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MIKE 21-沙漠快宣传手册


MIKE 21 & MIKE 3非结构网格水流模型 非结构网格水流模型
沙输移模块
概述

MIKE 21 & MIKE 3非结构网格水流模

波浪和水流作用对河床变形的反馈机制。

应用领域
泥沙输移模块可以用于量化泥沙输移能力, 适用于由于波浪、 潮流或波流共同作用下的

非粘性泥沙运动区域。ST模型适用范围极 广,可应用于大至整个区域(10km)小至海 岸建筑物周边的局部区域 (按照需要分辨率 可至m)。 潮汐通道描绘了一个复杂的水域, 这里海岸 区段完全遭受波浪作用, 上游及进口段基本 受控于水流作用, 且螺旋运动对泥沙输运模 式有重要影响。 泥沙输运模型适用范围已扩 展到从横垮河流到海洋之间的区域。


– 泥输移模块
本文档描述了DHI公司最新的二维、三维非 结构网格水流模型(FM)中的沙输移模块 (ST)。 MIKE 21、 MIKE 3 非结构网格水流模型 (FM) 中的泥沙输移模块(ST)主要功能为计算波 流共同作用下的非粘性泥沙(沙)输移能 力及相应的河床变形初始速率。 沙输移模块(ST) 输沙率的计算是根据非 结构网格的水动力模型计算结果,MIKE 21 SW模块计算所得的波浪数据以及表征床砂 性质的参数信息。

应用区域实例: 应用区域实例:潮汐通道

MIKE 21、MIKE 3 非结构网格水流模型(FM),泥沙 非结构网格水流模 水流模型

输移模块是一个计算非粘性泥沙输移速率、 输移模块是一个计算非粘性泥沙输移速率、相应的河 床变化和底床演变 底床演变的数值模拟工具 床变化和底床演变的数值模拟工具

ST模块覆盖众多应用领域, 最典型的领域包 括: ? 海岸带管理 ? 港口最优化布置 ? 护岸工程 ? 潮汐通道稳定性 ? 疏浚通道或港池口门泥沙淤积 ? 海底埋设管道的侵蚀 ? 河床演变 例如: 港口最优布局需要考虑港池口门处的 泥沙沉降、回淤及向外扩散的影响;详尽的 近岸护岸工程对邻近海岸带的影响调查; 海 湾由于裂流产生的泥沙损耗,等等。

泥沙模块的数值计算是基于给定地形条件下的 相应水动力条件进行。可通过引入对河床变形 速率的反馈机制进行地貌演化计算。 为全方面考虑地貌演化的影响动力机制,进行 波流共同作用下的地貌演化数值模拟,本复合 模型中已耦合波浪模块(SW),可全方面考虑

求解方法
MIKE 21 & MIKE 3 非结构网格水流模型,
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泥沙输运模型适用范围涵盖了从单一水流作用 到包括波浪破碎影响的波流共同作用下的区 域。对于纯水流作用及波流共同作用情况,二 者数值求解方法有所差异。 三维模型设置中泥沙输运计算基于平均水平速 度分量完成。因此泥沙输运计算并非真正三维 计算。尽管如此,更为详尽的3D水动力模型可 通过输出垂向3维流场或借助于近底剪切力推 算相应平均水平速度分量的方式给出近底水动 力条件。

波流联合作用泥沙输移-准3D方法
在波流共同作用情况下,泥沙输沙率基于模拟 开始前已建立的表格插值获得。表格中输沙率 基于准三维方法获得,这里需考虑当地波浪条 件、流速剖面及泥沙特性。模型中可以包括如 下空间点上的流速剖面及附近泥沙输运等参 数: 1. 相对于流方向的波浪传播角度 2. 波浪破碎产生的能量损耗 3. 底质的颗粒级配 4. 海床的沙纹形态 5. 海床坡度 6. 回头浪(离岸流) 7. 不对称波 8. 纯水流 上述4-8项为非必要条件,用户可根据实际情况 定制。 准三维模拟方法包括:垂向泥沙扩散方程基于 内波周期网格求解,它提供了详细的破波或非 破波和流作用下的非粘性泥沙输移机制。 泥沙输运模型的输入项为平均水平速度分量和 垂线平均流速。尽管如此,由于悬浮泥沙运动 发生在紊流边界层,在波浪及覆盖整个水深的 充分发展的稳定流作用下的边界层厚度较小, 所以水流的垂向分布的描述是必需的。这可以 通过空间点上的‘点模型’获得, 它包括空间点水 柱上面足够的计算点,可有效描述波浪边界层 及悬沙分布。二次流剖面对泥沙输运也有重要 影响。
主要及次要流剖面

