1、分類號（中圖法）628UDC（DDC）X5密級無 作者 學號0630503049河海大學中文題名 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 字數(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模

2、型 湖引水工程申請學位級別工 學 專業(yè)名稱環(huán) 境 工 程 研 究 方 向評價與環(huán)境管理 阮教授導師指導教師 河海大學答辯日期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獨創(chuàng)性：本人所呈交的是我個人在導師指導下進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均已在中作了明確的說明并表示了謝意。如不實，本人負全部責任。作者（簽名）：年月日使用

4、說明河海大學、中國科學技術信息、館、中國學術期刊（光盤版）社保留本人所送交的復印件或電子文檔，可以采用影印、縮印或其他保存。本人電子文檔的內容和紙質的內容相一致。除在期內的論文外，被查閱和借閱。全部或部分內容的公布（包括刊登）河海大學院辦理。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”項目為依托，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演變規(guī)律研究，以期為湖引水方案的科學決策提供依據(jù)。主要成果如下：（1）河網(wǎng)地區(qū)圩區(qū)產(chǎn)匯流特性，應用河網(wǎng)產(chǎn)匯流模型對MIKE自帶的降雨徑流模型進行了修正，并將

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

6、態(tài)，分別為東南出型、北出型、北進南出型和三面進南面出型。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作用最大，西湖中部和北部以及中湖的北部水質較小。：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研究背景國內外湖泊水力水質模型研究概況21.2.1 一、二維力耦合模型研究概況21.2.2 淺水湖泊水質模型概況31.2.3 常用二維水質模型應用軟件概況61.3889主要研究內容及技術路線1.3.11.3.2研究內容技

15、術路線第 2 章2.1河湖串聯(lián)河網(wǎng)區(qū)水量水質系統(tǒng)模型構建10河湖串聯(lián)河網(wǎng)區(qū)水量水質模型系統(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 二維水質模

16、型2.5.12.5.2二維湖泊水質方程離散方法第 3 章3.1湖水質模型的建立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、二維力耦合模型計算條件38力模型耦合連接的處理403.2.7 模型驗證4047474849633.3湖二維水質模型建立3.3.13.3.23.3.3計算條件的選取水質模型參數(shù)的確定水質模型的率定3.4第 4 章4.1本章小結引水條件下湖水質演變規(guī)律研究6

17、4湖引水工況設計646466664.1.1 水文設計條件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湖水質特征分析704.2.4 引水條件下水質變化規(guī)律8586874.34.4第 5 章5.15.2湖水源地建議本章小結總結與展望88總結展望8889參考文獻90致謝94II第 1 章 緒論第 1 章 緒論1.1 研究背景我國是個湖泊眾多的，現(xiàn)有湖泊 2700 余個，總面積達 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，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、巢湖等國內幾個湖泊連續(xù)暴發(fā)藍藻“水華”，湖泊的富營養(yǎng)化問題嚴重地周邊城市的供水安全湖泊富營養(yǎng)化已經(jīng)成為我國當前和可持續(xù)發(fā)展的一個嚴峻問題。利用流域或區(qū)域的水利工程在特殊時期從水質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 80 年代以來，伴隨著蘇州的高速發(fā)展，湖水質呈不斷趨勢6。進入 20 世紀 90 年代中期后，蘇州市十分重視湖治理和保護，水質的趨勢有所緩解，但水質狀況仍不容樂觀。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 年先后出臺了蘇州市湖水源水質保護條例、蘇州沿湖地區(qū)，2008 年下發(fā)了湖水污染防治工作計劃，將湖為蘇州市性水源地加以保護。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。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，是準確預測引水條件下湖泊力場及濃度場的基礎。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模型，對于湖引水工程的科學具有重要的實踐意義。1第 1 章 緒論1.2 國內外湖泊水力水質模型研究概況1.2.1 一、二維力耦合模型研究概況目前，國內外對一、二維耦合水量模型作了大量的研究7。等應用四點隱式有限差分格式計算一維水流，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，并應用于上海市淀南片河網(wǎng)的驗證計算，模型能較好的模擬非恒定水流8。等建立了以 Preissmann 四點隱式差分格式和有限體積

