MIKE 21的水质数值模型的应用研究

牛智航 张旭东

(河北工程大学水利水电学院，河北 邯郸 056000)

目前，随着污染物输移转化数值模型的研究日渐完善，水质数值模型逐渐成为研究水体中污染物输移转化的主要工具，应用于水环境保护及水污染预防和治理等领域。其中，MIKE 21软件在解决国内水环境问题的应用中得到了广泛验证，是目前国内应用最广泛的水质数值模拟软件。相比物理模型，数值模型可以系统地分析和整理水文、地形、流场等多种资料，还能快速地计算复杂多变的污染物的输移扩散和相互作用，得到可靠的工程解决方案。所以水质模拟的运用方法变得越来越重要。本文主要介绍了水质数值模拟的发展，以及通过MIKE 21数值模拟软件建立的不同水质模型，对现阶段MIKE 21模拟软件存在的问题进行了讨论，并展望了今后的研究方向。

1 水质数值模拟的发展

从第一个水质模型建立至今大约有90年的历史，在这期间，科学家们对水质模型不断地进行研究完善，提出了许多成熟的水质模型。水质数值模拟的发展大致可以分为以下4个阶段：

第一阶段(1925—1965年)：该阶段主要研究关于河流的一维水质模型，最具代表性的模型为氧平衡模型。研究河流水体中溶解氧与生化需氧量发生生物化学反应后两种物质的量的变化，何时达到平衡以及在平衡状态时的一些特性规律。此模型适用于河流湖泊以及河口的数值模拟[1]。

第二阶段(1965—1970年)：随着计算技术的发展和应用，以及对生化耗氧过程的理解，除了继续研究和开发BOD-DO模型的多参数估计，水质模型也从双线性模型发展到6个线性模型，计算方法从一维向二维发展。除了河流和河口水质问题，湖泊和海湾水质模型也在研发中[2]。

第三阶段(1970—1975年)：开发了一种基于营养氮磷循环反应系统和浮游植物、动物食物链系统的非线性系统模型。该系统还研究了相关参数之间(生物量增长率和营养，阳光和温度)的关系。在计算方法上，由于相互作用是非线性的，只能通过数值方法求解[2]。

第四阶段(1975年至今)：将水动力模型与水质模型耦合，使得水质状态变量的数量增加，同时由于新技术、新方法的融合，使得水质模型的研究多元化，体现为水质模拟的多维性、多介质模拟、形态模拟、动态模拟等多种形式。这些变量加在一起组成相互交错以及相互作用的较为完整的生态系统，计算模型也从一维、二维发展至三维。

2 MIKE 21的计算原理

模型基于三向不可压缩和Reynolds值均布的Navier-Stokes方程进行计算，并服从于Boussinesq假定和静水压力假定。对于水平尺度远大于垂直尺度的情况，水深、流速等水力参数沿垂直方向的变化较之沿水平方向的变化要小得多，从而将三维流动的控制方程沿水深积分，并取水深平均可得二维浅水控制方程组。其中连续方程为

(1)

X方向的动量方程为

(2)

Y方向上的动量方程为

(3)

式中：t为时间，s；x，y为笛卡儿坐标系坐标；η为水位，m；d为静止水深，m；h=η+d，为总水深，m；u，v分别为x，y方向上的速度分量，m/s；f是科氏力系数，g·m/s2，f=2ωsinφ，ω为地球自转速度，ω=0.729×10-4s-1；φ为当地纬度；g为重力加速度，m/s2；ρ为水的密度，m3/s；sxx、sxy、syy分别为辐射应力分量，Pa；S为源项，g/m2/s；(us，vs)为源项水流流速，m/s。

动量方程和能量方程是MIKE 21水动力模块中的核心计算方程，以MIKE生成的网格为单位对水的流动进行计算，使水动力模块可以模拟各种作用力作用下产生的水位和流场变化及模拟可以忽略分层的二维浅水表面流。并且为了避免模型出现不稳性，必须设定干水深(drying depth)、淹没水深(flooding water depth)和湿水深(wetting depth)，三者关系必须满足hdry

