基于mike一二维水动力耦合模型的阳澄湖引水条件下水质演变规律研究

1、分类号（中图法）628UDC（DDC）X5密级无 作者 学号0630503049河海大学中文题名 基于MIKE FLOOD 一、二维力耦合模型的湖引水条件下水质演变规律研究中文副题名无英文题名 Research on the Law of Water Qualtiy Change of Yangcheng Lake under Water Diversion Scenarios Based on MIKE FLOOD 1D-2D Hydrodynamic Coupled M 英文副题名无语种 汉语摘要语种 汉、英页数 94 字数 4 万主题词 MIKE 系统模型一、二维力耦合模型二维湖泊水质模

2、型 湖引水工程申请学位级别工 学 专业名称环 境 工 程 研 究 方 向评价与环境管理 阮教授导师指导教师 河海大学答辩日期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独创性：本人所呈交的是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，中不包含其他人已经或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本做的任何贡献均已在中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。作者（签名）：年月日使用

4、说明河海大学、中国科学技术信息、馆、中国学术期刊（光盘版）社保留本人所送交的复印件或电子文档，可以采用影印、缩印或其他保存。本人电子文档的内容和纸质的内容相一致。除在期内的论文外，被查阅和借阅。全部或部分内容的公布（包括刊登）河海大学院办理。作者（签名）： 年月日摘要本文以“苏州市第二水源-湖水源地建设”项目为依托，河湖串联河网区湖泊水力边界受河网动态变化的影响，基于MIKE模型系统，建立一维河网和二维湖泊力耦合模型，开展了湖引水条件下水质演变规律研究，以期为湖引水方案的科学决策提供依据。主要成果如下：（1）河网地区圩区产汇流特性，应用河网产汇流模型对MIKE自带的降雨径流模型进行了修正，并将

5、汇流计算结果作为旁侧入流条件通过分布源接口耦合到MIKE 11，进行一维河网水力计算。（2）应用MIKE FLOOD对MKE 11和MIKE 21进行耦合，一、二维连接采用“水位-流量”衔接条件，建立了一维河网和二维湖泊证结果为：水位计算值与实测值相对误差-7%9%。力耦合模型。模型验（3）应用MIKE 21水质模拟模块建立湖二维水质模型，模型验证结果为：CODMn计算值与实测值相对误差-17%21%；TN计算值与实测值相对误差-21%22%；NH3-N计算值与实测值相对误差-22%19%；TP计算值与实测值相对误差-25%22%。（4） 出型、30m3/s、七湖湖流模拟结果表明：湖存在五种典

6、态，分别为东南出型、北出型、北进南出型和三面进南面出型。在渭引水引水30m3/s及引水40m3/s的引水条件下，湖区力条件得到。（5）引水方案下，湖区水质整体，CODMn浓度平均降低5.36%，TN浓度平均降低48.02%，NH3-N浓度降低19.92%，TP浓度平均降低8.70%。引水对东湖及中湖中部和南部水质作用最大，西湖中部和北部以及中湖的北部水质较小。：MIKE系统模型 一、二维湖引水工程力耦合模型 二维湖泊水质模型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目录第 1 章1.11.2绪论11研究背景国内外湖泊水力水质模型研究概况21.2.1 一、二维力耦合模型研究概况21.2.2 浅水湖泊水质模型概况31.2.3 常用二维水质模型应用软件概况61.3889主要研究内容及技术路线1.3.11.3.2研究内容技

15、术路线第 2 章2.1河湖串联河网区水量水质系统模型构建10河湖串联河网区水量水质模型系统102.1.1 模型系统简介102.1.2 MIKE FLOOD水量耦合条件处理102.213131316181818191922252526282830产汇流模型理论基础2.2.12.2.12.2.2产汇流模型选取河网地区产流模拟河网地区汇流模拟2.3 MIKE 11 HD模型理论2.3.12.3.2河道水流方程河网湖泊概化2.3.3 水工物的模拟2.3.4 离散方法2.3.5 离散方程组的求解2.4 MIKE 21 HD模型理论2.4.12.4.2浅水水流离散方法方程2.5 MIKE 21 二维水质模

16、型2.5.12.5.2二维湖泊水质方程离散方法第 3 章3.1湖水质模型的建立3131研究区域概况I3.1.13.1.2泖区概况3132湖概况3.2 河网湖泊一、二维力耦合模型建立343.2.1 一维河网概化及产流分区3435373.2.2 产汇流计算条件3.2.33.2.43.2.53.2.6湖地形条件湖入湖河道概化及网格划分37一、二维一、二维力耦合模型计算条件38力模型耦合连接的处理403.2.7 模型验证4047474849633.3湖二维水质模型建立3.3.13.3.23.3.3计算条件的选取水质模型参数的确定水质模型的率定3.4第 4 章4.1本章小结引水条件下湖水质演变规律研究6

