dhi教学合集mike21水动力模型

1、11.11.2概述1工程背景1练习实例的目的122.12.22.2.12.2.22.2.3创建计算网格3创建网格前需要注意的问题3创建Øresund的计算网格3由原始的xyz数据生成mdf文件4三角边界的调整7模拟区域的三角划分933.13.1.13.1.23.23.3创建MIKE 21 FM水动力模型的输入条件14生成水位边界条件14把测量水位导入时间序列文件15创建边界条件20初始条件23风力作用2344.14.24.2.14.2.24.2.3MIKE 21 FM模型搭建25FM模型25模型率定39实测水位39实测流速39模拟与实测结果比较411概述本实例是连接丹麦和瑞典的跨海(

2、Øresund)工程。图 1.1Sound (Øresund), 丹麦1.1 工程背景1994 年，和马尔默（Malmö）开始了连接丹麦和瑞典隧道和桥梁的改造项目。该项目执行了严格的环境要求，即隧道和桥梁项目对的海的环境不产生任何影响。这样的要求意味着桥梁和隧道设计的阻流作用小于 0.5 %，同理，溢流和排放的最大流量也要得到控制。为了达到环境的要求和监理工程施工，建立了一个主要的监测程序。整个监测程序包括 40 多个水文测站，收集水文、盐度、温度和流场数据。另外还为 ADCP 的船载测站和 CTD 等固定站点进行了广泛的补充测量。监测程序最初于 1992 年开始

3、并一直持续到本世纪。由于 Øresund 海域天然水文的多样性和多变性，连接工程的阻流作用只能通过数值模型来评价。而且，Øresund 的情况需要一个三维模型。所以，利用 DHI 的三维模型，MIKE 3 对 Øresund 整个海域进行模拟，并在其中设置嵌套模型，网格水平方向由连接工程附近的100 米到 Øresund 较远海域的 900 米，垂直方向网格是 1 米。随后，MIKE 3 模型会根据现场测量数据阶段进行率定和验证。根据监测程序得到的数据，初步选择足以反映 Øresund 海域天然水文多样性的 3 进行详细的 有任何影响。作为模拟

4、的“设计时段”。设计时段用来对连接工程和优化，并确定需要填充的挖泥量，以达到对环境没1.2 练习实例的目的练习实例的目的在于通过使用 MIKE 21 的 Flexible Mesh 模块为Øresund 建立水流模型和 MIKE 3 的水流模型，生成令人满意的率定结果。此次练习和实际工程操作相同，但根据输入数据也做了一些预备工 作，主要是为用户准备了 MIKE 21 格式的输入数据，以保证原始数据的准确性和预处理。根据数据的数量和质量，数据的处理是非常耗时但又必不可少的过程。本实例中，所有的原始数据都以 ASCII 文件的格式提供，所有相关数据和文件请在以下目录中：C:Program

5、 filesDHIMIKEZeroExamplesMIKE_21FlowM_FMHDOresundC:Program filesDHIMIKEZeroExamplesMIKE_3FlowM_FMHDOresund如果用户对导入 MIKE Zero 格式数据的过程已经熟悉，则不用再自行生成所有的输入文件。在模型中确定了运行模型需要的所有输入条件后，用户就可以开始模拟。2创建计算网格创建计算网格需要对数据进行大量的修改，在此，只对主要方法进行解释。网格文件中包含不同地理位置的水深和下列信息：1.2.3.计算网格水深边界资料在建模过程中，网格文件的生成。请在下列目录中参见网格的用户手册：C:Prog

6、ram FilesDHIMIKEZeroManualsMIKE_ZEROMzGeneric.pdf2.1 创建网格前需要注意的问题地形和网格文件应该1.2.3.描述模拟区域内的水深使模拟结果达到理想的精度 达到用户能够接受的模拟用时为了达到上述目的，用户需要注意的网格是：1.2.3.4.没有过小角度的三角形（完美的的网格是等边三角形） 带有平滑的边界分辨率更高的嵌套部分来自于 xyz 数据的网格较大的角度和较高的分辨率需要较长的计算时间，所以模型的使用者必须在计算时间和网格分辨率之间保持一个平衡。网格的分辨率、水深、和时间步长决定了模型设置中的克朗值。最大克朗值应该小于 0.5，所以，模拟用时

