MIKE21水质材料.docx

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MIKE21水质材料

MIKE21水质培训教程

王颖

DHIChina

Officenumber02164177291

waydhigroup.

1ECOLab简介

ECOLab是DHI在传统的水质模型概念发展起来的全新的水质和生态模拟工具。

ECOLab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型核心程序、甚至编写新程序，然后ECOLab将其与MIKE11/21/3的HD、AD集成计算。

DHI已经将大部分传统的水质模块转换成ECOLab通用模板，供用户调用或修改使用，包括：

v水质模块

v富营养化模块

v重金属模块

1.1应用领域

v河流、湿地、湖泊、水库、河口、海岸和海洋

v各生态系统反应的空间预测

v简单和复杂的水质研究

v环境影响和优化研究

v规划和可行性研究

v水质预报

1.2内置模板和使用手册

∙DHI预定义的ECOLab模板在以下目录中：

C:

\ProgramFiles\DHI\2009\MIKEZero\Templates\ECOLab

∙使用手册和说明在以下目录中：

C:

\ProgramFiles\DHI\2009\MIKEZero\Manuals\MIKE_ZERO\ECOLab

2

WQ－水质模块

2.1MIKE21水质模块的目标

MIKE21水质模型主要针对湖泊、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。

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，悬浮性和沉积性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，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。

∙用户可以按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。

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）是间接反映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H2O、CO2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，如水体污浊，河床底部缺氧，生物沉积量的增加等。

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。

水质模块状态变量涉及到的主要过程描述：

DO：

reaera（大气复氧）+phtsyn（光合作用）–respT（呼吸作用）–BodDecay（BOD降解）-SOD（底泥需氧量）–OxygenConsumptionFromNitrification（硝化耗氧）

TEMP：

Rad_in（太阳辐射）-Rad_out（长波辐射）

AMMONIA：

AmmoniaReleaseFromBOD（BOD降解释放氨氮）–Nitrification（硝化）–Plantuptake（植物摄取）–bacteriaUptake（细菌摄取）

NITRATE：

Nitrification（硝化）–Denitrification（反硝化）

BOD：

-BodDecay（BOD降解）–Sedimentation（沉降）+Resuspension（再悬浮）

OP：

PPdecay（颗粒型磷降解）–PPformation（颗粒型磷合成）+OPreleaseFromBOD（BOD降解释放溶解型磷）–OPplantUptake（植物摄取溶解型磷）

PP：

-PPdecay（颗粒型磷降解）+PPformation（颗粒型磷合成）-PPsedimentation（颗粒型磷沉降）+PPresuspension（颗粒型磷再悬浮）

FaecalColi：

-FaecalColiDecay（粪大肠杆菌降解）

TotColi：

-TotalColiDecay（总大肠杆菌降解）

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

∙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:

0.1-0.2/day

温度系数1.07（1.02-1.09）

2.BOD降解过程释放氨氮的典型产出率

原污水:

0.065gNH4/gBOD（0.01-0.1）

生化处理后污水:

0.3gNH4/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0.066gNH4/gBOD

6.BOD降解过程中细菌吸收N:

0.109gNH4/gBOD

7.BOD降解释放无机磷的典型产出率

原污水:

0.014gP/gBOD（0.003-0.03）

生化处理后污水:

0.06gP/gBOD（0.01-0.09）

8.植物吸收P:

0.0091gP/gBOD

9.颗粒态磷（PP）降解速率:

0.1-0.2/day

10.光合作用最大值1.75–7.0gO2/m2/d,相当于0.5–2.0gC/m2/d

11.底泥需氧量典型值0.2–1.0gO2/m2/d（可通过实验获取）

无机底泥取0；河口或有多年排污历史的区域可取1–2gO2/m2/d；自然河道取0.5gO2/m2/d

温度系数为1.07

12.大肠杆菌一级降解速率:

0.8/day

温度系数1.07

13.沉降速率与颗粒物粒径有关：

一般对于1–10μm取0.07–0.7m/d,典型对于5μm取0.2m/d

14.再悬浮速率根据率定或相关经验获得.

3MIKE21水质模型

MIKE21水质模型所需数据资料：

∙基本模型参数：

地形网格（结构网格图或非结构网格图）

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ECOLab模块

第一步：

引入水质模块：

1．在MIKE21结构网格模型中引入ECOLab模板：

打开MIKE21FlowModel（.m21）BasicParametersModuleSelectionHydrodynamicandECOLab（图3.1），出现ECOLabParameters，在ModelDefinition里选择适当的内置水质模块或自定义模块，参见图3.2。

图3.1

图3.2

2．在MIKE21非结构网格模型中引入ECOLab模块：

打开MIKE21FlowModelFMModuleSelectionECOLab（参见图3.3），出现ECOLabModule，在ModelDefinition里选择适当的内置水质模块或自定义模块，参见图3.4。

