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MIKE21 水质培训教程


MIKE21 水质培训教程





MIKE21 水质培训教程 ................................................................................................1 1
1.1 1.2

EC

O Lab 简介 ......................................................................................................1
应用领域 .................................................................................................................................1 内置模块和使用手册 .............................................................................................................1

2

WQ-水质模块 ...................................................................................................2
2.1 MIKE21 WQ 水质模块的目标 ......................................................................................................2 2.2 目前水质模块可进行以下模拟: ...............................................................................................2

3 4
4.1 4.2 4.3

EU-富营养化模块 .............................................................................................6 MIKE 21 水质模型 ............................................................................................11
基本水质模块设置 ...............................................................................................................11 仅用 AD 进行水质模拟........................................................................................................13 ECO Lab 与 AD 耦合进行水质模拟...................................................................................13

5
5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7

MIKE 21 水质模型练习 ....................................................................................15
No.1 -对已有内置模块的简单修改...................................................................................15 No.2 - 创建简单的大肠杆菌模块 ......................................................................................17 No.3 - BOD/DO 和大肠杆菌 .............................................................................................18 No.4-使用 ECO Lab 模拟盐度和 CODcr ........................................................................22 No.5-暴雨污水溢流和氮过程模拟 ....................................................................................23 No.6-水质率定....................................................................................................................25 No.7-渤海湾水质练习........................................................................................................27

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水质模型应用要点归纳 ....................................................................................38

1

1 ECO Lab 简介
ECO Lab 软件开发的理念和方法非常先进,用户不仅可以修改模型参数,更重要的是 可以修改模块核心程序,甚至编写新程序,然后 ECO Lab 将其与 MIKE 11/21/3 的 HD 、AD 集成计算,实现将各水生生态系统转化为可靠的数值模拟用于精确的预报。

1.1

应用领域
? 河流、湿地、湖泊、水库、河口、海岸和海洋 ? 各生态系统反应的空间预测 ? 简单和复杂的水质研究 ? 环境影响和优化研究 ? 规划和可行性研究 ? 水质预报

1.2

内置模块和使用手册
? DHI 预定义的 ECO Lab 模块在以下目录中: C:\Program Files\DHI\MIKEZero\ Templates\ECO Lab ? 使用手册和说明在以下目录中: C:\Program Files\DHI\MIKEZero\Manuals\MIKE_ZERO\ECO Lab \ ECO LAB_UserGuide.pdf (中文版本参见 ECO LAB 使用手册.doc) C:\Program Files\DHI\MIKEZero\Manuals\MIKE_21\FlowModel\EL \M21EL.pdf

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2 WQ-水质模块
2.1 MIKE21 WQ 水质模块的目标 MIKE21 水质模型主要针对海洋区域的污水排放引起的水质问题,比如 BOD/DO, 富营养化和细菌污染。该模型还可以简单模拟富营养化对光合作用的短期效应(以 叶绿素 a 来表示 )。如需模拟营养物质和浮游生态系统的基本转化,则需使用 MIKE 21 EU 富营养化模块。

2.2 目前水质模块可进行以下模拟: ? 大肠杆菌,粪大肠杆菌/ 总大肠杆菌的传输和死亡(用一级降解来表示),降解 速率取决于当地的光强,温度和盐度条件等。 ? BOD-DO 关系,即排放的有机物所引起的耗氧。考虑以下几个过程: BOD 一级降解 BOD 降解引起的耗氧 底泥需氧量 水体中的呼吸作用 光合作用产氧 水气相互作用下的氧交换 (大气复氧) ? BOD-DO 模块包括不同营养物(氨氮,硝酸盐和磷)以及三种 BOD 形式:溶解 性,悬浮性和沉积 BOD 。使用该模块需要设置三种 BOD 组分的一级降解速 率。悬浮和沉积的 BOD 将考虑沉降和再悬浮。该模块中氧平衡过程主要包括: BOD 降解需氧量,底泥需氧量,硝化反应需氧量,光合作用产氧,水体呼吸作 用耗氧以及大气复氧。营养物转化的基本过程包括: BOD 降解释放有机氮和 磷,产生的氨氮经硝化反应变成硝酸盐氮,最终通过反硝化作用生成氮气,释 放在大气中。同时,BOD 降解所释放的部分氨氮和磷可以被浮游生物,植物和 细菌所吸收。 ? 用户可以实际需求自定义多种污染物质,并定义相应的降解速率进行模拟。

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典型污染问题 与典型污染问题相关的污染物质有: ? 近海水域中与健康相关的微生物 ? 耗氧物质 ? 营养物质 ? 异生化合物,例如有危害性或毒性的化合物

与健康相关的微生物 对于近海水域微生物调查的主要目的在于指出其用水安全性,或是作为对该处鱼 类,贝类等生长环境的调查。一个全面的微生物风险评估包括: ? 环境健康评估 包括关于排水管道或污水排放口,雨水排放口的季节性变化,水温,流量,潮汐变 化等信息,以及一个报告和行动系统以确保水质恶化引起的问题能及时通知到健康 权威机构并作出相应处理。 ? 指示剂生物体的出现和这些生物体的行为,包括其与物理-化学因素及相关 病原体关联的死亡速率(基于光强、盐度、水温、沉降速率和污染程度 等)。 ? 病原体的呈现