7、不仅和三角网格相关，还由网格的节点数量和克朗值决定。因此，在深水区网格较细的地方所需要的计算时间就比浅水区较细的网格要长些。2.2 创建 Øresund 的计算网格实例中的模拟区域的海图如图 2.1所示，它覆盖了丹麦和瑞典的海峡。根据海图可以得到水深和海岸线的 xyz 数据。在本实例中，海岸线和水深的 xyz 数据已经创建好了，见图2.14。图 2.1模拟区域：Øresund, 丹麦和瑞典海峡2.2.1由原始的 xyz 数据生成 mdf 文件网格文件包括水深资料，网格是通过 MIKEZero 的网格创建器建立。首先，打开“Mesh Generator” (New®

8、Mesh Generator)，见图2.2。打开“Mesh Generator”，用户需要确定模拟地区的投影方式为UTM，并定义 UTM 区为 33，如图 2.3 所示。图 2.2MIKE Zero 中的“Mesh Generator”图 2.3定义模拟区域的投影方式定义好的模拟区域如图 2.4所示。图 2.4添加 xyz 数据以前在“Mesh Generator”定义的模拟区域从 ACSII 文件中导入海岸线的数据 (Import®Boundarydata ®OpenXYZfile:land.xyz)，见图2.5。图 2.5导入海岸线数据请注意需要转换地理坐标：在导入了海

9、岸线数据后请选择“Longitude/Latitude”，见图 2.6。图 2.6导入海岸线数据生成的模拟地区包括导入的海岸线数据被称为“Mesh File”(mdf-file)， 如图 2.7。Definition图 2.7导入海岸线 xyz 数据后在 Mesh Generator 中的 mdf 文件下一步是把模拟区域的原始数据变为可以划分三角网格的数据。2.2.2三角边界的调整边界调整的目的是使模拟地区的边界能够被划分为三角网格，包括水边界（绿色弧形）。从删除不需要包含于模拟区域的海岸线的交汇点和节点（红色和兰色点）开始进行调整，这还包括陆地上的节点，如图 2.7所示。通过在“丹麦”节点和

10、“瑞典”节点之间添加弧形来定义北部和南部的边界。边界应当定义在测量的边界位置附近，如表 2.1。选择北部边界并选择“properties”，把北部的圆弧属性设置为“2”，南部边界的圆弧属性设为“3”，见图 2.8 和图 2.9。这些属性用来区分网格中的不同边界类型：北部边界（2）和南部边界（3）。陆地/水面边界（1）由网格创建器自动生成。表 2.1测量的水位数据图 2.8编辑属性（右击鼠标）选择北部边界的圆弧（紫色）图 2.9编辑北部边界圆弧的属性测站数据文件位置东(m)北(m)WL13 Vikenwaterlevel_viken.txt3497446224518WL14 Hornbæ

11、;kwaterlevel_hornbaek.txt3418116219382WL19 Skanørwaterlevel_skanor.txt3627486143316WL20 Rødvigwaterlevel_rodvig.txt3331916126049现在用户能够看到一个可以划分三角网格的闭合区域，但首先需要对所有的海岸线进行核对和修正。模拟区域的三角网格划分从边界多边形开始，所以，网格三角划分过程中产生的元素数量和海岸线的交汇点和节点数量密切相关。用户可以使用相应的工具把各交汇点重新分布到圆弧上，使海岸线更为平滑均匀。在特别关心的地区，用户还可以把交点沿陆地边界重新分

12、布，并使其相互保持较小的间距。用户需要注意，如果内陆港口和内陆湖对模拟地区影响不大，则不需要在模拟地形中予以考虑。编辑完所有的海岸线后，用户可以得到和下图 2.10所示相似的地形图，名为 oresund.mdf。用户可以在随后的工作中使用此文件。2.2.3模拟区域的三角划分下一步就是真正进行模拟面积的三角划分。首先，选择不适合进行三角划分的多边形（绿色）的闭合地区（如岛屿）。图 2.10 Mesh Generator 中的 mdf-文件，边界 xyz 数据经过调整以形成能够进行三角划分的闭合面积为了进行最初的三角划分(Mesh®Triangulate®Generate)，用

