MIKE-21-HD-FM水动力模型逐步练习实例教学文案

M I K E-21-H D-F M⽔动⼒模型逐步练习实例MIKE 21 HD FM⽔动⼒模型逐步培训教程⽬录1概述 (1)1.1⼯程背景 (1)1.2练习实例的⽬的 (1)2创建计算⽹格 (2)

2.1创建⽹格前需要注意的问题 (2)2.2创建?RESUND的计算⽹格 (3)2.2.1由原始的xyz数据⽣成mdf⽂件 (4)2.2.2三⾓边界的调整 (7)2.2.3模拟区域的三⾓划分 (8)

3创建MIKE 21 FM⽔动⼒模型的输⼊条件 (13)3.1⽣成⽔位边界条件 (13)

3.1.1把测量⽔位导⼊时间序列⽂件 (14)3.1.2创建边界条件 (19)3.2初始条件 (22)3.3风⼒作⽤ (22)

4MIKE 21 FM模型搭建 (23)4.1FM模型 (23)4.2模型率定 (37)4.2.1实测⽔位 (37)4.2.2实测流速 (38)

4.2.3模拟与实测结果⽐较 (39)概述

本实例是连接丹麦和瑞典的跨海(?resund)⼯程。

图 1.1 Sound (?resund), 丹麦

⼯程背景

1994年，哥本哈根和马尔默(Malm?)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波罗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年开始并⼀直持续到本世纪。

由于?resund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，?resund的情况需要⼀个三维模型。所以，利⽤DHI的三维模型，MIKE 3对?resund整个海域进⾏模拟，并在其中设置嵌套模型，⽹格尺⼨⽔平⽅向由连接⼯程附近的100⽶到?resund 较远海域的900⽶，垂直⽅向⽹格尺⼨是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?resund海域天然⽔⽂多样性的3个⽉作为模拟的“设计时段”。设计时段⽤来对连接⼯程进⾏详细的规划和优化，并确定需要填充的挖泥量，以达到对环境没有任何影响。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?resund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查询：C:\\Program files\\DHI\\2011\\MIKEZero\\Examples\\MIKE_21\\FlowModel_FM\\HD\\Oresund

C:\\Program files\\DHI\\2011\\MIKEZero\\Examples\\MIKE_3\\FlowModel_FM\\HD\\Oresund

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。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：计算⽹格⽔深边界资料

在建模过程中，⽹格⽂件的⽣成⾄关重要。请在下列⽬录中参见⽹格⽣成器的⽤户⼿册：

C:\\Program Files\\DHI\\2011\\MIKEZero\\Manuals\\MIKE_ZERO\\MzGeneric.pdf创建⽹格前需要注意的问题地形和⽹格⽂件应该：1)描述模拟区域内的⽔深2)使模拟结果达到理想的精度3)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)没有过⼩⾓度的三⾓形（完美的的⽹格是等边三⾓形）2)带有平滑的边界

3)分辨率更⾼的嵌套部分4)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。创建?resund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：?resund, 丹麦和瑞典海峡1.1.1 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MIKE Zero的⽹格创建器建⽴。⾸先，打开“Mesh Generator” (New 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 2.2 MIKE 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→Boundary data →Open XYZ file: 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 Definition File”(mdf-file)，如图2.7。

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。1.1.2 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“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） 测站 数据⽂件 位置 东 (m) 北 (m) WL13 Viken waterlevel_viken.txt349744 6224518 WL14 Hornb?k waterlevel_hornbaek.txt 341811 6219382 WL19 Skan?r waterlevel_skanor.txt 3627486143316 WL20 R?dvig waterlevel_rodvig.txt 333191 6126049

图2.9 编辑北部边界圆弧的属性

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。

1.1.3 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。三⾓划分选项允许的最⼤⾯积是 1500000 m2，最⼩的⾓度是30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MIKE3 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 Model FM 例⼦）和UTM33 1997 water.xyz（MIKE 3 Flow Model FM 例⼦)

图2.14 ASCII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2.16）或MIKE Animator （图2.17）中浏览或编辑⽹格⽂件。

图2.16 Data Viewer中的⽹格⽂件

图2.17 MIKE Animator 中的?resund⽹格创建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)丹麦哥本哈根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 Files\\DHI\\2011\\MIKEZero\\Manuals\\MIKE_ZERO\\MzGeneric.pdf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记录，见3.1。

resund模型是⽔位边界，测量的⽔位数据表明沿着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。VikenHornb?kSkanorR?dvig

图3.1 开边界上的⽔位测站位置： Hornb?k，Viken，Skan?r和R?dvig1.1.4 把测量⽔位导⼊时间序列⽂件

图3.2 MIKE Zero中的时间序列编辑器

打开MIKE Zero中的“Time Series Editor”(File→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”（等距离⽇历轴）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如有缺失，必须在导⼊之前通过内差等⽅式补充。

图3.3 测站Hornb?k 的实测⽔位，ASCII⽂件

图3.4 时间序列编辑器的导⼊界⾯

图 3.5 时间序列属性

图3.6 由测站1 Hornb?k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3.7 MIKE 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，在属性对话框中还能对图形进⾏编辑，如颜⾊等（见图3.9）。

图3.8 在Plot Composer 中插⼊新的绘图对象