二维模拟软件MIKE21

二维模拟软件MIKE21基本介绍MIKE21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。MIKE21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专业河口海岸工程技术人员不可缺少的工具。ECOLAB环境模块的加入使得MIKE21还是一个有效的环境模拟及评价工具。全球众多的工程技术人员及科学工作者都依赖于MIKE21作为他们的关键模拟工具。MIKE21使用了最先进的计算机软件和硬件，适用于WINDOWS系统（98、NT、2000和XP），为用户提供了：·友好的用户界面·强大GIS数据接口和GIS数据处理工具·免费的数据处理工具，如AutoCAD转换到MIKE21等·开放灵活的环境评价平台–ECOLab·结果分析和图形演示的支持工具MIKE21经过了超过25年连续的开发和改进，结合了世界上千用户的使用经验。DHI一直使用MIKE21进行科研工作，同时为模型的开发和应用提供了宝贵的桥梁。MIKE21模型的子模块主要有以下4个领域：·海岸水文学和海洋学·环境水文学·泥沙传输过程·波浪MIKE21网格介绍MIKE21系统包括了以下几个模拟引擎:单一网格这是一种传统的矩形模型，是将研究区域划分成同一大小的矩形网格，网格的大小（分辩率）由模拟区域大小及具体应用决定，网格越小计算精度越高，但耗时越长。嵌套网格这也是一种矩形模型，只是在同一模型中可以有多种网格大小。在大网格模型中可以嵌套小网格模型。曲线网格网格呈四边形或近似矩形，主要适用于蜿蜒河段的水动力学计算和河床演变分析有限元网格这是一种三角形网格，采用有限元解法。该网格能够很好地模拟弯道或水上结构物周围区域的流场。MIKE21主要特点无障性---具有完备GUI功能的高级模拟软件工具，易于使用；高效性---快速可靠的模拟引擎，确保高产出——一个真正广为应用的工具；便捷性---有支持软件用于数据处理、分析和表现；广泛性---包括了近乎满足各种河口海岸模拟需求的模块；兼容性---用于在第三方程序中（如Matlab）处理模拟数据的GIS集成和工具；灵活性---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；公认性---有长达25年的记录及在全球的广泛应用所证明的技术。MIKE21主要模块前后处理模块–Pre-&PostProcessing(PP)MIKE21为用户准备输入数据、数据转换和分析、和结果的演示提供了灵活方便的工具。MIKE21系统使用相同的数据格式、文件、和目录结构作为前后处理的工具，以便应用于各种输入和输出数据及结果演示的操作中。MIKE21的前后处理工具主要应用于：·数据的读取、编辑和打印·生成地形网格文件·地形的转换和旋转·绘制时间序列、线序列、彩色等值线，三维表面等水动力学相应的工具有：·边界条件的准备·流量的计算对流扩散模块需要用到的工具有：·边界条件的准备波浪模拟会涉及到的工具有：·规则波的生成·不规则波和单向波的生成·不同类型波谱的生成·波浪反射和透射系数的计算·FFT分析·消能边界的准备·二维风场的准备·波生流边界条件的准备泥沙模拟需要的工具有：·泥沙计算表格的生成·泥沙计算表格的扩展·输沙量的计算·风暴引起的泥沙淤积总量计算潮汐计算涉及的工具有：·潮高和潮流的预测·潮高和潮流的分析MIKE21主要使用三种不同的数据格式，包括：·“0”格式-（时间序列）包括各点的时间序列·“1”格式-（线序列）包括一条线上的序列，如沿网格线计算得到的流速；·“2”格式-（距阵序列）包括二维数据的序列，如地形数据、初始条件或计算结果。任何一种类型的MIKE21的数据文件都能转换为ASCII格式的文本文件，这使MIKE21的数据能与其他多种应用程序进行数据交换。水动力学模块–Hydrodynamics(HD)该模块模拟由于各种作用力的作用而产生的水位及水流变化。