温度和盐度 的输移（扩散）方程式，如此以来，相应因温度、盐度而引起的密度变化均可以在 温/盐模块中自动实时进行计算。 模型中，密度依照 UNESCO 海水方程进行计算。该标准方程的适用范围 为：水温介于摄氏 2.1 到 40 度，盐度介于 0 到 45PSU(Practical Salinity Unit)。 在模型中人工给定一参考温度和盐度，在一定程度上可以增加密度计算结果的 精确性。当模型中设定水体密度的变化仅受温度影响时，相应密度的计算将使用实 际的温度和用户给定的参考盐度进行计算。同理，反之亦然。 当模型计算中考虑密度变化问题时，因额外增加了求解一至两个方程的工作量， 模型计算所耗 CPU 时间将显著增长。 4.2.4 涡粘系数（Eddy Viscosity） 为描述时间上和空间上的不确定性物理过程，程序中将相关预报变量分解成为 一个平均值项和一个紊动项，这种处理方式表现在控制方程中即为相应附加应力项。 而当引入涡粘系数的概念后，这些物理过程可以通过涡粘系数和平均值项的梯度来 体现。因此，在动量方程中的有效切应力包括层流应力和雷诺应力（紊流）。 MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 32 4.2.4.1 水平涡粘系数（Horizontal Eddy Viscosity） 水平涡粘系数可采用三种方式设定： l 无漩涡 l 定常涡粘公式 l Smagorinsky 公式 当选择定常涡粘公式时，用户须要指定涡粘系数(m2/s)的取值；而当选择 Smagorinsky 公式时，用户则需要设定 Smagorinsky 系数的取值。 参数取值（Data） 涡粘系数(m2/s)的形式和 Smagorinsky 系数的形式可以设定为： 1）在模拟区域内为常数 2）在模型区域内为变化量 在第二种情况下，涡粘系数只在平面空间上变化。在同一平面点上，垂向取值 相同。 对于第二种情况，涡粘系数(m2/s)或 Smagorinsky 系数在模型区域内为一变化量， 用户需准备一空间上至少完整包括模拟区域范围且包含相关参数信息的 dfs2 或 dfsu 文件。当采用 dfsu 文件时，相应参与计算网格点上的数据采用分段常数插值方法生 成，而当采用 dfs2 文件时，则采用双线性插值方法。 涡流参数（Eddy parameters） 当选择 Smagorinsky 公式求解涡粘系数时，用户必须设定涡粘系数（单位：m2/s） 的最小和最大值。 4.2.4.2 垂向涡粘系数（Vertical Eddy Viscosity） 垂向涡粘系数可以四种方式设定： 1）无漩涡 2）定常涡粘公式 3）对数定律公式 MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 33 4） e-k 公式 当选择常数涡粘公式计算垂向涡粘系数时，用户须指定涡粘系数 tv (m2/s)的取 值，而当选择 Smagorinsky 公式时，则需要用户设定 Smagorinsky 系数的取值。 对数定律公式采用抛物线型涡粘系数，大小与当地水深和表、底层的切应力有 关。 参数取值（Data） 当采用定常的涡粘公式设定涡粘系数时，涡粘系数 tv (m2/s)可以两种形式给出： l 在模型范围内设定一个常数 l 在模型范围内设定不同数值 对于在模型范围内设定不同数值的情况，用户需准备一空间上至少完整包括模 拟区域范围且包含相关参数信息的 dfs2 或 dfsu 文件。当采用 dfsu 文件时，相应参 与计算网格点上的扩散系数采用分段常数插值方法生成，而当采用 dfs2 文件时，则 采用双线性插值方法。 阻尼效应（Damping） 当采用定常涡粘公式或对数定律公式表达涡粘系数时，将考虑阻尼效应对涡粘 系数的影响，阻尼效应是梯度理查森数的函数。在这种情况下，用户须设定 Munk-Anderson 公式中两个系数 a 和 b。 涡流参数（Eddy parameters） 在使用定常涡粘公式或对数定律公式计算垂向涡粘系数时，用户需设定涡粘系 数的最小和最大值，单位是 m2/s. 4.2.4.3 概述（General description） 一般而言，水平应力项计算过程中所涉及到的涡粘系数可近似作为常数对待。 而 Smagorinsky(1963)则提出，亚网格尺度的输移过程可基于有效涡粘系数表达，而 有效涡粘系数与特征长度有关，相应亚网格尺度下的涡粘系数则可由下式表达： ijijs SSlcA 2 22= MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 34 sc 为常数， l代表特征长度， ijS 为变形率，其定义为： ÷ ÷ ø ö ç ç è æ ¶ ¶ + ¶ ¶ = i j j i ij x u x u S 2 1 2,1, =ji 关于上述公式的详述，可参阅 Lilly(1967), Leonard(1974), Aupoix(1984), Horiuti(1987)等相关文献。 垂向应力项计算时所涉及的涡粘系数可基于多种涡粘系数公式给出，如定常涡 粘公式，垂向抛物线型涡粘公式（对数定律）和 e-k 模型(Rodi, 1980)。 对数定律（Log law） 基于对数定律求解涡粘系数公式如下： ))(( 221 h dz c h dz chUvt + + + += t ),max( bs UUU ttt = ， 1c 和 2c 为两个常数，d 为静水水深，h 为总水深。 sUt 和 bUt 分别为表、底层水流切应力所对应的摩阻流速， 1c =0.14， 2c =-0.14（即标准抛物线 形式）。 模型计算时采用层结处理方式可突显浮力的作用。当稳定层结形成时，上述处 理方式是通过在涡粘系数的公式中引入阻尼效应来实现的。阻尼效应可基于理查森 数表达，它是Munk-Anderson公式（参见Munk和Anderson，1948）的一个概化结果。 考虑阻尼效应的涡粘系数采用下式计算： b tt aRivv -+= )1(* 其中 *tv 是无阻尼涡粘度， Ri为局地梯度理查森数，可基于下式求得： MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 35 122 0 ))()(( - ¶ ¶ + ¶ ¶ ¶ ¶ -= z v z u z g Ri r r 10=a 和 5.0=b 均为经验常数。 e-k 模型（ e-k model） 在 e-k 模型中，涡粘系数可由湍流动能参数 k 和e 求得： em 2k cvt = 其中 k 是湍流动能（TKE），e 是 TKE 耗散率， mc 是经验常数。 4.2.4.4 推荐值 (Recommend values) Smagorinsky 系数 Cs 的取值区间为 0.25 至 1.0 之间。 涡粘系数的最小值可以为 0，但事实上该参数的合理取值应与分子粘度相近。 当采用 e-k 模型计算涡粘系数时，设定与相应表达式相吻合的涡粘系数的合理最小 值是十分必要的。如 mink =1.0·10-7m2/s2， mine =5·10-10m2/s3，yielding =1.8·10-6m2/s。 