MIKE 21的水質(zhì)數(shù)值模型的應(yīng)用研究

牛智航 張旭東

(河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院，河北 邯鄲 056000)

目前，隨著污染物輸移轉(zhuǎn)化數(shù)值模型的研究日漸完善，水質(zhì)數(shù)值模型逐漸成為研究水體中污染物輸移轉(zhuǎn)化的主要工具，應(yīng)用于水環(huán)境保護及水污染預(yù)防和治理等領(lǐng)域。其中，MIKE 21軟件在解決國內(nèi)水環(huán)境問題的應(yīng)用中得到了廣泛驗證，是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的水質(zhì)數(shù)值模擬軟件。相比物理模型，數(shù)值模型可以系統(tǒng)地分析和整理水文、地形、流場等多種資料，還能快速地計算復(fù)雜多變的污染物的輸移擴散和相互作用，得到可靠的工程解決方案。所以水質(zhì)模擬的運用方法變得越來越重要。本文主要介紹了水質(zhì)數(shù)值模擬的發(fā)展，以及通過MIKE 21數(shù)值模擬軟件建立的不同水質(zhì)模型，對現(xiàn)階段MIKE 21模擬軟件存在的問題進行了討論，并展望了今后的研究方向。

1 水質(zhì)數(shù)值模擬的發(fā)展

從第一個水質(zhì)模型建立至今大約有90年的歷史，在這期間，科學(xué)家們對水質(zhì)模型不斷地進行研究完善，提出了許多成熟的水質(zhì)模型。水質(zhì)數(shù)值模擬的發(fā)展大致可以分為以下4個階段：

第一階段(1925—1965年)：該階段主要研究關(guān)于河流的一維水質(zhì)模型，最具代表性的模型為氧平衡模型。研究河流水體中溶解氧與生化需氧量發(fā)生生物化學(xué)反應(yīng)后兩種物質(zhì)的量的變化，何時達到平衡以及在平衡狀態(tài)時的一些特性規(guī)律。此模型適用于河流湖泊以及河口的數(shù)值模擬[1]。

第二階段(1965—1970年)：隨著計算技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，以及對生化耗氧過程的理解，除了繼續(xù)研究和開發(fā)BOD-DO模型的多參數(shù)估計，水質(zhì)模型也從雙線性模型發(fā)展到6個線性模型，計算方法從一維向二維發(fā)展。除了河流和河口水質(zhì)問題，湖泊和海灣水質(zhì)模型也在研發(fā)中[2]。

第三階段(1970—1975年)：開發(fā)了一種基于營養(yǎng)氮磷循環(huán)反應(yīng)系統(tǒng)和浮游植物、動物食物鏈系統(tǒng)的非線性系統(tǒng)模型。該系統(tǒng)還研究了相關(guān)參數(shù)之間(生物量增長率和營養(yǎng)，陽光和溫度)的關(guān)系。在計算方法上，由于相互作用是非線性的，只能通過數(shù)值方法求解[2]。

第四階段(1975年至今)：將水動力模型與水質(zhì)模型耦合，使得水質(zhì)狀態(tài)變量的數(shù)量增加，同時由于新技術(shù)、新方法的融合，使得水質(zhì)模型的研究多元化，體現(xiàn)為水質(zhì)模擬的多維性、多介質(zhì)模擬、形態(tài)模擬、動態(tài)模擬等多種形式。這些變量加在一起組成相互交錯以及相互作用的較為完整的生態(tài)系統(tǒng)，計算模型也從一維、二維發(fā)展至三維。

2 MIKE 21的計算原理

模型基于三向不可壓縮和Reynolds值均布的Navier-Stokes方程進行計算，并服從于Boussinesq假定和靜水壓力假定。對于水平尺度遠大于垂直尺度的情況，水深、流速等水力參數(shù)沿垂直方向的變化較之沿水平方向的變化要小得多，從而將三維流動的控制方程沿水深積分，并取水深平均可得二維淺水控制方程組。其中連續(xù)方程為

(1)

X方向的動量方程為

(2)

Y方向上的動量方程為

(3)

