1、分類號（中圖法）628UDC（DDC）X5密級無 作者 學(xué)號0630503049河海大學(xué)中文題名 基于MIKE FLOOD 一、二維力耦合模型的湖引水條件下水質(zhì)演變規(guī)律研究中文副題名無英文題名 Research on the Law of Water Qualtiy Change of Yangcheng Lake under Water Diversion Scenarios Based on MIKE FLOOD 1D-2D Hydrodynamic Coupled M 英文副題名無語種 漢語摘要語種 漢、英頁數(shù) 94 字?jǐn)?shù) 4 萬主題詞 MIKE 系統(tǒng)模型一、二維力耦合模型二維湖泊水質(zhì)模

2、型 湖引水工程申請學(xué)位級別工 學(xué) 專業(yè)名稱環(huán) 境 工 程 研 究 方 向評價(jià)與環(huán)境管理 阮教授導(dǎo)師指導(dǎo)教師 河海大學(xué)答辯日期2009 年 6 月 6 日Research on theLaw of Water Qualtiy Change of Yangcheng Lakeunder Water Diversion Scenarios Based on MIKE FLOOD 1D-2DHydrodynamic Coupled MDissertation Submitted toHohai UniversityIn fulfillment of the Requirementfor the Deg

3、ree ofMaster of EngineeringByYan JianboCollege of Environmental Science and EngineeringDissertation Supervisor: Professor Ruan Xiao-HongJune, 2009Nanjing,P.R.China獨(dú)創(chuàng)性：本人所呈交的是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，中不包含其他人已經(jīng)或撰寫過的研究成果。與我一同工作的同事對本做的任何貢獻(xiàn)均已在中作了明確的說明并表示了謝意。如不實(shí)，本人負(fù)全部責(zé)任。作者（簽名）：年月日使用

4、說明河海大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)信息、館、中國學(xué)術(shù)期刊（光盤版）社保留本人所送交的復(fù)印件或電子文檔，可以采用影印、縮印或其他保存。本人電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)的內(nèi)容相一致。除在期內(nèi)的論文外，被查閱和借閱。全部或部分內(nèi)容的公布（包括刊登）河海大學(xué)院辦理。作者（簽名）： 年月日摘要本文以“蘇州市第二水源-湖水源地建設(shè)”項(xiàng)目為依托，河湖串聯(lián)河網(wǎng)區(qū)湖泊水力邊界受河網(wǎng)動(dòng)態(tài)變化的影響，基于MIKE模型系統(tǒng)，建立一維河網(wǎng)和二維湖泊力耦合模型，開展了湖引水條件下水質(zhì)演變規(guī)律研究，以期為湖引水方案的科學(xué)決策提供依據(jù)。主要成果如下：（1）河網(wǎng)地區(qū)圩區(qū)產(chǎn)匯流特性，應(yīng)用河網(wǎng)產(chǎn)匯流模型對MIKE自帶的降雨徑流模型進(jìn)行了修正，并將

5、匯流計(jì)算結(jié)果作為旁側(cè)入流條件通過分布源接口耦合到MIKE 11，進(jìn)行一維河網(wǎng)水力計(jì)算。（2）應(yīng)用MIKE FLOOD對MKE 11和MIKE 21進(jìn)行耦合，一、二維連接采用“水位-流量”銜接條件，建立了一維河網(wǎng)和二維湖泊證結(jié)果為：水位計(jì)算值與實(shí)測值相對誤差-7%9%。力耦合模型。模型驗(yàn)（3）應(yīng)用MIKE 21水質(zhì)模擬模塊建立湖二維水質(zhì)模型，模型驗(yàn)證結(jié)果為：CODMn計(jì)算值與實(shí)測值相對誤差-17%21%；TN計(jì)算值與實(shí)測值相對誤差-21%22%；NH3-N計(jì)算值與實(shí)測值相對誤差-22%19%；TP計(jì)算值與實(shí)測值相對誤差-25%22%。（4） 出型、30m3/s、七湖湖流模擬結(jié)果表明：湖存在五種典

6、態(tài)，分別為東南出型、北出型、北進(jìn)南出型和三面進(jìn)南面出型。在渭引水引水30m3/s及引水40m3/s的引水條件下，湖區(qū)力條件得到。（5）引水方案下，湖區(qū)水質(zhì)整體，CODMn濃度平均降低5.36%，TN濃度平均降低48.02%，NH3-N濃度降低19.92%，TP濃度平均降低8.70%。引水對東湖及中湖中部和南部水質(zhì)作用最大，西湖中部和北部以及中湖的北部水質(zhì)較小。：MIKE系統(tǒng)模型 一、二維湖引水工程力耦合模型 二維湖泊水質(zhì)模型IAbstractThis dissertation was sponsored by the project “the Second Water Sourceconstr

7、uction of Suzhou city- Yangchen Lake”, considering the influence of river network on the hydraulic boundary lakes in river-lake series region, a 1D-2Driver-lake hydraulic coupled mbasing on MIKE msystem was founded andthe law of water quality change under the condition of water diversion was studied

8、 for the purpose of providing reference for scientific decision. The main research results are as follows:(1) Considering the characteristics of rainfall runoff in river-network polder area,the MIKE own rainfall runoff mwas amended by the river-network rainfall runoffm, and through the distribution

9、interface, the calculation results were coupled toMIKE11 as flanking inflow conditions for one-dimension hydraulic calculation.(2) MIKE FLOOD was applied to couple MIKE11 and MIKE21, and “waterlevel-flow”convergenceconditionswasadoptedin2Dthecoupledm.Alake was built, and thehydrodynamic mvalidation

10、results ofcoupling 1D river-netmork andthe coupled mshowed that the relative error of calculationresults and measured results was 79%.(3) MIKE21 was applied to build the 2-D water quality mof Yangchen Lake.The validation results were as follows: as for CODMn, TN, NH3-N and TP, the relative error of

11、calculated results and measured results was respectively -1721%, -2122%,-2219%and. -2522%(4) The hydrodynamic simulation results of Yangcheng Lake showed that there were five typical flow in Yangchen Lake: W-E, W-S, W-N, N-S and NEW-S. Under the planned water diversion scenarios：30m3/s diversion at