4.2.4.5 备注与提示（Remarks and hints） 与底摩擦系数相似，用户亦可通过调整涡粘系数的方式来避免模型的计算失稳 问题(详见 4.2.5 底床摩擦力)。但通常地形和边界条件设置不当是造成模型计算崩溃 的主要原因，故通过调整涡粘系数的方式解决模型计算失稳问题只能作为最后的迫 不得已的手段使用。 当选择使用 Smagorinsky 公式求解涡粘系数时，模型的计算时间会相应有所增 加；而当选择使用 e-k 模型求解涡粘系数时，由于需要额外求解两个输运方程，模 型的计算时间亦会相应的显著增长。 4.2.5 底摩擦力（Bed Resistance） 底摩擦力可以三个形式设定： l 无底床摩擦力 MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 36 l 二次拖曳系数(Quadratic drag coefficient) l 糙率高度(Roughness height) 当选择后两者表达底摩擦效应时，用户须定义二次拖曳系数或糙率高度（m） 参数取值（Data） 拖曳系数和糙率高度， sk (m) 可以基于如下两种方式给出： l 在模型范围内设定一个常数 l 在模型范围内设定不同数值 对于在模型范围内设定不同数值的情况，用户需准备一空间上至少完整包括模 拟区域范围且包含相关参数信息的 dfs2 或 dfsu 文件。当采用 dfsu 文件时，相应参 与计算网格点上的扩散系数采用分段常数插值方法生成，而当采用 dfs2 文件时，则 采用双线性插值方法。 4.2.5.1 概述（General description） 底床摩擦力 - bt 可由二次摩擦定律（quadratic friction law）推得： -- - = bbf b uuc 0r t 这里 fc 是拖曳系数， - bu 是近底床流速， 0r 是水的密度。 对于 3 维计算而言， - bu 为底床以上 bzD 高度处的流速，拖曳系数可基于假定底 床到底床以上 bzD 高度之间水流拖曳力呈对数分布求得： 2 0 ))ln( 1 ( 1 z z c b f D = k 式中k =0.4 是卡门常数， 0z 为床面糙率长度。当边界层床面是粗糙壁面时， 0z 的取值取决于床面糙率高度： MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 37 smkz =0 其中 m 约为 1/30。糙率高度 sk 的单位是 m。 4.2.5.2 推荐值（Recommended values） 程序中糙率高度的默认值为 0.05m。其合理取值范围一般在 0.01-0.3 之间。糙 率高度取值越大，代表床面阻力越大，反之亦然。 4.2.5.3 备注与提示（Remarks and hints） 当模型计算过程中，因边界数据设定不够精确导致计算失稳问题时，用户可以 在边界处的局部区域内设定将底摩擦作用人为调整至较大情况以消除边界误差。如 将该区域曼宁系数设置为 5-10 sm /31 ，或糙率高度设定为 1m。但采用这种处理方 式后，人工设定高底摩擦区域的不合理计算结果亦将在模型中继续使用，因此建议 用户在只有在别无他法来提高边界数据精确性时，才使用本方法来解决相应引起的 计算失稳问题。 4.2.6 科氏力 (Coriolis Force) 科氏力的影响可以以三个方式设定 l 无科氏力 l 在模型范围内设定一个常数 l 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（以度 为单位）上的值。 如果在选择在模型范围内设定不同数值，科氏力将根据地形文件所设定地理信 息进行计算。 4.2.7 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 l 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。 MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 38 l 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。 l 强度和方向随着时间和空间改变。 注意: 本模型中所提及的风向为风的来向，自正北方为 0 度，正东为 90 度，顺 时针方向计算角度。 参数取值（Data） 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 文件中的时间跨度必须覆盖整个模拟周期。但是风场资料的时间步长不需要和水动 力模型的时间步长吻合。如果时间步长不相吻合，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。你必须准备一个空间上至少 完全包括模型范围的 dfsu 文件或 dfs2 文件。风场文件的时间跨度必须覆盖整个模型 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（Neutral pressure） 当设定风场在时间上和空间上均存在变化时，用户必须必须设定一个参考或中 性压力面(hPa)。 软启动时间间隔 (Soft start interval) 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，也就是不采用软起动方式。在 软起动期间风向不会随之改变。 MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 39 4.2.7.1 风摩擦力（Wind friction） 风摩擦力可以设定为一个常数，或为风速的函数。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，摩擦力则取相 应设定的最大或最小值而不再随风速变化做内插。 4.2.7.2 概述（General description） 用户可基于下式考虑风场对模拟区域的影响。肤面应力 - st 的大小取决于水表面 的风速的强弱，可由如下经验公式得出： wsdas uuc -- = rt 这里 ar 是空气密度， dc 是空气中的经验拖曳力， ),( www vuu = - 是海面以上 10m 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 4.4 Figure 4.4 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 MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 40 ( ) ï ï î ïï í ì - - - += b a ab ab a a d c ww ww cc c c c 10 b ba a ww www ww > ££ < 10 10 10 其中 ac ， bc ， bw 的经验值为 310255.1 -´=ac ， 310425.2 -´=bc ， smwa /7= ， smwb /25= 。