MIKE水质培训教程

1 MIKE 3水质培训教程水质培训教程 DHI China 2 1 ECO Lab 简介简介 ECOLab 是 DHI 在传统的水质模型概念发展起来的全新的水质和生态模拟工具 ECOLab 软件开发的理念和方法非常先进 用户不仅可以修改模型参数 更重要的是可 以修改模型核心程序 甚至编写新程序 然后 ECOLab 将其与 MIKE 11 21 3 的 HD AD 集成计算 DHI 已经将大部分传统的水质模块转换成 ECOLab 通用模板 供用户调用或修改使用 包括 水质模块 富营养化模块 重金属模块 1 1应用领域应用领域 河流 湿地 湖泊 水库 河口 海岸和海洋 各生态系统反应的空间预测 简单和复杂的水质研究 环境影响和优化研究 规划和可行性研究 水质预报 1 2内置模内置模板板和使用手册和使用手册 DHI 预定义的 ECO Lab 模板在以下目录中 C Program Files DHI 2009 MIKE Zero Templates ECOLab 使用手册和说明在以下目录中 C Program Files DHI 2009 MIKE Zero Manuals MIKE ZERO ECOLab 3 2 WQ 水质模块水质模块 2 12 1 MIKEMIKE 3 3 WQWQ 水质模块的目标水质模块的目标 MIKE 3 水质模型主要针对湖泊 海洋区域的污水排放引起的水质问题 比如 BOD DO 富营养化和细菌污染 2 22 2 目前水质模块可进行以下模拟 目前水质模块可进行以下模拟 大肠杆菌 粪大肠杆菌 总大肠杆菌的传输和死亡 用一级降解来表示 降解 速率取决于当地的光强 温度和盐度条件等 BOD DO 关系 即排放的有机物所引起的耗氧 考虑以下几个过程 BOD 一级降解 BOD 降解引起的耗氧 底泥需氧量 水体中的呼吸作用 光合作用产氧 水气相互作用下的氧交换 大气复氧 BOD DO 模块包括不同营养物 氨氮 硝酸盐和磷 以及三种 BOD 形式 溶解 性 悬浮性和沉积性 BOD 使用该模块需要设置三种 BOD 组分的一级降解速 率 悬浮和沉积的 BOD 将考虑沉降和再悬浮 该模块中氧平衡过程主要包括 BOD 降解需氧量 底泥需氧量 硝化反应需氧量 光合作用产氧 呼吸作用耗 氧以及大气复氧 营养物转化的基本过程包括 BOD 降解释放有机氮和磷 产 生的氨氮经硝化反应变成硝酸盐氮 最终通过反硝化作用生成氮气 释放在大 气中 同时 BOD 降解所释放的部分氨氮和磷可以被浮游生物 植物和细菌所 吸收 用户可以按实际需求自定义多种污染物质 并定义相应的降解速率进行模拟 4 典型污染问题典型污染问题 与典型污染问题相关的污染物质有 近海水域中与健康相关的微生物 耗氧物质 营养物质 异生化合物 例如有危害性或毒性的化合物 与健康相关的微生物与健康相关的微生物 对于近海水域微生物调查的主要目的在于指出其用水安全性 或是作为对该处鱼类 贝类等生长环境的调查 一个全面的微生物风险评估包括 环境健康评估 包括关于排水管道或污水排放口 雨水排放口的季节性变化 水温 流量 潮汐变 化等信息 以及一个报告和行动系统以确保水质恶化引起的问题能及时通知到健康 权威机构并作出相应处理 指示剂生物体的出现和这些生物体的行为 包括其与物理 化学因素及相关 病原体关联的死亡速率 基于光强 盐度 水温 沉降速率和污染程度等 病原体的呈现 耗氧物质耗氧物质 耗氧物质分为溶解性和悬浮性物质 与氧进行生物或生物化学作用 消耗水中的溶 解氧 这些耗氧物质主要是一些不同类型的有机物 具有不同类的降解速率 生化 需氧量 BOD 是间接反映水中能为微生物分解的有机物总量的一个综合指标 有 机物在有氧条件下为微生物分解产生 H2O CO2和 NH3 一般 BOD 以被检验的水样 在标准条件下 5 天内的耗氧量为代表 称为 BOD5 营养物质营养物质 许多营养物质都是生物生长的必要元素 适量的营养物对于水中微生物的生长及活 动是必需的 然而 一旦营养物质过量就会引起富营养化 将引起一系列的问题 5 如水体污浊 河床底部缺氧 生物沉积量的增加等 富营养化模块可用来模拟这种 情况 因为该模块考虑到藻类对其它物质的直接影响 