MIke11培训.doc
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1、MIKE 11 培训教材 MIKE 11 RR (NAM) MIKE 11 HD MIKE VIEW MIKE 11 SO MIKE 11 GIS2010年5月20日22日三峡大学目 录1NAM12MIKE 11 HD建模所需信息63MIKE 11 HD 结构74河网文件生成方法(.nwk11)85断面文件生成(.xns11)126时间序列文件生成(.dfs0)147边界文件生成(.bnd11)168参数文件生成(.HD11)189模拟文件生成(.sim11)1910MIKE VIEW2211MIKE HD与NAM的耦合2612水工建筑物2713可控水工建筑物(SO)2714MIKE 11 G
2、IS (Arcmap 9.3 版本)321 NAM1、简介 MIKE 11 RR中包含了众多的降雨径流模拟方法,包括: NAM:集中型、概念模型,可模拟坡面流、壤中流和基流及土壤含水率变化。 UHM:即单位水文线法,其中包含了一些降水损失估算方法,如恒定损失、比例损失和SCS法估算径流量。 SMAP:逐月土壤湿度估算模型。 Urban:包含了两种用于快速估算城市地区径流的计算方法:时间面积法和非线性水库(运动波)法。 FEH:洪水估算手册(在英国常用的一种方法)。 DRiFT:河道流量预报法一种基于流域地形和沟渠系统信息的半分布式模型,径流演进采用TUH(T小时单位水文线)技术。本课程主要介绍
3、NAM模型。NAM模型模拟流域内的降雨径流过程,见图1。这一降雨径流模块可以单独使用,也可以用于计算一个或多个产流区,产生的径流作为旁侧入流进入到MIKE11水动力(HD)模型的河网中。采用这种方法,可以在同一模型框架内处理单个或众多汇流区和复杂河网的大型流域。 降雨径流模型所需的输入数据包括气象数据和流量数据(用于模型率定和验证)、流域参数和初始条件。基本的气象数据有降雨时间序列、潜蒸发时间序列、如果要模拟积雪和融雪则还需要温度和太阳辐射时间序列。模型计算结果信息包括各汇水区的地表径流时间序列(可细化为坡面流、壤中流和基流)以及其它水文循环单元中的信息,如土壤含水量和地下水补给。从上世纪六十
4、年代起,NAM被广泛应用到世界各地不同气象水文条件的流域,是一个经过大量工程实践验证的模型工具。 图1 NAM 模拟的水文过程 2、模型结构 NAM通过连续计算四个不同且相互影响的储水层的含水量来模拟产汇流过程,这几个储水层代表了流域内不同的物理单元。这些储水层是: 积雪储水层 地表储水层 土壤或植物根区储水层 地下水储水层 另外,NAM还允许模拟人工干预措施,如灌溉和抽取地下水。模型结构见图2。图2 NAM 模型结构3、模型率定 在率定过程中,需要不断调整各子流域的参数值,直到计算的径流(坡面流、壤中流和基流之和)与流域出口实测的流量拟合较好为止。表1列出了NAM模型中的重要率定参数。表1
5、NAM 模型主要率定参数参数描述影响一般取值范围Umax地表储水层最大含水量坡面流、入渗、蒸散发和壤中流。控制总水量平衡计算1025 mmLmax土壤层/根区最大含水量坡面流、入渗、蒸散发和基流。控制总水量平衡计算50250mm,Lmax 0.1*UmaxCQOF坡面流系数坡面流量和入渗量。控制峰值流量0 1CKIF壤中流排水常数由地表储水层排泄出的壤中流。控制峰值产生的时间相位500 1000 hrTOF坡面流临界值产生坡面流所需的最低土壤含水量01TIF壤中流临界值产生壤中流所需的最低土壤含水量01TG地下水补给临界值产生地下水补给所需的最低土壤含水量01CK12坡面流和壤中流时间常量沿流