图3.3

图3.4

第二步：

在ModelDefinition里选择计算方法并设置水质模拟时间步长。

水质模拟时间步长通常先以0.5小时进行计算。

第三步：

在ECOLab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、ECOLab模块各参数、作用力和输出项进行设定。

4水质模型应用要点归纳

1.二维水质模型主要适用于水库、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。

也就是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如二维结果图*.dfs2或*.dfsu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。

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ECOLab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MIKE21AD模块中为/sec，在ECOLab中为/天。

7.对ECOLab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或*.dfsu文件对不同区域的参数值进行分别设定。

8.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。

5EU－富营养化模块（附加）

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。

主要应用在内陆水体（如湖泊、水库等）以及相关的海洋水域，污染问题主要与营养物质负荷有关。

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，而这些植物会引起富营养化问题。

水生生态系统的富营养化状态不仅取决于营养物质负荷，水温、光照、盐度、水动力条件也相当重要。

温度和光辐射是藻类进行光合作用的必要条件，前者决定细胞内酶促反应的速率，后者是代谢的能源。

各种植物必须在一定的温度下才能进行生理活动，温度太高或太低时都会影响浮游植物的生长。

当光强增加时，浮游植物的生长率也增大，并呈线性关系，直到光合速率达饱和。

海水的温度是赤潮发生的重要因子，20℃～30℃是赤潮发生的最适温度。

盐度的变化是促进生物大量繁殖的原因之一，盐度变化在26～37‰范围内均有发生赤潮的可能。

海水盐度在15～21.6‰时容易形成温跃层和盐跃层，温、盐跃层的存在为赤潮生物的聚焦提供条件，易诱发赤潮。

在水流缓慢的水体如湖泊、水库、河口、港湾和内海等处易发生富营养化，这是因为水体分层使得底层得不到氧气供应，而大量繁殖起来的藻类死亡后又沉入湖底需要耗氧分解，从而使底层缺氧更为严重。

藻类在表层的大量繁殖，使光线不能射入底层，底层藻类不能很好的进行光合作用，也加剧了底层缺氧。

海洋由于径流、涌升流、水团或海流的交汇作用，使海底层营养盐上升到水上层造成沿海水域高度富营养化。

MIKE软件预设了3个富营养化模板：

富营养化模拟的数据收集

需收集的数据主要包括：

∙浮游植物生产量，即可用（gO2/m2/d）也可用（gC/m2/d）

∙叶绿素-a浓度（g/m3）

∙总氮和总磷（g/m3）

∙无机氮和无机磷（g/m3）

∙溶解氧（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：

浮游植物、浮游动物、有机物（腐质）、有机和无机营养物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-浮游植物碳,浮游植物氮,浮游植物磷

CH-叶绿素a

ZC-浮游动物

DC、DN、DP-腐质碳，腐质氮，腐质磷

IN、IP-无机氮，无机磷

DO-溶解氧

BC-底栖植物碳

ECOLab中的富营养化模型也属于生态动力学模型，其描述了营养盐的循环过程，浮游植物和浮游动物的生长，根生植物以及大型藻类的生长和分布。

（主要转化过程如下图所示）此外还模拟水体中的氧环境。

1生产，浮游植物；2沉降，浮游植物；3牧食；4死亡，浮游植物；5排泄，浮游动物；6死亡，浮游动物；7呼吸，浮游动物；8悬浮性腐质的矿化；9腐质沉积；10腐质矿化；11沉积物中的累积；12生产，底栖植被；13死亡，底栖植被；14与上覆水体的交换。

以EU1为例，富营养化模块状态变量涉及到的过程描述：

1）AlgalCarbon:

PRPC-GRPC-DEPC-SEPC

PRPC-Productionphytoplanktoncarbon浮游植物生产的碳量

GRPC-Grazingofphytoplanktoncarbon浮游动物牧食消耗的浮游植物碳量

DEPC-Deathofphytoplanktoncarbon浮游植物死亡损失的碳量

SEPC-Settlingofphytoplanktoncarbon浮游植物沉积损失的碳量

2）AlgalNitrogen:

UNPN-GRPN-DEPN-SEPN

UNPN-Uptakeofphytoplanktonnitrogen浮游植物吸收的氮量

GRPN-Grazingofphytoplanktonnitrogen浮游动物牧食消耗的浮游植物氮量

DEPN-Deathofphytoplanktonnitrogen浮游植物死亡损失的氮量

SEPN-Settlingofphytoplanktonnitrogen浮游植物沉积损失的氮量

3）AlgalPhosphorous:

UPPP-GRPP-DEPP-SEPP

UPPP-Uptakeofphytoplanktonphosphorous浮游植物吸收的磷量

GRPP-Grazingofphytoplanktonphosphorous浮游动物牧食消耗的浮游植物磷量

DEPP-Deathofphytoplanktonphosphorus浮游植物死亡损失的磷量

SEPP-SettlingofPhytoplanktonphosphorous浮游植物沉积损失的磷量

4）Chlorophyll-a:

PRCH-DECH-SECH

PRCH-Productionphytoplanktonchlorophyll浮游植物光合作用生产的叶绿素

DECH-Deathofphytoplanktonchlorophyll浮游植物死亡损失的叶绿素

SECH-Settlingofphytoplanktonchlorophyll浮游植物沉积过程损失的叶绿素

5）Zooplankton:

PRZC-DEZC

PRZC-Productionofzooplanktoncarbon浮游动物生长过程中生产的碳量

DEZC-Deathofzooplanktoncarbon浮游动物死亡损耗的碳量

6）DetritusCarbon:

DEPC2DC+DEBC2M3+EKZC-REDC-SEDC+DEZC

DEPC2DC-Deathphytoplanktontodetrituscarbon浮游植物死亡后转化为腐质的碳量

DEBC2M3-Deathbenthicvegetationcarbon,perm3每立方米死亡的底栖植物中的碳量

EKZC-Excretionbyzooplanktoncarbon浮游动物排泄的碳量

REDC-Respirationdetrituscarbon腐质呼吸作用中消耗的碳量

SEDC-Settlingofdetrituscarbon腐质沉积进入沉积物的碳量

DEZC-Deathofzooplanktoncarbon死亡浮游动物的碳量

7）DetritusNitrogen:

DEPN2DN+EKZN-REDN-SEDN+DEZN+DEBN

DEPN2DN-Deathphytoplanktontodetritusnitrogen浮游植物死亡后转化为腐质的氮量

EKZN-Excretionbyzooplanktonnitrogen浮游动物排泄的氮量

REDN-Respirationdetritusnitrogen腐质呼吸作用中消耗的氮量

SEDN-Settlingofdetritusnitrogen腐质沉积进入沉积物的氮量

DEZN-Deathofzooplanktonnitrogen死亡浮游动物所含的氮量

DEBN-Deathbenthicvegetationnitrogen死亡底栖植物所含的氮量

8）DetritusPhosphorous:

DEPP2DP+EKZP-REDP-SEDP+DEZP+DEBP

DEPP2DP-Deathphytoplanktontodetritusphosphorous浮游植物死亡后转化为腐质的磷量

EKZP-Excretionbyzooplanktonphosphorus浮游动物排泄的磷量

REDP-Respirationdetritusphosphorus腐质呼吸作用中消耗的磷量

SEDP-Settlingofdetritusphosphorus腐质沉积进入沉积物的磷量

DEZP-Deathofzooplanktonphosphorus死亡浮游动物所含的磷量

DEBP-Deathbenthicvegetationphosphorous死亡底栖植物所含的磷量

9）InorganicNitrogen:

REDN+REZN+RESN-UNPN+DEPN2IN-UNBN+REBN

REDN-Respirationdetritusnitrogen腐质有机氮矿化作用释放的无机氮量

REZN-Respirationofzooplanktonnitrogen浮游动物呼吸释放的无机氮量

RESN-Respirationofsedimentnitrogen沉积物有机氮矿化作用释放的无机氮量

UNPN-Uptakeofphytoplanktonnitrogen浮游植物吸收的无机氮量

DEPN2IN-Deathphytoplanktontoinorganicnitrogen死亡浮游植物在矿化作用下释放的无机氮量

UNBN-Uptakebenthicvegetationnitrogen底栖植物吸收的无机氮量

REBN-Respirationofbenthicvegetationnitrogen底栖植物呼吸作用释放的无机氮量

10）InorganicPhosphorous:

REDP+REZP+RESP-UPPP+DEPP2IP-UPBP+REBP

REDP-Respirationdetritusphosphorus腐质有机磷矿化作用释放的无机磷量

REZP-Respirationofzooplanktonphosphorous浮游动物呼吸作用释放的无机磷量

RESP-Respirationofsedimentphosphorous沉积物中的有机磷矿化作用释放的无机磷量

UPPP-Uptakeofphytoplanktonphosphorous浮游植物吸收的无机磷量

DEPP2IP-Deathphytoplanktontoinorganicphosphorous死亡浮游植物在矿化作用下释放的无机磷量

UPBP-Uptakebenthicvegetationphosphorous底栖植物吸收的无机磷量

REBP-Respirationofbenthicvegetationphosphorous底栖植物呼吸作用释放的无机磷量

11）DissolvedOxygen:

ODPC+ODBC-ODDC-ODZC-ODSC+REAR-DEPC2DO

ODPC-Oxygenproductionbyphytoplankton浮游植物光合作用产生的氧量

ODBC-Oxygenproductionbenthicvegetation底栖植物光合作用产生的氧量

ODDC-Oxygendemanddetritus腐质