在营养物质中氮和磷是最重要的 它们是水生植物生长的控制因子 氮以氨氮和硝 酸盐这两种无机氮的形式存在 许多国家对近海水域中的这些营养物质都设定了浓 度标准 MIKE 3 水质模型 WQ 就是设计用于评估和这些标准浓度相关的水质问 题 MIKE 3 富营养化模块 EU 更为复杂 一般水质问题无需使用 水质模块状态变量涉及到的主要过程描述 DO reaera 大气复氧 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 太阳辐射 Rad out 长波辐射 AMMONIA AmmoniaReleaseFromBOD BOD 降解释放氨氮 Nitrification 硝化 Plantuptake 植物摄取 bacteriaUptake 细菌摄取 NITRATE Nitrification 硝化 Denitrification 反硝化 BOD BodDecay BOD 降解 Sedimentation 沉降 Resuspension 再悬浮 OP PPdecay 颗粒型磷降解 PPformation 颗粒型磷合成 OPreleaseFromBOD BOD 降解释放溶解型磷 OPplantUptake 植物摄取溶解型磷 PP PPdecay 颗粒型磷降解 PPformation 颗粒型磷合成 PPsedimentation 颗 粒型磷沉降 PPresuspension 颗粒型磷再悬浮 FaecalColi FaecalColiDecay 粪大肠杆菌降解 TotColi TotalColiDecay 总大肠杆菌降解 主要常数 主要常数 降解系数 温度系数 沉降和再悬浮速率 沉降临界速率 产氧速率 呼吸速率 6 底泥需氧量 耗氧速率 如硝化过程 N P 产率和被吸收速率 反应级数 硝化 反硝化速率 主要参数经验值 主要参数经验值 1 BOD 一级降解速率 0 1 0 2 day 温度系数 1 07 1 02 1 09 2 BOD 降解过程释放氨氮的典型产出率 原污水 0 065 gNH4 gBOD 0 01 0 1 生化处理后污水 0 3 gNH4 gBOD 0 1 0 6 3 硝化速率 0 05 day 0 01 0 3 温度系数 1 088 硝化需氧量 4 57gO2 gNH4 4 反硝化速率 0 1 day 0 05 0 3 温度系数 1 16 5 植物吸收 N 光合作用 植物 0 066 gNH4 gBOD 6 BOD 降解过程中细菌吸收 N 0 109 gNH4 gBOD 7 BOD 降解释放无机磷的典型产出率 原污水 0 014 gP gBOD 0 003 0 03 生化处理后污水 0 06 gP gBOD 0 01 0 09 8 植物吸收 P 0 0091 gP gBOD 9 颗粒态磷 PP 降解速率 0 1 0 2 day 3 MIKE 3 水质模型水质模型 MIKE 3 水质模型所需数据资料 水质模型所需数据资料 基本模型参数 地形网格 结构网格图或非结构网格图 7 时间步长和模拟时间 输出项类型和频率 地形和 HD 条件 耦合的 AD 模型 扩散系数的率定 初始值 各参数的浓度值 边界条件 各参数的浓度值 污染源 坐标位置 水动力条件及各参数的浓度值 各生物过程速率值 参考率定值 经验值或监测值等 在在 MIKE 3 模型中添加模型中添加 ECO Lab 模块模块 第一步 引入水质模块 1 在 MIKE 3 结构网格模型中引入 ECO Lab 模块 打开 MIKE 3 Flow Model m3 Basic Parameters Module Selection Environmental modules ECO Lab 图 3 1 出现 ECO Lab Parameters 在 Model Definition 里选择适当的内置水质模块或自定义模块 参见图 3 2 图 3 1 8 图 3 2 2 在 MIKE 3 非结构网格模型中引入 ECO Lab 模块 打开 MIKE 3 Flow Model FM Module Selection ECO Lab 参见图 3 3 出现 ECO Lab Module 在 Model