耗氧物质 耗氧物质分为溶解性和悬浮性物质,与氧进行生物或生物化学作用,消耗水中的溶 解氧。这些耗氧物质主要是一些不同类型的有机物,具有不同类的降解速率。生化 需氧量(BOD )是间接反应水中能为微生物分解的有机物总量的一个综合指标。有 机物在有氧条件下为微生物分解产生 H2 O、CO 2 和 NH3。一般 BOD 以被检验的水样 在标准条件下 5 天内的耗氧量为代表,称为 BOD5。

营养物质 许多营养物质都是生物生长的必要元素。适量的营养物对于水中微生物的生长及活 动是必需的,然而,一旦营养物质过量就会引起富营养化,将引起一系列的问题,

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如水体污浊,河床底部缺氧,生物沉积量的增加等。MIKE 21 富营养化模块可用来 模拟这种情况,因为该模块考虑到藻类对其它物质的直接影响。

在营养物质中氮和磷是最重要的,它们是水生植物生长的控制因子。氮以氨氮和硝 酸盐这两种无机氮的形式存在。许多国家对近海水域中的这些营养物质都设定了浓 度标准。MIKE21 水质模型 (WQ)就是设计用于评估和这些标准浓度相关的水质问 题。MIKE21 富营养化模块(EU)更为复杂,一般水质问题无需使用。

在目前国内的实际项目中,进入河流的污染负荷主要来源于生活、工业和农业,因 此多用四级 WQ 模块进行基本水质指标的模拟和率定。

水质模块状态变量涉及到的过程描述(以 WQLevel4 为例): DO :reaera + phtsyn - respT - BodDecay - SOD –OxygenConsumptionFromNitrification TEMP:Rad_in-Rad_out AMMONIA:AmmoniaReleaseFromBOD - Nitrification - Plantuptake –bacteriaUptake NITRATE :Nitrification –Denitrification BOD :- BodDecay - Sedimentation + Resuspension OP :PPdecay - PPformation + OPreleaseFromBOD –OpplantUptake PP :- PPdecay + PPformation - PPsedimentation + Ppresuspension FaecalColi:-FaecalColiDecay TotColi :-TotalColiDecay

主要常数: ? 降解系数 ? 温度系数 ? 沉降和再悬浮速率 ? 沉降临界速率 ? 产氧速率 ? 呼吸速率 ? 底泥需氧量

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? 耗氧速率(如硝化过程) ? N/P 产率和被吸收速率 ? 反应级数 ? 硝化/ 反硝化速率

主要参数经验值: 1. BOD 一级降解速率: 0.1-0.5 /day 温度系数 1.02-1.09 2. BOD 降解过程释放氨氮的典型产出率 原污水: 0.065 gNH4/gBOD (0.01-0.1) 生化处理后污水: 0.3 gNH4/gBOD (0.1- 0.6) 3. 硝化速率 0.05 /day (0.01 - 0.3) 温度系数 1.088 硝化需氧量: 4.57gO2/gNH4 4. 反硝化速率 0.1/day (0.05 - 0.3) 温度系数 1.16 5. 植物吸收 N(光合作用): 植物 0.066 gNH4/gBOD 6. BOD 降解过程中细菌吸收 N: 0.109 gNH4/gBOD. 7. BOD 降解释放无机磷的典型产出率 原污水: 0.014 gP/gBOD (0.003-0.03) 生化处理后污水: 0.06 gP/gBOD (0.01- 0.09) 8. 植物吸收 P: 0.0091 gP/gBOD 9. 颗粒态磷(PP) 降解速率: 0.1-0.2/day

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3 EU-富营养化模块
本章节主要介绍两部分内容。一是描述目前 MIKE 21 富营养化模块,二是大致描 述富营养化和污染问题。

MIKE 21 富营养化模块的目标 富营养化模块(EU)用来描述水中溶解氧状态,营养物循环,浮游植物和浮游动 物的生长过程以及根系植被和大型藻类生长和分布等。主要应用在相关的海洋水 域,污染问题主要与营养物质的负荷有关。氮和磷通常是基本的营养物质 , 它们控 制着水中浮游植物和大型藻类(如石莼)的生长。这些植物会引起富营养化问题。

目前富营养化模块可进行以下模拟: ? 浮游植物的生长,主要与氮和磷的营养物负荷、被研究系统中与水动力过程 相结合的内部生物和化学过程有关。 ? 由于水中浮游植物的数量以及死亡有机物(腐质)所造成的水体透明度的下 降。腐质主要来自生物过程中产生的有机物质或污染源排放产生的腐质。 ? 底栖植被(如大型藻类)的生长,主要取决于与浮游植物竞争所获得的营养 物质,这也将影响光的穿透性以及能够到达底部供大型藻类生长所需的光 照。 ? 由于冷却水排放造成的海洋温度变化给生物过程带来的影响。 ? 与各生物活动(产氧、藻类呼吸作用,死亡有机物即腐质的降解和沉积物呼 吸作用)相关的氧平衡。

典型污染问题 与正常、自然的水体相比,若水生态系统中营养物过剩则出现富营养化。通常氮和 磷营养物质的过剩是由人类活动造成的。

自然界中营养物质的来源主要包括: ? 未经处理或经过不同程度处理的? 生活污水

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? 粪便播撒以及化肥使用等农业活动 ? 工业废水 ? 大气沉降,来源于矿物燃料的燃烧以及粪便/化肥的蒸发作用(如氨氮) 海洋系统的富营养化状态不仅仅取决于营养物质的负荷,该区域的水动力条件也相 当重要。将等量的营养物质分别以强流形式排入远海,或以低水量交换方式排入浅 海礁湖,两者对当地造成的影响不尽相同。