12、Weijing River, 30m3/s diversion at Qipu River, 40m3/s diversion at Yanglin River, the hydrodynamic condition of Yangcheng Lake was improved.(5) Under the planned water diversions scenario, the water quality of whole lake.was improved. Through diversion, the mean concentration decrement of CODMn, TN,

13、 NH3-N and TP was 5.36%, 48.02%, 19.92%, 8.70%, respectively. And the water quality was improved better in the whole Yangcheng East lake and middle & southen part of Yangcheng Middle Lake, whereas the water quality improved relatively less significant in the middle & northen part of Yangchen

14、g westen Lake and northen areaof Yangcheng middle Lake.Keywords: MIKE mquality msystem; 1D-2D hydraulic coupled m; 2D lake water; Yangchenghu Lake; water diversion projectII目錄第 1 章1.11.2緒論11研究背景國內(nèi)外湖泊水力水質(zhì)模型研究概況21.2.1 一、二維力耦合模型研究概況21.2.2 淺水湖泊水質(zhì)模型概況31.2.3 常用二維水質(zhì)模型應(yīng)用軟件概況61.3889主要研究內(nèi)容及技術(shù)路線1.3.11.3.2研究內(nèi)容技

15、術(shù)路線第 2 章2.1河湖串聯(lián)河網(wǎng)區(qū)水量水質(zhì)系統(tǒng)模型構(gòu)建10河湖串聯(lián)河網(wǎng)區(qū)水量水質(zhì)模型系統(tǒng)102.1.1 模型系統(tǒng)簡介102.1.2 MIKE FLOOD水量耦合條件處理102.213131316181818191922252526282830產(chǎn)匯流模型理論基礎(chǔ)2.2.12.2.12.2.2產(chǎn)匯流模型選取河網(wǎng)地區(qū)產(chǎn)流模擬河網(wǎng)地區(qū)匯流模擬2.3 MIKE 11 HD模型理論2.3.12.3.2河道水流方程河網(wǎng)湖泊概化2.3.3 水工物的模擬2.3.4 離散方法2.3.5 離散方程組的求解2.4 MIKE 21 HD模型理論2.4.12.4.2淺水水流離散方法方程2.5 MIKE 21 二維水質(zhì)模

16、型2.5.12.5.2二維湖泊水質(zhì)方程離散方法第 3 章3.1湖水質(zhì)模型的建立3131研究區(qū)域概況I3.1.13.1.2泖區(qū)概況3132湖概況3.2 河網(wǎng)湖泊一、二維力耦合模型建立343.2.1 一維河網(wǎng)概化及產(chǎn)流分區(qū)3435373.2.2 產(chǎn)匯流計(jì)算條件3.2.33.2.43.2.53.2.6湖地形條件湖入湖河道概化及網(wǎng)格劃分37一、二維一、二維力耦合模型計(jì)算條件38力模型耦合連接的處理403.2.7 模型驗(yàn)證4047474849633.3湖二維水質(zhì)模型建立3.3.13.3.23.3.3計(jì)算條件的選取水質(zhì)模型參數(shù)的確定水質(zhì)模型的率定3.4第 4 章4.1本章小結(jié)引水條件下湖水質(zhì)演變規(guī)律研究6

17、4湖引水工況設(shè)計(jì)646466664.1.1 水文設(shè)計(jì)條件4.1.2 引水方案4.2湖力特征分析4.2.1 現(xiàn)狀條件下4.2.2 引水條件下4.2.3 引水條件下湖湖力特征分析66力特征分析70湖水質(zhì)特征分析704.2.4 引水條件下水質(zhì)變化規(guī)律8586874.34.4第 5 章5.15.2湖水源地建議本章小結(jié)總結(jié)與展望88總結(jié)展望8889參考文獻(xiàn)90致謝94II第 1 章 緒論第 1 章 緒論1.1 研究背景我國是個(gè)湖泊眾多的，現(xiàn)有湖泊 2700 余個(gè)，總面積達(dá) 9.1 萬 km2，占國土面積的 0.95%，其中約 1/3 為淺水湖泊，主要分布在東部沿海與長江中下游地區(qū)1。由于發(fā)展、人口膨脹與

18、不合理的開發(fā)利用，越來越多的湖泊產(chǎn)生富營養(yǎng)化。據(jù)，我國目前有一半以上的湖泊受到不同程度富營養(yǎng)化污染的危害,角洲平原河網(wǎng)區(qū)發(fā)達(dá)，湖泊富營養(yǎng)化問題更為突出2。我國長湖泊是我國城市飲用水的重要供水水源之一。2007 年 4、5 月太湖、滇池、巢湖等國內(nèi)幾個(gè)湖泊連續(xù)暴發(fā)藍(lán)藻“水華”，湖泊的富營養(yǎng)化問題嚴(yán)重地周邊城市的供水安全湖泊富營養(yǎng)化已經(jīng)成為我國當(dāng)前和可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)嚴(yán)峻問題。利用流域或區(qū)域的水利工程在特殊時(shí)期從水質(zhì)較好的江河引水入湖，通過稀釋污染物和加快水循環(huán)過程是湖泊富營養(yǎng)化的有效途徑之一345。如滇池的外流域引水工程、太湖的引江濟(jì)太工程、程、西湖引水工程、玄武湖引水工程等等。的引水工湖不僅是蘇

19、州重要的水產(chǎn)養(yǎng)殖基地，而且也是蘇州市區(qū)、昆山市及沿湖鄉(xiāng)鎮(zhèn) 100 多萬人的飲用水水源地。自 20 世紀(jì) 80 年代以來，伴隨著蘇州的高速發(fā)展，湖水質(zhì)呈不斷趨勢6。進(jìn)入 20 世紀(jì) 90 年代中期后，蘇州市十分重視湖治理和保護(hù)，水質(zhì)的趨勢有所緩解，但水質(zhì)狀況仍不容樂觀。近年來，蘇州市非常重視湖水污染問題，制定了一系列湖水污染防治的條例及措施。于 2007 年先后出臺(tái)了蘇州市湖水源水質(zhì)保護(hù)條例、蘇州沿湖地區(qū)，2008 年下發(fā)了湖水污染防治工作計(jì)劃，將湖為蘇州市性水源地加以保護(hù)。為保障湖飲用水源的供水安全，蘇州市從長、七和永昌涇引長江水入湖陽澄湖湖體水質(zhì)。平原河網(wǎng)區(qū)河湖串聯(lián)，建立河網(wǎng)區(qū)非恒定一、二維

