基本介紹
MIKE 21為工程套用、海岸管理及規劃提供了完備、有效的設計環境。高級圖形用戶界面與高效的計算引擎的結合使得MIKE21在世界範圍內成為了一個專業河口海岸工程技術人員不可缺少的工具。ECO LAB環境模組的加入使得MIKE 21還是一個有效的環境模擬及評價工具。全球眾多的工程技術人員及科學工作者都依賴於MIKE21作為他們的關鍵模擬工具。
MIKE 21使用了最先進的計算機軟體和硬體，適用於WINDOWS系統（98、NT、2000和XP），為用戶提供了：
· 友好的用戶界面
· 強大GIS數據接口和GIS數據處理工具
· 免費的數據處理工具，如AutoCAD轉換到MIKE 21等
· 開放靈活的環境評價平台 – ECOLab
· 結果分析和圖形演示的支持工具
MIKE 21經過了超過25年連續的開發和改進，結合了世界上千用戶的使用經驗。DHI一直使用MIKE 21進行科研工作，同時為模型的開發和套用提供了寶貴的橋樑。
MIKE 21模型的子模組主要有以下4個領域：
· 海岸水文學和海洋學
· 環境水文學
· 泥沙傳輸過程
· 波浪
格線介紹
MIKE21系統包括了以下幾個模擬引擎：
1. 單一格線 這是一種傳統的矩形模型，是將研究區域劃分成同一大小的矩形格線，格線的大小（分辯率）由模擬區域大小及具體套用決定，格線越小計算精度越高，但耗時越長。
2. 嵌套格線 這也是一種矩形模型，只是在同一模型中可以有多種格線大小。在大格線模型中可以嵌套小格線模型。
3. 曲線格線 格線呈四邊形或近似矩形，主要適用於蜿蜒河段的水動力學計算和河床演變分析
4. 有限元格線 這是一種三角形格線，採用有限元解法。該格線能夠很好地模擬彎道或水上結構物周圍區域的流場。
主要特點
無障性--- 具有完備GUI功能的高級模擬軟體工具，易於使用；
高效性--- 快速可靠的模擬引擎，確保高產出——一個真正廣為套用的工具；
便捷性--- 有支持軟體用於數據處理、分析和表現；
廣泛性--- 包括了近乎滿足各種河口海岸模擬需求的模組；
兼容性--- 用於在第三方程式中（如Matlab）處理模擬數據的GIS集成和工具；
靈活性--- 多種計算格線、模組及許可選擇確保用戶根據自身需求來選擇模型；
公認性--- 有長達25年的記錄及在全球的廣泛套用所證明的技術。
主要模組
1. 前後處理模組 – Pre- & Post Processing (PP)
MIKE 21為用戶準備輸入數據、數據轉換和分析、和結果的演示提供了靈活方便的工具。MIKE 21系統使用相同的數據格式、檔案、和目錄結構作為前後處理的工具，以便套用於各種輸入和輸出數據及結果演示的操作中。
MIKE 21的前後處理工具主要套用於：
數據的讀取、編輯和列印
生成地形格線檔案
地形的轉換和旋轉
繪製時間序列、線序列、彩色等值線，三維表面等
水動力學相應的工具有：
邊界條件的準備
流量的計算
對流擴散模組需要用到的工具有：
邊界條件的準備
波浪模擬會涉及到的工具有：
規則波的生成
不規則波和單向波的生成
不同類型波譜的生成
波浪反射和透射係數的計算
FFT分析
消能邊界的準備
二維風場的準備
波生流邊界條件的準備
泥沙模擬需要的工具有：
泥沙計算表格的生成
泥沙計算表格的擴展
輸沙量的計算
風暴引起的泥沙淤積總量計算
潮汐計算涉及的工具有：
潮高和潮流的預測
潮高和潮流的分析
MIKE 21主要使用三種不同的數據格式，包括：
“0"格式（時間序列）包括各點的時間序列
“1”格式- （線序列）包括一條線上的序列，如沿格線線計算得到的流速；
“2”格式- （矩陣序列）包括二維數據的序列，如地形數據、初始條件或計算結果。
任何一種類型的MIKE 21的數據檔案都能轉換為ASCII格式的文本檔案，這使MIKE 21的數據能與其他多種應用程式進行數據交換。
2. 水動力學模組 – Hydrodynamics (HD)
該模組模擬由於各種作用力的作用而產生的水位及水流變化。它包括了廣泛的水力現象，可用於任何忽略分層的二維自由表面流的模擬。HD模組是MIKE 21軟體包中的基本模組，它為泥沙傳輸和環境水文學提供了水動力學的計算基礎。