以下简要描述一些富营养化模块的典型运用。

废水管理 全球许多接受城市污水和工业废水排放的沿海地区正在饱受着由于富营养化引起的 藻华、大型藻类生长失控以及海藻腐烂时大量耗氧等灾害之苦。这最终导致了生态 平衡被打破,海洋生态系统被恶化。

对这些区域的生活和工业废水进行必需的治理通常会考虑以下问题: ? 若无污染负荷进入的自然海洋生态系统是怎样的,其藻类生长以及其他生物 过程的叁数是如何设置的? ? 藻类生长的控制因子是磷、氮还是两者相互作用的结果? ? 仅减少某一种营养物(如磷)还是同时减少氮磷两种营养物对生态系统更为 有效? ? 为获得合适的生态条件,营养物质排放浓度降低到何种程度是必需的? ? 与污染源排放的污水相比,诸如大气沉降等产生的营养物质会起到什么作 用?

在污水处理的规划阶段,会有以上和其他许多问题产生,但最终都会选择一个 合适的方案来改善海洋环境效应。使用富营养化模块,并与可行性技术方案、 相关成本和环境法律法规相结合,进行结果模拟。

海岸生态系统管理

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许多海洋生态系统,比如河口,峡湾,咸水湖和海湾,已经由于农业污水排放和地 表径流而导致严重的富营养化。尤其在一些浅水区域中,浮游植物和底栖植被之间 的相互作用和竞争已成为生物状态的主导因子。自然状态下这些系统的初级生产通 常受根系植被的影响,如鳗草(绣眼儿属),导致浮游植物生长所需的营养物质很 少,这就意味着水中微藻类的浓度较低,水体透明度较高。

当营养物输入增加时,水体透明度下降,导致浮游植物增长。随着光照条件的下 降,在较深海域内根系植被逐渐消失。而在较浅的海域中可以看见大型藻类的生 长。

在富营养化阶段,浮游植物在较深海域的生态系统中占主导地位。此时透光度低, 水体呈“绿色”。根系植被仅在浅水区域里稀疏地生长,导致初级生产力的是主要 因子是大型藻类。尤其在沉积物中,所产生的有机物在降解过程中会增加耗氧量, 导致在沉积物中产生缺氧期。 缺氧状态以及由于在沉积物中厌氧条件产生的有毒 气体(如硫化氢),会对底部的动物群和鱼类繁衍有害,而这些海域通常是鱼类重 要的栖息地。

海洋生态系统的修复项目通常会考虑以下问题: ? 哪种营养物排放该对富营养化贡献最大? ? 与季节性变化明显的农业负荷相比,连续排放的污水负荷对水体会产生何种 效果? ? 推荐何种补救措施来恢复生态系统,比如污水处理、减少农业化肥使用量、 沉积物中营养物的疏浚等。 ? 提高水量交换会产生何种效果?例如:在沿海泻湖区是否可以改善生态条 件? ? 营养物在进入沿海生态系统前有多少部分将被滞留,有多少部分可到达公 海,系统的同化能力是多少? 在实际例子中可能出现其他疑问,可能必须考虑许多其他因素,在此不一一进行介 绍。

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冷却水研究 来自发电厂的冷却水排放对沿海地区的海洋生态系统有各种不同的影响。主要有: 由于出口区域温度升高对初级生产的影响,经过发电厂冷却系统会导致浮游动物的 大量死亡。

较小的影响可能表现为水流变化,尤其在许多周边区域。值得注意的是,除冷却水 效应之外,发电厂使用的有毒物质可能会影响生物体。例如:管道防垢剂的使用。

岸上建筑的环境效应 港口、桥梁、堤坝和垃圾填埋场等建筑物在建设期内或在竣工后都会给海洋生态带 来一定影响。 在工程期间,尤其用开挖操作时,开挖沙石和倾倒材料可能对植物和动物群产生有 害影响。这种操作不仅会在物理上破坏和减少天然栖息地,而且悬挂材料会降低光 的穿透力,限制底部植物的生长。

富营养化模拟的数据收集 模型率定所收集的必要数据包括: ? 浮游植物生产量,既可用(gO2/m2/d )也可用(gC/ m 2/d) ? 叶绿素-a 浓度( g/m3) ? 无机氮和磷(g/m3) ? 总氮和磷(g/m3) ? 氧(g/m3) ? 底栖植被生物量(gC/m2)(如果包含在建模中)

这些数据是必要的,此外其他相关数据有浮游动物生物量和腐质碳浓度。 这些数据必须覆盖研究区域,采集位置必须靠近模型边界位置。为得到可靠模拟结 果,边界数据尤为重要。

模拟对象:

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浮游植物、浮游动物、有机物(腐质)、有机和无机的营养物 N 和 P,DO,底栖 植被生物量等。 状态变量有 12 个(以 EU1 为例): PC、PN、PP CH ZC DC、DN、DP IN 、IP DO BC 富营养化模块状态变量涉及到的过程描述: 1) Algal Carbon: PRPC-GRPC-DEPC-SEPC 2) Algal Nitrogen: PRPN-GRPN-DEPN-SEPN 3) Algal Phosphorous: PRPP-GRPP-DEPP-SEPP 4) Chlorophyll-a: PRCH-DECH-SECH 5) Zooplankton: PRZC-EKZC-DEZC 6) Detritus Carbon: DEPC+SLMC+SLAC+EKZC+DEZC-REDC-SEDC 7) Detritus Nitrogen: DEPN+SLMN+SLAN+EKZN+DEZN-REDN-SEDN 8) Detritus Phosphorous: DEPP+SLMP+SLAP+EKZP+DEZP-REDP-SEDP 9) Inorganic Nitrogen: REDN+REZN+RESN-UNMN+REBN 10) Inorganic Phosphorous: REDP+REZP+RESP-UNMP+REBP 11) Dissolved Oxygen: ODPC+ODMC+ODAC-ODDC-ODZC-ODSC+REAR 12) Macroalgae: PRMC-SLMC-REMC

