Mike-FM-MT泥模块.docx
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MIKE3FLOWMODELFM
泥模块用户手册
MIKEBYDHI2008
目录
目录 2
1关于本文档（Aboutthisguide） 4
1.1编写本文档的目的（Purpose） 4
1.2用户所需的知识背景（AssumedUserBackground） 4
1.3MIKEZero模型编辑器程序界面结构（Generaleditorlayout） 4
1.3.1导航栏（Navigationtree） 4
1.3.2编辑窗体（Editorwindow） 4
1.3.3有效性显示窗体（Validationwindow） 5
1.4在线帮助系统（Onlinehelp） 5
2泥模块（MUDTRANSPORTMODULE） 6
2.1参数的选取（ParameterSelection） 6
2.2求解格式（SolutionTechnique） 6
2.2.1备注与提示（Remarksandhints） 6
2.3水体参数（WaterColumnParameters） 7
2.3.1无粘性砂组分（Sandfraction） 7
2.3.2沉速（Settling） 8
2.3.3淤积（Deposition） 13
2.3.4涡粘系数与密度（ViscosityandDensity） 15
2.4底床参数（BedParameters） 15
2.4.1概述（Generaldescription） 15
2.4.2侵蚀（Erosion） 16
2.4.3床层的密度（Densityofbedlayers） 18
2.4.4床面糙率（Bedroughness） 19
2.4.5床层间的转换（Transitionbetweenlayers） 20
2.5地貌（Morphology） 20
2.5.1概述（Generaldescription） 20
2.5.2备注与提示（Remarksandhints） 21
2.6外力（Forcings） 21
2.6.1概述（Generaldescription） 21
2.6.2波浪（Waves） 21
2.7扩散（Dispersion） 25
2.7.1平流扩散（Horizontaldispersion） 25
2.7.2垂向扩散（Verticaldispersion） 25
2.7.3推荐设置（Recommendedvalues） 25
2.8源（Source） 26
2.8.1源的设定（Sourcespecification） 26
2.8.2备注与提示（Remarksandhints） 27
2.9初始条件（InitialConditions） 27
2.9.1组分浓度（Fractionconcentration） 27
2.9.2床层厚度（Layerthickness） 27
2.9.3粒径组的分布（Fractiondistribution） 28
2.10边界条件（BoundaryConditions） 28
2.10.1边界设置（BoundarySpecification） 28
2.11输出（Outputs） 29
2.11.1地理视图（GeographicalView） 30
2.11.2输出设定（Outputspecification） 30
2.11.3输出项目（Outputitems） 33
1关于本文档（Aboutthisguide）
1.1编写本文档的目的（Purpose）
编写本文档的主要目的在于指导用户使用MIKE3FlowModelFM模型中的泥模块，该模块主要用于模拟粘性泥沙的输运。
1.2用户所需的知识背景（AssumedUserBackground）
尽管泥模块有着合理且友好的用户界面、详尽的用户使用手册和在线帮助文档，但对于程序而言，模型的调试和模拟结果正确性的判断方面仍然要求用户具备一些泥沙输运的相关理论背景知识。
我们亦假定水动力模块用户对Mike3的基本组件已达到熟悉的程度。
如相关的各种类型的文件及其编辑器、绘图工具（PlotComposer）、MikeZeroToolbox、数据查看工具
（DataViewer）以及网格生成工具（MeshGenerator）。
上述Mike3基本组件的说明文档
详见C:
\ProgramFiles\DHI\MIKEZero\Manuals\MIKE_ZERO\MzGeneric.pdf。
1.3MIKEZero模型编辑器程序界面结构（Generaleditorlayout）
MIKEZero模型编辑器包含三个组成部分。
1.3.1导航栏（Navigationtree）
模型编辑器的左侧为导航栏，导航栏内以树形结构显示模型配置选项。
用户选中导航栏内树形结构中的任一条目，相应的设置界面即会在中间的编辑窗体中显示。
1.3.2编辑窗体（Editorwindow）
导航栏中所有条目对应的编辑界面均在程序中间的编辑窗体中显示。
该窗体中内容与用户选择的条目相对应，且可能包含多个属性页面。
对于空间数据相关的条目如源汇项（sources），边界（boundaries）以及输出结果
（output）等，编辑窗体中会相应显示相关条目的空间配置状况。
用户可以在编辑窗体的底部选择这种空间显示方式的浏览操作，如放大、缩小或返回区域中点等操作；程序亦提供了一个文本菜单项供用户选择是否显示图形化的地形、网格、GIS背景图层或图例；从该文本菜单项中用户亦可进行查看前一操作、后一操作或显示全部范围的屏显操作；此外，如果用户在正在图形化显示某一条目的时候选中另一条目，则编辑窗体中的图形化显示界面将自动更新为新选项对应的内容。
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1.3.3有效性显示窗体（Validationwindow）
在程序界面的底部为有效性显示窗体，其功能为显示用户所进行的模型设置的有效性检验结果。
它可以动态实时显示当前用户完成的设置操作的有效性检验结果，当检验结果中发现错误时，用户双击该错误显示则程序会自动将产生错误的条目置为当前条目。
1.4在线帮助系统（Onlinehelp）
调出在线帮助系统的方法有多种，用户可按照个人需要选择任意一种方法使用：
l按下F1功能键寻求帮助
按下F1功能键即可将当前条目的相关帮助信息调出，如图1.1所示。
l在帮助页面中手工打开在线帮助系统
在帮助菜单中，选中“helptopics”菜单项即可调出在线帮助系统。
图1.1MIKE3FlowModelFM在线帮助系统
2泥模块（MUDTRANSPORTMODULE）
泥模块的主要功能在于模拟水动力模块计算所得水流条件下的粘性泥沙输移过程。
2.1参数的选取（ParameterSelection）
用户需设定泥沙分组数和底床分层数模型中允许的最大泥沙组数为8.