6、域坡度和河网来演算坡面流348 hrCKBF基流时间常量演算地下水补给。控制基流过程线形状5005000 hr在模型率定过程中,通常需要考虑下列几项:1. 平均模拟径流量与实测径流量吻合(总水量平衡)2. 过程线的形状吻合3. 流量峰值吻合(主要是时间、流量大小以及水量的吻合)4. 低流量吻合 在率定过程中以上四项都要考虑。如果它们是同等重要的,那么就需要想办法均衡它们。如果某一项相对更重要,那么这一项需优先考虑。 NAM带有一个自动率定程序,它可以自动率定此9个最重要的模型参数。自动率定工具基于使四个不同率定目标达到最佳,这四项是总水量平衡、过程线总体形状、高流量和低流量。对于有9个率定参数
7、的模型率定,最大模型迭代次数通常在1,000-2,000次就可以保证一个有效的率定,率定过程通常可以在30-60 CPU秒内完成。NAM是概念性、集总型模型,所有参数都有一定的物理含义,但由于参数值反映的是各子流域的平均条件,无法通过实测获得,因此必须进行率定。NAM的率定通常需要35年长序列的水文、气象观测资料。练习:1) 建模对160 km2的LIVER河流域进行降雨径流计算。建模所需时间序列数据(在目录“NAM练习文件”中):MEAN RAIN 流域面降雨资料EVAP 实测蒸发资料QOBS 实测径流资料初始参数值(不模拟融雪和灌溉):子流域面积A160 km2地表储水区最大含水量Umax
8、10 mm根区储水区最大含水量Lmax150 mm坡面流系数CQOF0.55壤中流常数CKIF1,000 hr生成坡面流的根区临界值TOF0.40生成壤中流的根区临界值TIF0.00坡面流时间常数CK1224.0地下水流域面积比CAREA1.00生成地下水补给的根区临界值TG0.00基流时间常数CKBF2,400 hr初始条件:U/Umax0.5L/Lmax0.3坡面流(m3/s)0壤中流(m3/s)0基流(m3/s)02) 灵敏度分析分析下列参数的量值改变对模拟结果所产生的影响。序号.参数初始值变化范围1Lmax (mm)150100 - 2002CQOF0.550.1 - 0.93TOF0
9、.400.0 - 0.84CK12 (hr)246 - 485CKBF2,400500 - 10,000查看结果统计文件RRSTAT.TXT文件,参考NAM计算公式来解释参数改变对模拟结果的影响。主要是对下列水文特性的影响:(1) 水量平衡- 对比实测与模拟年径流总量- 降雨、蒸发和径流- 过程线组成部分(坡面流OF、壤中流IF和基流BF)(2) 最小流量(3) 最大流量(4) 实测与模拟流量过程线的拟合3) 自动率定设置自动率定的目标为总水量平衡。注意自动率定后参数值的变化以及率定精度的改善情况。2 MIKE 11 HD建模所需信息 流域描述 河网形状,可以是GIS数值地图或流域纸图 水工建
10、筑物和水文测站的位置 河道和滩区地形 河床断面,间距视研究目标有所不同,但原则上应能反映沿程断面的变化 滩区地形资料(有时有滩区的水位蓄水量关系曲线也行),如果要模拟滩区行洪的话 模型边界处水文测量数据 边界最好设在有实测水文测量数据处,如果没有就必须估算边界条件 实测水文数据(用于率定验证) 率定验证的数据越多,模型就越可靠,但工作量也会越大。 水工建筑物设计参数及调度运行规则3 MIKE 11 HD 结构MIKE 11 HD包含以下数据文件: 河网文件 (.nwk11) 断面数据 (.xns11) 边界条件 (.bnd11) 模型参数文件 (.hd11) (时间序列文件.dfs0) MIK
11、E 11 HD的模型结构见图3。时间序列文件河网文件断面文件边界文件模拟文件参数文件图3 MIKE 11 HD模型结构4 河网文件生成方法(.nwk11)河网文件是MIKE 11所有文件中最复杂的一个文件。河网文件建立方法有两种,以下分别介绍。1、从传统的地图引入底图(注意严格按照以下步骤顺序操作)1) 底图准备扫描纸图,生成bmp文件,作为河网文件底图。确定地图的左下角和右上角坐标,左下角坐标可设定为(0,0)。2) 引入河网底图打开MIKE ZERO ,File New MIKE 11 River Network(见图4) OK,弹出一个新窗口(图5) 输入河网模型区域的范围(即左下角和右