17、4湖引水工况设计646466664.1.1 水文设计条件4.1.2 引水方案4.2湖力特征分析4.2.1 现状条件下4.2.2 引水条件下4.2.3 引水条件下湖湖力特征分析66力特征分析70湖水质特征分析704.2.4 引水条件下水质变化规律8586874.34.4第 5 章5.15.2湖水源地建议本章小结总结与展望88总结展望8889参考文献90致谢94II第 1 章 绪论第 1 章 绪论1.1 研究背景我国是个湖泊众多的，现有湖泊 2700 余个，总面积达 9.1 万 km2，占国土面积的 0.95%，其中约 1/3 为浅水湖泊，主要分布在东部沿海与长江中下游地区1。由于发展、人口膨胀与

18、不合理的开发利用，越来越多的湖泊产生富营养化。据，我国目前有一半以上的湖泊受到不同程度富营养化污染的危害,角洲平原河网区发达，湖泊富营养化问题更为突出2。我国长湖泊是我国城市饮用水的重要供水水源之一。2007 年 4、5 月太湖、滇池、巢湖等国内几个湖泊连续暴发蓝藻“水华”，湖泊的富营养化问题严重地周边城市的供水安全湖泊富营养化已经成为我国当前和可持续发展的一个严峻问题。利用流域或区域的水利工程在特殊时期从水质较好的江河引水入湖，通过稀释污染物和加快水循环过程是湖泊富营养化的有效途径之一345。如滇池的外流域引水工程、太湖的引江济太工程、程、西湖引水工程、玄武湖引水工程等等。的引水工湖不仅是苏

19、州重要的水产养殖基地，而且也是苏州市区、昆山市及沿湖乡镇 100 多万人的饮用水水源地。自 20 世纪 80 年代以来，伴随着苏州的高速发展，湖水质呈不断趋势6。进入 20 世纪 90 年代中期后，苏州市十分重视湖治理和保护，水质的趋势有所缓解，但水质状况仍不容乐观。近年来，苏州市非常重视湖水污染问题，制定了一系列湖水污染防治的条例及措施。于 2007 年先后出台了苏州市湖水源水质保护条例、苏州沿湖地区，2008 年下发了湖水污染防治工作计划，将湖为苏州市性水源地加以保护。为保障湖饮用水源的供水安全，苏州市从长、七和永昌泾引长江水入湖阳澄湖湖体水质。平原河网区河湖串联，建立河网区非恒定一、二维

20、耦合水量模型，是准确预测引水条件下湖泊力场及浓度场的基础。建立湖及其周边河网水系的一、二维水量耦合模型及其湖泊水质模型，对于湖引水工程的科学具有重要的实践意义。1第 1 章 绪论1.2 国内外湖泊水力水质模型研究概况1.2.1 一、二维力耦合模型研究概况目前，国内外对一、二维耦合水量模型作了大量的研究7。等应用四点隐式有限差分格式计算一维水流，利用 Riemann 近似解的有限体积法求解二维水流，在一、二维连接区利用“重叠-投影法”，建立一、二维耦合的整体水流数值模型，并应用于上海市淀南片河网的验证计算，模型能较好的模拟非恒定水流8。等建立了以 Preissmann 四点隐式差分格式和有限体积

21、法（FVM）为基础的一、二维藕合的水流水质模型，采用时间滞后条件，构造虚拟重叠计算水域，利用“重叠-投影法”实现一二维模型的水力耦合，模型应用于洪泽湖水系的水力、水质计算，取得较好效果9。，等建立一维河道和二维河口嵌套泥沙数学模型，对一二维方程均采用有限元离散方法，并根据流量相等、水位相等、悬移质输沙量相等构造一二维连接条件，其口门水位由二维,流量由河道一维计算给出,含沙量进行相互传递，模型在每一迭代步内进行耦合计算，计算结果与实测值拟合较好10。等提供了一种复杂地形、水流条件下一维、二维力耦合模型的通用计算方法。其方法根据感潮河流地形复杂、河岸弯曲多变、河道狭长的特征,采用有限元法求解一、二