上述经验取值在开阔海面的工况下与实际吻合良好。但必须指出，实 际上湖泊水面的拖曳力较开阔海面要大。关于拖曳力的描述请参见 Geenaert and Plant (1990)。 4.2.7.3 备注与提示（Remarks and hints） 用户可通过调整拖曳力相关参数进行模型的率定调试。。 4.2.8 冰盖 (Ice coverage) 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 l 无冰盖 l 设定冰浓度 l 设定冰厚度 l 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 (Ice coverage data) 用户需准备一空间上至少完整包括模拟区域范围且包含冰浓度或厚度信息的 dfsu 或 dfs2 文件。当采用 dfsu 文件时，相应参与计算网格点上的数据采用分段常数 MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 41 插值方法生成，而当采用 dfs2 文件时，则采用双线性插值方法。该 dfsu 或 dfs2 文 件中的数据时间间隔不必与水动力计算的时间步长相同，但其时间跨度必须大于等 于模拟时间段，当给定数据时间间隔与水动力计算时间步长不一致时，计算时将基 于线性插值方法对每一计算步的数据进行插值。临界浓度 (Critical concentration) 在模拟区域中，当局地冰浓度大于用户设定临界浓度时，模型中将自动考虑冰 盖的存在对流场的影响。 糙率数据 (Roughness data) 糙率高度的形式可以被设定为， sk (m) l 在模型范围内设定一个常数值 l 在模型范围内设定不同数值 用户需准备一空间上至少完整包括模拟区域范围且包含冰浓度或厚度信息的 dfsu 或 dfs2 文件。当采用 dfsu 文件时，相应参与计算网格点上的数据采用分段常数 插值方法生成，而当采用 dfs2 文件时，则采用双线性插值方法。该 dfsu 或 dfs2 文 件中的数据时间间隔不必与水动力计算的时间步长相同，但其时间跨度必须大于等 于模拟时间段，当给定数据时间间隔与水动力计算时间步长不一致时，计算时将基 于线性插值方法对每一计算步的数据进行插值。 4.2.9 引潮势（Tidal Potential） 引潮势是一个由地球和天体之间万有引力而产生的外力。引潮力作用范围包括 整个模拟水域。这里所讲引潮势为所有分潮引潮力之和，用户可在程序中分别设定 各分潮的引潮力项。 l 从对话框中设定 l 从文件中设定 参数取值（Data） 引潮势是由一系列的分潮引潮力构成的。表 4.2.1 中列举了 M2 分潮的一个设置 示例。程序中预设有 11 个分潮，分别为 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 MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 42 册。 Table 4.2.1 M2 分潮的设定资料 备注与提示（Remarks and hints） 引潮力通常会在水深较深的封闭水体中作用明显，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场的变化。 4.2.10 降水-蒸发 （Precipitation-Evaporation） 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 l 无降雨 l 设定降雨 l 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 l 无蒸发 MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 43 l 设定蒸发 l 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。 参数取值（Data） 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 l 在时间和空间上为一个常数 l 随时间变化但在空间上为一常数 l 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。 软启动时间间隔 (Soft start interval) 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 MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 44 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。 4.2.11 波浪辐射应力 (Wave Radiation) 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。 参数取值（Data） 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。 软启动时间间隔 (Soft start interval) 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。 建议 (Recommendations) 为了不使模型产生突变，建议使用软启动周期。 备注与提示 (Remarks and hints) 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。 4.2.12 源 (Sources) 河流，电厂，进排水口的影响等，可以列为模型中的源项。 MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 45 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。 源汇项设定 (Source specification) 有三种类型可以设定源汇项 l 简单源项 l 标准源项 l 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。 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 (Location) 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)。 设定水平方向坐标和源汇项所在的层数。在河底层数为 1，依次向上递增。 参数取值（Data） MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 46 源项的资料可以被设定为 l 不随时间变化的常数 l 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。 