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4 MIKE 21 水质模型
基本水质模块设置
MIKE 21 水质模型所需数据资料: ? 基本模型参数: 模型网格大小和范围; 时间步长和模拟时间; 输出项类型和频率 ? 地形和 HD 条件 ? 耦合的 AD 模型:扩散系数的率定 ? 初始值:各参数的浓度值 ? 边界条件:各参数的浓度值 ? 污染源:坐标位置、水动力条件及各参数的浓度值 ? 各生物过程速率值:参考率定值、经验值或监测值等。

在 MIKE21 模型中添加 ECO Lab 模块 第 一 步 :引 入 水 质 模 块 : MIKE 21 ? Flow Model ? Basic Parameters ? Module Selection ? Hydrodynamic and ECO Lab,出现 ECO Lab Parameters,参见图 4.1。 第二步:在 Model Definition 里选择适当的内置水质模块或自定义模块。 水质模拟时间步长通常先以 0.5 小时进行计算。 第三步:在 ECO Lab 模块中分别对需模拟的状态变量、边界水质条件、扩散系数、污染源浓 度、ECO Lab 模块各参数、作用力和输出项进行设定。

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图 4.1

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仅用 AD 进行水质模拟
AD 模拟物质在水体中的对流和扩散过程,可以设定一个恒定的衰减常数模拟非保守物
dC ?? KC 质,满足一级反应方程式 dt 。可以把 MIKE 21 AD 作为简单的水质模型,其衰

减系数仅是简单的一级衰减反应系数。真正的水质模型和生态模型是 ECO Lab 。

使用 AD 进行水质模拟包括以下几个方面: 1. 2. 组分定义:Decaying, conservative, Heat dissipating 和 Heat Exchange 初始浓度值设定:常数或 dfs2 文件 ? 初始条件对模型的结果影响较小,一般能在较短的模拟时间段内趋于稳定。一 般初始值取模拟起始时间水质指标的监测平均值。 ? 若使用 hotstart 文件进行 AD 计算,则初始值不再参与计算。 3. 4. 5. 边界浓度值的设定:常数、dfs0 文件或 dfs1 文件 衰减系数的设定:常数或 dfs0 文件(考虑随时间步长的改变) 扩散系数的设定: ? 扩散系数为率定参数,是进行水质模拟相当重要的一个基础参数,一般可以利 用保守物质,如盐度或示踪剂进行率定。 ? 在 MIKE21 中,网格间距大的地形其扩散系数要比网格间距小的地形的扩散系 数大,而且 X 和 Y 方向的取值可以不同。

ECO Lab 与 AD 耦合进行水质模拟
1. 进行 MIKE21 的深度水质模拟,必须使用 ECO Lab 模块,此时 AD 模块会耦合 在 ECO Lab 模块中。对水质模拟起关键作用的是水质组分和扩散系数的设定。 2. 在 ECO Lab 模块中详细描述了各状态变量的物理、生化过程。水质模块包括对 状态变量初始浓度值、边界条件、扩散系数、源汇、ECO Lab 模板参数、作用 力以及输出结果类型等的设定。 3. ECO Lab 根据模拟水质过程从简单到复杂可分为许多级。每级模块都分别定义 了需模拟的组分及其排列顺序。 4. DHI 自定义的水质模块主要有以下一些模块:
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若对标准 DHI 模块以外的水质组分进行模拟,必须在 ECO Lab 里预先定义该状 态变量以及相关的物理、生化过程,再将用户自定义的模块导入 MIKE21 模型。

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5 MIKE 21 水质模型练习
No.1 -对已有内置模块的简单修改

练习目的: 熟悉 ECO Lab 模块的 6 大组成部分(STATE_VARIABLES, CONSTANTS, FORCINGS, AUXILIARY_VARIABLES, PROCESSES 和 DERIVED_OUTPUTS)以及如何进行相互 转化和修改。

打开 C:\Program Files\DHI\MIKEZero\Templates\ECOLab WQlevel4ColiPhos.ecolab, 另存在 Mike21 Exercises\Basic Template\WQlevel4ColiPhos_update.ecolab

练习内容: 1、添加衍生变量 DERIVED_OUTPUTS TIN=AMMONIA+NITRATE TIP=OP+PP CODcr = K*BOD,常数 K=3

2、将温度 TEMP 从 STATE_VARIABLES 变成 FORCING 进行模拟计算。

3、创建盐度和 CODcr 的 ECOLab 模块 MIKE Zero ? ECO Lab,如图 5.1 ? OK ,双击打开 ECO Lab 参数文件编辑器, 进入空白的水质模块编辑对话框,如图 5.2 所示。 假设盐度为保守物质,不考虑衰减过程。CODcr 考虑简单一级衰减过程,满足
dCODcr ? ? Kcod * CODcr dt 一级反应方程式 ,分别定义状态变量、衰减系数和过