式中：t為時間，s；x，y為笛卡兒坐標(biāo)系坐標(biāo)；η為水位，m；d為靜止水深，m；h=η+d，為總水深，m；u，v分別為x，y方向上的速度分量，m/s；f是科氏力系數(shù)，g·m/s2，f=2ωsinφ，ω為地球自轉(zhuǎn)速度，ω=0.729×10-4s-1；φ為當(dāng)?shù)鼐暥?；g為重力加速度，m/s2；ρ為水的密度，m3/s；sxx、sxy、syy分別為輻射應(yīng)力分量，Pa；S為源項，g/m2/s；(us，vs)為源項水流流速，m/s。

動量方程和能量方程是MIKE 21水動力模塊中的核心計算方程，以MIKE生成的網(wǎng)格為單位對水的流動進行計算，使水動力模塊可以模擬各種作用力作用下產(chǎn)生的水位和流場變化及模擬可以忽略分層的二維淺水表面流。并且為了避免模型出現(xiàn)不穩(wěn)性，必須設(shè)定干水深(drying depth)、淹沒水深(flooding water depth)和濕水深(wetting depth)，三者關(guān)系必須滿足hdry

水動力模塊是MIKE 21模型軟件中最核心的模塊，包含了大量的水力現(xiàn)象，所以該模塊可以為污染物輸移擴散、泥沙輸運和水環(huán)境模擬提供水動力學(xué)計算基礎(chǔ)。

自2003年以來，MIKE 21系列模型已實際應(yīng)用于國內(nèi)外許多河流的水質(zhì)模擬中。除了一些特殊的水環(huán)境，誤差一般在20%以內(nèi)，模擬結(jié)果相對較好地匹配了實際監(jiān)測值。

3 MIKE 21水質(zhì)模型在湖庫水環(huán)境中的應(yīng)用進展

3.1 影響污染物輸移擴散因素的研究應(yīng)用

重慶大學(xué)張守平等[3]為研究入河排污口對所排入水體水質(zhì)的影響，以亞太紙業(yè)污水處理廠的入河排污口為例，以污染物COD、NH3-N為計算評價指標(biāo)，采用MIKE 21水動力和對流擴散模塊耦合，建立了水質(zhì)數(shù)值模型。結(jié)果表明：該水質(zhì)模型能準(zhǔn)確地表現(xiàn)出污染物在水中的運動規(guī)律，可用于研究入河排污口的設(shè)置工作。

在此基礎(chǔ)上，牙韓爭等[4]用MIKE 21和對流擴散模塊耦合，研究了2004—2012年欽州灣岸線變化對水體中污染物輸移擴散的影響，取COD為計算指標(biāo)來表示水體的污染程度。結(jié)論為：岸線變化后污染物的擴散范圍比岸線變化前增大。

李池鴻[5]針對北海海域，利用濃度增量的概念，運用MIKE 21建立水動力水質(zhì)耦合模型，深入研究了污染物的自凈輸移擴散對海域水功能區(qū)劃、各類生態(tài)保護區(qū)、水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)域水質(zhì)的影響。得出結(jié)論：北海海域遠期將難以滿足功能區(qū)水環(huán)境質(zhì)量要求，應(yīng)盡快采取措施進行干預(yù)。

太原理工大學(xué)楊晨等[6]針對汾河水庫，以污染物COD為計算指標(biāo)模擬了11種污染物遷移擴散的規(guī)律，并考慮了風(fēng)場對污染物輸移擴散的影響。得出結(jié)論：水體中污染物的初始濃度決定了汾河水庫受污染的程度，風(fēng)動力和污染物排放口的水量及水流流速是影響污染物擴散的關(guān)鍵因素。中國海洋大學(xué)張鑫等[7]在此基礎(chǔ)上，又以芝罘島離岸海域的潮流和污染物輸移擴散為例進行了模擬，研究了線源和點源對離岸排放污染物的輸移擴散的影響。結(jié)果表明：在靠近污染物排放口的區(qū)域，線源更利于污染物的擴散，可以使污染物稀釋得更快，降低對周圍環(huán)境的不利影響；在遠離排污口的區(qū)域，點源和線源對水質(zhì)的影響效果基本一致。