模型中允许的最大底床分层数为12.
在保证底床分层能够充分体现沉积物垂向变异规律的前提下，建议尽可能地减小底床分层数目。
2.2求解格式（SolutionTechnique）
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，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。
用户可在HydrodynamicModel的求解格式对话框中进行最小和最大时间步长范围以及临界
CFL数的设置。
2.2.1备注与提示（Remarksandhints）
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1½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
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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，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。
计算的总时间步数、最大最小时间步长均会记录在log文件中，而CFL数则可以输出至结果文件中。
采用高阶方法进行计算时可以模拟出陡坡处存在的水流过冲和下冲现象。
因此，当模型计算时同时选择了高阶方法和最大最小质量浓度控制选项时，计算过程中将无法保证质量守恒。
2.3水体参数（WaterColumnParameters）
本选项中需要用户设定的各水体参数涉及到几乎所有关于水体中泥沙运动过程的问题。
这里必须设定模拟的是纯粘性的泥沙或者有一部分粒径组是非粘性的（沙）。
通常认为粒
径大于60mm的泥沙是非粘性的。
水体参数主要包括以下几个部分：
·无粘性砂组分
·沉降特性
·淤积特性
·粘性系数和密度
2.3.1无粘性砂组分（Sandfraction）
描述（Description）
泥沙输运以水动力为基础。
泥沙输运方式一般可分为两种，粘性和非粘性。
粘性泥沙的沉速小，对水动力变化的响应慢。
它在水体中的输移主要以平流为主。
而非粘性泥沙的沉速较大，浓度分布对水动力变化的响应也较快，所以大部分的非粘性泥沙会以推移质的形式在近底层运动。
MIKE3MT能模拟细颗粒非粘性泥沙的悬沙输移。
该功能是在已知泥沙特性和水动力条件下，通过计算平衡状态下的浓度分布来实现的。
模型中假定床面侵蚀以成层冲刷的方式进行，即认为当床面侵蚀发生时，床面上处于同一薄层内的沉积物是以无分选性起动的方式被水流冲刷带走的。
也就是说，MT模块中的侵蚀公式计算的是所有粒径组的最大冲刷量。
模型中亦假定被整体冲刷的薄层沉积物进入水体以后会在水流紊动作用下解体或重组。
当然由于非粘性泥沙颗粒间粘滞力极为微弱的缘故，上述假定不适用于非粘性泥沙组分，非粘性泥沙组分输移、沉降过程主要通过计算给定泥沙特性和水动力条件下的水流挟沙力来完成。
如果水体中的非粘性泥沙浓度大于相应水流挟沙力，则相应多余的泥沙即会淤积至床面，即所求水流挟沙力为不冲不淤平衡状态下的含沙量。
更多的信息参见MIKE3MT科学背景手册推荐值（Recommendedvalues）
泥沙颗粒的平均沉速可通过斯托克斯沉速公式来估算。
参见SettlingVelocity。
备注与提示（Remarksandhints）
不包括推移质。
如果含有非粘性砂组分，用户必须确保该组分主要以悬沙形式输移。
2.3.2沉速（Settling）
悬沙的沉速主要可分为四种：
·等速沉降
·絮凝沉降
·干扰沉降
·浮泥
如果选择等速沉降，采用等速沉降值。
如果选择絮凝沉降，还可以选择是否考虑干扰沉降，并有两种干扰沉速公式可供选择，
Richardson和Zaki（1954）公式或Winterwerp（1999）公式。
概述（GeneralDescription）
沉速决定于颗粒的大小。
可通过斯托克斯公式粗略估计单颗粒泥沙的沉速：
（r-r）gd2
w= s s 18×rv
其中，
s
r：
泥沙密度（kg/m3）（石英=2650kg/m3）
r：
水的密度
g：
重力加速度（9.82m/s2）
d：
粒径（m）
v：
运动粘度（m2/s）
ws：
沉速（m/s）