程,创建一个简单的盐度和 CODcr 降解过程的 ECO Lab 模块,文件命名为 S_CODcr.ecolab,保存在 Mike21 Exercises\Basic Template 目录中。

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图 5.1

图 5.2

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No.2 - 创建简单的大肠杆菌模块
练习目的: 创建一个简单的 SimpleColi.ecolab 模板,描述水生态环境中的大肠杆菌变化。进一步掌 握 ECOLab 的模块结构。

假定大肠杆菌在水中的降解是采用一级衰减公式,衰减与温度有关。为了简化,在本 例中我们不考虑盐度与光辐射对降解的影响,虽然这两项指标对大肠杆菌的降解有着 重要影响。模块保存在 Mike21 Exercises\Basic Template 目录中。参数信息见下表 5.1:

表 5.1 大肠杆菌模块参数信息一览表
状态变量 变量名 FC Faecal Coliform Bacteria WC ADVECTION_ DISPERSION HORIZONTAL_ AND_VERTICAL Transformation 1st order rate WQ model per day Yes NONE NONE
HORIZONTAL_ AND_VERTICAL HORIZONTAL_ AND_VERTICAL

过程 FCdegr Degradation of Faecal Coliform WC

常数 KcoliF 1st order decay 20°C, (faecal)

常数 tetaT Temperature coefficient for decay rate

作用力 temp

辅助变量 fTemp Factor for temperature influence

描述

Temperature

范围 传输 空间 变化 过程 类型 EUM 类型 单位 用户自 定义 内置ID 默认值 最小值 最大值 表达式 输出

Undefined 1/100 ml

Undefined Dimensionless Yes

Undefined degrees C No TEMPERATUR E

Undefined Dimensionless

0 0 1000000000 -FCdegr KcoliF*FC* fTemp Yes

0.8 0 10

1.09 1 1.2

10 0 100
POW(tetaT,temp-20)

Yes

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No.3 - BOD/DO 和大肠杆菌
练习目的: 研究单一排污口对水中 BOD 、DO 和大肠杆菌浓度的影响。

第一部分 打开 Mike21 Exercises\DO-BOD with coliforms\Masn\masn.21,另存为 masn_WQ1.21 。 ? 文件内容: 地形:bathy.dfs2 边界:流量 west.dfs0;水位 east.dfs0 外力:wind.dfs0 水质模块:Wqsimple.ecolab ,仅简单定义了 BOD/DO 过程。

注意:当加载一个新的 ECO Lab 模块时,常数、初始浓度值、外力和边界条件均设定 为系统默认值,需根据当地实际情况和率定值进行进一步修改。

? 模型简介: 1) 该模型描述了两个岛屿之间的海峡区域,覆盖 16.5* 7.2km 的范围。 2) 有一个西边界和两个东边界,西边界为随潮汐变化的流量边界,东边界为水位 边界。 3) 在点 (22,13) 处有个污染源排放口,连续进行排放。排放量为 1.0m3/s。参见图 5.3。

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图 5.3

? 参数设定: 1) 网格间距:300 m 2) 时间步长:240 s,更新频率:1 个(AD Time Step) 3) 时间范围:0 ~1800 4) 初始条件:DO=10 mg/l,BOD= 0 mg/l 5) 开边界:DO=10 mg/l,BOD= 1 mg/l 6) 污染源(22,13):Q=1.0 m3/s,V=0.1m/s, 排放角度:0 DO=0 mg/l,BOD= 50 mg/l 7) 扩散系数:选择“ independent of the current” , X 方向 5.4 m2/s,Y 方向 5.4 m2/s 8) “ Deposition” 选项在 Mike21 中无需设定 9) ECO Lab 模块参数设定参见下表 5.2 10) 作用力设置: 温度 T=10℃,盐度 S=20 psu,其余均采用 Built-in 值。 饱和溶解氧=F(温度,盐度) 11) 输出时间步长:2hr

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表 5.2 练习 No.3 中 ECO Lab 模块的参数设定值

编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Latitude

常数描述

数 值 Built-in 1.5 /day 1.047 2.0 mg/l 2.0 g O2/m 2/day 2.65 m 0 hours 1.0 g O2/m 2/day 1.0 2.0 mg/l 1.5 g O2/m 2/day 1.07 2.0 mg/l

BOD Processes: 1st order decay rate at 20 deg. celcius BOD processes: Temperature coefficient for decay rate BOD Processes: Half-saturation oxygen concentration Oxygen processes: Maximum oxygen production at noon, m2 Oxygen processes: Secchi disk depths Oxygen processes: Time correction for at noon Oxygen processes: Respiration rate of plants, m2 Oxygen processes: Temperature coefficient, respiration Oxygen processes: Half-saturation conc. for respiration Oxygen processes: Sediment Oxygen Demand per m2 Oxygen processes: Temperature coefficient for SOD Oxygen processes: Half-saturation conc. for SOD

? 结果查看和分析: 提取 A (16, 13) 和 B (31, 15) 两点进行分析。这两点的位置参见图 5.3。

可以直接在结果文件中输出这两点的结果或者根据.dfs2 结果文件提取 A 点和 B 点 BOD 和 DO 浓 度 的 时 间 序 列 结 果 文 件 。 文 件 命 名 为 x16_y13_10_20.dfs0 和 x31_y15_10_20.dfs0。