20、耦合水量模型，是準(zhǔn)確預(yù)測引水條件下湖泊力場及濃度場的基礎(chǔ)。建立湖及其周邊河網(wǎng)水系的一、二維水量耦合模型及其湖泊水質(zhì)模型，對于湖引水工程的科學(xué)具有重要的實(shí)踐意義。1第 1 章 緒論1.2 國內(nèi)外湖泊水力水質(zhì)模型研究概況1.2.1 一、二維力耦合模型研究概況目前，國內(nèi)外對一、二維耦合水量模型作了大量的研究7。等應(yīng)用四點(diǎn)隱式有限差分格式計(jì)算一維水流，利用 Riemann 近似解的有限體積法求解二維水流，在一、二維連接區(qū)利用“重疊-投影法”，建立一、二維耦合的整體水流數(shù)值模型，并應(yīng)用于上海市淀南片河網(wǎng)的驗(yàn)證計(jì)算，模型能較好的模擬非恒定水流8。等建立了以 Preissmann 四點(diǎn)隱式差分格式和有限體積

21、法（FVM）為基礎(chǔ)的一、二維藕合的水流水質(zhì)模型，采用時(shí)間滯后條件，構(gòu)造虛擬重疊計(jì)算水域，利用“重疊-投影法”實(shí)現(xiàn)一二維模型的水力耦合，模型應(yīng)用于洪澤湖水系的水力、水質(zhì)計(jì)算，取得較好效果9。，等建立一維河道和二維河口嵌套泥沙數(shù)學(xué)模型，對一二維方程均采用有限元離散方法，并根據(jù)流量相等、水位相等、懸移質(zhì)輸沙量相等構(gòu)造一二維連接條件，其口門水位由二維,流量由河道一維計(jì)算給出,含沙量進(jìn)行相互傳遞，模型在每一迭代步內(nèi)進(jìn)行耦合計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值擬合較好10。等提供了一種復(fù)雜地形、水流條件下一維、二維力耦合模型的通用計(jì)算方法。其方法根據(jù)感潮河流地形復(fù)雜、河岸彎曲多變、河道狹長的特征,采用有限元法求解一、二

22、維力模型方程；在一、二維模型連接斷面處，利用兩種模型模擬的水位、流量相等的條件，實(shí)現(xiàn)一、二維模型的耦合，耦合模型的模擬了上海市黃浦江上游地區(qū)等12通過設(shè)置重疊區(qū)域建立一力計(jì)算11。河網(wǎng)一維與黃浦江干流二維維、二維耦合水力模型，模型對耦合邊界的處理是：一維模型的流量節(jié)點(diǎn)與二維模型的流速節(jié)點(diǎn)（二維網(wǎng)格邊緣）重合，一維模型的水位節(jié)點(diǎn)與二維模型的水位節(jié)點(diǎn)（二維網(wǎng)格中心點(diǎn)）重合。并為保證模型的收斂性，在交界面處,一維模型為二維模型提供流量并轉(zhuǎn)化為流速為二維模型提供上邊界條件；二維模型通過一定條件將二維水位轉(zhuǎn)化為一維水位從而為一維模型提供下邊界條件，模型應(yīng)用于等13建立了一種一維、近海尾閭河段數(shù)值模擬，取

23、得較好效果。，二維全隱河網(wǎng)海灣力聯(lián)網(wǎng)數(shù)學(xué)模型。該一維河網(wǎng)模型采用 Preissmann 四點(diǎn)隱式格式，用節(jié)點(diǎn)水位法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，二維海灣模型采用改進(jìn)型雙向隱式(DSI)法進(jìn)行數(shù)值求解。在維、二維連接處，水力因子通過接口斷面法傳角洲河網(wǎng)及橫門、瀝口門海域做了檢驗(yàn),取得較好的驗(yàn)證遞。模型在珠2第 1 章 緒論結(jié)果。綜觀近十年來一、二維力耦合模型的研究，其耦合求解方法有兩種：一是“重疊-投影法”，將一、二維模型區(qū)域延長一段重疊段求解，即在一維邊界處計(jì)算區(qū)域內(nèi)延伸 CFL 個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的虛擬重疊區(qū)域。然后對一維虛邊界采用滯后耦合條件，即在下一時(shí)步虛擬重疊區(qū)域的水力要素值，通過二維計(jì)算得到的精確解來代替因滯

24、后條件引入的不精確解；二是“接口斷面法”，在耦合模型連接斷面處，依據(jù)質(zhì)量守恒和能量守恒原理，假設(shè)水位、流量相同的條件求解。1.2.2 淺水湖泊水質(zhì)模型概況湖泊水質(zhì)模型是建立在湖泊水力模型基礎(chǔ)上力學(xué)方程考慮的是水的體積、流量、流速和水深；水質(zhì)污染物遷移與轉(zhuǎn)化方程則包括能量傳遞的表和化學(xué)平衡或化學(xué)與生物運(yùn)動(dòng)的表。湖泊水質(zhì)模型的研究從最初簡單的營養(yǎng)鹽平衡模型發(fā)展到復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)模型，經(jīng)歷了三個(gè)階段。簡單的營養(yǎng)物平衡模型簡單營養(yǎng)物平衡模型的典型代表是 Vollenweide （ 1968 ， 1975 ）開發(fā)的Vollewneider 總磷平衡模型14。模型假定湖泊中磷的濃度隨時(shí)間的變化等于每單位體積增