Definition 里选择适当的内置水质模块或自定义模块 参见图 3 4 9 图 3 3 图 3 4 第二步 在 Model Definition 里选择计算方法并设置水质模拟时间步长 10 水质模拟时间步长通常先以 0 5 小时进行计算 第三步 在 ECO Lab 模块中分别对需模拟的状态变量 边界水质条件 扩散系数 污染源浓度 ECO Lab 模块各参数 作用力和输出项进行设定 4 水质模型应用要点归纳水质模型应用要点归纳 1 三维水质模型主要适用于水库 湖泊 河口和海洋等的水质模拟 模拟结果主 要取决于边界条件 污染源负荷以及外部作用力 如温度 太阳辐射 盐度等 2 若要降低初始值对模型计算结果的影响或继续下一模拟时间段的计算 可采用 hotstart 进行再次计算 也就是在模拟时间段内运行 2 次 第一次是将初始值设 为常数进行模拟 一般采用起始模拟时间实测数据的平均值 第二次是将第 一次运行后的如三维结果图 dfs3 或 dfsu 文件作为初始值进行模拟 以减少结 果对于初始值的依赖性和考虑不同研究区域内污染物浓度的梯度变化 3 WQ 模块主要用于 水体中人为因素造成的污染负荷 点源和面源污染 占主体 的情况 污染物在水体中停留的时间相对较短 若对于污染物停留时间较长的 湖泊水库 富营养化程度较大 则应该考虑用 EU 模型 考虑浮游生物的影响 4 增大水质计算时间步长 可以缩短计算时间 但也会增加模型发散的可能性 所以通过方案比较选择合适的时间步长进行计算 初始选择时间间隔 0 5hr 进行 模拟计算 5 进行水质模拟前需进行对流扩散模拟 确定对流扩散系数以及检验模型的发散 性 AD 模块可简单模拟盐水入侵 温度变化 污染物传输和一级降解 完整的 物理 化学和生物过程在 ECO Lab 模块中实现 并与 AD 耦合使用进行计算 6 降解系数的单位在 MIKE 3 AD 模块中为 sec 在 ECO Lab 中为 天天 7 对 ECO Lab 中各常数进行率定时 一般采用同一参数值进行率定 若研究区域 内组分浓度梯度变化较大 则使用 dfs3 或 dfsu 文件对不同区域的参数值进行 分别设定 8 如果实测数据明显有问题 通过对各生态过程中的参数调整仍然不能达到较好 的率定效果 则应该考虑根据实际情况对污染源的流量和负荷进行重新评估 作出适当修改后输入模型 11 5 EU 富营养化模块 富营养化模块 附加 附加 富营养化模块 EU 用来描述水中溶解氧状态 营养物循环 浮游植物和浮游动 物的生长过程以及根系植被和大型藻类生长和分布等 主要应用在内陆水体 如湖 泊 水库等 以及相关的海洋水域 污染问题主要与营养物质负荷有关 氮和磷通常是基本的营养物质 它们控制着水中浮游植物和大型藻类 如石莼 的 生长 而这些植物会引起富营养化问题 水生生态系统的富营养化状态不仅取决于 营养物质负荷 水温 光照 盐度 水动力条件也相当重要 温度和光辐射是藻类 进行光合作用的必要条件 前者决定细胞内酶促反应的速率 后者是代谢的能源 各种植物必须在一定的温度下才能进行生理活动 温度太高或太低时都会影响浮游 植物的生长 当光强增加时 浮游植物的生长率也增大 并呈线性关系 直到光合 速率达饱和 海水的温度是赤潮发生的重要因子 20 30 是赤潮发生的最适温 度 盐度的变化是促进生物大量繁殖的原因之一 盐度变化在 26 37 范围内均 有发生赤潮的可能 海水盐度在 15 21 6 时容易形成温跃层和盐跃层 温 盐跃 层的存在为赤潮生物的聚焦提供条件 易诱发赤潮 在水流缓慢的水体如湖泊 水 库 河口 港湾和内海等处易发生富营养化 这是因为水体分层使得底层得不到氧 气供应 而大量繁殖起来的藻类死亡后又沉入湖底需要耗氧分解 从而使底层缺氧 更为严重 藻类在表层的大量繁殖 使光线不能射入底层 底层藻类不能很好的进 行光合作用 也加剧了底层缺氧 海洋由于径流 涌升流 水团或海流的交汇作用 使海底层营养盐上升到水上层造成沿海水域高度富营养化 MIKE 软件预设了 3 个富营养化模板 富营养化模拟的数据收集富营养化模拟的数据收集 需收集的数据主要包括 12 浮游植物生产量 即可用 gO2 m2 d 也可用 gC m2 d 