13、户需要进行相应的设置，如图 2.11 (Mesh® Triangulate®Options)。在本实例中，特别需要关注的地区的网格分辨率较高。用户也可以根据需要把某些地区的网格变细，具体做法是在需要加密的网格上添加多边形并设置多边形的属性（在多边形中添加绿色标识并右击鼠标定义属性）。图 2.11 三角划分的选项三角划分完成后，用户可以通过工具使网格平滑(Mesh®Smooth Mesh)。在这个例子中，网格被平滑了 100 次，如图 2.12所示。图 2.12 三角划分和网格平滑 100 次后的网格。三角划分选项的最大面积是 1500000m2，最小的角度是 30

14、 度，最多的节点是 6000 个。加密地区的选项在加密地区的多边形选择。随后，用户需要把 xyz 文件中的水深数据（water.xyz）内差到网格中 (Mesh®Interpolate)，见图 2.13。注意在 MIKE 21 FM 和 MIKE 3 FM 中的水深不同，因为它们的测量年份不同，地形也有了变化。MIKE 21 的 mdf 文件是 1993 年的数据，如图 2.15。图 2.13 内差水深需要选择 xyz 的数据文件。定义投影方式为地理坐标 1993 water.xyz（MIKE 21 Flow MFM 例子）和 UTM 33 1997 water.xyz （MIKE

15、3 FlowMFM 例子)图 2.14ASCII 文件，定义了地理位置（经度、纬度和深度），请注意如果使用了 MIKE C- MAP，用户则不能以文本方式浏览数据，因为数据已经加密。图 2.15在内差水深后的 Mesh Generator 中的网格现在用户可以把编辑好的网格数据导入到 MIKE 21/3 FM 的水流模型中 (Mesh®Export Mesh)。保存文件为 oresund.mesh。用户可以在 Data Viewer（图中浏览或编辑网格文件。2.16）或 MIKEAnimator（图2.17）图 2.16Data Viewer 中的网格文件图 2.17MIKE Ani

16、mator 中的 Øresund 网格3创建 MIKE 21 FM 水动力模型的输入条件在设置 MIKE 21 FM 水流模型前，必须根据测量数据创建输入数据 ，1993 年测量的数据是：1. 边界上的水位2. 丹麦Kastrup 机场的风数据通过使用 MIKE Zero 中各种工具来准备输入数据，相应的用户手册在下列安装目录中可以找到：C:Program FilesDHIMIKEZeroManualsMIKE_ZEROMzGeneric.pdf3.1生成水位边界条件在模型的边界附近有四个测站有测量的水位，见图 3.1。Øresund 模型是水位边界，测量的水位数据表明沿着

17、边界的水位变化比较显著，所以水位边界应该定义为线边界（dfs1 类型的数据文件），是两个边界点数据的内差。随后，两条线边界（dfs1 类型的数据文件）的水位数据来自于两条边界上的四个测站的测量数据。四个测站的位置如表 2.1 所示。VikenHornbækSkanorRødvig图 3.1开边界上的水位测站位置： Hornbæk，Viken，Skanör，和 Rødvig3.1.1把测量水位导入时间序列文件图 3.2MIKE Zero 中的时间序列编辑器打开 MIKE Zero 中的“Time Series Editor”（File®

18、New®Time Series）见图 3.2。选择“ASCII 格式”，打开文本文件waterlevel_hornbaek.txt。选择“Equidistant Calendar Axis”并确认，然后右击鼠标并选择“properties”，把类型改变为“Water Level”，保存数据为 waterlevel_hornbaek.dfs0。对其他三个测站重复上述步骤。注意在 MIKE 21/3 FM 水流模型的现有版本中，必须是等时间步长，这就意味着原始数据充。，必须在导入之前通过内差等方式补图 3.3测站 Hornbæk 的实测水位，ASCII 文件图 3.4时间序列编