4.2.13 水工结构物 （Structures） 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： l 堰 l 涵洞 l 闸门 l 桥墩 l 涡轮机 再者，可以任意结合其中两到三个基本结构物，构造复杂结构物。 4.2.13.1 堰 (Weirs) 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)，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，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 (Weir specification) MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 47 设定堰的几何形状。 位置 (Location) 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。 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 (Attributes) 属性中，堰流计算的公式的选项有： l 宽堰顶公式 l 堰流公式 1 l 堰流公式 2（Honma 公式） 阀 (Valve) 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: l 无阀结构(水流未经调整) l 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。 l 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。 l 阀结构完全被关闭 MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 48 0a (Alpha zero) 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 0a ，当上下游水位差小于 0a 时，采用此线性变化直接计算。 水头损失系数 (Head Loss Factors) 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): l 入流 l 出流 l 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。 堰的几何形状 (Geometry) 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 (General description) MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 49 Figure 4.5 水流定义简图 宽顶堰 (Broad Crested Weir) 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 (Weir formula 1) 堰流公式是基于一个标准堰的表示，根据 Villemonte Formula: ( ) 385.0 1 ú û ù ê ë é ÷÷ ø ö çç è æ - - --= wus wdsk wus HH HH HHWCq 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, usH 是上游的水位， dsH 是下游的水位， wH 是堰顶高程(参见图 4.2.2)。反向的标高 分别是进水口及出水口的最低点。 堰流公式 2 (Weir formula 2) 堰流公式 2 是根据 Villemonte Formula:： MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 50 ( ) ( ) ( ) ( )ïî ï í ì -- -- = dsuswds wuswus HHHHWC HHHHWC Q 2 1 ( ) ( ) 3/2/ 3/2/ ³- <- uswds uswds HHHfor HHHfor 这里 Q 是通过结构物的流量，W 是宽度, 1C 2C 是堰系数， 12 35.1 CC = ， usH 是上游的水位， dsH 是下游的水位， wH 是堰顶高程(参见图 4.2.2)。 流向 (Flow directions) 堰流的正逆向流向定义如 Figure4.6。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 4.6 正逆向流向定义 水头损失系数 (Head Loss Factors) 一般结构物的局部水头损失定义为 g V H st 2 2 x=D HD 是通过结构物的能量损失， tx 是总水头损失系数， sV 是结构断面平均流 速。 MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 51 tx 总水头损失系数是由进水头损失系数 1x 和出水头损失系数 2x 组成。系数 为入流参数 inx 和出流参数 outx ，和速度 V 及断面 A 的函数: 2 2 1 21 ÷÷ ø ö çç è æ +÷÷ ø ö çç è æ =+= A A v v S out s int xxxxx 这里下标 1 和 2 表示流出和流入结构物的速度和过水断面面积，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 outint xxxxx +=+= 21 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，Fr>1)，损失系数 inx 和 outx (在 Head Loss Factor Box 中设定)会被改动为: · 如果 FR>1 在上游水位点，则 2/inin xx = · 如果 FR>1 在下游水位点，则 2/outout xx = 4.2.13.2 涵洞 (Culverts) 选择 property page 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 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，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 MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 52 的管流，点击的位置定义了涵洞在地理位置上的一点。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 (Culvert specification) 设定涵洞的位置和排流孔的几何形状。 