25、加的部分減去沉積損失和流出損失。其后，研究對磷的沉降、存在形態(tài)和磷的輸入與輸出之間的相互關(guān)系進(jìn)行改進(jìn)。如 Dillon 模型及 Laesen-Mercier 模型。簡單的營養(yǎng)鹽模型現(xiàn)己得到了很大的發(fā)展，在很大程度上克服了早期的缺陷：在模型中加入紊流擴(kuò)散速率15；用滯留系數(shù)代替沉積率16；從簡單的水體完全混合模型發(fā)展到多層模型；從考查單一的總磷濃度發(fā)展到模擬水體整個(gè)磷系統(tǒng)（包括顆粒磷 DP、溶解的無機(jī)磷 DPI 和浮游生物中的磷 PP）的循環(huán)；從單純考慮水體本身的營養(yǎng)鹽循環(huán)發(fā)展到考慮底泥中營養(yǎng)鹽的積累與交換以及水體界面的營養(yǎng)鹽交換過程等17,18。浮游植物與營養(yǎng)鹽相關(guān)模型Monod 方程表達(dá)了穩(wěn)

26、態(tài)條件下一種限制性營養(yǎng)元素與浮游植物生長的關(guān)系。Dugdale 使用源自酶動(dòng)力學(xué)的 Michaelis Menten 方程（MM 方程），描述穩(wěn)態(tài)條件下藻類對營養(yǎng)鹽的吸收19。DahlMadesen 認(rèn)為在浮游植物生長過程中，氮、磷和碳都可能是限制浮游植物生長的元素，從而建立了三種限制性營養(yǎng)元素與浮游植3第 1 章 緒論物生長之間關(guān)系的模型20。不同模型對這三種元間的相互關(guān)系描述不同。Droop 模型認(rèn)識(shí)到營養(yǎng)鹽過度吸收的重要性，將藻類生長速率與細(xì)胞內(nèi)部營養(yǎng)庫大小或細(xì)胞營養(yǎng)儲(chǔ)額（cellquato）起來，建立考慮細(xì)胞內(nèi)部營養(yǎng)庫物質(zhì)平衡以及物質(zhì)交換對內(nèi)部營養(yǎng)庫的貢獻(xiàn)的營養(yǎng)鹽模型。Droop 模型

27、的不足之處在于它將藻類生長描述為細(xì)胞生理特征，其實(shí)藻類生長是細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境的綜合反映21。因此，在非限制營養(yǎng)鹽條件下，該模型應(yīng)用受到限制。浮游植物的初級生產(chǎn)力是湖泊營養(yǎng)狀況的主要評價(jià)指標(biāo)，Chen22等人考慮了四種外界因子如氮、磷、太陽輻射和溫度，利用方程建立了模型。Smith23建立了生物光學(xué)模式（Bio Opticalm），用水體的光照分布來計(jì)算水體初級生產(chǎn)力。DiToro 和 Matystik 考慮了水深和時(shí)間，結(jié)合 Steele 方程研究了藍(lán)藻和硅藻生長與光的關(guān)系。Nyholom 則考慮了內(nèi)部因子與浮游植物光合作用的關(guān)系，他們認(rèn)為磷是光合作用的主要限制因子，從而建立了浮游植物光合生產(chǎn)量模

28、型。還有 Pattern，Larsen，Jansson，Anderson 都建立了不同的浮游植物光合作用計(jì)算模型24。單一的浮游植物與營養(yǎng)鹽相關(guān)模型不可能全面模擬浮游植物的動(dòng)態(tài)變化。特別是對于一些空間上跨度很大的湖泊，需要把多級浮游植物、養(yǎng)分負(fù)荷模型與水動(dòng)力學(xué)模型整合在一起，才能有效地養(yǎng)分負(fù)荷的改變對浮游植物組成及其優(yōu)勢種的影響。懸浮底質(zhì)和沉水植被在富營養(yǎng)化湖泊養(yǎng)分的循環(huán)中扮演著重要的角色25，模擬湖泊對養(yǎng)分負(fù)荷的響應(yīng)也必須考慮它們的影響。動(dòng)力學(xué)模型動(dòng)力學(xué)模型以質(zhì)量平衡方程為基礎(chǔ)，以各變量的動(dòng)力過程為核心，對系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，態(tài)系統(tǒng)內(nèi)子系統(tǒng)間相互作用，綜合考慮系統(tǒng)外部環(huán)境驅(qū)動(dòng)變量，模擬變量的時(shí)

29、、空變化過程。動(dòng)力學(xué)模型的研究工作始于 Chen（1970）、Ditoro（1971）開發(fā)的簡單的水質(zhì)動(dòng)力模型。70 年代后期至 80 年代初期，是模型開發(fā)的時(shí)期。Jrgensen（1976）提出的 Glusm模型成為此后一系列富營養(yǎng)化模型研究的基礎(chǔ)26，該模型共有 17 個(gè)狀態(tài)變量，以 C、N、P 為營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)變量，按生物鏈層次建立的以浮游植物、浮游動(dòng)物為中心變量的 模型。Park 和他的助手（1975）開發(fā)的湖泊綜合模式有：Clean 模式、修正版 Cleanr 模式、MS.Cleaner 模式（1981），模型包括 40 個(gè)4第 1 章 緒論變量27。DiToor 等（1977）開發(fā)

30、了以 15 個(gè)變量為模擬對象的湖泊富營養(yǎng)化模型，包括了范圍廣的可調(diào)參數(shù)。Di Toro 等（1983）開發(fā)的場人 WASP 箱模型， 是一個(gè)能模擬各類地表水（河流、湖泊、河口、海洋）中污染物的輸移擴(kuò)散的綜合模型，被稱之為萬能水質(zhì)模型28。Cerco 等人在研究 Chesapeake 灣富營養(yǎng)化時(shí)提出了 CE-QUAL-ICM 三維動(dòng)態(tài)水質(zhì)模型來進(jìn)行富營養(yǎng)化的模擬，該模型包括22 個(gè)狀態(tài)變量，涉及湖泊物理特征、多種藻類、碳、氮、磷、硅和溶解氧等。地模擬了水質(zhì)變化過程和水體-底質(zhì)之間的交換過程。總的來說，動(dòng)力學(xué)模型在其發(fā)展過程中正經(jīng)歷如下變化:狀態(tài)變量逐步增加，由最初的幾個(gè)發(fā)展到現(xiàn)在十幾個(gè)乃至幾十

