基于MIKE11的沈陽市南北運河水質水量耦合模型研究

郭宇軒 王勇勇

[摘要]通過利用丹麥水資源與水環(huán)境研究所DHI研制的MIIKE11軟件中的HD水動力學模塊和AD對流擴散模塊，對沈陽市南北運河的水質水量進行了模擬分析。根據(jù)掌握南北運河段水文站的實際日水文資料對模型的參數(shù)進行率定，并對南北運河模型進行驗證。研究結果表明，所建立的模型在率定期間和模型驗證期間模擬效果均表現(xiàn)良好，水質、水動力及可控水中構筑物均模擬效果好，模擬精度高，此模型能夠充分表現(xiàn)沈陽市南北運河段的水質、水量特征，為實現(xiàn)沈陽市南北運河水生態(tài)環(huán)境的全面提升和水功能修復建設提供了強有力的技術支持。

[關鍵詞]MIKE11；水質水量耦合模型；沈陽市南北運河

[中圖分類號]X524 [文獻標識碼]A

1 引言

1.1 研究區(qū)域概況

沈陽市南北運河分為新開河和南運河，交匯于東塔閘門處，為城市內河。新開河又名北運河，是1914年在沈陽市區(qū)北部人工開鑿的一條灌溉渠道，河道全長33km，寬度15～25m不等。本次模擬新開河段從鳥島起流至丁香湖段，全長27059m，在新開河上游有輝山明渠和滿堂河等河流匯入，在新開河下游有衛(wèi)工明渠河流流出，新開河途徑北陵公園、怒江公園、丁香湖。

南運河屬于季節(jié)性景觀河流，該河流全長12549m，平均水深1.5m左右。本次南運河模擬河段從東塔閘門到龍王廟閘門，途徑萬泉公園、萬柳塘公園、青年公園、南湖公園，流至龍王廟閘壩最后匯入渾河。

1.2 氣候特征

南北運河流域屬東北地區(qū)，是明顯的溫帶半濕潤大陸性氣候，全年氣溫-24℃～34℃，平均氣溫6.2℃～9.7℃。全年降雨量主要由季節(jié)分配，降水量大致在600mm～800mm之間，受季風影響，降水主要集中在夏季。日夜溫差較大，四季分明，全年無霜期155～180天。冬季天氣寒冷，且嚴寒時間較長，近六個月，但降雪較少。夏季持續(xù)時間較短，且多雨。春秋兩季氣溫變化迅速，持續(xù)時間較短。

2 模型建立

2.1 模型概況

采用丹麥DHI公司的MIKE軟件，構建沈陽南北運河水質水量調控模型，模擬南北運河河流的水流狀態(tài)和污染物在河道中對流擴散和降解情況。MIKE軟件是基于垂向積分的物質和動量守恒方程，即一維非恒定流圣維南（Saint-Venant）方程組構建水量模型，模擬河道的水量演進過程。水質模型是基于一維水質模型，只需要考慮流動方向上的各斷面污染物濃度變化，構建水質模型，模擬河道污染物在河道中的變化。二者耦合模型是指水量模型與水質模型采用同一計算單元和時間步長，水量模型給水質計算提供所需的流速、流量、斷面過水面積、槽蓄量等水力參數(shù)，對河道中水流狀態(tài)和污染物演變過程同時進行模擬。

2.2 模型率定

MIKE11一維水動力模型率定和驗證的主要參數(shù)為河床的糙率系數(shù)和水閘控制運行中的目標參數(shù)。所謂河床糙率就是指河道水流和河道表面之間的摩擦力的相關系數(shù)，河道的粗糙程度、河床的形態(tài)、河道的形態(tài)等因素對流域內水流阻礙作用的綜合影響情況。河床糙率的準確確定會直接影響模型的建立與計算。通知設置河床糙率，進而滿足水位、水量和實際值達到一致。

2.3 計算實例

2.3.1 沈陽市南北運河河網文件。MIKE11一維水動力模型構建過程中，需要其軟件所支持的河網文件作為模型構建的基礎模型，本河網文件通過利用沈陽市南北運河的DEM資料生成河網矢量文件，再將矢量文件導入MIKE11HD中，應用軟件工具進行河網圖形繪制并根據(jù)實際獲取的沈陽市南北運河的水系地圖對所繪制的河網文件進行略微的修改。同時根據(jù)對實際模擬區(qū)間河段長度的測量對河網文件中河道參數(shù)進行修改，并對水中構筑物的基本信息進行錄入，進而符合實際的河道情況。

