基于MIKE11 的遼河流域一維水質模型

朱茂森

(遼寧省水文水資源勘測局，遼寧沈陽 110003)

遼河流域位于中國東北地區，是我國七大流域之一，遼河流域總面積22.9 萬km2，河長1 390 km，地跨河北、內蒙古、吉林、遼寧等4 省(區)，其中遼寧省境內流域面積6.92 萬km2，是遼寧省最大的流域［1］。由于遼河流域的氣候極端，降水量少，水資源總量為235.11 億m3，水資源時空分布不均，其中遼河中下游的遼寧省水資源人均占有量為885 m3，僅為全國人均占有量的1/3。多年來該地區地下水超采，生態系統退化，流域的水質污染嚴重，90%的排污控制斷面水質超過GB 3838—2002《地表水環境質量標準》中規定的Ⅴ類水質標準，造成環境質量惡化，嚴重影響人民生活和經濟持續發展［2］。因此，保護好有限的水源水質顯得尤為重要。

筆者利用MIKE11 軟件對遼河上游福德店到通江口段進行水動力模擬，在驗證用MIKE11 軟件建立遼河流域水動力模型的可行性的基礎上建立河流一維水質模型。計算結果可應用于遼河流域污染物排放限值的制定，并且對污染物遷移擴散和轉化的模擬、檢驗水質是否達標和水環境容量控制等均具有重要意義。

1 MIKE11 軟件簡介

MIKE 11 是一款多功能的一維水動力學軟件，以求解圣維南(Saint-Venant)方程組作為理論基礎［3］，帶有水文模型，含對流擴散、水質生態、泥沙傳輸、降雨徑流、洪水預報、實時操作等多種模塊，并可與丹麥水利研究所(Danish Hydraulic Institute，DHI)開發的其他分析模型交互運用。MIKE 11 軟件中的水動力模型采用隱式有限差分格式模擬河流的非穩定水流運動，模型應用能夠自適應河道內在時間和空間水流條件的數值計算方案，很好地描述河流的各種水流環境。水質生態模型可用于描述水生態系統中多種物質的相互作用和形態轉化過程，該模型可以與水動力學模型、傳輸擴散模型進行耦合，將對流擴散的傳輸激勵與生物化學反應整合于水生態的模擬［4］。

2 模型構建及參數率定

2.1 河網文件及斷面形狀的建立

河網形狀根據GIS 數值地圖確定。模擬河段為福德店水文站到下游通江口水文站的遼河干流(圖1)。收集模擬河段斷面起始距x 與河床高程z 的數據［5-6］，按照特定格式編輯成文本文件，導入MIKE11，即可生成斷面文件。

圖1 模擬河段及水文測站分布

2.2 時間序列文件的建立

時間序列文件包括水位、流量、濃度、降雨、太陽輻射等。對于同樣的時間軸，也可以將不同類型的數據放在同一個時間序列文件內。按照枯水期、平水期和豐水期，將典型年的1—3 月、10—12 月定為枯水期，4—5 月定為平水期，6—9 月定為豐水期，分別建立時間序列文件。

2.3 邊界條件的建立

邊界條件包括外部邊界和內部邊界條件，所謂外部邊界就是模型中那些不與其他河段相連的河段端點(即自由端點)，物質流出此處即意味著流出模型區域，流入也必然是從模型外部流入。這些地方必須給定某種水文條件(如流量、水位等)，否則模型無法計算。所謂內部邊界是指從模型內部河段某點或某段河長流入或流出模擬河段的地方，典型的例子包括降雨徑流的入流、工廠排水、自來水廠取水等。內部邊界條件會影響模擬結果的可靠性，應根據實際情況設定。此次模擬只設置了河段兩端的邊界條件，加入水質生態模塊時在邊界條件加上污染物濃度，中間段的取水排水等因素暫不考慮。

2.4 模型參數文件的建立

需要設置的參數有初始水位、流量、河床糙率，選擇圣維南方程的簡化方程，附加輸出結構和引擎程序的參數。原則上初始水位和流量的設定應盡可能與模擬開始時刻的實際河網水動力條件一致。

2.5 水質生態模塊的建立

遼河流域進入河流的污染負荷主要來源于生活、工業和農業，多采用4 級水質模塊進行基本水質指標的模擬和率定。4 級水質模塊包含的狀態變量有DO、BOD5、溫度、NH3-N;主要常數有降解系數、溫度系數、沉降和再懸浮速率、沉降臨界速率、產氧速率、呼吸速率、底泥需氧量、耗氧速率、N/P 產率和被吸收速率、反應級數、硝化/反硝化速率等。