為研究南四湖水量和水質(zhì)之間的關(guān)系，在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，宮雪亮等[8]利用MIKE 21水動力水質(zhì)耦合模型，以污染物COD和TP為計算指標(biāo)，模擬了南四湖水質(zhì)與水量之間的關(guān)系，為南四湖水質(zhì)的改善提供了科學(xué)依據(jù)。

高曉薇等[9]運用MIKE 21構(gòu)建了北運河水系的二維水動力水質(zhì)數(shù)值模型，預(yù)測了北運河綜合治理工程實施后北運河(北京段)水污染特征時空變化情況。最后提出，應(yīng)在控制點源污染的同時，加大雨污合流管道汛期溢流污水及雨水管道初期雨水的收集和處理，有效控制面源污染入河。

以流域為單位對水資源與水環(huán)境實施統(tǒng)一管理,目前已成為國內(nèi)外公認(rèn)的科學(xué)原則。利用這一原則，桂青[10]通過采用MIKE 21軟件建立長江下游某一河段的二維水流水質(zhì)模型，重點研究了新孟河延伸拓浚工程對長江水環(huán)境的影響。結(jié)果表明：新孟河延伸拓浚工程對長江及下游水環(huán)境影響較小，且對水質(zhì)有輕度的改善。

針對甬江建閘是否會使水質(zhì)惡化的問題，田傳沖等[11]運用MIKE 21水動力與對流擴散模塊耦合建立數(shù)值模型，預(yù)測建閘后甬江水質(zhì)的變化，考慮了在鎮(zhèn)海電廠建閘與在河口建閘兩種方案。結(jié)果表明：無論在哪建閘，建閘后的水質(zhì)都會變差。

MIKE 21模型與對流擴散模塊耦合，很好地反映了污染物在水中的運動規(guī)律，與實際情況相符，可以對各類水質(zhì)污染情景進行模擬，還可以構(gòu)建水質(zhì)預(yù)測模型，對要建設(shè)的工程或者改善水質(zhì)的方法提出科學(xué)的建議，體現(xiàn)了其良好的適用性、通用性和豐富性。對于僅僅以了解污染物輸移擴散狀況為目的的研究，可以用MIKE 21和對流擴散模塊耦合，優(yōu)點是計算快、需要的數(shù)據(jù)少，只需率定擴散系數(shù)、降解系數(shù)和糙率3個參數(shù)，并且構(gòu)建模型所需時間少。

3.2 MIKE 21水動力與ECO Lab模塊耦合的應(yīng)用

3.2.1 ECO Lab模塊簡介

MIKE 21需要和ECO Lab功能模塊耦合來進行復(fù)雜的水質(zhì)數(shù)值模擬，ECO Lab模塊不僅可以模擬污染物的輸移擴散和降解，還可以模擬污染物的物理沉降過程，以及描述化學(xué)、生物、生態(tài)過程和污染物之間的相互作用。ECO Lab水環(huán)境模擬功能模塊的加入，使得MIKE 21成為一個有效的環(huán)境模擬及評價工具。ECO Lab功能模塊是真正意義上的水質(zhì)模型工具。

3.2.2 模型應(yīng)用

周紅玉等[12]利用MIKE 21水動力模塊和ECO Lab模塊耦合，模擬了南水北調(diào)來水對密云水庫水質(zhì)、水生態(tài)的影響，模擬成果對密云水庫水環(huán)境管理工作具有一定的指導(dǎo)意義。

武柯宏等[13]為研究水庫蓄水過程重金屬污染物遷移轉(zhuǎn)化的特性，以宗通卡水利樞紐工程為例，構(gòu)建了水動力水質(zhì)耦合模型，對豐水年、枯水年、平水年3個典型年份的水流特征和重金屬污染物As和Fe的遷移特性進行了研究，并得出了合理的結(jié)果?？捎糜谶M一步研究和預(yù)測庫區(qū)蓄水后水體中重金屬As和Fe的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。