31、個(gè)；從一維逐步向動(dòng)態(tài)模型過渡，如 3DWDGAS 是一個(gè)三維動(dòng)力學(xué)模型，包括的物理、化學(xué)和生物過程更加全面。動(dòng)力學(xué)模型考慮系統(tǒng)中過程的時(shí)空變化和自然界中多種因間的相互作用，對湖泊富營養(yǎng)化的動(dòng)力過程有更深入的了解。目前，一批大型綜合軟件，如 SPS、CEQUAL 系列模型等。動(dòng)力學(xué)模型已經(jīng)發(fā)展成為大型但是，這些模型都包含了很多的參數(shù)，且這些參數(shù)的率定十分，如 Cleaner模式考慮了 40 個(gè)變量，模型需率定的參數(shù)達(dá) 110 個(gè)。盡管一些模型利用一些特殊年份的實(shí)測資料，進(jìn)行了模型的率定與驗(yàn)證工作，但由于富營養(yǎng)化模型中類似藻類的生長速率等參數(shù)對于不同的藻類，不同季節(jié)，甚至不同時(shí)段內(nèi)都是不一樣的，給

32、模型參數(shù)的率定帶來了很大的，也限制了模型的應(yīng)用29。但隨著動(dòng)力學(xué)模型的不斷開發(fā)完善動(dòng)力學(xué)模型將能更精確地模擬湖泊水體的水環(huán)境問題，是湖泊富營養(yǎng)化研究的發(fā)展方向30。目前動(dòng)力學(xué)模型的缺點(diǎn)在于它們的結(jié)構(gòu)太固定，缺乏靈活性和適應(yīng)性：一個(gè)模型的一定結(jié)構(gòu)和一套參數(shù)（與特定的系統(tǒng)相吻合）只適用于一種系統(tǒng)；模型驗(yàn)證和校正；對規(guī)律和知識(shí)的了解程度也限制了模型的適用性。因此我們在研究單一因素、局部過的同時(shí)，必須對湖泊生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行深入的研究。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們對湖泊富營養(yǎng)化認(rèn)識(shí)的提高，這些問題肯定會(huì)得到解決，湖泊富營養(yǎng)化模型將會(huì)向細(xì)致、準(zhǔn)確和適用的方向發(fā)展。5第 1 章 緒論1.2.3 常用二維水質(zhì)模型

33、應(yīng)用軟件概況目前國內(nèi)外應(yīng)用較多的二維水質(zhì)模型主要有：WASP 模型、MIKE 模型、EFDC模型31、CE-QUAL-W2 模型32,33、SMS 模型34,35、RAM36模型等。其中，WASP模型和 MIKE 模型是國內(nèi)外應(yīng)用較多、功能較全面的環(huán)境水體力及水質(zhì)模型，二者均能實(shí)現(xiàn)一、二維水力耦合計(jì)算。其中，WASP 模型表達(dá)動(dòng)力過程的公式均采用有限差分法進(jìn)行離散求解。MIKE 模型提供兩種離散格式：有限差分法和有限體積法。（1）WASP 模型3740WASP（The Water Quality Analysis Simulation Program）是美國環(huán)境保護(hù)局提出的水質(zhì)模型系統(tǒng)。WAS

34、P 有兩個(gè)的計(jì)算機(jī)程序 DYNHYD 和 WASP 組成，兩個(gè)程序可連接運(yùn)行，也可以執(zhí)行。WASP 程序也可與其它力RIVMOD（一維），SED3D（三維）相連運(yùn)行，如果有已知水力參數(shù)，還可單獨(dú)運(yùn)行。WASP 是水質(zhì)分析模擬程序，是一個(gè)動(dòng)態(tài)模型模擬體系，它基于質(zhì)量守恒原理，待研究的水質(zhì)組分在水體中以某種形態(tài)存在，WASP 在時(shí)空上追蹤某種水質(zhì)組分的變化它由兩個(gè)子程序組成：化學(xué)物模型 TOXI 和富營養(yǎng)化模型EUTRO，分別模擬兩類典型的水質(zhì)問題：傳統(tǒng)污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律（DO、BOD 和富營養(yǎng)化）；物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律（有機(jī)化學(xué)物、金屬、沉積物等）。TOXI 是有機(jī)化合物和重金屬在各類水體中遷移積

35、累的動(dòng)態(tài)模型，采用了EXAMS 的動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)，結(jié)合 WASP 遷移結(jié)構(gòu)和簡單的沉積平衡機(jī)理，它可以預(yù)測溶解態(tài)和吸附態(tài)化學(xué)物在河流中的變化情況。EUTRO 采用了 POTOMAC 富營養(yǎng)化模型的動(dòng)力學(xué)，結(jié)合 WASP 遷移結(jié)構(gòu)，該模型可DO、COD、BOD、富營養(yǎng)化、碳、葉綠素 a、氨、硝酸鹽、有機(jī)氮、正磷酸鹽等物質(zhì)在河流中的變化情況。WASP 模型的水流模塊 DYNHYD 只適用于一維的，WASP 用于二維水質(zhì)模擬需要其他二維力模塊計(jì)算提供水量數(shù)據(jù)。（2）MIKE 模型4143MIKE 模型體系主要包括 MIKE 11、MIKE 21 和 MIKE 3，是丹麥 DHI 公司開發(fā)的。MIKE 1

36、1 用于一維力學(xué)、水質(zhì)、富營養(yǎng)化和泥沙輸移計(jì)算及洪水預(yù)報(bào)等，適用于河流、湖庫及灌渠等。MIKE 21 用于二維力學(xué)、水質(zhì)、富營養(yǎng)化、石油泄漏等計(jì)算，適用于河流、湖庫、河口及海灣等。MIKE 3 用于三6第 1 章 緒論。MIKE 21 模型是維力學(xué)和水質(zhì)模擬，適用于河流、湖庫、河口、MIKE 11 的姐妹模型，在全世界廣泛應(yīng)用。它是一個(gè)極優(yōu)秀的模型，用來模擬在水質(zhì)中垂向變化常被忽略的湖泊、河口、海岸地區(qū)。它提供的水質(zhì)變化過程很多。MIKE 21 系統(tǒng)包括了以下 4 個(gè)模擬引擎：單一網(wǎng)格，這是一種傳統(tǒng)的矩形模型，是將研究區(qū)域劃分成同一大小的矩形網(wǎng)格，網(wǎng)格的大小（分辯率）由模擬區(qū)域大小及具體應(yīng)用決