泥沙输沙率基于模拟开始前已建立的包括当 地水深,波浪条件,平均水平速度分量及底 质特性的表格插值获得。泥沙输移模型是次 网格法(sub-grid model),它解决了水动 力模型不能捕获的过程。

纯水流作用下的泥沙输移
纯水流作用下的泥沙输移模型是一个发展 中的模型, 可考虑地貌演变过程中水流和悬 沙的滞后效应。 悬沙的滞后效应是在对流扩散方程中考虑 悬沙浓度存在过饱和或不饱和状态及螺旋 流模式来体现。 这种方法即通常所讲的不平 衡输沙 (底床的侵蚀及沉积受水柱上的悬沙 浓度的过饱和及不饱和控制)。 在2D中包含的螺旋流及不平衡输沙是可选 的,也就是说模型也能作为点模型(‘point model’) 运行, 此时滞后效应是被忽略的(平 衡输沙)或者仅仅被用来调整推移质输移方 向。

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是变化的。

模型输入数据
输入数据能被划分成如下组分: ? 区域 地形数据(inc1. 地图投影) 模拟时间长短 ? 水动力数据 水深及流场(由水动力模型提 供) ? 波浪数据(如果需要的话) ? 波高、波周期、波向(由波谱模型或 类似模型提供) ? 泥沙特性 大小及底沙颗粒级配 ? 地貌形态参数 更新频率 为ST模型准备的输入数据中主要任务是生 成地形及估计水动力及波浪条件。

在波流共同作用情况下的泥沙输移表格 (包 含大量具有代表性的泥沙输沙率供在模拟 过程中插值)对于模型是必需的。泥沙输移 表格可基于MIKE21 Toolbox中‘Generation of Q3D Sediment Tables’来生成。 在受波浪影响情况下, DHI的波浪模型 (MIKE 21 NSW, PMS or SW)将模拟波浪辐射应力, 这对于计算波生流是必需的。 如果模拟基于耦合模型运行, 可通过使用耦 合模型FM输入编辑器,建立MIKE21 SW模块 来产生波浪条件。 每一默认的水动力条件和泥沙输沙率是同 步计算的。但对于耦合模型而言,它可能运 行解耦模式 (提供水动力条件及波浪条件作 为外部数据文件)。

螺旋流插图

床砂表征参数包括横向和纵向海床剖面上的重 力作用, 此外如果在模型中考虑螺旋流的影响, 该参数可起到调整从平均水流中分离床面切应 力。 四种不同的泥沙输移公式被用于计算推移质平 衡输沙量,而三种公式被用于悬移质平衡输沙 量。 Engelund-Hansen全沙输移理论 Engelund-Freds?e全沙(推移质+悬移质)输移 理论 Van Rijn全沙(推移质+悬移质)输移理论 Meyer-Peter & Müller 推移质输移理论 平衡输沙能力基于水深,平均水平速度分量, 曼宁系数/谢才系数及床砂特性(中值粒径及粒 径级配)计算,这些参数在整个模拟区域中都

模型输出数据
从模型中能获得两类输出数据: 泥沙输沙率 和地形变化。

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实例的当地地图: 实例的当地地图:Gr?dyb and Torsminde

Gr?dyb Gr?dyb是一个朝向北海海岸的潮汐河口。 一 个主要的港口位于河口内部。 引航道通过疏 浚来维持12m水深。每年泥沙疏浚量约 1000000m3,其中不包括稳定的沿岸向下漂 流的泥沙。