19、辑器的导入界面图 3.5时间序列属性图 3.6由测站 1 Hornbæk 导入到时间序列中的水位数据如果要把水位数据绘成时间序列图，打开 MIKE Zero 中的“Plot Composer”， 见图 3.7。选择“plot” ® “insert a new plot object”并选择“Time Series Plot”，见图 3.8。图 3.7MIKE Zero 中打开 Plot Composer右击绘图区域并选择“properties”，点击添加时间序列文件到“Plot Composer”，见图 3.10。用户可以在同一个绘图中添加多个时间序列图，在属性3.9）。框

20、中还能对图形进行编辑，如颜色等（见图图 3.8在 Plot Composer 中新的绘图对象图 3.9在 Plot Composer 的 Time Series Plot线等框中选择时间序列文件，调整比例和曲图3.11和图3.12是两个边界上的实测水位。图 3.10 在 Plot Composer 中选择时间序列文件图 3.11 北边界测站 1 和 2，Hornbæk 和 Viken 的时间序列图 3.12 南边界测站 3 和 4，Skanör 和 Rødvig 的时间序列3.1.2创建边界条件下一步是根据生成的时间序列创建线边界。打开 MIKE Zero 中的“

21、ProfileSeries”并选择“Blank.”，见图3.13。图 3.13 在 MIKE Zero 中打开 Profile Series Editor需要的信息如下：北边界开始时间 1993-12-02 00:00:00时间步长：1800s 时间步骤数：577 网格点数：2网格间距：9200m （边界的宽度，事实上并不需要，因为 MIKE21/3 FM 的水流模型中线边界的内差不考虑此宽度，见 MIKE 21/3 FM水流模型的用户手册）。打开测站 Hornbæk (waterlevel_hornbaek.dfs0) 的水位文件，并粘贴到“profile Series Edito

22、r”中点“0”的位置，然后打开测站 Viken(waterlevel_viken.dfs0) 的的水位文件，并粘贴到“profile SeriesEditor”中点“1”的位置，见图 3.15。保存文件为“waterlevel_north.dfs1”，见图 3.16。图 3.14 剖面序列属性图 3.15 从测站 1 （Hornbæk）水位到 Profile Series Editor（Ctrl V）图 3.16 北边界的水位线边界除了网格间距不同，和使用的水位数据来自测站 Rødvig（waterlevel_rodvig.dfs0）和 Skanör （water

23、level_skanor.dfs0），对南边界重复相同的步骤和类似的信息，并保存结果为waterlevel_south.dfs1。南边界开始时间 1993-12-02 00:00:00时间步长：1800s 时间步骤数：577 网格点数：2网格间距：33500m （边界的宽度，事实上并不需要，因为 MIKE21/3 FM 的水流模型中线边界的内差不考虑此宽度，见 MIKE 21/3 FM水流模型的用户手册）。3.2初始条件初始的水面高程由北边界和南边界水位的平均值计算得到。从两个边界文件中看平均的高程约为 0.37 m。3.3风力作用来自 Kastrup 机场的风数据形成的风力是时间序列，但空间

24、上恒定。打开时间序列编辑器，从 ASCII 文件“wind_kastrup.txt”中导入数据，使用等时间步长。保存文件为“wind_kastrup.dfs0”。风速和风向的时间序列如图 3.17所示。对于风的更形象描述是风玫瑰图。打开“Plot Composer”，新的绘图对象，并选择“Wind/Current Rose Plot”，然后选择属性，选择新生成的文件“wind_kastrup.dfs0”并按需要对图形进行编辑（颜色等）。结果如图 3.18所示。图 3.17 来自 Kastrup 机场的风速和风向数据，ASCII 文件图 3.17 Kastrup 机场的风速和风向数据，由 Plo

25、t Composer（Time Series Direction plot control）绘制图 3.18 Kastrup 机场的风玫瑰图，由 Plot Composer 绘制，南边界4MIKE 21 FM 模型搭建4.1FM 模型现在我们采用第三章生成的 1993 年 Øresund 地形资料，边界条件和动力数据搭建 MIKE21 FM 水动力模型。首先，我们采用模型默认参数，不考虑边界密度变化的影响。模型参数如下表所示：下面简短地介绍了模型的搭建过程。在模型范围框内指定地形网格文件 oresund.mesh，如图 5.1 所示。此地形文件已经内含了模型投影 UTM-33。在地形