37、定，網(wǎng)格越小計(jì)算精度越高，但耗時(shí)越長。嵌套網(wǎng)格，這也是一種矩形模型，只是在同一模型中可以有多種網(wǎng)格大小。在大網(wǎng)格模型中可以嵌套小網(wǎng)格模型。曲線網(wǎng)格，網(wǎng)格呈四邊形或近似矩形，主要適用于蜿蜒河段的力學(xué)計(jì)算和河床演變分析。三角形網(wǎng)格，采用有限體積解法。該網(wǎng)格能夠很好地模擬彎道或水上結(jié)構(gòu)物周圍區(qū)域的流場。其中前兩種網(wǎng)格采用有限差分法，后兩種采用有限體積法進(jìn)行數(shù)值離散。有限差分法和有限體積法是水環(huán)境模擬應(yīng)用較多的兩類方法。（3）有限差分法和有限體積法在水環(huán)境模擬的應(yīng)用水環(huán)境模擬數(shù)值離散三大類：有限差分法、有限體積法和有限元法18,19，其中又以前兩種在水環(huán)境模擬的應(yīng)用居多。有限差分法的本質(zhì)，是在有限差分

38、方程中用諸如Df Dx 這樣的有限差分比，來代替微分方程中諸如¶f ¶x 的導(dǎo)數(shù)。差分的主要形式有前差分、后差分和中心差分。不同的差分形式離散的方程組求解方法不同，如差分方程組解耦，即各方求解，稱為顯式格式，反之，若需聯(lián)立求解，稱為隱式格式44,45。1967 年美國 Leendertse 首次應(yīng)用交替方向隱（ADI）差分格式模擬二維潮汐水流,并很快得到推廣。后來國際上又應(yīng)用Yanenko 等人的法，從按空間座標(biāo)到按物理機(jī)制（即方程中物理意義不同的項(xiàng)）方程組。我國在 80 年代也經(jīng)歷了類似的發(fā)展過程。這些算法的共同點(diǎn)都是基于矩形座標(biāo)網(wǎng)格上的 FDM。明顯的缺點(diǎn)是，受網(wǎng)格密度

39、的限制，對平面水體的周邊形狀逼近較差，且對邊界條件的實(shí)現(xiàn)或確（尤其是邊界線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)）。為7第 1 章 緒論了克服其局限性，許多學(xué)者都致力于不規(guī)則邊界處理問題的研究，如美國的J.F.Thompson 等人提出的邊界擬合坐標(biāo)系方法（ Boundary Fitted CoordinateSystem）方法46，L曼所提出的任意網(wǎng)格差分法47等。利用這些方法在原則上可以把任意復(fù)雜的幾何邊界變成規(guī)則的幾何邊界求解，但計(jì)算區(qū)域的規(guī)則化是以方程的復(fù)雜化為代價(jià)的，而且當(dāng)邊界存在尖角時(shí)，會(huì)出現(xiàn)局部奇異現(xiàn)象，使計(jì)算不收斂48,49。有限體積法又稱體積法 50,51，其基本思路是將計(jì)算區(qū)域劃分為一系列不重復(fù)的單元（

40、即體積），并使每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)周圍有一個(gè)體積，以網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的因變量數(shù)值為未知數(shù)，假設(shè)其在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)之間的分布規(guī)律，將方程對每個(gè)體積，一組離散方程,結(jié)合邊界條件和初始條件求得數(shù)值解。FVM 早在 70 年代初開始用于平面不可壓流數(shù)值模擬,形成了矩形網(wǎng)格上的SIMPLE 類隱式算法。模擬淺水水流時(shí)，當(dāng)?shù)匦斡酗@著不規(guī)則變化時(shí)，F(xiàn)DM 必計(jì)算點(diǎn)否則無法應(yīng)用，而 FVM 則可直接應(yīng)用，只需每個(gè)體內(nèi)地形近似線性變化。FVM 既適用于連續(xù)解，也適用于間斷解，可以嚴(yán)格遵循物理守恒律。FVM 的誤差主要來自對界面通量的估算，它嚴(yán)格遵循守恒律，不存在任何的水量動(dòng)量不平衡的守恒誤差，這不同于 FDM 的誤差主要來自用差商

41、逼近偏導(dǎo)數(shù)而帶來的截?cái)嗾`差，后者使 FDM 不適用于時(shí)空變率大的情況。因此，F(xiàn)VM 吸取了 FDM 與 FEM 的優(yōu)點(diǎn)，并同時(shí)具有 的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，尤其對二維及三維問題 FVM 可發(fā)揮巨大作用。1.3 主要研究內(nèi)容及技術(shù)路線1.3.1 研究內(nèi)容本文應(yīng)用 MIKE 模型系統(tǒng)，進(jìn)行研究內(nèi)容包括：湖引水條件下水質(zhì)演變規(guī)律研究。主要（1）分析平原河網(wǎng)區(qū)產(chǎn)匯流特征及 MIKE 產(chǎn)匯流模型的適用性，建立平原圩區(qū)產(chǎn)匯流模型，耦合于 MIKE 11；建立耦合模型。泖區(qū)一維河網(wǎng)及二維湖泊力（2）在湖現(xiàn)狀水量水質(zhì)特征及水質(zhì)評價(jià)的基礎(chǔ)上，確定水質(zhì)模擬因子；利用 MIKE 21 模型建立（3）利用建立湖二維水質(zhì)模型。湖一