12、上角坐标) 输入刚才记下的背景图左下角和右上角坐标 OK, 出现河网文件视图(模拟区域暂时空白) 河网文件菜单Layers Add/Remove. 点击添加项目键 点击浏览按钮, 引入刚才生成的bmp底图 回到河网文件视图,Layers Properties. 修正图像坐标Image Coordinates修正至底图坐标)。至此底图引入工作完成,河网文件的图像视窗中应显示底图。 图4图53) 输入各河段信息使用河网文件编辑器内的工具条定义各河段:例如:要在背景图上绘制各河段时按,在河段的起始点开始鼠标左击底图上相应位置,在河段结束点鼠标左键双击,完成该河段的绘制。可以放大底图以准确绘制河段走向
13、。准确的河段走向有助于确定各河段连接关系、确定该河段上水工建筑物或水文测站的里程,所以是很重要的工作。参见“帮助”或按F1查看其它工具按钮的功能。以下是定义河段信息的步骤。注意:MIKE 11目前暂时还不能使用恢复键,所以在操作过程中应随时保存,一旦操作失误,只能删除重做或不保存退出、重新进入河网文件编辑器。a) 在背景图上绘制某条河段b) 打开河网文件编辑器的表格视窗(View Tabular View.)c) 在左侧列表区展开Network,选Branch。在右侧的河段信息内容中可以发现刚才所绘制河段的信息,MIKE 11已自动为该河段命名,并确定了其长度。将该河段名改为实际名称。河段长度
14、一般不会与实际长度一致,将在以下d) 步骤中修改。d) 在左侧列表区选Points。在右侧的河段点信息内容中可以发现刚才在绘制河段过程中每次点击点的坐标位置(MIKE 11已自动测出),可以发现河段名已经是修改后的名称。注意:这些点并不是模型的计算点,与计算没有任何关系。里程类型Chainage Tpye列上,应将该河段的起始点从System Defined改为User Defined,将下一列里相应行的里程数Chainage改为0(程序缺省值为0);将该河段的结束点也从系统定义System Defined改为用户定义User Defined,将下一列里相应行的里程数改为实际的河段长度。这样便
15、将程序测出的河段长度改成了实际长度。任何河段的起始里程可以是任意数值:正、零或负数,整数或小数。选值的原则是与当地水利部门采用的桩号值一致,这样将来讨论问题时会比较方便,否则就取0。必须要满足的是:河段长度 结束点里程数 起始点里程数e) 重复以上步骤a) 至d),完成所有河段信息的输入。f) 在河网文件编辑器的图像视窗内用工具按钮连接各河段。注意:有多条河段相连时必须所有河段同时连向某条河段。但连接方向(谁连向谁)对计算结果没有任何影响。g) 在河网文件编辑器的表格视窗内NetworkBranch,在右侧的河段信息总览表第二列是地形标识Topo ID信息。这是河网文件编辑器将来从断面文件编辑
16、器内读取与该河段相对应的断面数据信息、参与模型计算的唯一信息通讯通道,一定要与断面文件编辑器内相应的Topo ID一致。Topo ID可以是数值,也可以是文字符,比如可以用断面测量年份,如Topo2002,以提醒自己目前模型采用的断面数据来自哪年实测数据,或用Artificial,表明该断面数据并不是真实数据。参见有关断面文件编辑器内容。h) 在河网文件编辑器的图像视窗内SettingsNetwork.或Font.,可以对图像的外观进行修改,选择想显示的信息。i) 至此河网基本信息输入完毕。2、从ARCView .shp文件引入底图a) 打开MIKEZero - New - MIKE 11 r
17、iver network, 出现默认的模拟范围,点击OKb) 在工具栏上选择Layers - Add/Remove .c) 点击添加项目键, 在file type框内点击一下,出现下拉菜单符号,将默认的image file换成 shp file。d) 点击浏览按钮,找到要引用的.shp文件。点击OK回到河网文件的图像视窗。e) 在工具栏上选择Network - Generate branches from shape file .,将出现一个新的对话框。f) 选择generate points and branch,river name attribute选择shape文件内合适的属性列;To