模拟海港附近地貌变化和港口口门处详细的泥沙输移 率

数据的格式可以是点、线或者区域及任意需要 的子集。在输出对话框中,可在列出的基本及 附加输出参数中选择输出参数。基本的输出变 量包括:悬沙,推移质、悬移质、全沙在x、y 方向输沙率、河床高程变化率、河床高程变化 和河床高程。附加输出参数如给定泥沙变量的 量级、趋势以及累积量,此外还包括水动力及 波浪参数。

应用实例及结果

Gr?dyb 河口鸟瞰图。版权归Esbjerg港口。 河口鸟瞰图。 港口。

下图为研究区域贴体网格地形和局部模拟 区域泥沙输移图。

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一套贴体 贴体网格及模拟的泥沙输移 一套贴体网格及模拟的泥沙输移

图中举例说明模型结构的灵活性,其中临界区 域网格相对较密, 潮滩区域网格相对较为粗糙。

Gorai River Gorai河是连接Ganges河的溢洪道, 因Gorai河是 该区重要的淡水源,该通道的河床演变过程备 受关注。

三维网格地形及预报的1999年雨季的河床变化

Torsminde港口 Torsminde渔港位于丹麦Jutland西部海岸的 一个潮汐通道处, 一个狭窄的潮汐沙坝把沿 海泻湖与海隔开。 港口位于泻湖——Nissum Fjord入口处。 泻湖与海洋的水交换通过开闸 泄水调节。Torsminde港口位于无掩护延伸 段的中部,这里净沿岸输沙以每年400000 m3向南输移,但总输沙量远大于净沿岸输 沙量,结果导致了严重的淤积问题。这影响 到港池口门,需要对港池进行选择性的规 划, 故对该区域泥沙输移规律开展初步研究 已迫在眉睫。
耦合了SW模块及ST模块的MIKE21 Flow Model FM模型能够预测指定时段内的水下 地貌演变过程。 下图显示了1997年10月前后十天时段内, 海 港口门前沿实测及模拟地形的比较。

Gorai河的鸟瞰图 河的鸟瞰 鸟瞰图

包括螺旋流的不平衡概念被用于预测雨季后该 通道的河床演变。

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港口口门前部实测地形及模拟地形比较。上部图形:实测。下部图形:计算的。 暴风前。 暴风后。 港口口门前部实测地形及模拟地形比较。上部图形:实测。下部图形:计算的。左:暴风前。右:暴风后。

在模拟期间的主波向是NW向。 这导致了港池口 门前沿沙坝进一步向南移动,进而堵塞了港池 入口。 为详细观察沙坝移动,特提取了模拟的河床高 程(沿着南北向岸线,从北部防波堤伸出处到 港口口门处)。 结果见下图:

图形化用户界面
MIKE 21 & MIKE 3 Flow Model FM模型 中泥沙输移模块可通过友好的用户界面 来操作。每个阶段可通过在线帮助系统提 供技术支持。

港口入口处的高程(模拟前后) 港口入口处的高程(模拟前后)

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MIKE 21 Flow Model FM图形化用户界面,泥沙输运模块,包括在线帮助系统例子 图形化用户界面,泥沙输运模块,

硬件及操作系统需求 硬件及操作系统需求
MIKE21适用于Microsoft Windows XP Professional Edition, Microsoft Windows 2000 and Microsoft Windows XP Professional x64 Edition等操作系统。 网络许可管理和在线帮助 功能基于IE4.0或更高版本。 为运行MIKE21&MIKE3 Flow Model FM 泥 沙输运模块推荐的硬件配置如下:

支持
关于新的特性,应用软件,手册,更新,修 补程序等等新闻可在 http://www.dhigroup.com/Software/Marine.as px获取。MIKE 21 Flow Model FM软件更进 一步的消息,请联系当地的DHI软件的代理 商或销售商,H?rsholm, Denmark获取支持: DHI Agern Allé 5 DK-2970 H?rsholm Denmark Tel: +45 4516 9333 Fax: +45 4516 9292 software@dhigroup.com www.dhigroup.com

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参考实例 参考实例
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