42、、二維力及水質(zhì)模型，開展湖湖流特征分8第 1 章 緒論析及引水條件下湖水質(zhì)演變規(guī)律研究。1.3.2技術(shù)路線圖 1.3-1研究技術(shù)路線圖9提供水力條件湖引水水質(zhì)變化規(guī)律及水源地建設(shè)方案建議引水水文水質(zhì)邊界條件湖引水水質(zhì)變化模擬湖二維水質(zhì)模型建立及率定湖典型湖流水力模擬河網(wǎng)湖泊耦合水力模型建立及率定實(shí)測水質(zhì)資料湖二維水力模型建立及率定產(chǎn)匯流模型泖區(qū)一維河網(wǎng)水力模型建立湖地形、水文水質(zhì)、風(fēng)場等資料收集泖區(qū)降雨、蒸發(fā)、下墊面資料收集泖區(qū)水位流量、河道等資料收集第 2 章 河湖串聯(lián)河網(wǎng)區(qū)水量水質(zhì)系統(tǒng)模型構(gòu)建第 2 章 河湖串聯(lián)河網(wǎng)區(qū)水量水質(zhì)系統(tǒng)模型構(gòu)建2.1 河湖串聯(lián)河網(wǎng)區(qū)水量水質(zhì)模型系統(tǒng)2.1.1 模

43、型系統(tǒng)簡介MIKE 系統(tǒng)模型是丹麥水力學(xué)所（DHI）研究開發(fā)的模擬地表水及水水環(huán)境系統(tǒng)演變過程的系列軟件包。根據(jù)河湖串聯(lián)河網(wǎng)區(qū)力及其水環(huán)境演變特征，選取 MIKE 系統(tǒng)模型的 MIKE 11、MIKE 21、MIKE FLOOD 及 AD/ECO 水質(zhì)模塊，構(gòu)建河湖串聯(lián)河網(wǎng)區(qū)水量水質(zhì)系統(tǒng)模型框架，具體見圖 2.1-1。河湖串聯(lián)河網(wǎng)區(qū)水量水質(zhì)系統(tǒng)模型中，RR（Rainfall Runoff）是流域產(chǎn)匯流計(jì)算模塊，MIKE 11 HD 是一維水力計(jì)算模塊，RR 可以單獨(dú)運(yùn)算模擬流域產(chǎn)匯流過程，也可以和 MIKE 11 HD 耦合，為 MIKE 11HD 模塊提供側(cè)向匯流條件，模擬河道河網(wǎng)力。MIK

44、E 21 HD 是二維水力計(jì)算模塊。MIKE 11 HD 和 MIKE21 HD 均可以單獨(dú)運(yùn)算，也可以分別和對流擴(kuò)散模塊（AD）以及模擬模塊（ECO）耦合運(yùn)算計(jì)算簡單或復(fù)雜的水力水質(zhì)問題。同時(shí)，MIKE 11HD 可以和MIKE 21 HD 通過 MIKE FLOOD 實(shí)現(xiàn)一、二維水力耦合計(jì)算。圖 2.1-1 MIKE FLOOD 耦合模型框架示意圖2.1.2 MIKE FLOOD 水量耦合條件處理MIKE FLOOD 是一維模型 MIKE 11 和二維模型 MIKE 21 的動(dòng)態(tài)耦合模型，為河流-區(qū)和內(nèi)河-河口海岸的有效連接。可以模擬河口和海岸地區(qū)的河流和10AD/ECO水質(zhì)模塊MIKE

45、FLOOD水力耦合模塊MIKE 21 HD水力模塊MIKE 11 HD水力模塊RR 降雨計(jì)算模塊第 2 章 河湖串聯(lián)河網(wǎng)區(qū)水量水質(zhì)系統(tǒng)模型構(gòu)建風(fēng)暴潮引起的洪水問題、區(qū)內(nèi)詳細(xì)的流場（流速和水位）、河道和明渠與相鄰區(qū)和湖泊水庫等的水體交換以及潰壩后區(qū)內(nèi)的溢流等問題。MIKE FLOOD 根據(jù)連接處動(dòng)量守恒原則，通過定義一維水流計(jì)算節(jié)點(diǎn)和二維水流計(jì)算網(wǎng)格單元的連接方式，可進(jìn)行五種一二維連接問題的模擬52：標(biāo)準(zhǔn)連接（Standard Link）標(biāo)準(zhǔn)連接是一種顯式連接，用于一維計(jì)算區(qū)域計(jì)算區(qū)域或二維計(jì)算區(qū)域向一維計(jì)算區(qū)域的自然連接。其連接示意如圖 2.1-2 所示。圖 2.1-2 MIKE FLOOD

46、的標(biāo)準(zhǔn)連接示意圖側(cè)向連接（Lateral Link）側(cè)向連接用于模擬洪區(qū)發(fā)生的河道漫流模擬。其連接方式如圖2.1-3 所示。2.1-3 MIKE FLOOD 的側(cè)向連接示意圖11第 2 章 河湖串聯(lián)河網(wǎng)區(qū)水量水質(zhì)系統(tǒng)模型構(gòu)建物連接（Structure Link）水工水工物模擬用于有水工物的一二維連接問題，其連接示意如圖2.1-4 所示。圖 2.1-4 MIKE FLOOD 的水工物連接示意圖市政連接（Urban Link）連接用于模擬地表暴雨洪水通過人工井下泄到市政市政以及排水管道洪水通過溢流井的上涌問題。零流量連接（Zero Flow Llink）零流量連接包括 x 方向的零流量連接和 y

47、方向的零流量連接，零流量連接是側(cè)向連接的補(bǔ)充。該連接設(shè)置是為了模擬 MIKE 21 的漫灘流穿過 MIKE 11 的河道問題以及泛洪區(qū)存在道路及堤防阻流的問題。MIKE FLOOD 一二維耦合根據(jù)“水位-流量”銜接關(guān)系，一維水流流區(qū)域時(shí)，由 MIKE 11 計(jì)算出連接河道末端（第一個(gè) Q 點(diǎn)）的流量，并作為源項(xiàng)提供給 MIKE 21 連接網(wǎng)格單元；二維水流流向一維河道時(shí)，由 MIKE 21 模型計(jì)算出連接網(wǎng)格單元的水位提供給 MIKE 11 一維河道連接節(jié)點(diǎn)，并作為該節(jié)點(diǎn)的水位邊界。MIKE 11 里與 MIKE 21 連接處的河道端點(diǎn)需要給定一個(gè)虛擬的水位邊界作為耦合模型的啟動(dòng)條件，該虛擬水