如果是细颗粒粘性泥沙（<0.006mm），沉降颗粒的粒径和沉速取决于絮凝率。
当水体中悬沙浓度较低时，粘性细颗粒泥沙颗粒间发生碰撞的概率较低，此时泥沙颗粒沉速接近于单颗粒泥沙的沉速。
而随着水体中悬沙浓度的增高，粘性泥沙颗粒间的碰撞亦相应更
为频繁，在颗粒间粘滞力的作用下粘性细颗粒泥沙会吸附在一起形成粒径较大的絮凝体。
这会导致颗粒/絮团的粒径和沉速增大。
图2.1典型的沉速变化
还有许多其它因素可以增大或减小絮团的粒径。
在0—9psu之间的盐度能增大其粒径，高浓度的有机物也能增大絮团。
高强度的紊动能破坏絮团的结构从而减小其粒径。
随着悬沙浓度的进一步增大，最终絮团在沉降的过程中开始影响水流结构。
实际上，絮团在沉降过程中会引起一股上升流，这股上升流会平衡或阻碍泥沙的沉降过程，从而导致泥沙颗粒的沉速降低。
含沙量的进一步增大则会使絮团颗粒间的间距更加狭小，此时水体中的悬沙性质类似于浮泥，颗粒以群体形式沉降，沉速大幅变小甚至微弱到可以忽略不计。
参数取值（data）
悬沙的沉速可分为四种：
·等速沉降
·絮凝沉降
·干扰沉降
·浮泥
如果选择等速沉降，采用等速沉降值。
如果选择絮凝沉降，还可以选择是否考虑干扰沉降，并有两种干扰沉速公式可供选择，
Richardson和Zaki（1954）公式或Winterwerp（1999）公式。
等速沉降（Constantsettlingvelocity）
如果假定含沙量不影响沉速，那么可以选择等速沉降。
如果选择等速沉降，沉速在模拟过程中保持不变且不随含沙量改变。
絮凝（Flocculation）
如果含沙量足够高，能使絮团影响互相的沉速。
这是因为絮团间的碰撞会增大其粒径，从而增大其沉速。
在这种情况下要选择絮凝沉降。
程序默认情况下的絮凝含沙量是忽略干扰沉降的。
计算方法参见图2.2
rsediment
颗粒的密度
图2.2选择絮凝沉降时的含沙量分布
cfloc
絮凝初始时刻的含沙量
ctotal
总含沙量（所有粒径组的含沙量总和）
chindered
干扰沉降初始时的含沙量
Ws 沉速
W0 沉速系数
g 幂（常数）
干扰沉降（Hinderedsettling）
当含沙量足够高，使絮团能影响互相的沉速，并使其不能自由沉降，导致沉速变小。
在这种情况下要选择干扰沉降。
当指定的干扰沉降的含沙量大于干扰沉降时的初始值，计算方法参见图2.3。
图2.3选择干扰沉速时的计算方法这里有两个沉速公式可供选择。
Richardson和Zaki（1954）公式（FormulationbyRichardsonandZaki（1954））
对于单组粒径，标准的Richardson和Zaki公式为：
c
æ
ç
ws=ws,rç1-
c
öws,n
÷
÷
è gelø
对于多组粒径，Richardson和Zaki公式可扩展为：
wi=wi（1-F
）w
i
s,n
s s,r *
其中，
F*=min（1.0,F）
åci
F=i
cgel
ws,r
沉速系数
ws,n
粒径组的幂常数
cgel
絮凝临界含沙量
Winterwerp（1999）公式（FormulationbyWinterwerp（1999））
p
wi=wi
（1-F*）（1-F）
s s,r
1+2.5F
其中，
åci
F=i p r
s
这里的rs是泥沙的干密度。
浮泥（Fluidmud）
在这个模型中的浮泥是作为底边界层来考虑的，其沉降过程作为固结过程处理。
沉速随盐度变化的调整（Modificationofsettlingvelocityduetosalinityvariation）
在淡水/微咸水中，絮凝过程会降低，这会影响沉速。
由于絮团粒径较小，沉速会降低。
将沉速乘以一个比例系数来模拟这种情况。
wi=wi（1-CeS×C2）
s s 1
其中C1和C2是率定系数。
C1和C2没有在菜单中显示，它们的默认值分别为C1=0.5，C2=-0.33。
推荐值（Recommendedvalues）
下面的表格粗略的描述了不同范围的沉降过程。
表2.1沉降范围
备注与提示（Remarksandhints）
因考虑了盐度对絮凝的影响，所以在水动力模拟中必须考虑密度的变化（温盐函数或盐度函数）。
要注意的是当盐度超过10psu时，盐度对絮凝的作用不再增大。
系数C1和C2的默认设置分别为0.5和-0.33，且该设置不在菜单中显示。
ws,n和g也同样如此，它们的默认值为1。