使用 Plot Composer 对结果进行绘制。

小结: ? 要想获得合理的水质结果,边界条件对模型设置起到控制作用。 ? 经过很短时间的计算,污染物浓度值即可趋于稳定,因此初始值对模型结果的影响 较小。 ? BOD 和 DO 浓度的变化遵循潮汐流的变化规律。

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第二部分

从 ECO Lab 模板中选择 MIKE 21/3 WQ Simple including Coliforms,按照第一部分的练习 更新 BOD/DO 各参数值。创建 masn_WQ2.21 模型文件。

大肠杆菌组分参数设定: ? 初始值:FC=0;TC=0; ? 边界: FC =104 个/100 ml;TC=105 个/100 ml; ? 在点源(22,13)处, FC=105 个/100 ml;TC=106 个/100 ml; ? 使用系统默认值模拟粪大肠杆菌和总大肠杆菌的浓度分布。

此时,A (16, 13) 和 B (31, 15) 两点的浓度值为多少?

第三部分

基于第二部分练习的模型设置,进行灵敏度分析:

1. 水温设为 20℃,模拟在水温较高情况下 BOD 和大肠杆菌的变化。结果与第二部 分练习有何不同?

2. 模拟水温为 20℃,盐度为 30PSU 的情况下,模拟 BOD 和大肠杆菌的变化。此 时,结果又有何不同?

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No.4-使用 ECO Lab 模拟盐度和 CODcr
练习目的: 利用 ECO Lab -AD 耦合的水质模块,对研究区域内的盐度和 CODcr 进行模拟,观测其 模拟结果。盐度和 CODcr 的水质模块使用练习 No.1 中创建的新模块 S_CODcr.ecolab。 实际项目中往往利用盐度的率定来确定扩散系数的取值,这对后续水质模型的率定相当 重要。

打开 Mike21 Exercises\ MIKE 21 Bohai\BigModel\Bigmodel.m21, 另存为 Bigmodel_Salinity_CODcr.m21,进行模型设置。

Step1:导入新创建的盐度和 CODcr 的 ECO Lab 模块-S_CODcr.ecolab 。

Step2:在 MIKE21 中进行参数设定,参数设定如下所述: 1. ECO Lab 更新频率:1 个 AD Time Step 2. 初始值:Salinity=15psu ,CODcr=10 mg/l,然后再提取结果文件以.dfs2 文件形 式作为初始值,进行第二次模拟; 3. 边界: Salinity=15 psu;CODcr=10 mg/l 。 4. 扩散系数:X 方向=200 m2/s,Y 方向=200 m2/s 5. 污染源 Source:坐标(390, 275),Salinity=0 psu;CODcr=100 mg/l 6. Deposition:不考虑 7. 衰减系数:Salinity=0;CODcr=0.3 per day 8. 结果输出:间隔一小时输出一个水质模拟值。

Step3:运行模型和结果分析。 比较不同类型初始值(常数和 dfs2 文件)对模型结果的影响。

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No.5-暴雨污水溢流和氮过程模拟
练习目的: 该练习主要是研究水质模型中的氮循环过程。详细介绍氨化作用、硝化和反硝化过程 对 N 的影响。

打开 Mike21 Exercises\ Nitrogen processes\Masn\masn.21,另存为 masn_WQnutrients.21。

在 ECO Lab 模板中选择 MIKE 21/3 WQ with nutrients,根据练习 no.3 中的参数值设定 BOD/DO 各参数。 注意:BOD sediment 项与传输扩散无关,其 Transport 项为 NONE。无需在边界条件中 设定。 模拟时间:1987 年 9 月 1 日 00:00:00 -9 月 6 日 00:00:00,时间步长 240s 。 初始值采用系统默认值。 边界水质浓度: BOD DO = 0 mg/l = 10 mg/l

NH 4-N = 0.5 mg/l NO 3-N = 1.0 mg/l PO 4-P = 0.1 mg/l

暴雨污水溢流发生在模拟时段的 24hr 后,即从 1987 年 9 月 2 日 00:00:00 开始。发生地 点在点(22,13)处。整个污水溢流的持续时间为 225 分钟。

溢流详细信息如下: 污水排放量 = 80 m 3/s,流速 4 m/s BOD diss= 50 mg/l BOD susp= 50 mg/l DO = 2.0 mg/l NH 4-N = 5 mg/l NO 3-N = 0 mg/l PO 4-P = 1 mg/l
23

根据以上信息创建污水溢流事件的污染源 HD 的时间序列文件: HD-spill.dfs0,包括流 量和流速两项,时间步长为 15 分钟。在 MIKE21 中时间要选择 time equidistant calendar axis。

第一部分 在水质参数对话框中将硝化反应和反硝化反应一级衰减速率均设成 0。 硝化反应的温度系数设为 1.02,运行模型。观察污水溢流前后 DO、氨氮和硝酸盐氮的 变化情况。选择点(14,13)进行分析。

第二部分 将硝化反应一级衰减速率设成 2.0/day,观察污水溢流前后 DO、氨氮和硝酸盐氮的变化 情况。选择点(14,13)进行分析。

第三部分 将硝化反应一级衰减速率设成 2.0/day,反硝化反应一级衰减速率设成 1.5/day,观察污 水溢流前后 DO 、氨氮和硝酸盐氮的变化情况。 选择点(14,13)进行分析。

24

No.6-水质率定
学习目的: 以污水溢流和氮过程为例,进行水质模型率定,使模拟值与实测值达到较好的吻合。 该练习主要对水质模型中的 BOD 和氮过程进行率定,主要包括氨化、硝化和反硝化过 程。

