MIKE 水質(zhì)材料

1、MIKE 21水質(zhì)培訓(xùn)教程王 穎DHI ChinaOffice number 021 6417 72911 ECO Lab簡介ECOLab是DHI在傳統(tǒng)的水質(zhì)模型概念發(fā)展起來的全新的水質(zhì)和生態(tài)模擬工具。ECOLab軟件開發(fā)的理念和方法非常先進，用戶不僅可以修改模型參數(shù)，更重要的是可以修改模型核心程序、甚至編寫新程序，然后ECOLab將其與MIKE 11/21/3的HD、AD集成計算。DHI已經(jīng)將大部分傳統(tǒng)的水質(zhì)模塊轉(zhuǎn)換成ECOLab通用模板，供用戶調(diào)用或修改使用，包括：v 水質(zhì)模塊v 富營養(yǎng)化模塊v 重金屬模塊1.1 應(yīng)用領(lǐng)域v 河流、濕地、湖泊、水庫、河口、海岸和海洋v 各生態(tài)系統(tǒng)反應(yīng)的空間

2、預(yù)測v 簡單和復(fù)雜的水質(zhì)研究v 環(huán)境影響和優(yōu)化研究v 規(guī)劃和可行性研究v 水質(zhì)預(yù)報1.2 內(nèi)置模板和使用手冊· DHI預(yù)定義的ECO Lab模板在以下目錄中：C:Program FilesDHI2009MIKE ZeroTemplatesECOLab· 使用手冊和說明在以下目錄中：C:Program FilesDHI2009MIKE ZeroManualsMIKE_ZEROECOLab2 WQ水質(zhì)模塊2.1 MIKE 21水質(zhì)模塊的目標(biāo)MIKE 21水質(zhì)模型主要針對湖泊、海洋區(qū)域的污水排放引起的水質(zhì)問題，比如BOD/DO, 富營養(yǎng)化和細菌污染。2.2目前水質(zhì)模塊可進行以下模

3、擬：· 大腸桿菌，糞大腸桿菌/總大腸桿菌的傳輸和死亡（用一級降解來表示），降解速率取決于當(dāng)?shù)氐墓鈴?，溫度和鹽度條件等。· BOD-DO關(guān)系，即排放的有機物所引起的耗氧?？紤]以下幾個過程： BOD一級降解BOD降解引起的耗氧底泥需氧量水體中的呼吸作用光合作用產(chǎn)氧水氣相互作用下的氧交換 （大氣復(fù)氧）· BOD-DO模塊包括不同營養(yǎng)物（氨氮，硝酸鹽和磷）以及三種BOD形式：溶解性，懸浮性和沉積性BOD。使用該模塊需要設(shè)置三種BOD組分的一級降解速率。懸浮和沉積的BOD將考慮沉降和再懸浮。該模塊中氧平衡過程主要包括：BOD降解需氧量，底泥需氧量，硝化反應(yīng)需氧量，光合作用產(chǎn)

4、氧，呼吸作用耗氧以及大氣復(fù)氧。營養(yǎng)物轉(zhuǎn)化的基本過程包括：BOD降解釋放有機氮和磷，產(chǎn)生的氨氮經(jīng)硝化反應(yīng)變成硝酸鹽氮，最終通過反硝化作用生成氮氣，釋放在大氣中。同時，BOD降解所釋放的部分氨氮和磷可以被浮游生物，植物和細菌所吸收。· 用戶可以按實際需求自定義多種污染物質(zhì)，并定義相應(yīng)的降解速率進行模擬。典型污染問題與典型污染問題相關(guān)的污染物質(zhì)有：· 近海水域中與健康相關(guān)的微生物· 耗氧物質(zhì)· 營養(yǎng)物質(zhì)· 異生化合物，例如有危害性或毒性的化合物與健康相關(guān)的微生物對于近海水域微生物調(diào)查的主要目的在于指出其用水安全性，或是作為對該處魚類，貝類等生長環(huán)境的