2.3.3淤积（Deposition）
概述（GeneralDescription）
水体中泥沙的淤积过程是指泥沙从悬沙变为底床沉积物的转换过程。
当水流床面切应力小于泥沙临界淤积切应力时，就会发生淤积。
第i组粒径的泥沙淤积量可表述为：
Di=wicipi
sbD
其中pi是淤积速率的斜坡函数，w是沉速，c是第i组粒径的泥沙在近底层含沙量。
D s b
淤积速率的斜坡函数定义为：
÷
æ
i æ tböö
ç
÷
pD=maxç0,minç1,1-ti ÷
è è cdøø
含沙量分布（Concentrationprofiles）
Teeterprofile
b
基于Teeterprofile公式，可以描述近底含沙量ci与垂线平均含沙量ci的关系：
æ pi ö
c=ciç1+ e ÷
b ç 1.25+4.75pi2.5÷
è D ø
e
其中，pi是与第i组粒径泥沙相应的Peclet数，定义为：
wipi=6 s
f
e kU
其中，Uf是摩租流速，k是冯·卡门常数，一般取为0.4。
Rouseprofile
b
通过Rouseprofile公式可以描述近底含沙量ci与垂线平均含沙量ci的关系。
近底含沙量
可定义为：
c
i
cb=RC
其中，RC是质心的相对高度，定义为从河床到含沙量的质量中心的距离与水深之比。
它不随时间变化，所以近底含沙量分布是恒定的。
沉积率的计算方法为:
D=cb×ws,当tb参数取值（Data）
临界淤积切应力可以两种方式设定
·在模型区域内为常数
·在模型区域内为变化量
如果是第二种情况，则必须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。
推荐值（Recommendedvalues）
起动拖曳力通常是一个校准参数。
这个值一般小于侵蚀剪切力。
它的取值范围一般是0-0.1N/m2。
相对的质心高度通常近似0.3。
备注与提示（Remarksandhints）
如果临界淤积切应力数值越大，则泥沙的淤积量越大。
反之亦然。
2.3.4涡粘系数与密度（ViscosityandDensity）
如果在水动力模块中的密度类型选项中没有选择正压，用户就可以在泥沙输运计算中设定有关参数，用以反馈给水动力计算中的涡粘系数和密度。
用户必须设定悬沙的密度，以及反馈给涡粘系数的基础和参考含沙量。
备注与提示（Remarksandhints）
只有含沙量很高时，这些反馈信息会对水动力计算有重大影响。
2.4底床参数（BedParameters）
底床参数定义为控制河床变化过程的参数。
这里必须设定每层的侵蚀过程、密度和床面糙率参数。
河床参数主要包括一下几个部分：
·侵蚀过程
·每层河床的密度
·床面糙率
·每层河床间的转换
2.4.1概述（Generaldescription）
泥模块中的河床有一层或多层。
每一层都需要定义河床层内的泥沙总量，干容重、湿容重以及抗冲性。
每层河床的泥沙由该层内所有粒径组的泥沙组成。
每层泥沙的量被认为是变化的，这就意味着该模型在模拟过程中可以反演床沙颗粒组成的时空变化。
每层的干容重和抗冲性在时间上是不变的。
河床层被视为“功能”层，它的每一层由其干密度和侵蚀性来描述，而不是物理层，物理层的物理性质会因固结或者其它过程随时间变化。
在之前的河床描述中，固结过程被表述为泥沙从河床的一层转换到另一层的过程。
河床的第一层（最上层）为“最弱”层，主要是浮泥或新淤积的泥沙，其下层面的密度及强度都不断递增。
图2.4是一个河床（包括两层）的示例，描述了输运过程对其的影响。
在模拟过程中，河床的一层或多层被完全侵蚀，以至于在某些地方该层变为“空白”。
在特定时
间、特定地点的活动层被定义为从顶端数起的第一层，该层是非“空白”的。
侵蚀总是从活动层开始。
淤积下来的泥沙也总是落淤于最上层。
图2.4包括泥模块过程。
床层在水体—河床交界面以下（点线）
第j层河床层，某水平网格上的第i组粒径组的泥沙量按照下面的表达式每一步都做更新。
mnew=mold+（D-E）Dt+（T -T）
i,j
i,j i i
i,j-1
i,j
其中，m（kg/m2）是泥沙量，D（kg/m2/s）是一个可能淤积量（仅在河床最上层），
i
E（kg/m2/
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