48、位不影響 MIKE FLOOD 的后續(xù)計(jì)算。12第 2 章 河湖串聯(lián)河網(wǎng)區(qū)水量水質(zhì)系統(tǒng)模型構(gòu)建2.2 產(chǎn)匯流模型理論基礎(chǔ)2.2.1 產(chǎn)匯流模型選取MIKE RR 模型自身提供的 6 種產(chǎn)匯流模型53（ NAM、UHM、SMAP、Urban、 FEH 和 DRiFt 模型），基于不同的理論方法，對資料的要求不同，適用的范圍也不一樣。各模型原理及適用特征如見表 2.2-1。表 2.2-1 MIKE RR 產(chǎn)匯流模型比較平原水網(wǎng)地區(qū)低地筑堤圍圩保護(hù)農(nóng)田，形成圩區(qū)，匯流過程因受人為因素影響，有其特有的規(guī)律。在汛期，水網(wǎng)經(jīng)常高出圩內(nèi)田面，圩內(nèi)產(chǎn)水量除部分蓄內(nèi)溝塘外，其余部分要靠動(dòng)力抽排入外河。由表 2.

49、2-1 可知，MIKE 自帶的產(chǎn)匯流模型都沒有考慮到這一點(diǎn)。因此，本文對產(chǎn)匯流模塊進(jìn)行替換改進(jìn)，建立適合研究區(qū)域的河網(wǎng)產(chǎn)匯流模型來計(jì)算匯流過程，提供河網(wǎng)水力模擬的旁側(cè)入流條件。平原河網(wǎng)區(qū)產(chǎn)匯流模型具體見章節(jié) 2.2.1 和 2.2.2。2.2.1 河網(wǎng)地區(qū)產(chǎn)流模擬由于不同下墊面具有不同的產(chǎn)流規(guī)律，下墊面可以分為很多類型，根據(jù)太湖流域下墊面特征，本模型將下墊面分為五類：水面、水田、城鎮(zhèn)不透水地面、旱13MIKE 產(chǎn)匯流模型模型理論基礎(chǔ)資料要求適用對象NAM 模型集總參數(shù)的概念性水文模型，模型考慮4 層蓄水體（融雪蓄水層、地表蓄水層、淺層蓄水層、蓄水層）的水量交換降雨、蒸發(fā)、實(shí)測流量大、小流域的丘

50、陵山區(qū)UHM 模型利用線技術(shù)用于計(jì)算單場暴雨事件的產(chǎn)匯流過程降雨、實(shí)測流量大、小流域單場暴雨產(chǎn)匯流SMAP 模型集總參數(shù)的概念性水文模型，模型考慮根區(qū)蓄水層、 水蓄水層對地表徑流和蒸發(fā)的影響降雨、蒸發(fā)、實(shí)測流量（逐月）大、小流域的丘陵山區(qū)，不考慮產(chǎn)匯流日過程Urban 模型Urban A 模型應(yīng)用的是時(shí)間/面積法；Urban B 模型應(yīng)用的是非線性蓄水池（運(yùn)動(dòng)波）方法降雨、實(shí)測流量城市的產(chǎn)匯流模擬FEH 模型水文線方法降雨特定地區(qū)的產(chǎn)匯流DRiFt 模型基于地形數(shù)據(jù)（DEM）的半分布式水文模型DEM、降雨、蒸發(fā)空間分布、河網(wǎng)空間分布及實(shí)測流量大流域、資料充足第 2 章 河湖串聯(lián)河網(wǎng)區(qū)水量水質(zhì)系

51、統(tǒng)模型構(gòu)建地和非耕地。（1）水面產(chǎn)流根據(jù)水量平衡原理，水面產(chǎn)流量在數(shù)值上等于時(shí)段內(nèi)降雨量與蒸發(fā)量之差：R1 = P - CE ´ E（2.2.1）式中，R1為水面時(shí)段凈雨深即產(chǎn)流量，mm；P降雨量(mm)； E蒸發(fā)皿的蒸發(fā)量；CE蒸發(fā)皿折算系數(shù)。（2）水田產(chǎn)流水田的產(chǎn)流需考慮水稻生長的需水要求，根據(jù)排灌原則逐時(shí)段可以推求水田產(chǎn)流過程：由作物生長期的需水過程及水稻田適宜水深上、下限，耐淹水深等因素，逐日進(jìn)行水量調(diào)節(jié)計(jì)算，推求水田產(chǎn)流過程 R2。H2 = H1 + P - a ´ CE ´ E - F（2.2.2）當(dāng) H2>Hp 時(shí)：R2 = H2 - HP ；

52、H2 = HP（2.2.3）當(dāng) Hu<H2<Hp 時(shí)：R2 = H2 - HU ；H2 = HU（2.2.4）當(dāng) Hd<H2<Hu 時(shí)：R2 = 0（2.2.5）當(dāng) H2<Hd 時(shí)：R2 = H2 - Hd ；H2 = Hd（2.2.6）式中：H1、H2每天初、末水稻田水深，mm；水稻各生長期的需水系數(shù)；Hp各生長期水稻耐淹水深，mm； Hu各生長期水稻適宜水深上限，mm；Hd各生長期水稻所需要的水深下限，mm；F 水稻田日滲透量，mm。14第 2 章 河湖串聯(lián)河網(wǎng)區(qū)水量水質(zhì)系統(tǒng)模型構(gòu)建（3）城鎮(zhèn)不透水區(qū)域產(chǎn)流城鎮(zhèn)、道路等不透水區(qū)域的產(chǎn)流計(jì)算簡單，即為徑流系數(shù)與降雨的乘積。當(dāng) P - EE > 0 時(shí)，R5 = a ´( P - EE )（2.2.7）R5 = 0否則，不產(chǎn)流，式中：R5為城鎮(zhèn)的產(chǎn)流；為徑流系數(shù)；P為時(shí)段降雨；EE為時(shí)段蒸發(fā)。（4）旱地