5、調(diào)查。一個全面的微生物風(fēng)險評估包括：· 環(huán)境健康評估包括關(guān)于排水管道或污水排放口，雨水排放口的季節(jié)性變化，水溫，流量，潮汐變化等信息，以及一個報告和行動系統(tǒng)以確保水質(zhì)惡化引起的問題能及時通知到健康權(quán)威機構(gòu)并作出相應(yīng)處理。· 指示劑生物體的出現(xiàn)和這些生物體的行為，包括其與物理化學(xué)因素及相關(guān)病原體關(guān)聯(lián)的死亡速率（基于光強、鹽度、水溫、沉降速率和污染程度等）。· 病原體的呈現(xiàn)耗氧物質(zhì)耗氧物質(zhì)分為溶解性和懸浮性物質(zhì)，與氧進行生物或生物化學(xué)作用，消耗水中的溶解氧。這些耗氧物質(zhì)主要是一些不同類型的有機物，具有不同類的降解速率。生化需氧量（BOD）是間接反映水中能為微生物分解的

6、有機物總量的一個綜合指標(biāo)。有機物在有氧條件下為微生物分解產(chǎn)生H2O、CO2和NH3。一般BOD以被檢驗的水樣在標(biāo)準(zhǔn)條件下5天內(nèi)的耗氧量為代表，稱為BOD5。營養(yǎng)物質(zhì)許多營養(yǎng)物質(zhì)都是生物生長的必要元素。適量的營養(yǎng)物對于水中微生物的生長及活動是必需的，然而，一旦營養(yǎng)物質(zhì)過量就會引起富營養(yǎng)化，將引起一系列的問題，如水體污濁，河床底部缺氧，生物沉積量的增加等。富營養(yǎng)化模塊可用來模擬這種情況，因為該模塊考慮到藻類對其它物質(zhì)的直接影響。在營養(yǎng)物質(zhì)中氮和磷是最重要的，它們是水生植物生長的控制因子。氮以氨氮和硝酸鹽這兩種無機氮的形式存在。許多國家對近海水域中的這些營養(yǎng)物質(zhì)都設(shè)定了濃度標(biāo)準(zhǔn)。MIKE21水質(zhì)模型

7、 (WQ) 就是設(shè)計用于評估和這些標(biāo)準(zhǔn)濃度相關(guān)的水質(zhì)問題。MIKE 21富營養(yǎng)化模塊（EU）更為復(fù)雜，一般水質(zhì)問題無需使用。水質(zhì)模塊狀態(tài)變量涉及到的主要過程描述：DO：reaera (大氣復(fù)氧) + phtsyn (光合作用) respT (呼吸作用) BodDecay (BOD降解) - SOD (底泥需氧量) OxygenConsumptionFromNitrification (硝化耗氧)TEMP：Rad_in (太陽輻射) - Rad_out (長波輻射)AMMONIA：AmmoniaReleaseFromBOD (BOD降解釋放氨氮) Nitrification (硝化) Plant

8、uptake (植物攝取) bacteriaUptake (細菌攝取)NITRATE：Nitrification (硝化) Denitrification (反硝化)BOD：- BodDecay (BOD降解) Sedimentation (沉降) + Resuspension (再懸浮)OP：PPdecay (顆粒型磷降解) PPformation (顆粒型磷合成) + OPreleaseFromBOD (BOD降解釋放溶解型磷) OPplantUptake (植物攝取溶解型磷)PP：- PPdecay (顆粒型磷降解) + PPformation (顆粒型磷合成)- PPsedimenta

9、tion(顆粒型磷沉降) + PPresuspension(顆粒型磷再懸浮)FaecalColi：-FaecalColiDecay (糞大腸桿菌降解)TotColi：-TotalColiDecay (總大腸桿菌降解)主要常數(shù)：· 降解系數(shù)· 溫度系數(shù)· 沉降和再懸浮速率· 沉降臨界速率· 產(chǎn)氧速率· 呼吸速率· 底泥需氧量· 耗氧速率（如硝化過程）· N/P產(chǎn)率和被吸收速率· 反應(yīng)級數(shù)· 硝化/反硝化速率主要參數(shù)經(jīng)驗值：1. BOD一級降解速率: 0.1 - 0.2 /day 溫度系數(shù)

