基于MIKE11 的辽河流域一维水质模型

朱茂森

(辽宁省水文水资源勘测局，辽宁沈阳 110003)

辽河流域位于中国东北地区，是我国七大流域之一，辽河流域总面积22.9 万km2，河长1 390 km，地跨河北、内蒙古、吉林、辽宁等4 省(区)，其中辽宁省境内流域面积6.92 万km2，是辽宁省最大的流域［1］。由于辽河流域的气候极端，降水量少，水资源总量为235.11 亿m3，水资源时空分布不均，其中辽河中下游的辽宁省水资源人均占有量为885 m3，仅为全国人均占有量的1/3。多年来该地区地下水超采，生态系统退化，流域的水质污染严重，90%的排污控制断面水质超过GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中规定的Ⅴ类水质标准，造成环境质量恶化，严重影响人民生活和经济持续发展［2］。因此，保护好有限的水源水质显得尤为重要。

笔者利用MIKE11 软件对辽河上游福德店到通江口段进行水动力模拟，在验证用MIKE11 软件建立辽河流域水动力模型的可行性的基础上建立河流一维水质模型。计算结果可应用于辽河流域污染物排放限值的制定，并且对污染物迁移扩散和转化的模拟、检验水质是否达标和水环境容量控制等均具有重要意义。

1 MIKE11 软件简介

MIKE 11 是一款多功能的一维水动力学软件，以求解圣维南(Saint-Venant)方程组作为理论基础［3］，带有水文模型，含对流扩散、水质生态、泥沙传输、降雨径流、洪水预报、实时操作等多种模块，并可与丹麦水利研究所(Danish Hydraulic Institute，DHI)开发的其他分析模型交互运用。MIKE 11 软件中的水动力模型采用隐式有限差分格式模拟河流的非稳定水流运动，模型应用能够自适应河道内在时间和空间水流条件的数值计算方案，很好地描述河流的各种水流环境。水质生态模型可用于描述水生态系统中多种物质的相互作用和形态转化过程，该模型可以与水动力学模型、传输扩散模型进行耦合，将对流扩散的传输激励与生物化学反应整合于水生态的模拟［4］。

2 模型构建及参数率定

2.1 河网文件及断面形状的建立

河网形状根据GIS 数值地图确定。模拟河段为福德店水文站到下游通江口水文站的辽河干流(图1)。收集模拟河段断面起始距x 与河床高程z 的数据［5-6］，按照特定格式编辑成文本文件，导入MIKE11，即可生成断面文件。

图1 模拟河段及水文测站分布

2.2 时间序列文件的建立

时间序列文件包括水位、流量、浓度、降雨、太阳辐射等。对于同样的时间轴，也可以将不同类型的数据放在同一个时间序列文件内。按照枯水期、平水期和丰水期，将典型年的1—3 月、10—12 月定为枯水期，4—5 月定为平水期，6—9 月定为丰水期，分别建立时间序列文件。

2.3 边界条件的建立

边界条件包括外部边界和内部边界条件，所谓外部边界就是模型中那些不与其他河段相连的河段端点(即自由端点)，物质流出此处即意味着流出模型区域，流入也必然是从模型外部流入。这些地方必须给定某种水文条件(如流量、水位等)，否则模型无法计算。所谓内部边界是指从模型内部河段某点或某段河长流入或流出模拟河段的地方，典型的例子包括降雨径流的入流、工厂排水、自来水厂取水等。内部边界条件会影响模拟结果的可靠性，应根据实际情况设定。此次模拟只设置了河段两端的边界条件，加入水质生态模块时在边界条件加上污染物浓度，中间段的取水排水等因素暂不考虑。

2.4 模型参数文件的建立

需要设置的参数有初始水位、流量、河床糙率，选择圣维南方程的简化方程，附加输出结构和引擎程序的参数。原则上初始水位和流量的设定应尽可能与模拟开始时刻的实际河网水动力条件一致。