21、法（FVM）為基礎的一、二維藕合的水流水質模型，采用時間滯后條件，構造虛擬重疊計算水域，利用“重疊-投影法”實現(xiàn)一二維模型的水力耦合，模型應用于洪澤湖水系的水力、水質計算，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、懸移質輸沙量相等構造一二維連接條件，其口門水位由二維,流量由河道一維計算給出,含沙量進行相互傳遞，模型在每一迭代步內進行耦合計算，計算結果與實測值擬合較好10。等提供了一種復雜地形、水流條件下一維、二維力耦合模型的通用計算方法。其方法根據(jù)感潮河流地形復雜、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通過設置重疊區(qū)域建立一力計算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)點與二維模型的流速節(jié)點（二維網(wǎng)格邊緣）重合，一維模型的水位節(jié)點與二維模型的水位節(jié)點（二維網(wǎng)格中心點）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化為一維水位從而為一維模型提供下邊界條件，模型應用于等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)學模型。該一維河網(wǎng)模型采用 Preissmann 四點隱式格式，用節(jié)點水位法進行數(shù)值計算，二維海灣模型采用改進型雙向隱式(DSI)法進行數(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,取得較好的驗證遞。模型在珠2第 1 章 緒論結果。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，即在一維邊界處計算區(qū)域內延伸 CFL 個網(wǎng)格點的虛擬重疊區(qū)域。然后對一維虛邊界采用滯后耦合條件，即在下一時步虛擬重疊區(qū)域的水力要素值，通過二維計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)質量守恒和能量守恒原理，假設水位、流量相同的條件求解。1.2.2 淺水湖泊水質模型概況湖泊水質模型是建立在湖泊水力模型基礎上力學方程考慮的是水的體積、流量、流速和水深；水質污染物遷移與轉化方程則包括能量傳遞的表和化學平衡或化學與生物運動的表。湖泊水質模型的研究從最初簡單的營養(yǎng)鹽平衡模型發(fā)展到復雜的動力學模型，經(jīng)歷了三個階段。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系進行改進。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)展到模擬水體整個磷系統(tǒng)（包括顆粒磷 DP、溶解的無機磷 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)鹽相關模型Monod 方程表達了穩(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系。Dugdale 使用源自酶動力學的 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 緒論物生長之間關系的模型20。不同模型對這三種元間的相互關系描述不同。Droop 模型認識到營養(yǎng)鹽過度吸收的重要性，將藻類生長速率與細胞內部營養(yǎng)庫大小或細胞營養(yǎng)儲額（cellquato）起來，建立考慮細胞內部營養(yǎng)庫物質平衡以及物質交換對內部營養(yǎng)庫的貢獻的營養(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胞生理特征，其實藻類生長是細胞內外環(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)狀況的主要評價指標，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建立了生物光學模式（Bio Opticalm），用水體的光照分布來計算水體初級生產(chǎn)力。DiToro 和 Matystik 考慮了水深和時間，結合 Steele 方程研究了藍藻和硅藻生長與光的關系。Nyholom 則考慮了內部因子與浮游植物光合作用的關系，他們認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算模型24。單一的浮游植物與營養(yǎng)鹽相關模型不可能全面模擬浮游植物的動態(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)分負荷模型與水動力學模型整合在一起，才能有效地養(yǎng)分負荷的改變對浮游植物組成及其優(yōu)勢種的影響。懸浮底質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)分負荷的響應也必須考慮它們的影響。動力學模型動力學模型以質量平衡方程為基礎，以各變量的動力過程為核心，對系統(tǒng)進行結構分析，態(tài)系統(tǒng)內子系統(tǒng)間相互作用，綜合考慮系統(tǒng)外部環(huán)境驅動變量，模擬變量的時