水动力模块是MIKE 21模型软件中最核心的模块，包含了大量的水力现象，所以该模块可以为污染物输移扩散、泥沙输运和水环境模拟提供水动力学计算基础。

自2003年以来，MIKE 21系列模型已实际应用于国内外许多河流的水质模拟中。除了一些特殊的水环境，误差一般在20%以内，模拟结果相对较好地匹配了实际监测值。

3 MIKE 21水质模型在湖库水环境中的应用进展

3.1 影响污染物输移扩散因素的研究应用

重庆大学张守平等[3]为研究入河排污口对所排入水体水质的影响，以亚太纸业污水处理厂的入河排污口为例，以污染物COD、NH3-N为计算评价指标，采用MIKE 21水动力和对流扩散模块耦合，建立了水质数值模型。结果表明：该水质模型能准确地表现出污染物在水中的运动规律，可用于研究入河排污口的设置工作。

在此基础上，牙韩争等[4]用MIKE 21和对流扩散模块耦合，研究了2004—2012年钦州湾岸线变化对水体中污染物输移扩散的影响，取COD为计算指标来表示水体的污染程度。结论为：岸线变化后污染物的扩散范围比岸线变化前增大。

李池鸿[5]针对北海海域，利用浓度增量的概念，运用MIKE 21建立水动力水质耦合模型，深入研究了污染物的自净输移扩散对海域水功能区划、各类生态保护区、水产养殖区域水质的影响。得出结论：北海海域远期将难以满足功能区水环境质量要求，应尽快采取措施进行干预。

太原理工大学杨晨等[6]针对汾河水库，以污染物COD为计算指标模拟了11种污染物迁移扩散的规律，并考虑了风场对污染物输移扩散的影响。得出结论：水体中污染物的初始浓度决定了汾河水库受污染的程度，风动力和污染物排放口的水量及水流流速是影响污染物扩散的关键因素。中国海洋大学张鑫等[7]在此基础上，又以芝罘岛离岸海域的潮流和污染物输移扩散为例进行了模拟，研究了线源和点源对离岸排放污染物的输移扩散的影响。结果表明：在靠近污染物排放口的区域，线源更利于污染物的扩散，可以使污染物稀释得更快，降低对周围环境的不利影响；在远离排污口的区域，点源和线源对水质的影响效果基本一致。

为研究南四湖水量和水质之间的关系，在总结前人研究的基础上，宫雪亮等[8]利用MIKE 21水动力水质耦合模型，以污染物COD和TP为计算指标，模拟了南四湖水质与水量之间的关系，为南四湖水质的改善提供了科学依据。

高晓薇等[9]运用MIKE 21构建了北运河水系的二维水动力水质数值模型，预测了北运河综合治理工程实施后北运河(北京段)水污染特征时空变化情况。最后提出，应在控制点源污染的同时，加大雨污合流管道汛期溢流污水及雨水管道初期雨水的收集和处理，有效控制面源污染入河。

以流域为单位对水资源与水环境实施统一管理,目前已成为国内外公认的科学原则。利用这一原则，桂青[10]通过采用MIKE 21软件建立长江下游某一河段的二维水流水质模型，重点研究了新孟河延伸拓浚工程对长江水环境的影响。结果表明：新孟河延伸拓浚工程对长江及下游水环境影响较小，且对水质有轻度的改善。

针对甬江建闸是否会使水质恶化的问题，田传冲等[11]运用MIKE 21水动力与对流扩散模块耦合建立数值模型，预测建闸后甬江水质的变化，考虑了在镇海电厂建闸与在河口建闸两种方案。结果表明：无论在哪建闸，建闸后的水质都会变差。