HD模組模擬湖泊、河口和海岸地區的水位變化、和由於各種力的作用而產生的水流變化。當用戶為模型提供了地形、底部糙率、風場和水動力學邊界條件等輸入數據後，模型會計算出每個格線的水位和水流變化。
模型利用ADI二階精度的有限差分法對動態流的連續方程和動量守衡方程求解。
由於MIKE 21 HD模組是非常通用的水文學工具，它可以用來描述各種水力現象，如：潮汐交換和潮流；風暴潮；漩渦；港區的水面波動； 潰壩；海嘯。
3. 水質和環境評價模組
對流擴散模組（AD）
該模組模擬水中溶解物由於對流和擴散作用的傳輸過程，如：
· 鹽度
· 熱交換
· 大腸菌群
· 其他異型生物質的化合物
· 線性衰減和熱耗散也能通過AD模組來計算。
AD方程是採用三階精度有限差分法，QUICKEST-SHARP或ULTIMATE-QUICKEST來求解。這樣的解法有效的避免了對流擴散模組中質量守衡、偏高和偏低值的問題。第三種可能是使用簡單的UPWIND解法來求解。
AD模組的典型套用有以下三類：
· 發電廠冷卻水的循環和脫鹽廠的鹽循環
· 各種守恆或線性衰減水溶物的環境研究，如鹽、溫度、污水、菌群、有毒的有機化合物、重金屬或放射性元素
· 高級水質模組中水溶物擴散計算（高級的水質和環境評價分析則需要藉助MIKE 21的水質模組ECOLab進行模擬）
水質模組 （ECOLab）
ECOLab是一個完備的、用於生態模擬的數值實驗室，它提供了從簡單到複雜的解決方案。而且，還提供了一系列的模板，用戶可根據自己的具體套用選擇使用模板，並可在此基礎上寫入自己的公式
來創建自己的套用模板，從而為用戶節省了大量用於編程的時間。
該模組用於河流、濕地、湖泊、水庫等的水質模擬，預報生態系統的回響、簡單到複雜的水質研究工作、水環境影響評價及水環境修復研究、水環境規劃和許可研究、水質預報
ECOLab包括一整套子模組，每一個子模組用於具體的水質問題，包括：
WQ：
· BOD/COD-DO關係（模型複雜程度分七級）
· N和P輸運（硝化、反硝化、吸附）等
· 濕地中N和P的持留（植物吸收、反硝化、泥炭中積聚等）
· 大腸桿菌（糞及總大腸桿菌）
EU：
· 富營養化（12個模型組分的營養鹽循環）
· 浮游植物和生物動力學（葉綠素-a、碳、氮和磷）
· 著床植物和碎屑
· 氧平衡
HM：
· 重金屬歸宿
· 水相濃度（溶解的和懸浮的）
· 沉積物中金屬（空隙水中含量、吸收和富集）
· 生物體內累積
溢油分析模組（SA）
模擬懸浮物質的擴散和風蝕，僅用於預報溢油問題、評估意外溢油預案分析（需要和PA聯合使用）。
4. 泥沙傳輸模組
MIKE 21包含三種類型的泥沙傳輸模組，輸沙模組、輸泥模組和質點模組。
輸沙模組（ST）
MIKE 21的ST模組根據水流的作用或水流和波浪的共同作用來計算輸沙率。在波浪和水流的共同作用時，模型利用DHI模型STP的波周期公式計算輸沙率。如果只有水流的作用，用戶可選擇多種常用的輸沙計算公式。初始的淤積/沖刷利用泥沙的質量守衡來確定。
· ST模組主要用來確定泥沙的傳輸模式（或傳輸模式的改變）、和由於工程建築引起的淤積/沖刷的初始速度。如：灘地開墾、挖泥操作或海岸建築。
· STQ3：準三維泥沙傳輸，是ST的添加模組，它提供了次生效應的信息。
· CAMS： 海床演變模組，結合ST模組聯合運用，集成了波浪、水流和沙的各種影響模擬沿海動床和沖淤變化成為一個完全動態的地形模型。
粒子分析模組 （PA）
模擬水中溶解或懸浮物質的傳輸路徑及歸宿。PA模組把水中污染物視為粒子，在二維水體中以傳輸和擴散的方式運動。PA套用拉格郎日法進行計算，所以粒子的運動和結果的精度不受格線大小的限制。
PA模組主要用於江、河、湖、海中發生的意外溢漏的模擬，並且能夠模擬沉澱和衰減的過程。
輸泥模組（MT）
MIKE 21的輸泥模組（MT）結合了多粒徑級和底床分層，描述了粘聚性泥沙（淤泥或黏土）在波浪和水流作用下的沖刷、傳輸和沉積。MT模組還考慮了河（海）床的不同固結程度。
由於缺少普遍適用和基於原理的粘聚性泥沙公式，模型會一定程度上的依賴於經驗公式。因此，對於沖刷和淤積的數學描述，儘管以物理原則為基礎，仍來源於經驗公式。AD模組中運用的對流擴散原理在MT模組中用來描述懸移質的運動和擴散。
