Mike 11是在河流模拟中应用非常广泛的优秀软件，在洪水演进、实时洪水预报、水库和水工建筑物优化调度、水工建筑物设计、桥梁的水力设计、溃坝过程模拟、河流泥沙输移和河道演变、河流及湿地的生态及水质评估、水污染对流和扩散、突发日常水质污染事故预警方面得到了非常广发的研究。

    Mike11模型适用性强且界面友好，在水文分析计算和工程规划设计中也有很多典型的应用，今天我们以一个典型的平原河网一维水动力学建模为例，学习和了解一下Mike11水动力模型在平原河网地区防洪规划项目中的应用。

基本原理

Mike11水动力模型的基本原理是圣维南方程组，

其表达式如下：

  其中：A为过水断面面积，m；

  t为时间，s；

  Q为流量m³/s；

  g为重力加速度g/s²；

  h为水位，m；

  C为谢才阻力系数；

  R为过水断面的水力半径，m；

  q为单位流程上的侧向出流量，m³/s。

   方程组利用Abbott-Lonescu六点隐式有限差分格式求解，该格式在每一个网格点不是同时计算水位和流量，而是按照顺序交替计算水位或流量，分别称为H和Q点，两个流量点之间采用连续性方程求解，两个水位点之间采用动量方程求解。Abbott-Lonescu格式具有稳定性好、计算精度高、计算速度快的特点。离散后线性方程组用追赶法求解。

模型结构

Mike11河流水动力学模型包含数据主要有：

（1）流域描述（主要包括河网的形状和水工建筑物的位置）；

（2）河道和滩区地形（即河床断面数据）；

（3）模型边界处水文测量数据；

（4）水工建筑物的设计参数以及调度规则等组成。

     模型将以上数据存放在河网文件（.nwk11）、断面文件（.xns11）、边界文件（.bnd11）、水动力学参数文件（.hd11）、时间序列（.dfs0）内并按照下图所示的结构组织管理数据进行模拟工作。

摸型建立

1、首先新建一个模拟文件

Mike11中的模拟文件主要由三个作用：

（1）相当于一个中央管理器，集成河网文件、断面文件、边界文件、参数文件的信息，使他们成为一个集体。

（2）用于定义模拟时间步长、模拟的开始时间和结束时间、结果文件名等。

（3）启动模拟，通常在在模拟文件的Models界面勾选Hydrodynamic模块选择非稳态模拟模式就可以了。

模拟文件示意图

   定义模型类型后就可以在input界面输入模拟文件所需要的各类文件。

   模型的计算时间步长共有三种类型，即固定时间步长、列表时间步长和自适应时间步长，默认情况下选择固定时间步长。时间步长和克朗数有关，一般情况下，认为克朗数小于1,模型不发散；水动力模型对柯朗数要求并不高，一般小于10模型即会稳定计算。

2、建立河网文件

    向河网文件中添加图层，可以将河道中心线的.shp文件导入到新建的河网文件中，软件可以自动根据.shp文件生成河网。

    河网生成后，可以在表格视窗中对河道的长度、名称和地形标识等信息进行定义和修改。

自动生成河道示意图

表格视窗示意图

3、建立断面文件

   Mike11断面文件中的每一个断面都由断面所在的河流名称、地形标识Topo ID以及断面所在河流位置的里程三个条件唯一确定。

可以在列表视窗中添加、查看和修改断面资料；

也可以使用工具条在图像视窗中修改断面数据；

表格视窗中可以对断面的滩地和河道糙率进行区别设定。

断面文件示意图

4、建立边界文件

   边界文件界面主要由三个分隔窗口组成，最顶端的窗口用于定义模型所有的边界条件。Mike11水动力学模型在计算河道水面线时上游入流处和下游出口处都需要设置边界条件。

   通常情况下上游入流处为流量边界，下游出口处为水位边界或者h-q边界。因为实际运用中的边界条件可能是随时间变化的，就需要输入一个时间序列作为边界条件。

   Mike 11可调用的时间序列文件有特定的格式，可以在时间序列（.dfs0）文件中进行设置。在边界文件最下面的窗口边界文件类型中可以选择常量或者时间序列进行输入。