位置 (Location) 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 (Attributes) 属性中，定义涵洞参数的特征有： l 上游管底高程(Upstream Invert)：涵洞中的上游入水处的管底高程 l 下游管底高程(Downstream Invert)：涵洞中下游的出水处的管底高程 l 长度：涵洞的长度 l 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） l 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。 l 0a ：当涵洞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 0a ，当上下游水位差小于 0a 时，采用线性变化直接计 算。 阀 (Valve) MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 53 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: l 无阀结构(水流未经调整) l 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。 l 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。 l 阀结构完全被关闭 断面类型 (Section Type) 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 (Head Loss Factors) 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): l 入流 l 出流 l 自由溢流 l 弯道 涵洞的几何形状 (Geometry) 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： l 矩形：设定宽度和高度 l 圆形：设定直径 l 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。 宽度及水位高度表定义涵洞中流宽和水位高度的关系。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 (General description) MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 54 流向 (Flow directions) 堰流的正逆向流向定义如 Figure4.7。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 4.7 正逆向流方向定义 闭合断面/开断面的转换 (Closed/Open Section switch) 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。 水头损失系数 (Head Loss Factors) 涵洞中的总水头损失， HD 定义为 MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 55 ÷ ÷ ø ö ç ç è æ + + +=D 2 2 22 1 2 21 2 ss bf s loss AAAg Q H a xxxx SA 是涵洞的断面面积，Q 是流量， 1x 是入流处的收缩损失， 2x 是出水处的扩张 损失， fx 是摩擦损失计算， bx 是弯曲损失系数。 ÷÷ ø ö çç è æ -= 1 1 1 A AS inxx 2 2 2 1 ÷÷ ø ö çç è æ -= A AS outxx 1A 和 2A 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。 inx 和 outx 被定义为入流损失和出流损失。 3 4 22 R gLn f =x 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 bx 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 ca ，通常设定值为 1.0。 4.2.13.3 闸门 (Gates) 选择 property page 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 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 MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 56 门可以设定一个名字，并在后面设定一些关于闸门的细节。在 List of View 页面上， 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。 闸门的设定 (Gate specification) 设定闸门的几何形状。 位置 (Location) 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 。 参数取值（Data） 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。如果控制因子介于 0，1 之间，则闸门为部分关闭。控制因子 可以被设定为: l 不随时间变化的常数 l 随时间变化的变量 如果是随时间变化的资料，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。 4.2.13.4 桥墩 (Piers) 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 MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 57 时，桥墩产生的生摩擦力变化。 选择 property page 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 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 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，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。 桥墩的设定 (Pier specification) 设定桥墩的几何形状。 位置 (Location) 在对话框中，设置桥墩所在位置的水平坐标，桥墩位置的地理坐标可以选择设 定为经纬度，UTM 格式等 。 参数取值（Data） 首先必须设定桥墩的角度、流线因子及桥墩的垂向断面的分段数目。 如 Figure 4.8，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。 MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 58 Figure 4.8 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: l 圆形 l 矩形 l 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 Figure4.8。 MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 59 Figure 4.8 桥墩断面定义 一般性描述 (General description) 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： 2 2 1 VACF eDwgr= 其中 wr 是水的密度， g 是流线因子， DC 是拖曳力， eA 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。 4.2.13.5 涡轮机 (Turbines) 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 可以参见视图(Geographic View)或是涡轮机的清单列表(List View of the piers)。 MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 60 有两种方法可以设定新涡轮机。在 List View 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，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。 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 (Turbine specification) 设定涡轮机的几何形状。 位置 (Location) 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) 。 参数取值（Data） 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: l 不随时间变化的常数 l 随时间变化的变量 如果是随时间变化的资料，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 (Output) 如果需要输出文件，首先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 (General description) 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 MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 61 2 2 1 VACF eDwar= 其中 wr 是水的密度，a 是矫正因子， DC 是拖曳系数， eA 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。 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。 4.2.13.6 组合结构物 (Composite structures) 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。 4.2.14 初始条件 (Initial Conditions) 水动力模块的初始值可以被定设定为: l 常数 l 随空间变化的表面水位 l 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。 参数取值（Data） 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。 MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 62 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。 4.2.15 边界条件 (Boundary Conditions) 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。 4.2.15.1 边界条件 (Boundary specification) 在水动力模块中，有六种形态的边界条件: l 陆地边界(零垂向流速) l 陆地(零流速) l 速度边界 l 通量边界 l 水位边界 l 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 35h ，对一般的应用来说是好的假设。 参数取值（Data） 速度边界 (Velocity boundary) 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： l 不随时间变化的常数 l 沿边界上不变，随时间变化 MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 63 l 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包含垂向信息的 dfs2 或者 dsfu 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 (Flux boundary) 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: l 不随时间变化的常数 l 沿边界上不变，随时间变化 l 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 (Level boundary) 如果边界选定为水位（表面高程，m） MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 64 l 不随时间变化的常数 l 沿边界上不变，随时间变化 l 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 (Discharge boundary) 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。 垂向分布 (Vertical profile) 当你选取了速度边界，通量边界或者流量边界，你还必须定义沿着水深的流速 分布。 l 定值 l 对数分布 如果已为流速边界定义了一个 dsf2 或 dfsu 文件，垂向流速分布可从边界数据中 得到。 MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 65 插值方式 (Interpolation type) 有两种插值的方法: l 线性插值 l 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: l 正常顺序 l 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。 软启动时间间隔 (Soft start interval) 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 (Coriolis/wind correction) 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。 MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 66 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 (Pressure correction) 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 (Radiation stress correction) 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。 4.2.15.2 概述 (General description) 边界方向 (Convention of direction of boundary) 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Figure4.9。 Administrator 高亮 MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 67 Figure 4.9 边界上始点和终点的定义惯例 MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 68 水位的矫正 (Correction of water level) 由于气压空间分布不均而引起的水位校正，基于公式: g neutralair r rr hh - -= * 其中 airr 是空气压力， neutralr 是中性压力，g 是重力加速度， r是谁水的密 度， *h 是设定的表面水位，h是矫正后应用于边界上的水面高程。 4.2.16 温度/盐度模块 (Temperature/Salinity Module) 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。 4.2.17 湍流模块 (Turbulence Module) 湍流模块被垂向涡粘系数和 e-k 模型引用（参见 4.2.4 涡粘系数）。 关于湍流模块的详细说明参见 5 湍流模块（section 5 TURBULENCE MODULE）。 4.2.18 解耦 (Decoupling) 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，但输移方程式就 受此限制。 MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 69 4.2.19 输出 (Outputs) 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，然后按”Go To”按键，到页面中编辑。最后你可以 按”View”使用 MIKE ZERO VIEWING/EDITING 工具。 4.2.19.1 地理视图 (Geographical View) 这个对话框会显示输出文件的地理位置。 4.2.19.2 输出设定 (Output specification) 对于每个输出文件，需要设定输出文件的数据类型，数据格式，干湿边界， 输出文件(名称和位置)，及时间步。 数据类型 (Field type) 2D 模型的输出设定可以是二维模型范围内的流场信息（2D horizontal），或 一个断面上的流量（Discharge）。 输出数据格式 (Output format) 在 2D 模型可以选定下列格式做输出 l 点序列：选择模型范围中的任意点 l 线序列：选择模型范围内的任意线段 l 面序列：选择模型范围内的任意区域 在 3D 模型可以选定下列格式做输出 l 点序列：选择模型范围中的任意点 l 线序列：选择模型范围内的任意线段 l 体积序列：选择模型范围内的任意区域 如果选择输出为点序列，你必须同时计算包含这些点的整个区域。输出的文 件为 dfs0 文件。 MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 70 如果选择输出的量值是流量，你必须设定一个流量通过的断面，输出的文件 为 dfs0 文件。 Table 4.2.2 各种文件的查看，编辑和绘制工具列表 输出文件 (Output file) 设定输出文件的数据类型和文件位置。 干湿点输出 (Treatment of flood and dry) 干湿点可以以三个方式输出。 l 整个区域 l 仅输出湿区 l 仅输出绝对湿区 如果选择”仅输出湿区” 选项，那么模型区域中水深小于干水深的单元，水 深值统一为空白值，即当做干陆地处理。如果选择”仅输出绝对湿区”，那么输出 区域中水深小于湿水深的单元被当作干陆地。干水深和湿点深度可以在干湿边界 中设定。如果干湿功能不包含在模型中，那么淹没水深和湿水深都设为零。 时间步 (Time step) 时间范围可以在 Time 对话框中调整。 点序列 (Point series) 用户可以设定插值的形态，选择离散数值或内插数值。 点的地理坐标系统可以从一个文件中输入。文件格式可以是数据中间以四个 位元分开的 ASCII 文件。前两项数据是 x 和 y 坐标，必须是浮点数(float number, real number)。对三维模型而言，如果选择离散值，第三列数据是层数，且必须 MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 71 是整数（integer），如果选择插值数据，第三列数据是 z 坐标，且必须是浮点数(float number, real number)。对二维模型而言第三列数据是无用的（但必须被设置）最 后一列是个点的名称。 用户须选择地图投影(如经纬度，UTM 等)。 如果选择”discrete values”为内插形态，那么点的数值是点坐标所在单元的数 值。单元号和单元中心坐标会被列表在 log 文件中。 如果选择”interpolated values”，则采用二阶内插的方法得到点的数值。二阶 插值是使用点所在的单元的顶点进行线性插值。顶点数值的计算是利用 Holmes and Connell(1989)所提出的 pseudo-Laplacian 法。单元数和单元中心坐标会被列 表在 log 文件中。 