輸泥模組可以計算港區內、內陸湖和海岸地區的粘聚性泥沙的淤積情況，並進而確定挖泥的操作。
波浪模組
用戶可以根據需要在MIKE 21中選擇不同的波浪模組，基本上MIKE 21中的波浪模組可分為兩類：
· 基於波浪運動概念的模組（OSW、NSW）
· 基於動量概念的模組（BW、EMS和PMS）
近岸波譜模型（NSW）
NSW模組用於計算不考慮波浪衍射的海岸地區形成的波場，用於模擬位於近岸的短周期和短波幅波浪的傳播、成長和衰落。
MIKE 21的NSW模組是風浪波譜模型，描述了近岸地區短波的傳播、發展和衰減。模型包括了不同水深的波浪折射、風生波和由於底部糙率和波浪破碎產生的波能耗散。NSW模組還能為波生流的計算提供波浪的輻射應力，如作為泥沙計算的一部分。當然，NSW模組還能考慮潮流和風導致的水位變化。
MIKE 21的NSW模組主要套用於外海地區，波浪由深水傳播到淺水的變化過程。還有，對於海岸地區波浪條件（如波高、波周期和波向）的評估是非常關鍵的，另外一個外海地區的重要問題是泥沙傳輸的模擬，而泥沙的運動很大程度上受到波浪產生的沿岸流影響。上述問題可以藉助NSW模組來計算波浪的輻射應力，進而計算波生流和對泥沙傳輸的影響。
遠岸波譜模型（OSW）
這是第三代譜波模型，用於模擬風生波的成長、衰落和轉變以及外海地區的巨浪，並能夠為NSW模型提供理想的外海波浪的邊界條件。
Boussinesq波浪模型（BW）
建立在Boussinesq方程基礎上，是MIKE 21模型中最高級的波浪模組。能夠模擬在沿海和港區內多種波浪的組合影響，如波浪的反射、折射、衍射等。可用於研究和分析港口及沿海地區的波擾動。現在包括了破碎波及長波的產生。
橢圓型緩坡度波模型（EMS）
可用於研究沿海地區的波浪動力條件，例如，由線性和單頻波作用力所引起的港口共振回響。能夠和HD模組聯合使用模擬破波帶附近的波生流。可用於計算衍射和波浪破碎較為重要的小型海域。
拋物線型緩坡度波模型（PMS）
是一個通過假設主波向和忽略波浪的向後散射的簡化的EMS模型，可用於研究大型開放海域的波浪場。
主要套用
- 河口海岸結構物設計數據的評價
- 港口布局和海岸保護措施的最佳化
- 冷卻水、海水淡化及再循環分析
- 河口海岸及海洋結構物的環境影響評價
- 海上安全操作和航行海情預報
- 沿海洪水和風暴潮預警
- 內陸洪水及坡面流模擬
主要用戶
MIKE 21在中國套用的非常廣泛。中國典型的大江大河都在套用MIKE 21軟體包中不同的模組和工具解決相關的問題。十幾年來，DHI參與的項目主要有：
·長江口水動力學、鹽度模擬
· 珠江口水流和泥沙模擬
· 江蘇如東港內水流、波浪、泥沙問題（和黃驊港問題類似）
· 渤海灣水流和波浪模擬
· 嘉陵江重慶段水流模擬
· 黃浦江水流和水質模型
· 太湖富營養化問題
DHI即將參與項目有：
· 廈門港港內水流和泥沙問題
· 黃河下遊河口水流、風浪和泥沙模擬等
多年來，購買MIKE 21的中國客戶自行模擬解決的問題數不勝數，如多個熱電廠溫排水的水力模擬、在長江口地區MIKE 21針對水質和環境不同問題的反覆套用等。以下列出了MIKE21在國內的主要用戶：
| 長江水利委員會（水文局、設計院、科研所、長江下游局、三峽工程） |
| 黃河水利委員會（科學院） |
| 松遼水利委員會 |
| 珠江水利委員會 |
| 淮河水利委員會 |
| 天津港灣工程研究所 |
| 太湖流域管理局 |
| 國家環保局 |
| 中國水利水電科學研究院（水資源所、泥沙所、環評中心） |
| 南京水利水電科學研究院 |
| 浙江省水利水電設計研究院 |
| 廣東省水利水電設計研究院 |
| 廣東水利電力勘測設計研究院 |
| 華東勘測設計研究院 |
| 國家海洋局第一、第二海洋研究所 |
| 交通部天津水運工程科學研究所 |
| 浙江省河口研究所 |
| 上海勘測設計研究院 |
| 上海市水務規劃設計研究院 |
| 上海市水務工程設計研究院 |
| 上海環境科學研究院 |
| 大連理工大學 |
| 河海大學 |
| 南京大學 |
| 中國三峽大學 |
| 浙江工業大學 |
| 四川大學 |