10、1.07 (1.02-1.09)2. BOD降解過程釋放氨氮的典型產(chǎn)出率原污水: 0.065 gNH4/gBOD (0.01-0.1)生化處理后污水: 0.3 gNH4/gBOD (0.1- 0.6)3. 硝化速率 0.05 /day (0.01 - 0.3) 溫度系數(shù) 1.088 硝化需氧量: 4.57gO2/gNH44. 反硝化速率 0.1/day (0.05 - 0.3) 溫度系數(shù) 1.165. 植物吸收 N(光合作用): 植物 0.066 gNH4/gBOD6. BOD降解過程中細菌吸收 N: 0.109 gNH4/gBOD 7. BOD降解釋放無機磷的典型產(chǎn)出率原污水: 0.014

11、gP/gBOD (0.003-0.03)生化處理后污水: 0.06 gP/gBOD (0.01- 0.09)8. 植物吸收P: 0.0091 gP/gBOD9.10. 光合作用最大值 1.75 7.0 g O2/m2/d , 相當(dāng)于0.5 2.0 g C/m2/d11. 底泥需氧量典型值 0.2 1.0 g O2/m2/d (可通過實驗獲?。?無機底泥取 0；河口或有多年排污歷史的區(qū)域可取1 2 g O2/m2/d；自然河道取0.5 g O2/m2/d 溫度系數(shù)為1.0712. 大腸桿菌一級降解速率: 0.8/day溫度系數(shù)1.0713. 沉降速率與顆粒物粒徑有關(guān)：一般對于 1 10 m 取0

12、.07 0.7 m/d , 典型對于5m 取0.2 m/d 14. 再懸浮速率根據(jù)率定或相關(guān)經(jīng)驗獲得.3 MIKE 21水質(zhì)模型MIKE 21水質(zhì)模型所需數(shù)據(jù)資料：· 基本模型參數(shù)：地形網(wǎng)格（結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圖或非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圖） 時間步長和模擬時間 輸出項類型和頻率· 地形和HD條件· 耦合的AD模型：擴散系數(shù)的率定· 初始值：各參數(shù)的濃度值· 邊界條件：各參數(shù)的濃度值· 污染源：坐標(biāo)位置、水動力條件及各參數(shù)的濃度值· 各生物過程速率值：參考率定值、經(jīng)驗值或監(jiān)測值等。在MIKE 21模型中添加ECO Lab模塊第一步：引入水質(zhì)模塊：1

13、 在MIKE 21結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型中引入ECO Lab模板：打開 MIKE 21à Flow Model (.m21) à Basic Parameters à Module Selection à Hydrodynamic and ECO Lab (圖3.1)，出現(xiàn)ECO Lab Parameters，在Model Definition里選擇適當(dāng)?shù)膬?nèi)置水質(zhì)模塊或自定義模塊，參見圖3.2。圖3.1圖3.22 在MIKE 21非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型中引入ECO Lab模塊：打開 MIKE 21 à Flow Model FM à Module Se

14、lection à ECO Lab（參見圖3.3），出現(xiàn)ECO Lab Module，在Model Definition里選擇適當(dāng)?shù)膬?nèi)置水質(zhì)模塊或自定義模塊，參見圖3.4。圖3.3圖3.4第二步：在Model Definition里選擇計算方法并設(shè)置水質(zhì)模擬時間步長。 水質(zhì)模擬時間步長通常先以0.5小時進行計算。第三步：在ECO Lab模塊中分別對需模擬的狀態(tài)變量、邊界水質(zhì)條件、擴散系數(shù)、污染源濃度、ECO Lab模塊各參數(shù)、作用力和輸出項進行設(shè)定。4 水質(zhì)模型應(yīng)用要點歸納1. 二維水質(zhì)模型主要適用于水庫、湖泊、河口和海洋等的水質(zhì)模擬。模擬結(jié)果主要取決于邊界條件、污染源負荷以及外部作