29、、空變化過程。動力學模型的研究工作始于 Chen（1970）、Ditoro（1971）開發(fā)的簡單的水質動力模型。70 年代后期至 80 年代初期，是模型開發(fā)的時期。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26，該模型共有 17 個狀態(tài)變量，以 C、N、P 為營養(yǎng)物質的循環(huán)變量，按生物鏈層次建立的以浮游植物、浮游動物為中心變量的 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4第 1 章 緒論變量27。DiToor 等（1977）開發(fā)

30、了以 15 個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參數(shù)。Di Toro 等（1983）開發(fā)的場人 WASP 箱模型， 是一個能模擬各類地表水（河流、湖泊、河口、海洋）中污染物的輸移擴散的綜合模型，被稱之為萬能水質模型28。Cerco 等人在研究 Chesapeake 灣富營養(yǎng)化時提出了 CE-QUAL-ICM 三維動態(tài)水質模型來進行富營養(yǎng)化的模擬，該模型包括22 個狀態(tài)變量，涉及湖泊物理特征、多種藻類、碳、氮、磷、硅和溶解氧等。地模擬了水質變化過程和水體-底質之間的交換過程?？偟膩碚f，動力學模型在其發(fā)展過程中正經(jīng)歷如下變化:狀態(tài)變量逐步增加，由最初的幾個發(fā)展到現(xiàn)在十幾個乃至幾十

31、個；從一維逐步向動態(tài)模型過渡，如 3DWDGAS 是一個三維動力學模型，包括的物理、化學和生物過程更加全面。動力學模型考慮系統(tǒng)中過程的時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。動力學模型已經(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 個變量，模型需率定的參數(shù)達 110 個。盡管一些模型利用一些特殊年份的實測資料，進行了模型的率定與驗證工作，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)，甚至不同時段內都是不一樣的，給

32、模型參數(shù)的率定帶來了很大的，也限制了模型的應用29。但隨著動力學模型的不斷開發(fā)完善動力學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。目前動力學模型的缺點在于它們的結構太固定，缺乏靈活性和適應性：一個模型的一定結構和一套參數(shù)（與特定的系統(tǒng)相吻合）只適用于一種系統(tǒng)；模型驗證和校正；對規(guī)律和知識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，必須對湖泊生態(tài)系統(tǒng)進行深入的研究。隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展和人們對湖泊富營養(yǎng)化認識的提高，這些問題肯定會得到解決，湖泊富營養(yǎng)化模型將會向細致、準確和適用的方向發(fā)展。5第 1 章 緒論1.2.3 常用二維水質模型

33、應用軟件概況目前國內外應用較多的二維水質模型主要有：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 模型是國內外應用較多、功能較全面的環(huán)境水體力及水質模型，二者均能實現(xiàn)一、二維水力耦合計算。其中，WASP 模型表達動力過程的公式均采用有限差分法進行離散求解。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)境保護局提出的水質模型系統(tǒng)。WAS

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

35、累的動態(tài)模型，采用了EXAMS 的動力學結構，結合 WASP 遷移結構和簡單的沉積平衡機理，它可以預測溶解態(tài)和吸附態(tài)化學物在河流中的變化情況。EUTRO 采用了 POTOMAC 富營養(yǎng)化模型的動力學，結合 WASP 遷移結構，該模型可DO、COD、BOD、富營養(yǎng)化、碳、葉綠素 a、氨、硝酸鹽、有機氮、正磷酸鹽等物質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 用于二維水質模擬需要其他二維力模塊計算提供水量數(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、水質、富營養(yǎng)化和泥沙輸移計算及洪水預報等，適用于河流、湖庫及灌渠等。MIKE 21 用于二維力學、水質、富營養(yǎng)化、石油泄漏等計算，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 模型是維力學和水質模擬，適用于河流、湖庫、河口、MIKE 11 的姐妹模型，在全世界廣泛應用。它是一個極優(yōu)秀的模型，用來模擬在水質中垂向變化常被忽略的湖泊、河口、海岸地區(qū)。它提供的水質變化過程很多。MIKE 21 系統(tǒng)包括了以下 4 個模擬引擎：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?。ǚ洲q率）由模擬區(qū)域大小及具體應用決