2.6 模型參數的率定

在率定過程中，需要不斷調整各子流域的參數值，直到計算徑流與流域出口實測流量擬合較好，或者過程線的形狀大致吻合為止。表1 列出了模型主要率定參數及其取值范圍。

MIKE11 降雨徑流模型帶有一個自動率定程序，通常利用該模型參數自動優選與人機交互相結合的方法，在自動優選參數的基礎上，根據過程線形狀和流域實況對參數作進一步調整。率定通常需要3 ～5 a 的長序列水文、氣象資料。

表1 模型主要率定參數及其取值范圍

河床糙率是反映河流阻力的一個綜合性系數，也是衡量河流能量損失大小的特征量，是水流與河床相互作用的產物［5］。如果選擇不當會對計算結果造成很大的影響，本次模擬曼寧系數選用經驗數M=30。

3 計算結果分析

由于1—3 月、10—12 月枯水期處于東北河流冰凍期，模擬效果不直觀，故在此不作模擬。分別對2003 年4—5 月和6—9 月進行模擬，并將模擬結果與實測數據對比，模擬結果見圖3 ～4。

圖2 模擬河段俯視圖及中間28 076 m 處橫斷面示意圖

圖3 4—5 月、6—9 月模擬水位縱斷面示意圖

圖4 不同季節、不同距離處模擬河段水位、流量與實測水位、流量對比

根據模擬結果可見，不論是平水期還是豐水期，模擬的水位結果與實測值過程線都可以比較好的擬合。

在水動力模型的基礎上加入對流擴散模塊和水質4 級模塊后觀察各變量的沿程變化，水質4 級模塊的狀態變量包括DO、BOD5、NH3-N、溫度。設定本底值為ρ(DO)=2 mg/L、ρ(BOD5)=10 mg/L，ρ(NH3-N)=2 mg/L，t4-5= 10℃，t6-9= 20℃。在模擬河段22430 m處假定有一處排污點源，Q=1 m3/s，v =1 m/s，ρ(DO)=0 mg/L、ρ(BOD5)=20 mg/L、ρ(NH3-N)=10 mg/L。計算結果如圖5 所示。

圖5 DO、NH3-N、BOD5 質量濃度模擬結果

由圖5 可見，起初河流水質DO 質量濃度慢慢升高達到飽和，NH3-N 和BOD5質量濃度也慢慢削減，在22 430 m，即排污口處，DO 質量濃度急劇下降，BOD5和NH3-N 質量濃度升高，之后隨著河流的自凈作用，又恢復到原來的狀態。經過計算，可提取任意斷面上各自定義狀態變量的濃度變化，并且MIKE11 軟件的模擬具有直觀、可視化和計算速度快等優點，計算的結果對污染物的自凈能力分析和決策管理都有一定的積極作用。

4 結 語

利用MIKE11 軟件建立了遼河上游福德店至通江口段的一維水質模型，結果表明，只要在水文及地形數據充足的條件下，用MIKE11 軟件對遼河流域水動力和水質變化情況的模擬是可行的。通過模擬計算BOD5、DO 和NH3-N 在河流中沿程的衰減過程，發現模型運行良好，結果與理論相符，表明MIKE11 軟件一維模型用于遼河流域水體DO 濃度預測、污染物濃度衰減計算和預警是可行的。

［1］畢巖，孫作青. 淺談遼寧省遼河流域生態補償機制的建立［J］. 沈陽建筑大學學報:社會科學版，2010，12(4):424-428.(BI Yan，SUN Zuoqin. On the establishment of the Liao River basin ecological compensation mechanism in Liaoning Province［J］. Journal of Shenyang Jianzhu University:Social Science，2010，12 (4):424-428. (in Chinese))

［2］王耕，吳偉. 基于GIS 的遼河流域水安全預警系統設計［J］. 大連理工大學學報，2007，47 (2):175-179.(WANG Gen，WU Wei. Design of an early warning system of water security for Liaohe River based on GIS［J］.Journal of Dalian University of Technology，2007，47(2):175-179. (in Chinese))

［3］王領元.應用MIKE 對河流一、二維的數值模擬［D］.大連:大連理工大學，2007.

［4］Danish Hydraulic Institute(DHI). MIKE11:a modeling system for rivers and channels，reference manual［R］.Copenhagen:DHI，2007.

［5］藍俊康，郭純青.水文地質勘察［M］.北京:中國水利水電出版社，2008.

［6］向文英.工程水文學［M］.重慶:重慶大學出版社，2003.