26、文件中，每个边界被给定一个识别代码。在 Øresund 例子中，北部边界识别代码为2，南部边界识别代码为 3。在边界名称“北部”，“代码 3”为“南部”。框中将“代码 2”改名为击按钮，可以直接打开并查看网格文件。用户可以在 Data Viewer 中查看代码值（第二项），如图 5.2 所示。参数值模型配置文件Oresund.m21fm网格地形Oresund.mesh (1993)2057 个节点模拟时段1993-12-02 00:00 1993-12-13 00:00 (11 天)时间步长8 秒模拟步长数118800干湿水深干水深 0.01 米洪水深 0.05 米湿水深 0.1 米

27、初始水位-0.37 米风场随时间变化，在模型范围内常量：wind_kastrup.dfs0风摩阻系数随风速变化：0.001255 ，风速为： 7 m/s 时0.002425 ，风速为 25 m/s 时北部边界Waterlevel_north.dfs1南部边界Waterlevel_south.dfs1涡粘系数Smagorinsky 公式, 常量 0.28 m1/3/s糙率曼宁系数. 常量 32 m1/3/s结果文件Flow.dfsundr_roese.dfs0模拟时段大约 25 分钟， 2.4 GHz CPU, 512 MB DDR RAM图 4.1MIKE 21 FM 模型: 指定模型地形文件

28、图 4.2在 Data Viewer 中查看边界代码值在“Time”框中指定时间步长为 8 秒，对应的克朗数小于 0.5。输入时间步数为 118800 步，对应的模拟时间 11 天，见图 5.3。图 4.3MIKE 21 FM 模型: 模拟时段如果要同时计算对流扩散或 Ecolab 水质，请在“Module Selection”对话框对应的选择框中打勾，见图 5.4。在本例中，我们只进行水动力模拟。如果希望在水动力模块的基础上增加 Ecolab 水质模块，请参考"Step-by-Step Training Example for ECO Lab"。图 4.4MIKE 21

29、FM 模型: 模块选择在"Flood and Dry"框中，可以进行干湿动边界的参数设置，见图5.5 所示。在该例子中，选取默认值，即干水深 0.01 米，洪水深 0.05米，湿水深 0.1 米。在该例子中，由于沿着 Saltholm 海岸的某些区域在模拟期间内会干涸，所以应该包含干湿动边界功能。如果没有选择该功能，模型会在干涸地区溢出。但是，包含干湿功能后会影响模型的稳定性，因此， 如果干湿功能对所要模拟的问题不是很重要的话，建议不要将其包含进来。做为补偿，请调整网格地形文件，使浅水区域有更深的水深， 从而防止这些区域干涸，然后运转不包含干湿功能的模型。图4.5MIKE

30、21 FM 水动力模型: 干湿动边界本例中不考虑密度梯度流，在"Density "压），见图 5.6。框中选择"Barotropic"（正图 4.6MIKE 21 FM 水动力模型: 密度梯度水平涡粘系数的设定采用 Smagorinsky 公式，Smagorinsky 常数取默认值 0.28，见图 5.7。图 4.7MIKE 21 FM 水动力模型: 涡粘系数的设定第一次模型运行采用默认的河床糙率值（曼宁系数）32 m1/ 3/s，在随后的率定中可以改变它，见图 5.8。图4.8MIKE 21 FM 水动力模型: 河床糙率在 Øresund 地

31、区潮流作用占优，一般来说，应该考虑科氏力的作用。但是在该例中，由于海峡很浅，科氏力的影响也可以忽略。而在实际的工程应用中，除非个别情况，一般都要考虑科氏力的作用，仅仅在模拟氏力可以不考虑，见图 5.9。图 4.9MIKE 2 FM 水动力模型: 科氏力使用已生成的风时间序列（在 Wind Forcing框中风时间序列指定为“随时间变化，全域内常量”，时间序列文件名为wind_kastrup.dfs0）。在本例中，风场软启动时间间隔指定为 7200秒。软启动时间间隔指在模拟开始阶段风的影响全考虑。在软启动间隔开始阶段，风力的影响为零，然后它逐渐增长直到在软启动间隔终止阶段充分考虑风力的影响。在本