  值得注意是！！！

1、边界应设在远离研究区域，系统内部的变化不应导致边界条件的变化。

2、核心区域不应受边界条件的直接影响。

边界文件示意图

5、建立HD参数文件

   水动力参数文件的设置主要包括初始条件和河床糙率的设定。

   原则上初始水位（或水深）和流量应该尽可能与模拟开始时的河道中的水动力条件一致。

    在实际运用中，为保证模型顺利起算，需要注意的是！！！

1、初始流量通常给可以设一个接近于0的值；

2、初始水位不能高于河岸或者低于河床。

   初始流量若已经有计算得到的结果文件，可以将其引入热启动文件作为模型的初始计算条件。

   河床糙率是率定参数，应根据对模拟河道的实测情况进行及计算结果确定，通常从n=0.03（M=30）开始率定

模型率定

模型的结果文件为.res11格式，

通过Mike View来演示和提取计算结果。

模拟结果示意图

   实际工程中，使用Mike11模型计算水面线，对于基础资料的要求较高，由于受到方程数值解法以及实测数据的处理等影响，存在误差难以避免。

    把模拟结果与实测结果比较是最常用的率定手段。Mike View可绘制计算结果图，还可以把实测结果导入，与计算结果图进行叠加显示，从而进行模拟结果与实测结果的比较。通常从下游断面开始通过优化糙率来率定模型从而减少计算误差

模型中的问题

1、坐标系转换

   在通过创建河网文件的过程中，采用GIS矢量图绘制河网相对于根据流域图纸绘制河网更为简便一些。

   在使用GIS处理河道中心线的过程中需要注意的是！！！

  1、统一坐标系，为了在后续操作过程中方便计算，可以事先在GIS中将所需的河道中心线转换为相应的投影坐标系，编辑好河流名称及Topo ID等具体的属性字段，再导入Mike中进行自动生成河道。可以十分便捷的生成河网文件，减少工作量。

  2、通过shp文件生成的河道其上下游位置经常颠倒，为了防止这种情况出现，可以在GIS中将各个干支流的流向根据河流的实际流向修改一致再导入Mike中。

   这里需要特别注意！！！有支流存在的河网，在处理GIS文件时要将干支流河道断开，导入Mike之后，使用连接工具将河道连接起来。

2、干支流洪水错峰

   在使用Mike11水动力模型进行计算的时候，常常会遇到干支流洪水组合和遭遇的问题。

   例如在计算水面线的时候，在有干支流洪水相互顶托的河段，应该分析洪水组合和遭遇规律，进行不同组合情况的水面线推算。一般采用同频率流量叠加和同时流量叠加两种基本分析方法：

  （1）同频率叠加法是指利用支流汇入口以上干、支流设计洪峰流量同频率叠加得出支流汇入点以下的同频率洪峰流量。一般情况下，在同一次降雨过程中，由于干支流的河道长度以及流域面积相差较大，干支流洪峰流量过程同时遭遇的可能性极小。

  （2）同时流量叠加法就是利用支流汇入口以上的干支流同时洪峰流量相叠加，得到汇入口以下的洪峰流量之后进行频率分析，通常分为以干流为主，支流相应和支流为主，干流相应两种情况。

   在建模过程中首先通常根据洪峰的传递时间运行模型分别确定干支流洪峰到达汇入口的时间t1、t2。

   根据干流到达汇入口的时间t1，调整支流流量边界中的时间序列，就可以实现干支流洪水的峰对峰叠加，在工程建设中通常考虑这种偏于不利情况。

   由此可以看到在进行平原河网水动力学模型构建的过程中对模拟河段的基础资料要求是比较高的，从结果分析，Mike11水动力学模型关于平原河网中的相关水力计算结果也是可靠的。

 

   Mike 11模型应用非常广泛，无论项目涉及洪水、航运、水质、预报、泥沙或是其中几项的组合，Mike11都能解决。

   针对不同的项目，涉及的模块也有所不同，建模过程当中遇到的参数率定和模型验证问题，也会有所不同。模型模拟结果的展示也有所侧重，比如河流某一个断面横向水位变化，整体河流纵剖面水位变化展示，某一点水位流量污染物浓度数据查询和展示，模型不同参数的率定分析和展示等。

   Mike11模型的学习和应用，从入门到熟练，从单因素到多因素，从洪水到水质，需要多个项目的建模实践。通过长期的项目实践，才可以更好的服务于区域的防洪规划设计、以及各种水文学研究，让热爱建模的我们一起学习和成长吧。

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