叶绿素 a 浓度 g m3 总氮和总磷 g m3 无机氮和无机磷 g m3 溶解氧 g m3 底栖植被生物量 gC m2 如果包含在建模中 这些数据是必要的 此外相关数据有浮游动物生物量和腐质碳浓度 这些数据必须覆盖研究区域 采集位置必须靠近模型边界位置 为得到可靠模拟结 果 边界数据尤为重要 模拟对象 模拟对象 浮游植物 浮游动物 有机物 腐质 有机和无机营养物 N 和 P DO 底栖植 被生物量等 状态变量有 12 个 以以 EU1 为例为例 PC PN PP 浮游植物碳 浮游植物氮 浮游植物磷 CH 叶绿素 a ZC 浮游动物 DC DN DP 腐质碳 腐质氮 腐质磷 IN IP 无机氮 无机磷 DO 溶解氧 BC 底栖植物碳 ECO Lab 中的富营养化模型也属于生态动力学模型 其描述了营养盐的循环过程 浮游植物和浮游动物的生长 根生植物以及大型藻类的生长和分布 主要转化过 程如下图所示 此外还模拟水体中的氧环境 13 1 生产 浮游植物 2 沉降 浮游植物 3 牧食 4 死亡 浮游植物 5 排泄 浮游动 物 6 死亡 浮游动物 7 呼吸 浮游动物 8 悬浮性腐质的矿化 9 腐质沉积 10 腐质矿化 11 沉积物中的累积 12 生产 底栖植被 13 死亡 底栖植被 14 与上覆 水体的交换 以以 EU1 为例 为例 富营养化模块状态变量涉及到的过程描述 1 Algal Carbon PRPC GRPC DEPC SEPC PRPC Production phytoplankton carbon 浮游植物生产的碳量 GRPC Grazing of phytoplankton carbon 浮游动物牧食消耗的浮游植物碳量 DEPC Death of phytoplankton carbon 浮游植物死亡损失的碳量 SEPC Settling of phytoplankton carbon 浮游植物沉积损失的碳量 2 Algal Nitrogen UNPN GRPN DEPN SEPN UNPN Uptake of phytoplankton nitrogen 浮游植物吸收的氮量 GRPN Grazing of phytoplankton nitrogen 浮游动物牧食消耗的浮游植物氮量 DEPN Death of phytoplankton nitrogen 浮游植物死亡损失的氮量 SEPN Settling of phytoplankton nitrogen 浮游植物沉积损失的氮量 3 Algal Phosphorous UPPP GRPP DEPP SEPP UPPP Uptake of phytoplankton phosphorous 浮游植物吸收的磷量 GRPP Grazing of phytoplankton phosphorous 浮游动物牧食消耗的浮游植物磷量 DEPP Death of phytoplankton phosphorus 浮游植物死亡损失的磷量 SEPP Settling of Phytoplankton phosphorous 浮游植物沉积损失的磷量 4 Chlorophyll a PRCH DECH SECH PRCH Production phytoplankton chlorophyll 浮游植物光合作用生产的叶绿素 DECH Death of phytoplankton chlorophyll 浮游植物死亡损失的叶绿素 SECH Settling of phytoplankton chlorophyll 浮游植物沉积过程损失的叶绿素 14 5 Zooplankton PRZC DEZC PRZC Production of zooplankton carbon 浮游动物生长过程中生产的碳量 DEZC Death of zooplankton carbon 浮游动物死亡损耗的碳量 6 Detritus Carbon DEPC2DC DEBC2M3 EKZC REDC SEDC DEZC DEPC2DC Death phytoplankton to detritus carbon 浮游植物死亡后转化为腐质的碳量 DEBC2M3 Death