打开 Mike21 Exercises\WQ Calibration\Lake.m21 HD 模块 地形:Lake-bathy.dfs2 时间步长:30s 模拟时间:10 天 污染源溢流点(1,1):是由于化肥厂操作失误造成外泄,参见"spill.dfs0"。

WQ 模块 选择 MIKE 21/3 WQ with nutrients,污染物组分浓度参见表 5.3。

表 5.3 各污染物组分浓度一览表

污染物组分[mg/l] 初始值/边界条件 溢流浓度

BOD diss 0 30

BOD susp 0 0

BOD sed 0 -

DO 10 0

NH4 0.01 10

NO3 0.1 0.1

P 0.01 3

参数设置如下所述: AD 扩散系数:1 m? /s (x 和 y 方向) 水温 T=20° C 盐度 S=0 其他参数选择缺省值,运行模型。

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水质监测数据 在点(4,4)处有水质的实测值。因此,通过比较该点的实测值与模型计算值,进行水质模 型率定。实测值的水质数据见表 5.4。

可以直接观察.dfs0 结果文件或者使用 plot composer 将实测值与模拟值放在一起进行比 较。

提示:先观察 BOD 及其降解系数,然后再观察氮的数据变化。

表 5.4 水质监测站 (4,4)的水质指标一览表

时间 St(4,4) St(4,4) St(4,4) St(4,4) St(4,4) 02/01:00 02/01:12 03/01:12 07/01:00 11/01:12

BOD dis 4.7 5.3 5.0 3.7 2.4

BOD susp 0 0 0 0 0

BOD sed 0 0 0 0 0

DO 4.1 1.7 0.88 1.66 2.5

NH4 0.68 0.45 0.15 0.015 0.010

NO3 1.0 1.4 1.5 1.1 0.68

P 0.49 0.56 0.54 0.46 0.38

降解系数的首次选择: BOD-0.05/day 氨氮 - 3/day 硝酸盐氮 - 0.05/day

26

No.7-渤海湾水质练习
1、 大、小模型地形 900m 网格大模型和 300m 网格小模型的研究区域见图 5.4。

图 5.4

2、 大模型水质模型的建立 水质模型设置信息等如下所述: 模拟时间: 2005-01-01 00:00 至 2005-01-02 00:00 时间步长:100s,时间步数:864 Source :坐标(390,275) Discharge :100 m3/s; Velocity:0.5 m/s;Outlet Dir.:45 DO =0mg/l;Ammonia=25mg/l;Nitrate=10mg/l;BOD=30mg/l 初始条件:DO =10mg/l;Ammonia=1mg/l;Nitrate=1mg/l;BOD=2mg/l 边界条件:DO =10mg/l;Ammonia=0.05mg/l; Nitrate =0.25mg/l;BOD=0.5mg/l

27

扩散系数:X 方向=200m 2/s ; Y 方向=200m2/s ECO Lab:引用 WQlevel4.ecolab ,并将温度 TEMP 从 State Variable 变成 Forcing。 主要参数设定见表 5.5,其他参数设定均采用默认值。

表 5.5 渤海湾水质练习参数设定一览表

编号 5 11 31 35 40

参 数 Oxygen Processes: No. of reaeration expression Degradation: 1. order decay rate at 20 deg. C Nitrogen Content: Ratio of ammonia released at BOD decay Nitrification: Ammonia decay rate at 20 deg Celcius Denitrification: Denitrification rate, conversion of nitrate into free nitrogen N2

数值 2 0.1 0.1 0.05 0.05

单位 /day g NH 4/gBOD /day /day

Forcing :温度 T=6℃,盐度 S=5psu 结果输出:间隔一小时输出一个水质模拟值,文件命名为 result900m-WQ.dfs2。 Run ? Start Simulation ,运行模型。

3、 小模型水质模型的建立 Step1:提取小模型水质初始值 从 900m 网格大模型结果文件中提取 300m 网格小模型的初始值。 提取大模型 dfs2 结果中最后一个时间步长的各水质浓度值作为小模型初始值。

(1) 打开大模型水质结果文件 result900m-WQ.dfs2 Tools ? Crop… ,提取最后一个时间步长的水质浓度值,生成 WQini900m.dfs2 文件。

28

(2) 将 WQini900m.dfs2 转换成小模型区域的初始值文件 WQini300m.dfs2 New ? Mike Zero Toolbox ? Transformation ? Rotate Grid,生成 WQini900mTo300m.MZT 工具文件。

29

选择结果输入文件 WQini900m.dfs2 :

Select Item 包括:溶解氧、氨氮、硝酸盐氮和 BOD。

30

参数设定如下:

输出文件:WQini300m.dfs2

31

Step2:提取小模型水质边界 小模型研究范围和坐标见图 5.4。 小模型位于大模型内部,小模型的原点在大模型(265,152)处。 从大模型的计算结果提取小模型计算所需的四个二维水质开边界。 以西边界为例: New ? Mike 21 Toolbox ? Environmental ? Transfer Boundary, 弹出下面对话框,生 成 Extract boundary for 300m.21t 工具文件。

32

定义 WEST 边界条件:

33

引入大模型的水质结果文件:

边界参数设置

34

Boudnary: West Line: 265, 152 (小模型在大模型中的原点) Angle: 90(边界线的角度,顺时针到 X 正向的夹角) Number of Grid Points: 450(小模型边界的网格数) Grid spacing along line: 300(小模型的 X 空间步长) Grid spacing perpendicular: 300(小模型的 Y 空间步长)