它包括了广泛的水力现象，可用于任何忽略分层的二维自由表面流的模拟。HD模块是MIKE21软件包中的基本模块，它泥沙传输和环境水文学提供了水动力学的计算基础。HD模块模拟湖泊、河口和海岸地区的水位变化、和由于各种力的作用而产生的水流变化。当用户为模型提供了地形、底部糙率、风场和水动力学边界条件等输入数据后，模型会计算出每个网格的水位和水流变化。模型利用ADI二阶精度的有限差分法对动态流的连续方程和动量守衡方程求解。由于MIKE21HD模块是非常通用的水文学工具，它可以用来描述各种水力现象，如：·潮汐交换和潮流·风暴潮·漩涡·港区的水面波动·溃坝·海啸水质和环境评价模块对流扩散模块（AD）该模块模拟水中溶解物由于对流和扩散作用的传输过程，如：·盐度·热交换·大肠菌群·其他异型生物质的化合物·线性衰减和热耗散也能通过AD模块来计算。AD方程是采用三阶精度有限差分法，QUICKEST-SHARP或ULTIMATE-QUICKEST来求解。这样的解法有效的避免了对流扩散模块中质量守衡、偏高和偏低值的问题。第三种可能是使用简单的UPWIND解法来求解。AD模块的典型应用有以下三类：·发电厂冷却水的循环和脱盐厂的盐循环·各种守恒或线性衰减水溶物的环境研究，如盐、温度、污水、菌群、有毒的有机化合物、重金属或放射性元素·高级水质模块中水溶物扩散计算（高级的水质和环境评价分析则需要借助MIKE21的水质模块ECOLab进行模拟）水质模块（ECOLab）ECOLab是一个完备的、用于生态模拟的数值实验室，它提供了从简单到复杂的解决方案。而且，还提供了一系列的模板，用户可根据自己的具体应用选择使用模板，并可在此基础上写入自己的公式来创建自己的应用模板，从而为用户节省了大量用于编程的时间。该模块用于河流、湿地、湖泊、水库等的水质模拟，预报生态系统的响应、简单到复杂的水质研究工作、水环境影响评价及水环境修复研究、水环境规划和许可研究、水质预报ECOLab包括一整套子模块，每一个子模块用于具体的水质问题，包括：WQ：·BOD/COD-DO关系（模型复杂程度分七级）·N和P输运（硝化、反硝化、吸附）等·湿地中N和P的持留（植物吸收、反硝化、泥炭中积聚等）·大肠杆菌（粪及总大肠杆菌）EU：·富营养化（12个模型组分的营养盐循环）·浮游植物和生物动力学（叶绿素-a、碳、氮和磷）·着床植物和碎屑·氧平衡HM：·重金属归宿·水相浓度（溶解的和悬浮的）·沉积物中金属（空隙水中含量、吸收和富集）·生物体内累积溢油分析模块（SA）模拟悬浮物质的扩散和风蚀，仅用于预报溢油问题、评估意外溢油预案分析（需要和PA联合使用）。泥沙传输模块MIKE21包含三种类型的泥沙传输模块，输沙模块、输泥模块和质点模块。输沙模块（ST）MIKE21的ST模块根据水流的作用或水流和波浪的共同作用来计算输沙率。在波浪和水流的共同作用时，模型利用DHI模型STP的波周期公式计算输沙率。如果只有水流的作用，用户可选择多种常用的输沙计算公式。初始的淤积/冲刷利用泥沙的质量守衡来确定。·ST模块主要用来确定泥沙的传输模式（或传输模式的改变）、和由于工程建筑引起的淤积/冲刷的初始速度。如：滩地开垦、挖泥操作或海岸建筑。·STQ3：准三维泥沙传输，是ST的添加模块，它提供了次生效应的信息。·CAMS：海床演变模块，结合ST模块联合运用，集成了波浪、水流和沙的各种影响模拟沿海动床和冲淤变化成为一个完全动态的地形模型。粒子分析模块（PA）模拟水中溶解或悬浮物质的传输路径及归宿。PA模块把水中污染物视为粒子，在二维水体中以传输和扩散的方式运动。PA应用拉格郎日法进行计算，所以粒子的运动和结果的精度不受网格大小的限制。PA模块主要用于江、河、湖、海中发生的意外溢漏的模拟，并且能够模拟沉淀和衰减的过程。输泥模块（MT）MIKE21的输泥模块（MT）结合了多粒径级和底床分层，描述了粘聚性泥沙（淤泥或黏土）在波浪和水流作用下的冲刷、传输和沉积。MT模块还考虑了河（海）床的不同固结程度。