Mike21模型和RSM的人工湖水质保障调度研究

□陈 凯 □任金亮 □乔明叶（黄河勘测规划设计有限公司）

Mike21模型和RSM的人工湖水质保障调度研究

□陈 凯 □任金亮 □乔明叶（黄河勘测规划设计有限公司）

针对如何高效的实现城市人工湖水体置换的问题，文章以许昌市鹿鸣湖为例，利用M i ke21水质模拟软件和曲面响应分析法（RSM），通过模拟分析不同的引水条件对鹿鸣湖水体置换率的影响，拟合出水体置换率响应面方程，并对该方程进行合理性分析，进而为实现最优化的人工湖水质保障调度提供一定的依据，并为类似问题的解决提供一条新的思路。

M i ke21模型；响应面分析法；人工湖；水质保障

0 引言

为了改善城市环境，提升城市人居品位，我国各地在城市规划中纷纷将人工湖放在首选位置，如郑州市郑东新区规划的龙湖、龙子湖和如意湖就是其点睛之笔。由于城市规划人工湖多为新开挖形成，湖体短期内难以形成完善的水生态系统。因此，湖体水质的维护多采用外调优质水源换水的方式，快速降低污染物质在水体中的相对浓度，缩短污染物的停留时间。如何能够高效地实现水体置换，是人工湖水质保障调度中备受关注的问题。

目前，国内在河流湖泊设计和调度模拟研究中应用较多的软件为丹麦水力研究所（Danish Hydraulic Institute，简称DHI公司）开发的MIKE系列软件[1]，美国环保署（USEPA）开发的WASP模型[2]和EFDC模型[3]等。在实际的研究中，有限的调度方案必须客观地反映和概括各种可能性的方案，应具有一定的代表性，否则就失去了实用价值。

文章通过应用DHI公司的MIKE 21水动力水质模型，借鉴笔者参与设计的许昌市鹿鸣湖工程，模拟2个不同的进水通道在不同进水流量和进水周期条件下，分析人工湖完成水体置换的比例。

具体分析方法采用响应面分析法（Response surface methodology，RSM），该方法是Box等人于20世纪50年代提出的一种优化工艺条件的有效方案[4]，近年来被广泛应用在环境研究领域中的污染物降解分析。其中的Box-Behnken设计是寻找多因素系统中优化条件最常用的一种响应面法[5]。通过响应面分析法可在最少的试验次数内，将3个因素（2个进水通道的进水流量、换水周期）和响应值（水体置换率）拟合，进行评价并揭示其内在联系，精确地表述因素和响应值之间的关系，进而为人工湖水质调度提供依据，并为类似工程调度提供一种可实施的分析手段。

1 基本情况

1.1 鹿鸣湖基本情况

鹿鸣湖位于许昌市学院河中下游段，水面占地约18.33 hm2，水体规模约38万m3。2个进水口分别位于南北两端，退水口位于中部。

1.2 MIKE21基本设定

利用鹿鸣湖设计湖底形态、高程和当地气象资料建立模型，选择3个因素（X1：1#进水口流量；X2：2#进水口流量；X3：换水时间），1#进水口流量范围为0.05～0.23 m3/s；2#进水口流量范围为0.05～0.50 m3/s，换水时间为5～10 d。Mike 21模型除X1、X2和X3等3个因素在不同试验方案中变化外，其他设定均保持一致。

鹿鸣湖初始污染物浓度为40 mg/L，1#和2#进水口进水污染物浓度为20 mg/L。鹿鸣湖污染物目标浓度为25 mg/L。

水体置换率为污染物浓度由40 mg/L下降到25 mg/L的水面面积比。

2 结果与讨论

2.1 水体置换率响应分析

利用Mike21软件对DesignEspert软件设计17组试验方案进行模拟，具体的方案设计和模拟结果见表1。采用变量分析程序（ANVOA）对水体置换率进行响应面回归，得到水体置换率的回归模型：

表1 水体置换率响应分析方案及M i ke21模拟试验结果表

通过对上述模型进行回归分析，置换率响应面模型的F值（FValue）为1 219.54，远＞1，说明因素间效果差异明显。P值（p-value）＜0.05说明模型因素项具有显著性，P值＞0.10则说明该因素项是非显著性的。模型的失拟项用于表示模型与试验拟合的程度，本模型中的失真检验数据为1.77×10-1＞0.05，表明该模型无失拟因素存在；模型的复相关系数R2为9.99×10-1，说明该模型的可靠性和适合度较高，可用于进一步分析。

结合响应面方程式，在本次研究中，3个因素对水体置换率影响程度依次为：2#进水口流量＞换水时间＞1#进水口流量。

2.2 响应面方程的验证

为了验证响应面方程的有效性，对实际调度过程提供一定的支撑依据，试验改变了几个参数，进行了3组验证，将Mike 21的模拟值与响应面方程预测值进行了对比，具体情况见表2。

表2 水体置换率响应面方程的验证表

响应面方程计算值与Mike 21软件模拟结果的最大相对偏差≤3.74%，说明响应面方程与模拟试验结果较吻合，证明该方程对鹿鸣湖水体置换分析和预测结果准确可靠。

2.3 响应面方程的应用

在人工湖实际调度过程中，常常需要平衡水资源量和换水周期，利用文章拟合的响应面方程，可以为优化换水配置提供一定的依据。如在保障水体置换率达到75%左右时，通过求解方程，提出不同的换水方案并确定水资源量最少的最优方案。表3所列20组调度方案的预测都满足置换率＞75%的要求，其中第8组方案，即在1#进水口流量为0.05 m3/s、2#进水口流量为0.48 m3/s，换水周期为7.78 d时，预测水体置换率达到76.48%，所需水资源量最少，为35.63万m3。

表3 响应面方程所解方案示例表

3 结论

文章利用Mike 21软件和RSM相结合，模拟分析不同的换水方案，拟合成许昌市鹿鸣湖水体置换率响应面方程：

确定3个因素对水体置换率的影响程度大小依次为：2#进水口流量＞换水时间＞1#进水口流量。通过对响应面方程的验证，该方程计算结果与Mike 21模型模拟结果接近，具有较高的可靠性，利用该响应面方程能够为人工湖的日常换水调度提供依据，并且为类似工程问题提供一种新的解决思路。

[1]王哲，刘凌,宋兰兰.M i ke 21在人工湖生态设计中的应用[J].水电能源科学,2008,26(5):124-127.

[2]徐仲翔,孙建富,章献忠等.W A SP水质模型在兰江流域水体纳污能力计算中的应用[J].北方环境,2011,23(10):30-36.

[3]李林子,钱瑜,张玉超.基于EFD C和W A SP模型的突发水污染事故影响的预测预警[J].长江流域资源与环境,2011,20(8): 1010-1016.

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1673-8853（2016）10-0091-02

2016-06-02

（责任编辑：左英勇）

陈 凯（1983-），男，工程师，主要从事河湖水环境保护与规划设计工作。