郭宇軒 王勇勇

[摘要]通過(guò)利用丹麥水資源與水環(huán)境研究所DHI研制的MIIKE11軟件中的HD水動(dòng)力學(xué)模塊和AD對(duì)流擴(kuò)散模塊，對(duì)沈陽(yáng)市南北運(yùn)河的水質(zhì)水量進(jìn)行了模擬分析。根據(jù)掌握南北運(yùn)河段水文站的實(shí)際日水文資料對(duì)模型的參數(shù)進(jìn)行率定，并對(duì)南北運(yùn)河模型進(jìn)行驗(yàn)證。研究結(jié)果表明，所建立的模型在率定期間和模型驗(yàn)證期間模擬效果均表現(xiàn)良好，水質(zhì)、水動(dòng)力及可控水中構(gòu)筑物均模擬效果好，模擬精度高，此模型能夠充分表現(xiàn)沈陽(yáng)市南北運(yùn)河段的水質(zhì)、水量特征，為實(shí)現(xiàn)沈陽(yáng)市南北運(yùn)河水生態(tài)環(huán)境的全面提升和水功能修復(fù)建設(shè)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

[關(guān)鍵詞]MIKE11；水質(zhì)水量耦合模型；沈陽(yáng)市南北運(yùn)河

[中圖分類(lèi)號(hào)]X524 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

1 引言

1.1 研究區(qū)域概況

沈陽(yáng)市南北運(yùn)河分為新開(kāi)河和南運(yùn)河，交匯于東塔閘門(mén)處，為城市內(nèi)河。新開(kāi)河又名北運(yùn)河，是1914年在沈陽(yáng)市區(qū)北部人工開(kāi)鑿的一條灌溉渠道，河道全長(zhǎng)33km，寬度15～25m不等。本次模擬新開(kāi)河段從鳥(niǎo)島起流至丁香湖段，全長(zhǎng)27059m，在新開(kāi)河上游有輝山明渠和滿堂河等河流匯入，在新開(kāi)河下游有衛(wèi)工明渠河流流出，新開(kāi)河途徑北陵公園、怒江公園、丁香湖。

南運(yùn)河屬于季節(jié)性景觀河流，該河流全長(zhǎng)12549m，平均水深1.5m左右。本次南運(yùn)河模擬河段從東塔閘門(mén)到龍王廟閘門(mén)，途徑萬(wàn)泉公園、萬(wàn)柳塘公園、青年公園、南湖公園，流至龍王廟閘壩最后匯入渾河。

1.2 氣候特征

南北運(yùn)河流域?qū)贃|北地區(qū)，是明顯的溫帶半濕潤(rùn)大陸性氣候，全年氣溫-24℃～34℃，平均氣溫6.2℃～9.7℃。全年降雨量主要由季節(jié)分配，降水量大致在600mm～800mm之間，受季風(fēng)影響，降水主要集中在夏季。日夜溫差較大，四季分明，全年無(wú)霜期155～180天。冬季天氣寒冷，且嚴(yán)寒時(shí)間較長(zhǎng)，近六個(gè)月，但降雪較少。夏季持續(xù)時(shí)間較短，且多雨。春秋兩季氣溫變化迅速，持續(xù)時(shí)間較短。

2 模型建立

2.1 模型概況

采用丹麥DHI公司的MIKE軟件，構(gòu)建沈陽(yáng)南北運(yùn)河水質(zhì)水量調(diào)控模型，模擬南北運(yùn)河河流的水流狀態(tài)和污染物在河道中對(duì)流擴(kuò)散和降解情況。MIKE軟件是基于垂向積分的物質(zhì)和動(dòng)量守恒方程，即一維非恒定流圣維南（Saint-Venant）方程組構(gòu)建水量模型，模擬河道的水量演進(jìn)過(guò)程。水質(zhì)模型是基于一維水質(zhì)模型，只需要考慮流動(dòng)方向上的各斷面污染物濃度變化，構(gòu)建水質(zhì)模型，模擬河道污染物在河道中的變化。二者耦合模型是指水量模型與水質(zhì)模型采用同一計(jì)算單元和時(shí)間步長(zhǎng)，水量模型給水質(zhì)計(jì)算提供所需的流速、流量、斷面過(guò)水面積、槽蓄量等水力參數(shù)，對(duì)河道中水流狀態(tài)和污染物演變過(guò)程同時(shí)進(jìn)行模擬。