MIKE 21模型与对流扩散模块耦合，很好地反映了污染物在水中的运动规律，与实际情况相符，可以对各类水质污染情景进行模拟，还可以构建水质预测模型，对要建设的工程或者改善水质的方法提出科学的建议，体现了其良好的适用性、通用性和丰富性。对于仅仅以了解污染物输移扩散状况为目的的研究，可以用MIKE 21和对流扩散模块耦合，优点是计算快、需要的数据少，只需率定扩散系数、降解系数和糙率3个参数，并且构建模型所需时间少。

3.2 MIKE 21水动力与ECO Lab模块耦合的应用

3.2.1 ECO Lab模块简介

MIKE 21需要和ECO Lab功能模块耦合来进行复杂的水质数值模拟，ECO Lab模块不仅可以模拟污染物的输移扩散和降解，还可以模拟污染物的物理沉降过程，以及描述化学、生物、生态过程和污染物之间的相互作用。ECO Lab水环境模拟功能模块的加入，使得MIKE 21成为一个有效的环境模拟及评价工具。ECO Lab功能模块是真正意义上的水质模型工具。

3.2.2 模型应用

周红玉等[12]利用MIKE 21水动力模块和ECO Lab模块耦合，模拟了南水北调来水对密云水库水质、水生态的影响，模拟成果对密云水库水环境管理工作具有一定的指导意义。

武柯宏等[13]为研究水库蓄水过程重金属污染物迁移转化的特性，以宗通卡水利枢纽工程为例，构建了水动力水质耦合模型，对丰水年、枯水年、平水年3个典型年份的水流特征和重金属污染物As和Fe的迁移特性进行了研究，并得出了合理的结果。可用于进一步研究和预测库区蓄水后水体中重金属As和Fe的迁移转化规律。

为研究建设生态岛对水库水环境的影响，牛明慧等[14]利用MIKE 21与水环境ECO Lab模块耦合，构建了水质预测模型。以济南卧虎山水库为例，对其流速、流场、污染物的扩散进行了模拟。结果表明：生态岛可以缓解水库的环流现象，加快了水体上下交换的速度，有利于水库水质的改善，还提高了水库的自净能力。

Qinghui Zeng等[15]利用MIKE 21耦合ECO Lab模块对洱海水质进行了模拟,建立了洱海水质耦合的水动力学模型，模拟了洱海的现状。结果表明：湖北、湖南的水质等级为三级，湖心的水质等级为二级。最后，对洱海水环境容量和污染物排放总量进行了筛选，为洱海水资源管理和有效利用提供了一定的指导。

为研究湖泊水库的富营养化现象，M.J.Xu等[16]用MIKE 21建立了二维富营养化模型，以华北陡河水库为研究对象，采用“营养状态综合指数”评价不同情景下水库富营养化水平，找出了富营养化的原因和趋势，为富营养化防治提供参考。

ECO Lab模块把传统水质模块转换成了通用模板，包括水质模板、富营养化模板和重金属模版，用户可根据所研究的内容选择适合的模板，而且可以根据需要修改模板参数，甚至编写程序、创建新模板，操作灵活。相较于对流扩散模块，参数更多也更加复杂，需率定的参数更多，修改模板所需时间更长。

3.3 MIKE 21与其他软件耦合的应用

王小青等[17]根据模型软件的特点，利用MIKE 21模型对水动力水质先进的模拟技术，结合SWAT分布式模型研究了污染负荷的优势，建立了SWAT与MIKE 21耦合模型，研究了澎溪河流域的水环境问题。结果表明：MIKE 21和SWAT耦合模型可靠性较好，适用于流域水污染研究。

南京水利科学研究院杨德玮等[18]用MIKE 21模型和BREACH模型耦合，分析了MIKE 21模型和BREACH模型在保障水库大坝安全运行及风险管理方面发挥的积极作用。结果表明：此方法能客观反映溃坝洪水的行洪情况，使用方便，为水库大坝的运行管理与应急处置提供了一定的技术支持。