32、例中，指定风摩擦随风速变 化，并采用默认的风摩擦值，见图 5.11。注意，在风场框中点击按钮，可以直接打开并查场文件，见图 5.10。图 4.10MIKE 2 FM 水动力模型: 风场图 4.11MIKE 2 FM 水动力模型: 风摩擦系数在本例中lll不考虑冰盖影响 不考虑降雨和蒸发不考虑波浪辐射应力源和汇的流量及速度在“源”Øresund 地区的源流量过小，框中指定。在本例中，由于对水动力条件产生大的影响，因此没有包含在该例子中。此页设置为空白，见图 5.12。图 4.12MIKE 2 FM 水动力模型:源项在“Initial Conditions”框中设置初值条件，即模拟开始时

33、刻的水位/流速。本例中初始水位采用常量-0.37 米，即模拟初始阶段北部和南部边界水位的平均值，水平方向和垂直方向流速为 0，见图 5.13。图 4.13MIKE 2 FM 水动力模型: 初始条件在“Boundary Conditions”中边界条件应该与域框中指定的边界名一致。本例中北部边界和南部边界使用第三章生成的线序列水位边界文件。本例中，边界类型是"Specified Level"（水位），这是因为边界上仅有水位实测结果可以利用。"Specified Level"意味着边界上采用了水位实测数据，而流量数据是未知的，只能在模拟过程中估算。如果边界类

34、型是"Specified discharge"，意味着边界上采用了流量实测数据，水位数据是估算的。边界格式必须设置为'Variable in time and along boundary' （随时间和边界变化），这种情况下，需要给定一个线序列文件。点击5.16。按钮，在弹出的框中选择相应的数据文件，见图对于北部边界，选择 waterlevel_north.dfs1 水位文件；对于南部边界， 选择 waterlevel_south.dfs1 水位文件。注意：当在边界上指定线序列时，我们必须知道 MIKE 21 FM 是如何定义边界起始点和结束点的。定义规则是

35、：以边界海岸线为界，使模型边界处于左手方向，沿海岸线第一个点定义为起始点，见图 5.2。软启动间隔取 7200 秒，对应初始水位值为0.37 米。软启动间隔是指在模拟开始阶段边界水位的影响并未充分考虑。在软启动间隔开始阶段，边界水位的影响是零，然后该影响逐渐增大直到在软启动终止阶段充分发挥作用，见图 5.14 和图 5.15。用户可以在边界据文件。框中点击按钮，快速打开并查看边界数图 4.14MIKE 21 FM 水动力模型：北部边界条件 waterlevel_north.dfs1图 4.15MIKE 21 FM 水动力模型：南部边界条件 waterlevel_south.dfs1图 4.16

36、MIKE 21 FM 水动力模型: 选择边界文件指定输出格式为面序列，并给出结果文件名，见图 5.17。输出文件名称为 flow.dfsu。同时，确保硬盘空间具有足够的空间。选择输出频率为 3600 秒（对于潮流模拟来说该频率较合理），这样可以使输出的面序列文件大小减小到合理范围。本例中，时间步长是 8 秒，指定输出频率为 3600/8 = 450。默认情况下，面序列输出范围为全域。 选择输出文件要包含的参数，见图 5.18。在水文站 Ndr. Roese 处输出一个点序列文件作模型率定用，该站的位置见表 5.1。如果有，您也可以输出监测站附近的一些点，以便了解监测站附近的计算结果随空间位置的

37、变化。图 4.17MIKE 21 FM 水动力模型: 结果保存为点，线和面序列图 4.18MIKE 21 FM 水动力模型: 输出结果参数表 4.1Ndr. Roese 站测量结果现在我们准备运行 MIKE 21 FM 水动力模型. (Run®Start simulation).用户也可以运行 DHI 为您预先准备好的模型配置文件：C:Program FilesDHIMIKEZeroExamplesMIKE_21FlowM_FMHDOresundCalibration_1oresund.m21fm注意，如果模拟不，请打开 log 日志文件找出错误(File®Recent log file list)；您也可以在模拟运行之前在菜单栏的"Vi