2.2 模型率定

MIKE11一維水動(dòng)力模型率定和驗(yàn)證的主要參數(shù)為河床的糙率系數(shù)和水閘控制運(yùn)行中的目標(biāo)參數(shù)。所謂河床糙率就是指河道水流和河道表面之間的摩擦力的相關(guān)系數(shù)，河道的粗糙程度、河床的形態(tài)、河道的形態(tài)等因素對(duì)流域內(nèi)水流阻礙作用的綜合影響情況。河床糙率的準(zhǔn)確確定會(huì)直接影響模型的建立與計(jì)算。通知設(shè)置河床糙率，進(jìn)而滿足水位、水量和實(shí)際值達(dá)到一致。

2.3 計(jì)算實(shí)例

2.3.1 沈陽(yáng)市南北運(yùn)河河網(wǎng)文件。MIKE11一維水動(dòng)力模型構(gòu)建過(guò)程中，需要其軟件所支持的河網(wǎng)文件作為模型構(gòu)建的基礎(chǔ)模型，本河網(wǎng)文件通過(guò)利用沈陽(yáng)市南北運(yùn)河的DEM資料生成河網(wǎng)矢量文件，再將矢量文件導(dǎo)入MIKE11HD中，應(yīng)用軟件工具進(jìn)行河網(wǎng)圖形繪制并根據(jù)實(shí)際獲取的沈陽(yáng)市南北運(yùn)河的水系地圖對(duì)所繪制的河網(wǎng)文件進(jìn)行略微的修改。同時(shí)根據(jù)對(duì)實(shí)際模擬區(qū)間河段長(zhǎng)度的測(cè)量對(duì)河網(wǎng)文件中河道參數(shù)進(jìn)行修改，并對(duì)水中構(gòu)筑物的基本信息進(jìn)行錄入，進(jìn)而符合實(shí)際的河道情況。

2.3.2 斷面文件。模型建立計(jì)算過(guò)程中需要大量的河段斷面信息，有助于完善河道的準(zhǔn)確性，河道斷面數(shù)據(jù)一般是以坐標(biāo)的形式，此次模擬在斷面文件的繪制過(guò)程中，由于對(duì)于水中構(gòu)筑物（閘壩）需要在閘壩前后500m的位置各設(shè)置一個(gè)斷面，所以對(duì)沈陽(yáng)市南北運(yùn)河進(jìn)行四個(gè)閘壩、8個(gè)斷面的繪制，具體斷面數(shù)據(jù)（高程、寬度等）由實(shí)際測(cè)量得到，進(jìn)而生成（.xns11）文件。

2.3.3 邊界文件。模型的上邊界采用鳥(niǎo)島閘壩2016年11月1日～2017年12月31日的水質(zhì)水量數(shù)據(jù)生成時(shí)間序列（.dfs0）文件，河道上游有滿堂河河流匯入新開(kāi)河主干道，通過(guò)查閱監(jiān)測(cè)站流量年數(shù)值和相關(guān)水文資料，對(duì)流量、水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行添加生成時(shí)間序列（.dfs0）文件，完成概化點(diǎn)源的填寫(xiě)，在河流的下游有衛(wèi)工明渠支流流出，將衛(wèi)工明渠支流進(jìn)行概化，設(shè)為一個(gè)點(diǎn)源，并查閱相關(guān)監(jiān)測(cè)站數(shù)值和水文資料生成時(shí)間序列（.dfs0）文件，完成數(shù)據(jù)的填寫(xiě)，模型的下邊界采用丁香湖和龍王廟閘門(mén)的水文資料，并對(duì)水位進(jìn)行設(shè)定，從而完成了邊界文件的繪制（.bnd11）文件的生成。