朱颖蕾等[19]用MIKE 21和MIKE Urban耦合，对岳阳市的地下管网与陆面漫流进行计算，得到了不同重现期不同暴雨历时情景下，产生的12种内涝结果。结果表明：模型模拟结果与实际情况一致，内涝主要影响岳阳市内湖周边地势较低处，此模型可以为平原湖区城市内涝工作提供参考。

MIKE 21与其他模型软件耦合，使建立的模型避免了各软件之间的局限性，更是利用了各软件之间的优势，使建立的模型运行出的结果更加真实。

4 MIKE系列软件之间的关系

4.1 MIKE URBAN与MIKE FLOOD

MIKE URBAN是一款致力于城市给排水管网建模方面的软件，而MIKE FLOOD则是综合了一维MIKE URBAN、MIKE 11和二维MIKE 21动态耦合的洪水模拟软件包。对于当下热点的城市内涝、流域洪水以及海绵城市建设问题，往往需要用一维的MIKE URBAN进行城市管网模型搭建和MIKE 11进行河网模型搭建，并将一维模型与二维地表漫流模型(MIKE 21)进行耦合(即MIKE FLOOD)，来达到相关内涝风险、流域风险以及城市管网排水能力、调蓄能力的评估等要求。

4.2 MIKE11与MIKE 21的不同

MIKE11是一维河道、河网综合模拟软件，主要用于河口、河流、灌溉系统和其他内陆水域的水文学、水力学、水质和泥沙传输模拟,在防汛洪水预报、水资源水量水质管理、水利工程规划设计论证中均得到了广泛应用。MIKE 21是河口、海岸综合模拟系统软件，MIKE 21是专业的二维自由水面流动模拟系统工程软件包,适用于湖泊、河口、海湾和海岸地区的水力及其相关现象的平面二维仿真模拟。MIKE 21采用标准的二维模拟技术为设计者提供独特灵活的仿真模拟环境，主要用于河口、河流、海洋、水库等地表水体流动、波浪、水环境变化、泥沙运移等二维水利专业工程软件。

MIKE 21可与MIKE 11耦合,即一维、二维耦合,进行河口复杂水流的模拟、洪水预报和淹没范围计算等。

MIKE 21模型应用灵活，不仅可以调用MIKE系列软件中不同模型，还可以耦合其他模型(如SWAT、SMS、SWMM等)，利用其各自的优势，模拟不同的水质问题。

5 MIKE 21模型应用前景

MIKE 21系列模型具有广阔的应用前景，根据我国的实际情况，模型的应用和改进应着重于以下几个方面:

a.模型应用和合理的模型评价指标体系有待进一步完善。水环境优化首先要结合社会经济发展，从社会经济和资源环境等领域选择评价指标，建立指标结构清晰的评价分层系统。确定各指标的权重，建立流域水环境容量综合评价模型[4]。

b.ECO Lab功能模块的各项水质参数太多，参数率定过程又太繁琐，没有足够成熟的率定方法，在率定方法方面可供借鉴的文献也太少，需要科研人员在这方面不断地完善。

c.水质和水力学参数的选择和确定需要进一步研究。因为我国不同水体的水质参数和水力学参数不同，一些MIKE 21水质模型的经验参数，可能与我国某些河流湖泊的实际情况不相符，导致模拟的准确性大大降低[4]。

d.需进一步研究与其他水质软件的结合，以避免独立软件的局限性。水质软件的相互结合也必将使数值模拟领域更加成熟，更加符合实际。相关的研究在国内刚刚开始，也必将成为一种趋势。

e.MIKE 21对网格文件的识别必须严格执行其规则，否则MIKE 21网格与网格SMS相互转换时容易出现错误。

f.用MIKE软件做有桥墩的模型计算时，计算结果显示桥墩边界会有变形问题，解决方法还有待改进。