為研究建設(shè)生態(tài)島對水庫水環(huán)境的影響，牛明慧等[14]利用MIKE 21與水環(huán)境ECO Lab模塊耦合，構(gòu)建了水質(zhì)預(yù)測模型。以濟南臥虎山水庫為例，對其流速、流場、污染物的擴散進行了模擬。結(jié)果表明：生態(tài)島可以緩解水庫的環(huán)流現(xiàn)象，加快了水體上下交換的速度，有利于水庫水質(zhì)的改善，還提高了水庫的自凈能力。

Qinghui Zeng等[15]利用MIKE 21耦合ECO Lab模塊對洱海水質(zhì)進行了模擬,建立了洱海水質(zhì)耦合的水動力學(xué)模型，模擬了洱海的現(xiàn)狀。結(jié)果表明：湖北、湖南的水質(zhì)等級為三級，湖心的水質(zhì)等級為二級。最后，對洱海水環(huán)境容量和污染物排放總量進行了篩選，為洱海水資源管理和有效利用提供了一定的指導(dǎo)。

為研究湖泊水庫的富營養(yǎng)化現(xiàn)象，M.J.Xu等[16]用MIKE 21建立了二維富營養(yǎng)化模型，以華北陡河水庫為研究對象，采用“營養(yǎng)狀態(tài)綜合指數(shù)”評價不同情景下水庫富營養(yǎng)化水平，找出了富營養(yǎng)化的原因和趨勢，為富營養(yǎng)化防治提供參考。

ECO Lab模塊把傳統(tǒng)水質(zhì)模塊轉(zhuǎn)換成了通用模板，包括水質(zhì)模板、富營養(yǎng)化模板和重金屬模版，用戶可根據(jù)所研究的內(nèi)容選擇適合的模板，而且可以根據(jù)需要修改模板參數(shù)，甚至編寫程序、創(chuàng)建新模板，操作靈活。相較于對流擴散模塊，參數(shù)更多也更加復(fù)雜，需率定的參數(shù)更多，修改模板所需時間更長。

3.3 MIKE 21與其他軟件耦合的應(yīng)用

王小青等[17]根據(jù)模型軟件的特點，利用MIKE 21模型對水動力水質(zhì)先進的模擬技術(shù)，結(jié)合SWAT分布式模型研究了污染負(fù)荷的優(yōu)勢，建立了SWAT與MIKE 21耦合模型，研究了澎溪河流域的水環(huán)境問題。結(jié)果表明：MIKE 21和SWAT耦合模型可靠性較好，適用于流域水污染研究。

南京水利科學(xué)研究院楊德瑋等[18]用MIKE 21模型和BREACH模型耦合，分析了MIKE 21模型和BREACH模型在保障水庫大壩安全運行及風(fēng)險管理方面發(fā)揮的積極作用。結(jié)果表明：此方法能客觀反映潰壩洪水的行洪情況，使用方便，為水庫大壩的運行管理與應(yīng)急處置提供了一定的技術(shù)支持。

朱穎蕾等[19]用MIKE 21和MIKE Urban耦合，對岳陽市的地下管網(wǎng)與陸面漫流進行計算，得到了不同重現(xiàn)期不同暴雨歷時情景下，產(chǎn)生的12種內(nèi)澇結(jié)果。結(jié)果表明：模型模擬結(jié)果與實際情況一致，內(nèi)澇主要影響岳陽市內(nèi)湖周邊地勢較低處，此模型可以為平原湖區(qū)城市內(nèi)澇工作提供參考。

MIKE 21與其他模型軟件耦合，使建立的模型避免了各軟件之間的局限性，更是利用了各軟件之間的優(yōu)勢，使建立的模型運行出的結(jié)果更加真實。

4 MIKE系列軟件之間的關(guān)系

4.1 MIKE URBAN與MIKE FLOOD

MIKE URBAN是一款致力于城市給排水管網(wǎng)建模方面的軟件，而MIKE FLOOD則是綜合了一維MIKE URBAN、MIKE 11和二維MIKE 21動態(tài)耦合的洪水模擬軟件包。對于當(dāng)下熱點的城市內(nèi)澇、流域洪水以及海綿城市建設(shè)問題，往往需要用一維的MIKE URBAN進行城市管網(wǎng)模型搭建和MIKE 11進行河網(wǎng)模型搭建，并將一維模型與二維地表漫流模型(MIKE 21)進行耦合(即MIKE FLOOD)，來達到相關(guān)內(nèi)澇風(fēng)險、流域風(fēng)險以及城市管網(wǎng)排水能力、調(diào)蓄能力的評估等要求。