benthic vegetation carbon per m3 每立方米死亡的底栖植物中的碳量 EKZC Excretion by zooplankton carbon 浮游动物排泄的碳量 REDC Respiration detritus carbon 腐质呼吸作用中消耗的碳量 SEDC Settling of detritus carbon 腐质沉积进入沉积物的碳量 DEZC Death of zooplankton carbon 死亡浮游动物的碳量 7 Detritus Nitrogen DEPN2DN EKZN REDN SEDN DEZN DEBN DEPN2DN Death phytoplankton to detritus nitrogen 浮游植物死亡后转化为腐质的氮量 EKZN Excretion by zooplankton nitrogen 浮游动物排泄的氮量 REDN Respiration detritus nitrogen 腐质呼吸作用中消耗的氮量 SEDN Settling of detritus nitrogen 腐质沉积进入沉积物的氮量 DEZN Death of zooplankton nitrogen 死亡浮游动物所含的氮量 DEBN Death benthic vegetation nitrogen 死亡底栖植物所含的氮量 8 Detritus Phosphorous DEPP2DP EKZP REDP SEDP DEZP DEBP DEPP2DP Death phytoplankton to detritus phosphorous 浮游植物死亡后转化为腐质的磷量 EKZP Excretion by zooplankton phosphorus 浮游动物排泄的磷量 REDP Respiration detritus phosphorus 腐质呼吸作用中消耗的磷量 SEDP Settling of detritus phosphorus 腐质沉积进入沉积物的磷量 DEZP Death of zooplankton phosphorus 死亡浮游动物所含的磷量 DEBP Death benthic vegetation phosphorous 死亡底栖植物所含的磷量 9 Inorganic Nitrogen REDN REZN RESN UNPN DEPN2IN UNBN REBN REDN Respiration detritus nitrogen 腐质有机氮矿化作用释放的无机氮量 REZN Respiration of zooplankton nitrogen 浮游动物呼吸释放的无机氮量 RESN Respiration of sediment nitrogen 沉积物有机氮矿化作用释放的无机氮量 UNPN Uptake of phytoplankton nitrogen 浮游植物吸收的无机氮量 DEPN2IN Death phytoplankton to inorganic nitrogen 死亡浮游植物在矿化作用下释放的无机 氮量 UNBN Uptake benthic vegetation nitrogen 底栖植物吸收的无机氮量 REBN Respiration of benthic vegetation nitrogen 底栖植物呼吸作用释放的无机氮量 10 Inorganic Phosphorous REDP REZP RESP UPPP DEPP2IP UPBP REBP 15 REDP Respiration detritus phosphorus 腐质有机磷矿化作用释放的无机磷量 REZP Respiration of zooplankton phosphorous 浮游动物呼吸作用释放的无机磷量 RESP Respiration of sediment phosphorous 沉积物中的有机磷矿化作用释放的无机磷量 UPPP Uptake of phytoplankton phosphorous 浮游植物吸收的无机磷量 DEPP2IP Death phytoplankton to inorganic phosphorous 死