22、维力模型方程；在一、二维模型连接断面处，利用两种模型模拟的水位、流量相等的条件，实现一、二维模型的耦合，耦合模型的模拟了上海市黄浦江上游地区等12通过设置重叠区域建立一力计算11。河网一维与黄浦江干流二维维、二维耦合水力模型，模型对耦合边界的处理是：一维模型的流量节点与二维模型的流速节点（二维网格边缘）重合，一维模型的水位节点与二维模型的水位节点（二维网格中心点）重合。并为保证模型的收敛性，在交界面处,一维模型为二维模型提供流量并转化为流速为二维模型提供上边界条件；二维模型通过一定条件将二维水位转化为一维水位从而为一维模型提供下边界条件，模型应用于等13建立了一种一维、近海尾闾河段数值模拟，取

23、得较好效果。，二维全隐河网海湾力联网数学模型。该一维河网模型采用 Preissmann 四点隐式格式，用节点水位法进行数值计算，二维海湾模型采用改进型双向隐式(DSI)法进行数值求解。在维、二维连接处，水力因子通过接口断面法传角洲河网及横门、沥口门海域做了检验,取得较好的验证递。模型在珠2第 1 章 绪论结果。综观近十年来一、二维力耦合模型的研究，其耦合求解方法有两种：一是“重叠-投影法”，将一、二维模型区域延长一段重叠段求解，即在一维边界处计算区域内延伸 CFL 个网格点的虚拟重叠区域。然后对一维虚边界采用滞后耦合条件，即在下一时步虚拟重叠区域的水力要素值，通过二维计算得到的精确解来代替因滞

24、后条件引入的不精确解；二是“接口断面法”，在耦合模型连接断面处，依据质量守恒和能量守恒原理，假设水位、流量相同的条件求解。1.2.2 浅水湖泊水质模型概况湖泊水质模型是建立在湖泊水力模型基础上力学方程考虑的是水的体积、流量、流速和水深；水质污染物迁移与转化方程则包括能量传递的表和化学平衡或化学与生物运动的表。湖泊水质模型的研究从最初简单的营养盐平衡模型发展到复杂的动力学模型，经历了三个阶段。简单的营养物平衡模型简单营养物平衡模型的典型代表是 Vollenweide （ 1968 ， 1975 ）开发的Vollewneider 总磷平衡模型14。模型假定湖泊中磷的浓度随时间的变化等于每单位体积增

25、加的部分减去沉积损失和流出损失。其后，研究对磷的沉降、存在形态和磷的输入与输出之间的相互关系进行改进。如 Dillon 模型及 Laesen-Mercier 模型。简单的营养盐模型现己得到了很大的发展，在很大程度上克服了早期的缺陷：在模型中加入紊流扩散速率15；用滞留系数代替沉积率16；从简单的水体完全混合模型发展到多层模型；从考查单一的总磷浓度发展到模拟水体整个磷系统（包括颗粒磷 DP、溶解的无机磷 DPI 和浮游生物中的磷 PP）的循环；从单纯考虑水体本身的营养盐循环发展到考虑底泥中营养盐的积累与交换以及水体界面的营养盐交换过程等17,18。浮游植物与营养盐相关模型Monod 方程表达了稳

26、态条件下一种限制性营养元素与浮游植物生长的关系。Dugdale 使用源自酶动力学的 Michaelis Menten 方程（MM 方程），描述稳态条件下藻类对营养盐的吸收19。DahlMadesen 认为在浮游植物生长过程中，氮、磷和碳都可能是限制浮游植物生长的元素，从而建立了三种限制性营养元素与浮游植3第 1 章 绪论物生长之间关系的模型20。不同模型对这三种元间的相互关系描述不同。Droop 模型认识到营养盐过度吸收的重要性，将藻类生长速率与细胞内部营养库大小或细胞营养储额（cellquato）起来，建立考虑细胞内部营养库物质平衡以及物质交换对内部营养库的贡献的营养盐模型。Droop 模型

27、的不足之处在于它将藻类生长描述为细胞生理特征，其实藻类生长是细胞内外环境的综合反映21。因此，在非限制营养盐条件下，该模型应用受到限制。浮游植物的初级生产力是湖泊营养状况的主要评价指标，Chen22等人考虑了四种外界因子如氮、磷、太阳辐射和温度，利用方程建立了模型。Smith23建立了生物光学模式（Bio Opticalm），用水体的光照分布来计算水体初级生产力。DiToro 和 Matystik 考虑了水深和时间，结合 Steele 方程研究了蓝藻和硅藻生长与光的关系。Nyholom 则考虑了内部因子与浮游植物光合作用的关系，他们认为磷是光合作用的主要限制因子，从而建立了浮游植物光合生产量模