37、定，網(wǎng)格越小計算精度越高，但耗時越長。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計算和河床演變分析。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構物周圍區(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)境模擬的應用居多。有限差分法的本質，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。后來國際上又應用Yanenko 等人的法，從按空間座標到按物理機制（即方程中物理意義不同的項）方程組。我國在 80 年代也經(jīng)歷了類似的發(fā)展過程。這些算法的共同點都是基于矩形座標網(wǎng)格上的 FDM。明顯的缺點是，受網(wǎng)格密度

39、的限制，對平面水體的周邊形狀逼近較差，且對邊界條件的實現(xiàn)或確（尤其是邊界線的轉折點）。為7第 1 章 緒論了克服其局限性，許多學者都致力于不規(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雜的幾何邊界變成規(guī)則的幾何邊界求解，但計算區(qū)域的規(guī)則化是以方程的復雜化為代價的，而且當邊界存在尖角時，會出現(xiàn)局部奇異現(xiàn)象，使計算不收斂48,49。有限體積法又稱體積法 50,51，其基本思路是將計算區(qū)域劃分為一系列不重復的單元（

40、即體積），并使每個網(wǎng)格節(jié)點周圍有一個體積，以網(wǎng)格節(jié)點上的因變量數(shù)值為未知數(shù)，假設其在網(wǎng)格節(jié)點之間的分布規(guī)律，將方程對每個體積，一組離散方程,結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，當?shù)匦斡酗@著不規(guī)則變化時，F(xiàn)DM 必計算點否則無法應用，而 FVM 則可直接應用，只需每個體內地形近似線性變化。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，它嚴格遵循守恒律，不存在任何的水量動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、逼近偏導數(shù)而帶來的截斷誤差，后者使 FDM 不適用于時空變率大的情況。因此，F(xiàn)VM 吸取了 FDM 與 FEM 的優(yōu)點，并同時具有 的獨特優(yōu)點，尤其對二維及三維問題 FVM 可發(fā)揮巨大作用。1.3 主要研究內容及技術路線1.3.1 研究內容本文應用 MIKE 模型系統(tǒng)，進行研究內容包括：湖引水條件下水質演變規(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)狀水量水質特征及水質評價的基礎上，確定水質模擬因子；利用 MIKE 21 模型建立（3）利用建立湖二維水質模型。湖一

42、、二維力及水質模型，開展湖湖流特征分8第 1 章 緒論析及引水條件下湖水質演變規(guī)律研究。1.3.2技術路線圖 1.3-1研究技術路線圖9提供水力條件湖引水水質變化規(guī)律及水源地建設方案建議引水水文水質邊界條件湖引水水質變化模擬湖二維水質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測水質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、風場等資料收集泖區(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)水量水質系統(tǒng)模型構建第 2 章 河湖串聯(lián)河網(wǎng)區(qū)水量水質系統(tǒng)模型構建2.1 河湖串聯(lián)河網(wǎng)區(qū)水量水質模型系統(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 水質模塊，構建河湖串聯(lián)河網(wǎng)區(qū)水量水質系統(tǒng)模型框架，具體見圖 2.1-1。河湖串聯(lián)河網(wǎng)區(qū)水量水質系統(tǒng)模型中，RR（Rainfall Runoff）是流域產(chǎn)匯流計算模塊，MIKE 11 HD 是一維水力計算模塊，RR 可以單獨運算模擬流域產(chǎn)匯流過程，也可以和 MIKE 11 HD 耦合，為 MIKE 11HD 模塊提供側向匯流條件，模擬河道河網(wǎng)力。MIK