35

指定提取的时段 (小模型模拟时段 1 月 1 号-1 月 2 号)

指定输出文件名 West_WQ.dfs1 及其存储路径,并执行:

36

其他三个边界,做法同上。四个边界的提取参数列表如下:
边界名称 边界起点 旋转角度 网格数 X 空间步长 Y 空间步长 输出文件

West South North East

265,152 265,152 265,302 448,152

90 0 0 90

450 550 322 274

300m 300m 300m 300m

300m 300m 300m 300m

West_WQ.dfs1 South_WQ.dfs1 North_WQ.dfs1 East_WQ.dfs1

Step3: 创建小模型水质模型 水质模型设置信息等如下所述: 模拟时间: 2005-01-01 00:00 至 2005-01-02 00:00 时间步长:100s,时间步数:864 Source :坐标(375,380) Discharge :100 m3/s; Velocity:0.5 m/s;Outlet Dir.:45 DO =0mg/l;Ammonia=25mg/l;Nitrate=10mg/l;BOD=30mg/l 初始条件:从大模型提取的 dfs2 文件 边界条件:从大模型提取的 dfs1 文件 扩散系数:X 方向=80 m 2/s ; Y 方向=80 m2/s ECO Lab :参数设定同大模型。主要参数设定见表 5.5,其他参数设定均采用默认值。 Forcing :温度 T=6℃,盐度 S=5psu 结果输出:间隔一小时输出一个水质模拟结果,文件命名为 result300m-WQ.dfs2。 Run ? Start Simulation ,运行模型。

37

6 水质模型应用要点归纳
1. 二维水质模型主要适用于局部河流、湖泊、河口和海洋等的水质模拟。模拟结 果主要取决于边界条件、污染源负荷以及外部作用力(如温度、太阳辐射、盐 度等)。 2. 若要降低初始值对模型计算结果的影响 或继续下一模拟时间段的计算,可采用 hotstart 进行再次计算。 3. WQ 模块主要用于:水体中人为因素造成的污染负荷(点源和面源污染)占主体 的情况,污染物在水体中停留的时间相对较短。若对于污染物停留时间较长的 湖泊水库,富营养化程度较大,则应该考虑用 EU 模型,考虑浮游生物的影响。 4. 增大水质计算时间步长,可以缩短计算时间,但也会增加模型发散的可能性, 所以通过方案比较选择合适的时间步长进行计算。初始选择时间间隔 0.5hr 进行 模拟计算。 5. 进行水质模拟前需进行对流扩散模拟,确定对流扩散系数以及检验模型的发散 性。AD 模块可简单模拟盐水入侵、温度变化、污染物传输和一级降解。完整的 物理、化学和生物过程在 ECO Lab 模块中实现,并与 AD 耦合使用进行计算。 6. 降解系数的单位在 MIKE21 AD 模块中为/妙,在 ECO Lab 中为/ 天。 7. 在 MIKE21 中,模型率定通常在模拟时间段内运行 2 次,第一次是将初始值设为 常数进行模拟(一般采用起始模拟时间实测数据的平均值),第二次是将第一 次运行后的最终二维结果平面图*.dfs2 文件作为初始值进行模拟,以减少结果对 于初始值的依赖性和考虑不同研究区域内污染物浓度的梯度变化。 8. 对 ECO Lab 中各常数进行率定时,一般采用同一参数值进行率定。若研究区域 内组分浓度梯度变化较大,则使用 dfs2 文件对不同区域的 参数值进行分别设 定。 9. 如果实测数据明显有问题,通过对各生态过程中的参数调整仍然不能达到较好 的率定效果,则应该考虑根据实际情况对污染源的流量和负荷进行重新评估, 作出适当修改后输入模型。

10. 造成模拟结果偏差的主要原因 :

38

? 模型边界浓度定义不准确; ? 输入生态系统的负荷定义不准确; ? 初始浓度不准确; ? 水动力模型不准确; ? 选择的 ECO Lab 过程描述不恰当; ? ECO Lab 过程表达式中的率定参数值不准确; ? 实测值不准确; ? 数值计算不稳定 。

11. 率定耦合的常微分方程一般非常复杂,建议先从较独立的状态变量开始率定。

WQ 水质模块建议的率定顺序: BOD-DO 关系 ? 降解速率 ? 大气复氧 ? 产生和呼吸作用 ? 硝化 营养物质 ? 与 BOD 的关系 ? 硝化/ 反硝化过程 ? 吸附作用

EU 富营养化模块建议的率定顺序: 浮游植物 ? 潜在生长,硅藻和蓝绿藻的优势种群转化 ? 沉降 ? 消光作用 ? 温度系数调整 营养物质 腐质的沉降/降解

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沉积(反硝化/固氮作用) 氧 大型植物

12. 嵌套网格水质模型和基本 MIKE21 水质模型的区别和注意点: 1) 初始值应在每个 area 分别设定; 2) 扩散系数若取常数,则在整个 areas 适用,若为二维 dfs2 文件,则应在每个 area 分别设定; 3) ECO Lab 模块的参数设定在全部 areas 保持一致; 4) 定义 source 时给出污染源在 area1 或 area2 中的坐标位置即可; 5) 输出结果和输出格式可以分别设置; 6) 使用嵌套网格计算速度一般比基本 MIKE21 模型低 10%左右。

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