2.5 水质生态模块的建立

辽河流域进入河流的污染负荷主要来源于生活、工业和农业，多采用4 级水质模块进行基本水质指标的模拟和率定。4 级水质模块包含的状态变量有DO、BOD5、温度、NH3-N;主要常数有降解系数、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、N/P 产率和被吸收速率、反应级数、硝化/反硝化速率等。

2.6 模型参数的率定

在率定过程中，需要不断调整各子流域的参数值，直到计算径流与流域出口实测流量拟合较好，或者过程线的形状大致吻合为止。表1 列出了模型主要率定参数及其取值范围。

MIKE11 降雨径流模型带有一个自动率定程序，通常利用该模型参数自动优选与人机交互相结合的方法，在自动优选参数的基础上，根据过程线形状和流域实况对参数作进一步调整。率定通常需要3 ～5 a 的长序列水文、气象资料。

表1 模型主要率定参数及其取值范围

河床糙率是反映河流阻力的一个综合性系数，也是衡量河流能量损失大小的特征量，是水流与河床相互作用的产物［5］。如果选择不当会对计算结果造成很大的影响，本次模拟曼宁系数选用经验数M=30。

3 计算结果分析

由于1—3 月、10—12 月枯水期处于东北河流冰冻期，模拟效果不直观，故在此不作模拟。分别对2003 年4—5 月和6—9 月进行模拟，并将模拟结果与实测数据对比，模拟结果见图3 ～4。

图2 模拟河段俯视图及中间28 076 m 处横断面示意图

图3 4—5 月、6—9 月模拟水位纵断面示意图

图4 不同季节、不同距离处模拟河段水位、流量与实测水位、流量对比

根据模拟结果可见，不论是平水期还是丰水期，模拟的水位结果与实测值过程线都可以比较好的拟合。

在水动力模型的基础上加入对流扩散模块和水质4 级模块后观察各变量的沿程变化，水质4 级模块的状态变量包括DO、BOD5、NH3-N、温度。设定本底值为ρ(DO)=2 mg/L、ρ(BOD5)=10 mg/L，ρ(NH3-N)=2 mg/L，t4-5= 10℃，t6-9= 20℃。在模拟河段22430 m处假定有一处排污点源，Q=1 m3/s，v =1 m/s，ρ(DO)=0 mg/L、ρ(BOD5)=20 mg/L、ρ(NH3-N)=10 mg/L。计算结果如图5 所示。

图5 DO、NH3-N、BOD5 质量浓度模拟结果

由图5 可见，起初河流水质DO 质量浓度慢慢升高达到饱和，NH3-N 和BOD5质量浓度也慢慢削减，在22 430 m，即排污口处，DO 质量浓度急剧下降，BOD5和NH3-N 质量浓度升高，之后随着河流的自净作用，又恢复到原来的状态。经过计算，可提取任意断面上各自定义状态变量的浓度变化，并且MIKE11 软件的模拟具有直观、可视化和计算速度快等优点，计算的结果对污染物的自净能力分析和决策管理都有一定的积极作用。

4 结 语

利用MIKE11 软件建立了辽河上游福德店至通江口段的一维水质模型，结果表明，只要在水文及地形数据充足的条件下，用MIKE11 软件对辽河流域水动力和水质变化情况的模拟是可行的。通过模拟计算BOD5、DO 和NH3-N 在河流中沿程的衰减过程，发现模型运行良好，结果与理论相符，表明MIKE11 软件一维模型用于辽河流域水体DO 浓度预测、污染物浓度衰减计算和预警是可行的。

［1］毕岩，孙作青. 浅谈辽宁省辽河流域生态补偿机制的建立［J］. 沈阳建筑大学学报:社会科学版，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，吴伟. 基于GIS 的辽河流域水安全预警系统设计［J］. 大连理工大学学报，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］王领元.应用MIKE 对河流一、二维的数值模拟［D］.大连:大连理工大学，2007.

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

［5］蓝俊康，郭纯青.水文地质勘察［M］.北京:中国水利水电出版社，2008.

［6］向文英.工程水文学［M］.重庆:重庆大学出版社，2003.