15、用力（如溫度、太陽輻射、鹽度等）。 2. 若要降低初始值對模型計算結(jié)果的影響或繼續(xù)下一模擬時間段的計算，可采用hotstart進行再次計算。也就是在模擬時間段內(nèi)運行2次，第一次是將初始值設(shè)為常數(shù)進行模擬（一般采用起始模擬時間實測數(shù)據(jù)的平均值），第二次是將第一次運行后的如二維結(jié)果圖*.dfs2或 *.dfsu文件作為初始值進行模擬，以減少結(jié)果對于初始值的依賴性和考慮不同研究區(qū)域內(nèi)污染物濃度的梯度變化。3. WQ模塊主要用于：水體中人為因素造成的污染負荷（點源和面源污染）占主體的情況，污染物在水體中停留的時間相對較短。若對于污染物停留時間較長的湖泊水庫，富營養(yǎng)化程度較大，則應(yīng)該考慮用EU模型，考慮

16、浮游生物的影響。4. 增大水質(zhì)計算時間步長，可以縮短計算時間，但也會增加模型發(fā)散的可能性，所以通過方案比較選擇合適的時間步長進行計算。初始選擇時間間隔0.5hr進行模擬計算。5. 進行水質(zhì)模擬前需進行對流擴散模擬，確定對流擴散系數(shù)以及檢驗?zāi)Ｐ偷陌l(fā)散性。AD模塊可簡單模擬鹽水入侵、溫度變化、污染物傳輸和一級降解。完整的物理、化學(xué)和生物過程在ECO Lab模塊中實現(xiàn)，并與AD耦合使用進行計算。 6. 降解系數(shù)的單位在MIKE 21 AD模塊中為/sec，在ECO Lab中為/天。 7. 對ECO Lab中各常數(shù)進行率定時，一般采用同一參數(shù)值進行率定。若研究區(qū)域內(nèi)組分濃度梯度變化較大，則使用*.df

17、s2或 *.dfsu文件對不同區(qū)域的參數(shù)值進行分別設(shè)定。8. 如果實測數(shù)據(jù)明顯有問題，通過對各生態(tài)過程中的參數(shù)調(diào)整仍然不能達到較好的率定效果，則應(yīng)該考慮根據(jù)實際情況對污染源的流量和負荷進行重新評估，作出適當(dāng)修改后輸入模型。5 EU富營養(yǎng)化模塊 （附加）富營養(yǎng)化模塊（EU）用來描述水中溶解氧狀態(tài)，營養(yǎng)物循環(huán)，浮游植物和浮游動物的生長過程以及根系植被和大型藻類生長和分布等。主要應(yīng)用在內(nèi)陸水體(如湖泊、水庫等)以及相關(guān)的海洋水域，污染問題主要與營養(yǎng)物質(zhì)負荷有關(guān)。氮和磷通常是基本的營養(yǎng)物質(zhì), 它們控制著水中浮游植物和大型藻類（如石莼）的生長，而這些植物會引起富營養(yǎng)化問題。水生生態(tài)系統(tǒng)的富營養(yǎng)化狀態(tài)不僅

18、取決于營養(yǎng)物質(zhì)負荷，水溫、光照、鹽度、水動力條件也相當(dāng)重要。溫度和光輻射是藻類進行光合作用的必要條件，前者決定細胞內(nèi)酶促反應(yīng)的速率，后者是代謝的能源。各種植物必須在一定的溫度下才能進行生理活動，溫度太高或太低時都會影響浮游植物的生長。當(dāng)光強增加時，浮游植物的生長率也增大，并呈線性關(guān)系，直到光合速率達飽和。海水的溫度是赤潮發(fā)生的重要因子，2030是赤潮發(fā)生的最適溫度。鹽度的變化是促進生物大量繁殖的原因之一，鹽度變化在2637范圍內(nèi)均有發(fā)生赤潮的可能。海水鹽度在1521.6時容易形成溫躍層和鹽躍層，溫、鹽躍層的存在為赤潮生物的聚焦提供條件，易誘發(fā)赤潮。在水流緩慢的水體如湖泊、水庫、河口、港灣和內(nèi)海