由于缺少普遍适用和基于原理的粘聚性泥沙公式，模型会一定程度上的依赖于经验公式。因此，对于冲刷和淤积的数学描述，尽管以物理原则为基础，仍来源于经验公式。AD模块中运用的对流扩散原理在MT模块中用来描述悬移质的运动和扩散。输泥模块可以计算港区内、内陆湖和海岸地区的粘聚性泥沙的淤积情况，并进而确定挖泥的操作。波浪模块用户可以根据需要在MIKE21中选择不同的波浪模块，基本上MIKE21中的波浪模块可分为两类：·基于波浪运动概念的模块（OSW、NSW）·基于动量概念的模块（BW、EMS和PMS）近岸波谱模型（NSW）NSW模块用于计算不考虑波浪衍射的海岸地区形成的波场，用于模拟位于近岸的短周期和短波幅波浪的传播、成长和衰落。MIKE21的NSW模块是风浪波谱模型，描述了近岸地区短波的传播、发展和衰减。模型包括了不同水深的波浪折射、风生波和由于底部糙率和波浪破碎产生的波能耗散。NSW模块还能为波生流的计算提供波浪的辐射应力，如作为泥沙计算的一部分。当然，NSW模块还能考虑潮流和风导致的水位变化。MIKE21的NSW模块主要应用于外海地区，波浪由深水传播到浅水的变化过程。还有，对于海岸地区波浪条件（如波高、波周期和波向）的评估是非常关键的，另外一个外海地区的重要问题是泥沙传输的模拟，而泥沙的运动很大程度上受到波浪产生的沿岸流影响。上述问题可以借助NSW模块来计算波浪的辐射应力，进而计算波生流和对泥沙传输的影响。远岸波谱模型（OSW）这是第三代谱波模型，用于模拟风生波的成长、衰落和转变以及外海地区的巨浪，并能够为NSW模型提供理想的外海波浪的边界条件。Boussinesq波浪模型（BW）建立在Boussinesq方程基础上，是MIKE21模型中最高级的波浪模块。能够模拟在沿海和港区内多种波浪的组合影响，如波浪的反射、折射、衍射等。可用于研究和分析港口及沿海地区的波扰动。现在包括了破碎波及长波的产生。椭圆型缓坡度波模型（EMS）可用于研究沿海地区的波浪动力条件，例如，由线性和单频波作用力所引起的港口共振响应。能够和HD模块联合使用模拟破波带附近的波生流。可用于计算衍射和波浪破碎较为重要的小型海域。抛物线型缓坡度波模型（PMS）是一个通过假设主波向和忽略波浪的向后散射的简化的EMS模型，可用于研究大型开放海域的波浪场。MIKE21主要应用-河口海岸结构物设计数据的评价-港口布局和海岸保护措施的优化-冷却水、海水淡化及再循环分析-河口海岸及海洋结构物的环境影响评价-海上安全操作和航行海情预报-沿海洪水和风暴潮预警-内陆洪水及坡面流模拟MIKE21主要用户MIKE21在中国应用的非常广泛。中国典型的大江大河都在应用MIKE21软件包中不同的模块和工具解决相关的问题。十几年来，DHI参与的项目主要有：·长江口水动力学、盐度模拟·珠江口水流和泥沙模拟·江苏如东港内水流、波浪、泥沙问题（和黄骅港问题类似）·渤海湾水流和波浪模拟·嘉陵江重庆段水流模拟·黄浦江水流和水质模型·太湖富营养化问题DHI即将参与项目有：·厦门港港内水流和泥沙问题·黄河下游河口水流、风浪和泥沙模拟等多年来，购买MIKE21的中国客户自行模拟解决的问题数不胜数，如多个热电厂温排水的水力模拟、在长江口地区MIKE21针对水质和环境不同问题的反复应用等。以下列出了MIKE21在国内的主要用户：长江水利委员会（水文局、设计院、科研所、长江下游局、三峡工程）黄河水利委员会（科学院）松辽水利委员会珠江水利委员会淮河水利委员会天津港湾工程研究所太湖流域管理局国家环保局中国水利水电科学研究院（水资源所、泥沙所、环评中心）南京水利水电科学研究院浙江省水利水电设计研究院广东省水利水电设计研究院广东水利电力勘测设计研究院华东勘测设计研究院国家海洋局第一、第二海洋研究所交通部天津水运工程科学研究所浙江省河口研究所上海勘测设计研究院上海市水务规划设计研究院上海市水务工程设计研究院上海环境科学研究院大连理工大学河海大学南京大学中国三峡大学浙江工业大学四川大学