18、po ID同样选择shape文件内合适的属性列(如果没有TopoID属性此项可以不选)。此时在河网文件的图像视窗内还是一片空白。g) 在工具栏上选择View - Tabular View .(表格视窗), 可以发现所有河道都已自动生成。但是此时图像视窗内一般还不能显示底图,因为图像视窗的显示区域与河道所在位置不符。h) 在表格视窗内选择network、points,最左边两列为河道上各点的x、y坐标。选上它们,按Ctrl+c,复制到EXCEL内,检查最大和最小x坐标以及最小和最大y坐标,记下这四个数值。i) 回到图像视窗,在工具栏上选择Network - Resize Area .,在对应位置
19、输入刚才记下的四个数值。注意minimum要比刚才的最小坐标值略小点,maximum则要比刚才的最大坐标值略大点。j) 点击OK,现在在图像视窗内应该已显示河道了。k) 调整河道长度为整数,避免出现河道长度为小数点后数位的情况。l) 图像视窗内显示的河道之间尚未连接。连接方法:图像视窗内Network - Auto Connect Branches。连接方法的设置见Network - Settings-Network Data。m) 通过shp文件生成的河道其上下游位置经常颠倒,需要手工校正,方法:a)在表格视窗内删除该河道,从而只剩下孤立的连接点;b)用图像视窗工具栏中的Auto Route
20、 Branch按钮从上游向下游连接。练习:1) 分别从地图和ARCView shp文件引入河网文件的底图,并生成河网文件。2) 改变河网显示的内容、字体和颜色。3) 在图上添加、修改河道,掌握河网文件编辑器内工具栏上所有按钮的功能4) 尝试改变河道名称、长度、连接。5) 将河网图像修改至满意的显示格式后输出至WORD文档。6) 如何利用GIS信息确定模型中水文站的里程,用以模型率定?7) 了解河道中各连接点的作用。8) 查看计算网格点布置。(须预先生成断面文件,并建立模拟文件)9) 用Link Channel方法设置漫堤模拟。5 断面文件生成(.xns11)一般收集到的原始断面数据文件为文本格
21、式或EXCEL格式,里面保存了各个断面起始距与河床高程的x, z数据。可以根据MIKE 11所要求的格式,用FORTRAN、BASIC、EXCEL VBA等自编小程序,容易地将原始数据格式转换成符合MIKE 11输入要求格式的文本 文件。1、打开断面文件编辑器MIKE 11 New Cross Sections (见图6)图62、在断面文件编辑器中引入断面数据。方法有二:1) 单个断面的输入。在列表视窗区内点击鼠标右键(见图7),在弹出菜单中选Insert.,插入一个断面,在表格视窗内输入断面X-Z(横向距离高程)数据,(也可直接从EXCEL表格复制过来)。在窗口下方按Update Marke
22、rs键更新标记(也可左击标记修改),完成该断面的输入。在右侧的图像视窗区检查输入的断面是否合理。继续下个断面的输入。列表视窗区表格视窗区图像视窗区图72) 所有断面一并输入。假定已准备好相应的文本文件,用于断面输入。File Import Import Raw Data & Recompute,找到文本文件保存路径 OK, 引入成功后在断面文件编辑器视窗左侧出现断面列表,右侧图像视窗显示一个或多个断面形状。3、在图像视窗内查看各个断面形状,从直观上判断断面数据是否合理。4、保存文件,断面文件生成完毕。练习:熟悉断面文件编辑器的显示和编辑功能1) 尝试修改、复制和插入新的断面。2) 从图像修改断
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