4.2 MIKE11與MIKE 21的不同

MIKE11是一維河道、河網(wǎng)綜合模擬軟件，主要用于河口、河流、灌溉系統(tǒng)和其他內(nèi)陸水域的水文學(xué)、水力學(xué)、水質(zhì)和泥沙傳輸模擬,在防汛洪水預(yù)報、水資源水量水質(zhì)管理、水利工程規(guī)劃設(shè)計論證中均得到了廣泛應(yīng)用。MIKE 21是河口、海岸綜合模擬系統(tǒng)軟件，MIKE 21是專業(yè)的二維自由水面流動模擬系統(tǒng)工程軟件包,適用于湖泊、河口、海灣和海岸地區(qū)的水力及其相關(guān)現(xiàn)象的平面二維仿真模擬。MIKE 21采用標(biāo)準(zhǔn)的二維模擬技術(shù)為設(shè)計者提供獨特靈活的仿真模擬環(huán)境，主要用于河口、河流、海洋、水庫等地表水體流動、波浪、水環(huán)境變化、泥沙運移等二維水利專業(yè)工程軟件。

MIKE 21可與MIKE 11耦合,即一維、二維耦合,進行河口復(fù)雜水流的模擬、洪水預(yù)報和淹沒范圍計算等。

MIKE 21模型應(yīng)用靈活，不僅可以調(diào)用MIKE系列軟件中不同模型，還可以耦合其他模型(如SWAT、SMS、SWMM等)，利用其各自的優(yōu)勢，模擬不同的水質(zhì)問題。

5 MIKE 21模型應(yīng)用前景

MIKE 21系列模型具有廣闊的應(yīng)用前景，根據(jù)我國的實際情況，模型的應(yīng)用和改進應(yīng)著重于以下幾個方面:

a.模型應(yīng)用和合理的模型評價指標(biāo)體系有待進一步完善。水環(huán)境優(yōu)化首先要結(jié)合社會經(jīng)濟發(fā)展，從社會經(jīng)濟和資源環(huán)境等領(lǐng)域選擇評價指標(biāo)，建立指標(biāo)結(jié)構(gòu)清晰的評價分層系統(tǒng)。確定各指標(biāo)的權(quán)重，建立流域水環(huán)境容量綜合評價模型[4]。

b.ECO Lab功能模塊的各項水質(zhì)參數(shù)太多，參數(shù)率定過程又太繁瑣，沒有足夠成熟的率定方法，在率定方法方面可供借鑒的文獻也太少，需要科研人員在這方面不斷地完善。

c.水質(zhì)和水力學(xué)參數(shù)的選擇和確定需要進一步研究。因為我國不同水體的水質(zhì)參數(shù)和水力學(xué)參數(shù)不同，一些MIKE 21水質(zhì)模型的經(jīng)驗參數(shù)，可能與我國某些河流湖泊的實際情況不相符，導(dǎo)致模擬的準(zhǔn)確性大大降低[4]。

d.需進一步研究與其他水質(zhì)軟件的結(jié)合，以避免獨立軟件的局限性。水質(zhì)軟件的相互結(jié)合也必將使數(shù)值模擬領(lǐng)域更加成熟，更加符合實際。相關(guān)的研究在國內(nèi)剛剛開始，也必將成為一種趨勢。

e.MIKE 21對網(wǎng)格文件的識別必須嚴(yán)格執(zhí)行其規(guī)則，否則MIKE 21網(wǎng)格與網(wǎng)格SMS相互轉(zhuǎn)換時容易出現(xiàn)錯誤。

f.用MIKE軟件做有橋墩的模型計算時，計算結(jié)果顯示橋墩邊界會有變形問題，解決方法還有待改進。