2.3.2 斷面文件。模型建立計算過程中需要大量的河段斷面信息，有助于完善河道的準確性，河道斷面數(shù)據(jù)一般是以坐標的形式，此次模擬在斷面文件的繪制過程中，由于對于水中構筑物（閘壩）需要在閘壩前后500m的位置各設置一個斷面，所以對沈陽市南北運河進行四個閘壩、8個斷面的繪制，具體斷面數(shù)據(jù)（高程、寬度等）由實際測量得到，進而生成（.xns11）文件。

2.3.3 邊界文件。模型的上邊界采用鳥島閘壩2016年11月1日～2017年12月31日的水質水量數(shù)據(jù)生成時間序列（.dfs0）文件，河道上游有滿堂河河流匯入新開河主干道，通過查閱監(jiān)測站流量年數(shù)值和相關水文資料，對流量、水質數(shù)據(jù)進行添加生成時間序列（.dfs0）文件，完成概化點源的填寫，在河流的下游有衛(wèi)工明渠支流流出，將衛(wèi)工明渠支流進行概化，設為一個點源，并查閱相關監(jiān)測站數(shù)值和水文資料生成時間序列（.dfs0）文件，完成數(shù)據(jù)的填寫，模型的下邊界采用丁香湖和龍王廟閘門的水文資料，并對水位進行設定，從而完成了邊界文件的繪制（.bnd11）文件的生成。

2.3.4 模型的建立及率定。建立（.sim11）文件，將繪制好的河網文件、斷面文件、邊界文件耦合到水動力文件（.HD11）文件中，設置水動力參數(shù)文件（.HD11）和水質的參數(shù)文件（.AD11），定義模擬的初始條件、河床糙率、衰減系數(shù)、擴散系數(shù)等條件，設置模擬時間的步長為1，保存路徑，進行模型的模擬運行，將模擬運行后生成的HD和AD文件打開，在相應斷面位置上取出模擬數(shù)值。

在模擬出的水動力模型基礎上，添加水質參數(shù)以及水質邊界條件，采用2016年11月1日到2017年12月31日的實測水質數(shù)據(jù)對模型參數(shù)進行率定，設定模擬時間段為2016年11月1日到2017年12月31日，前兩個月作為模型的預適應計算時間段，時間步長為20天。以衛(wèi)工明渠斷面龍王廟閘壩斷面的實測流量值、COD值和氨氮值作為率定及驗證的依據(jù)，率定結果見圖1和圖2。

通過對此次COD率定結果的分析，2016年11月1日到2017年12月31日內COD實測值和模擬值可根據(jù)圖像顯示的曲線可知，誤差值均小于10%，整個模型模擬出來的精度較高，模型較為準確，本模型COD模擬模塊即為可計算應用的可靠模型模塊。

通過對此次氨氮率定結果的分析，2016年11月1日到2017年12月31日內氨氮實測值和模擬值可根據(jù)圖像顯示的曲線可知，最大誤差點范圍在2016年12月31日到2017年2月9日期間，誤差值也均小于10%，整個模型模擬出來的精度較高，模型較為準確，本模型氨氮模擬模塊即為可計算應用的可靠模型模塊。

通過對此次氨氮率定結果的分析，2016年11月1日到2017年12月31日內流量實測值和模擬值可根據(jù)圖像顯示的曲線可知，最大誤差點范圍在2017年4月19日左右，此時間段誤差相對較大，但是個別點誤差較大可忽略不計，整體誤差保持在10%即可，由此可知整個模型模擬出來的精度較高，可作為應用模型。

3 結語

沈陽市水域面積較大，城區(qū)運河還承載著防汛功能，水質污染和水量過大都會影響運河周圍的生態(tài)環(huán)境，通過建立水質水量耦合模型，可以準確地預測河道的水位、流量，以及各個斷面的水質情況，將為國家正在提倡的水生態(tài)建設及修復作出重要的數(shù)據(jù)支持及保障。本文通過應用MIKE11對沈陽市南北運河進行了模型的建立以及模型的率定和驗證，模型在率定區(qū)間模擬效果合理，可應用此模型對沈陽市南北運河進行生態(tài)水質水量的預測。

[參考文獻]

[1] 常旭，王黎.MIKE11模型在渾河流域水質預測中的應用[J].水電能源科學，2013，31（6）.

[2] 李偉，劉冬梅，趙博.基于MIKE11的渾太河水動力水質模型研究[J].吉林水利，2016（5）.