19、等處易發(fā)生富營養(yǎng)化，這是因為水體分層使得底層得不到氧氣供應(yīng)，而大量繁殖起來的藻類死亡后又沉入湖底需要耗氧分解，從而使底層缺氧更為嚴重。藻類在表層的大量繁殖，使光線不能射入底層，底層藻類不能很好的進行光合作用，也加劇了底層缺氧。海洋由于徑流、涌升流、水團或海流的交匯作用，使海底層營養(yǎng)鹽上升到水上層造成沿海水域高度富營養(yǎng)化。MIKE 軟件預(yù)設(shè)了3個富營養(yǎng)化模板：富營養(yǎng)化模擬的數(shù)據(jù)收集需收集的數(shù)據(jù)主要包括：· 浮游植物生產(chǎn)量，即可用（gO2/m2/d）也可用（gC/ m2/d）· 葉綠素-a濃度（g/m3）· 總氮和總磷（g/m3）· 無機氮和無機磷（g/m3

20、）· 溶解氧（g/m3）· 底棲植被生物量（gC/m2）（如果包含在建模中）這些數(shù)據(jù)是必要的，此外相關(guān)數(shù)據(jù)有浮游動物生物量和腐質(zhì)碳濃度。這些數(shù)據(jù)必須覆蓋研究區(qū)域，采集位置必須靠近模型邊界位置。為得到可靠模擬結(jié)果，邊界數(shù)據(jù)尤為重要。模擬對象：浮游植物、浮游動物、有機物（腐質(zhì)）、有機和無機營養(yǎng)物N和P，DO，底棲植被生物量等。狀態(tài)變量有12個（以EU1為例）：PC、PN、PP - 浮游植物碳, 浮游植物氮, 浮游植物磷CH - 葉綠素aZC - 浮游動物DC、DN、DP - 腐質(zhì)碳，腐質(zhì)氮，腐質(zhì)磷IN、IP - 無機氮，無機磷DO - 溶解氧BC - 底棲植物碳ECO Lab中

21、的富營養(yǎng)化模型也屬于生態(tài)動力學(xué)模型，其描述了營養(yǎng)鹽的循環(huán)過程，浮游植物和浮游動物的生長，根生植物以及大型藻類的生長和分布。(主要轉(zhuǎn)化過程如下圖所示）此外還模擬水體中的氧環(huán)境。1 生產(chǎn)，浮游植物；2 沉降，浮游植物；3牧食；4 死亡，浮游植物；5 排泄，浮游動物；6 死亡，浮游動物；7 呼吸，浮游動物；8 懸浮性腐質(zhì)的礦化；9 腐質(zhì)沉積；10 腐質(zhì)礦化；11 沉積物中的累積；12生產(chǎn)，底棲植被；13 死亡，底棲植被；14 與上覆水體的交換。以EU1為例，富營養(yǎng)化模塊狀態(tài)變量涉及到的過程描述：1) Algal Carbon: PRPC-GRPC-DEPC-SEPC PRPC-Production

22、phytoplankton carbon 浮游植物生產(chǎn)的碳量 GRPC-Grazing of phytoplankton carbon 浮游動物牧食消耗的浮游植物碳量 DEPC-Death of phytoplankton carbon 浮游植物死亡損失的碳量 SEPC-Settling of phytoplankton carbon 浮游植物沉積損失的碳量2) Algal Nitrogen: UNPN-GRPN-DEPN-SEPNUNPN-Uptake of phytoplankton nitrogen浮游植物吸收的氮量GRPN-Grazing of phytoplankton nitrog

23、en浮游動物牧食消耗的浮游植物氮量DEPN-Death of phytoplankton nitrogen浮游植物死亡損失的氮量SEPN-Settling of phytoplankton nitrogen浮游植物沉積損失的氮量3) Algal Phosphorous: UPPP-GRPP-DEPP-SEPPUPPP-Uptake of phytoplankton phosphorous浮游植物吸收的磷量 GRPP-Grazing of phytoplankton phosphorous 浮游動物牧食消耗的浮游植物磷量 DEPP-Death of phytoplankton phosphoru