线序列 (Line series) 用户可以设定线上的第一和最后一个点，和需离散的点数。地理坐标系统可 以从文件中输入。文件格式可以是数据中间以三个位元分开的 ASCII 文件。前 两项数据表示 x 和 y 坐标，必须是浮点数(float number, real number)。对三维模型 而言，第三列数据是 z 坐标，必须是浮点数（float number, real number）。对二维 模型而言第三列数据是无用的（但必须被设置）。如果文件包含多于两个点的信 息，那前两点的信息会被使用。 用户可以选择地图投影(经纬度，UTM 等)。 如果选择”interpolated values”,采用二阶内插的方法得到点的数值。二阶插值 是使用点所在的单元的顶点进行线性插值。顶点数值的计算是利用 Holmes and Connell(1989)所提出的 pseudo-Laplacian 法。单元数和单元中心坐标会被列表在 log 文件中。 注意:如果使用三维的球状坐标系(投影坐标为经纬度)，所使用的线段必须为 水平线或垂直线。 面序列 (Area series) 选定值域上的一个多边形和其中需离散的点数，这个多边形是以多个线段连 接为边界。你必须设定多边形中的最高点坐标，两个点组成的线段可以为四边形 的一个边，一系列的线段最后闭合在一个点上成为一个多边形。地理坐标系统可 以从一个文件中输入。文件格式可以是数据中间以三个位元分开的 ASCII 文件。 MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 72 前两项数据是 x 和 y 坐标，必须是浮点数 (float number, real number)。对三维模 型而言，第三列数据是 z 坐标，必须是浮点数（float number, real number）。对二 维模型第三列数据是无用的（但必须被设置）。用户可以选择地图投影(经纬度， UTM32 等) 。 体积序列 (Volume series) 选定值域上的一个多边形和其中需离散的点数，同时包括垂向上的特定范围。 这个水平方向上闭合的多边形是以多个线段连接为边界。你必须设定多边形中点 的坐标，两个点组成的线段可以为四边形的一个边，一系列的线段最后闭合在一 个点上成为一个多边形。地理坐标系统可以从一个文件中输入。文件格式可以是 数据中间以三个位元分开的 ASCII 文件。前两项数据是 x 和 y 坐标，必须是浮 点数 (float number, real number)。对三维模型而言，第三列数据是 z 坐标，必须 是浮点数（float number, real number）。对二维模型第三列数据是无用的（但必须 被设置）。同时还必须设置层数（第一层和最后一层的数目），会被存储在输出文 件中。用户可以选择地图投影(经纬度，UTM32 等) 。 断面序列 (Cross section series) 选定断面上的第一个和最后一个点，这个断面是以多个单元面所组成。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）。地理坐标系统可以从一个文件中 输入。文件格式可以是数据中间以四个位元分开的 ASCII 文件。前两项数据是 x 和 y 坐标，必须是浮点数(float number, real number)。对二维模型第三列数据是无 用的（但必须被设置）最后一列是个点的名称。用户可以选择地图投影(经纬度， UTM32 等) 。 区域序列 (Domain series) 在水平的模型区域中选定一个以线段为边界闭合的区块。地理坐标系统可以 从一个文件中输入。文件格式可以是数据中间以四个位元分开的 ASCII 文件。 前两项数据是 x 和 y 坐标，必须是浮点数 (float number, real number)。对二维模 型第三列数据是无用的（但必须被设置）最后一列是个点的名称。用户可以选择 地图投影(经纬度，UTM32 等) 。 MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 73 4.2.19.3 输出项目 (Output items) 区域变量 (Field variables) 所有的输出是可以选择的，使用者可以自由选择所想要使用的变量。 水平值域的流方向是以自北顺时钟方向计算。流在垂直方向是以度为单位自 Z 轴上方做计算。 收敛角度是正北方和投影北方的顺时针方向的差角。 物质通量收支变化 (Mass Budget) 你可以选择 mass budget 来输出水流，温度，盐度。对于每个组分在输出文 件中前下列的项目。 l 总面积(total area)-多边形内的总体积\总能量\质量 l 湿区(Wet area)- 多边形内水深大于干区水深定义的体积\能量\质量 l 真湿区(Real wet area)- 水深大于湿区水深定义的体积\能量\质量 l 干区(Wet area)- 水深小于干区水深定义的体积\能量\质量 l 输移(Transportation)- 累计体积\能量\质量 l 源项(Source)- 累计的源项所引起的体积\能量\范围内的质量 l 过程(Process)- 累计的过程所引起的体积\能量\范围内的质量 l 误差(Error)- 总体积改变累计的体积\能量\范围内的质量和因为源项，输 移，和过程上变化所产生的体积\能量\范围内的差异。 累计过程所应起的体积\能量\范围内的误差可能是因为当数值变得较设定的 最大值为大，或较设定的最小值为小，输移物质的校正。对水体积来说如果数值 没有上限时的最小值是 0。对温度和盐度来说，最大和最小值可以设定在 Equation 的对话框里。 对于关联与能量的温度(相关於摄氏 0 度的能量)，E(J),水体积 V(m3)可以被 计算为： 这里 T 是温度， 是水的比热， 3/0.1010 mkgwater =r 是 水的密度。 在一定体积 V(m3)中的盐度含量 M(kg)为： VTcE waterwater ×= r )/(0.4217 KgJcwater = MIKE 模型—水利数值模拟计算技术应用教程 74 在这边 S(PSU)是盐度而 是水的密度。 流量 (Discharge) 可以在此计算通过某一段面的流量，温度及盐度。在输出文件中，下列的选 项可以被勾选： 流量-通过断面的体积/能量/质量通量 累计流量-通过断面的累计体积/能量/质量通量 沿断面上第一点朝最后一点方向，向左穿过断面为流量的正向。对于湿度， 一定体积 V(m3)内的相对零度能量定义为，将流量从起始点向左对一个段面作积 分。 在体积为 V(m3)的 E(J) 相对零度的能量为： VTcE waterwater ×= r 这里 T 是温度， 是水的比热， 3/0.1010 mkgwater =r 是 水的密度。 一定的体积 V(m3)中的盐的质量 M(Kg)通过下列计算为: 1000/VSM water ×= r S (PSU)是盐度， 3/0.1010 mkgwater =r 是水的密度。 1000/VSM water ×= r 3/0.1010 mkgwater =r )/(0.4217 KgJcwater =