2.3.4 模型的建立及率定。建立（.sim11）文件，將繪制好的河網(wǎng)文件、斷面文件、邊界文件耦合到水動(dòng)力文件（.HD11）文件中，設(shè)置水動(dòng)力參數(shù)文件（.HD11）和水質(zhì)的參數(shù)文件（.AD11），定義模擬的初始條件、河床糙率、衰減系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)等條件，設(shè)置模擬時(shí)間的步長(zhǎng)為1，保存路徑，進(jìn)行模型的模擬運(yùn)行，將模擬運(yùn)行后生成的HD和AD文件打開(kāi)，在相應(yīng)斷面位置上取出模擬數(shù)值。

在模擬出的水動(dòng)力模型基礎(chǔ)上，添加水質(zhì)參數(shù)以及水質(zhì)邊界條件，采用2016年11月1日到2017年12月31日的實(shí)測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行率定，設(shè)定模擬時(shí)間段為2016年11月1日到2017年12月31日，前兩個(gè)月作為模型的預(yù)適應(yīng)計(jì)算時(shí)間段，時(shí)間步長(zhǎng)為20天。以衛(wèi)工明渠斷面龍王廟閘壩斷面的實(shí)測(cè)流量值、COD值和氨氮值作為率定及驗(yàn)證的依據(jù)，率定結(jié)果見(jiàn)圖1和圖2。

通過(guò)對(duì)此次COD率定結(jié)果的分析，2016年11月1日到2017年12月31日內(nèi)COD實(shí)測(cè)值和模擬值可根據(jù)圖像顯示的曲線可知，誤差值均小于10%，整個(gè)模型模擬出來(lái)的精度較高，模型較為準(zhǔn)確，本模型COD模擬模塊即為可計(jì)算應(yīng)用的可靠模型模塊。

通過(guò)對(duì)此次氨氮率定結(jié)果的分析，2016年11月1日到2017年12月31日內(nèi)氨氮實(shí)測(cè)值和模擬值可根據(jù)圖像顯示的曲線可知，最大誤差點(diǎn)范圍在2016年12月31日到2017年2月9日期間，誤差值也均小于10%，整個(gè)模型模擬出來(lái)的精度較高，模型較為準(zhǔn)確，本模型氨氮模擬模塊即為可計(jì)算應(yīng)用的可靠模型模塊。

通過(guò)對(duì)此次氨氮率定結(jié)果的分析，2016年11月1日到2017年12月31日內(nèi)流量實(shí)測(cè)值和模擬值可根據(jù)圖像顯示的曲線可知，最大誤差點(diǎn)范圍在2017年4月19日左右，此時(shí)間段誤差相對(duì)較大，但是個(gè)別點(diǎn)誤差較大可忽略不計(jì)，整體誤差保持在10%即可，由此可知整個(gè)模型模擬出來(lái)的精度較高，可作為應(yīng)用模型。

3 結(jié)語(yǔ)

沈陽(yáng)市水域面積較大，城區(qū)運(yùn)河還承載著防汛功能，水質(zhì)污染和水量過(guò)大都會(huì)影響運(yùn)河周?chē)纳鷳B(tài)環(huán)境，通過(guò)建立水質(zhì)水量耦合模型，可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)河道的水位、流量，以及各個(gè)斷面的水質(zhì)情況，將為國(guó)家正在提倡的水生態(tài)建設(shè)及修復(fù)作出重要的數(shù)據(jù)支持及保障。本文通過(guò)應(yīng)用MIKE11對(duì)沈陽(yáng)市南北運(yùn)河進(jìn)行了模型的建立以及模型的率定和驗(yàn)證，模型在率定區(qū)間模擬效果合理，可應(yīng)用此模型對(duì)沈陽(yáng)市南北運(yùn)河進(jìn)行生態(tài)水質(zhì)水量的預(yù)測(cè)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 常旭，王黎.MIKE11模型在渾河流域水質(zhì)預(yù)測(cè)中的應(yīng)用[J].水電能源科學(xué)，2013，31（6）.

[2] 李偉，劉冬梅，趙博.基于MIKE11的渾太河水動(dòng)力水質(zhì)模型研究[J].吉林水利，2016（5）.