24、s 浮游植物死亡損失的磷量 SEPP-Settling of Phytoplankton phosphorous 浮游植物沉積損失的磷量4) Chlorophyll-a: PRCH-DECH-SECH PRCH-Production phytoplankton chlorophyll 浮游植物光合作用生產(chǎn)的葉綠素 DECH-Death of phytoplankton chlorophyll 浮游植物死亡損失的葉綠素 SECH-Settling of phytoplankton chlorophyll 浮游植物沉積過程損失的葉綠素5) Zooplankton: PRZC-DEZC PRZC-P

25、roduction of zooplankton carbon 浮游動物生長過程中生產(chǎn)的碳量 DEZC-Death of zooplankton carbon 浮游動物死亡損耗的碳量6) Detritus Carbon: DEPC2DC+DEBC2M3+EKZC-REDC-SEDC+DEZC DEPC2DC-Death phytoplankton to detritus carbon 浮游植物死亡后轉(zhuǎn)化為腐質(zhì)的碳量 DEBC2M3-Death benthic vegetation carbon, per m3 每立方米死亡的底棲植物中的碳量 EKZC-Excretion by zooplank

26、ton carbon 浮游動物排泄的碳量 REDC-Respiration detritus carbon 腐質(zhì)呼吸作用中消耗的碳量 SEDC-Settling of detritus carbon 腐質(zhì)沉積進入沉積物的碳量 DEZC-Death of zooplankton carbon 死亡浮游動物的碳量7) Detritus Nitrogen: DEPN2DN+EKZN-REDN-SEDN+DEZN+DEBN DEPN2DN- Death phytoplankton to detritus nitrogen浮游植物死亡后轉(zhuǎn)化為腐質(zhì)的氮量 EKZN- Excretion by zoopla

27、nkton nitrogen浮游動物排泄的氮量 REDN- Respiration detritus nitrogen腐質(zhì)呼吸作用中消耗的氮量 SEDN- Settling of detritus nitrogen腐質(zhì)沉積進入沉積物的氮量 DEZN- Death of zooplankton nitrogen死亡浮游動物所含的氮量 DEBN- Death benthic vegetation nitrogen 死亡底棲植物所含的氮量8) Detritus Phosphorous: DEPP2DP+EKZP-REDP-SEDP+DEZP+DEBP DEPP2DP- Death phytoplan

28、kton to detritus phosphorous浮游植物死亡后轉(zhuǎn)化為腐質(zhì)的磷量 EKZP- Excretion by zooplankton phosphorus 浮游動物排泄的磷量 REDP-Respiration detritus phosphorus 腐質(zhì)呼吸作用中消耗的磷量 SEDP-Settling of detritus phosphorus 腐質(zhì)沉積進入沉積物的磷量 DEZP-Death of zooplankton phosphorus 死亡浮游動物所含的磷量 DEBP-Death benthic vegetation phosphorous死亡底棲植物所含的磷量9)

29、Inorganic Nitrogen: REDN+REZN+RESN-UNPN+DEPN2IN-UNBN+REBN REDN- Respiration detritus nitrogen 腐質(zhì)有機氮礦化作用釋放的無機氮量 REZN- Respiration of zooplankton nitrogen 浮游動物呼吸釋放的無機氮量 RESN- Respiration of sediment nitrogen 沉積物有機氮礦化作用釋放的無機氮量 UNPN- Uptake of phytoplankton nitrogen 浮游植物吸收的無機氮量 DEPN2IN- Death phytoplank

30、ton to inorganic nitrogen 死亡浮游植物在礦化作用下釋放的無機氮量 UNBN- Uptake benthic vegetation nitrogen 底棲植物吸收的無機氮量 REBN- Respiration of benthic vegetation nitrogen 底棲植物呼吸作用釋放的無機氮量10) Inorganic Phosphorous: REDP+REZP+RESP-UPPP+DEPP2IP-UPBP+REBP REDP- Respiration detritus phosphorus 腐質(zhì)有機磷礦化作用釋放的無機磷量 REZP-Respiration of zooplankton phosphorous 浮游動物呼吸作用釋放的無機磷量 RESP-Respiration of sediment phosphorous 沉積物中的有機磷礦化作用釋放的無機磷量 UPPP-Uptake of phytoplankton phosphorous 浮游植物吸收的無機磷量 DEPP2IP-Death phytop