44、E 21 HD 是二維水力計算模塊。MIKE 11 HD 和 MIKE21 HD 均可以單獨運算，也可以分別和對流擴散模塊（AD）以及模擬模塊（ECO）耦合運算計算簡單或復雜的水力水質問題。同時，MIKE 11HD 可以和MIKE 21 HD 通過 MIKE FLOOD 實現(xiàn)一、二維水力耦合計算。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 的動態(tài)耦合模型，為河流-區(qū)和內河-河口海岸的有效連接?？梢阅M河口和海岸地區(qū)的河流和10AD/ECO水質模塊MIKE

45、FLOOD水力耦合模塊MIKE 21 HD水力模塊MIKE 11 HD水力模塊RR 降雨計算模塊第 2 章 河湖串聯(lián)河網(wǎng)區(qū)水量水質系統(tǒng)模型構建風暴潮引起的洪水問題、區(qū)內詳細的流場（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)內的溢流等問題。MIKE FLOOD 根據(jù)連接處動量守恒原則，通過定義一維水流計算節(jié)點和二維水流計算網(wǎng)格單元的連接方式，可進行五種一二維連接問題的模擬52：標準連接（Standard Link）標準連接是一種顯式連接，用于一維計算區(qū)域計算區(qū)域或二維計算區(qū)域向一維計算區(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、的標準連接示意圖側向連接（Lateral Link）側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 的側向連接示意圖11第 2 章 河湖串聯(lián)河網(wǎng)區(qū)水量水質系統(tǒng)模型構建物連接（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，零流量連接是側向連接的補充。該連接設置是為了模擬 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”銜接關系，一維水流流區(qū)域時，由 MIKE 11 計算出連接河道末端（第一個 Q 點）的流量，并作為源項提供給 MIKE 21 連接網(wǎng)格單元；二維水流流向一維河道時，由 MIKE 21 模型計算出連接網(wǎng)格單元的水位提供給 MIKE 11 一維河道連接節(jié)點，并作為該節(jié)點的水位邊界。MIKE 11 里與 MIKE 21 連接處的河道端點需要給定一個虛擬的水位邊界作為耦合模型的啟動條件，該虛擬水

48、位不影響 MIKE FLOOD 的后續(xù)計算。12第 2 章 河湖串聯(lián)河網(wǎng)區(qū)水量水質系統(tǒng)模型構建2.2 產(chǎn)匯流模型理論基礎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)常高出圩內田面，圩內產(chǎn)水量除部分蓄內溝塘外，其余部分要靠動力抽排入外河。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。因此，本文對產(chǎn)匯流模塊進行替換改進，建立適合研究區(qū)域的河網(wǎng)產(chǎn)匯流模型來計算匯流過程，提供河網(wǎng)水力模擬的旁側入流條件。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)、實測流量大、小流域的丘

50、陵山區(qū)UHM 模型利用線技術用于計算單場暴雨事件的產(chǎn)匯流過程降雨、實測流量大、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 模型應用的是時間/面積法；Urban B 模型應用的是非線性蓄水池（運動波）方法降雨、實測流量城市的產(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)水量水質系

51、統(tǒng)模型構建地和非耕地。（1）水面產(chǎn)流根據(jù)水量平衡原理，水面產(chǎn)流量在數(shù)值上等于時段內降雨量與蒸發(fā)量之差：R1 = P - CE ´ E（2.2.1）式中，R1為水面時段凈雨深即產(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，逐日進行水量調節(jié)計算，推求水田產(chǎn)流過程 R2。H2 = H1 + P - a ´ CE ´ E - F（2.2.2）當 H2>Hp 時：R2 = H2 - HP ；

52、H2 = HP（2.2.3）當 Hu<H2<Hp 時：R2 = H2 - HU ；H2 = HU（2.2.4）當 Hd<H2<Hu 時：R2 = 0（2.2.5）當 H2<Hd 時：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)水量水質系統(tǒng)模型構建（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)流計算簡單，即為徑流系數(shù)與降雨的乘積。當 P - EE > 0 時，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為時段降雨；EE為時段蒸發(fā)。（4）旱地