28、型。还有 Pattern，Larsen，Jansson，Anderson 都建立了不同的浮游植物光合作用计算模型24。单一的浮游植物与营养盐相关模型不可能全面模拟浮游植物的动态变化。特别是对于一些空间上跨度很大的湖泊，需要把多级浮游植物、养分负荷模型与水动力学模型整合在一起，才能有效地养分负荷的改变对浮游植物组成及其优势种的影响。悬浮底质和沉水植被在富营养化湖泊养分的循环中扮演着重要的角色25，模拟湖泊对养分负荷的响应也必须考虑它们的影响。动力学模型动力学模型以质量平衡方程为基础，以各变量的动力过程为核心，对系统进行结构分析，态系统内子系统间相互作用，综合考虑系统外部环境驱动变量，模拟变量的时

29、、空变化过程。动力学模型的研究工作始于 Chen（1970）、Ditoro（1971）开发的简单的水质动力模型。70 年代后期至 80 年代初期，是模型开发的时期。Jrgensen（1976）提出的 Glusm模型成为此后一系列富营养化模型研究的基础26，该模型共有 17 个状态变量，以 C、N、P 为营养物质的循环变量，按生物链层次建立的以浮游植物、浮游动物为中心变量的 模型。Park 和他的助手（1975）开发的湖泊综合模式有：Clean 模式、修正版 Cleanr 模式、MS.Cleaner 模式（1981），模型包括 40 个4第 1 章 绪论变量27。DiToor 等（1977）开发

30、了以 15 个变量为模拟对象的湖泊富营养化模型，包括了范围广的可调参数。Di Toro 等（1983）开发的场人 WASP 箱模型， 是一个能模拟各类地表水（河流、湖泊、河口、海洋）中污染物的输移扩散的综合模型，被称之为万能水质模型28。Cerco 等人在研究 Chesapeake 湾富营养化时提出了 CE-QUAL-ICM 三维动态水质模型来进行富营养化的模拟，该模型包括22 个状态变量，涉及湖泊物理特征、多种藻类、碳、氮、磷、硅和溶解氧等。地模拟了水质变化过程和水体-底质之间的交换过程。总的来说，动力学模型在其发展过程中正经历如下变化:状态变量逐步增加，由最初的几个发展到现在十几个乃至几十

31、个；从一维逐步向动态模型过渡，如 3DWDGAS 是一个三维动力学模型，包括的物理、化学和生物过程更加全面。动力学模型考虑系统中过程的时空变化和自然界中多种因间的相互作用，对湖泊富营养化的动力过程有更深入的了解。目前，一批大型综合软件，如 SPS、CEQUAL 系列模型等。动力学模型已经发展成为大型但是，这些模型都包含了很多的参数，且这些参数的率定十分，如 Cleaner模式考虑了 40 个变量，模型需率定的参数达 110 个。尽管一些模型利用一些特殊年份的实测资料，进行了模型的率定与验证工作，但由于富营养化模型中类似藻类的生长速率等参数对于不同的藻类，不同季节，甚至不同时段内都是不一样的，给

32、模型参数的率定带来了很大的，也限制了模型的应用29。但随着动力学模型的不断开发完善动力学模型将能更精确地模拟湖泊水体的水环境问题，是湖泊富营养化研究的发展方向30。目前动力学模型的缺点在于它们的结构太固定，缺乏灵活性和适应性：一个模型的一定结构和一套参数（与特定的系统相吻合）只适用于一种系统；模型验证和校正；对规律和知识的了解程度也限制了模型的适用性。因此我们在研究单一因素、局部过的同时，必须对湖泊生态系统进行深入的研究。随着现代科学技术的发展和人们对湖泊富营养化认识的提高，这些问题肯定会得到解决，湖泊富营养化模型将会向细致、准确和适用的方向发展。5第 1 章 绪论1.2.3 常用二维水质模型

33、应用软件概况目前国内外应用较多的二维水质模型主要有：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 模型是国内外应用较多、功能较全面的环境水体力及水质模型，二者均能实现一、二维水力耦合计算。其中，WASP 模型表达动力过程的公式均采用有限差分法进行离散求解。MIKE 模型提供两种离散格式：有限差分法和有限体积法。（1）WASP 模型3740WASP（The Water Quality Analysis Simulation Program）是美国环境保护局提出的水质模型系统。WAS

34、P 有两个的计算机程序 DYNHYD 和 WASP 组成，两个程序可连接运行，也可以执行。WASP 程序也可与其它力RIVMOD（一维），SED3D（三维）相连运行，如果有已知水力参数，还可单独运行。WASP 是水质分析模拟程序，是一个动态模型模拟体系，它基于质量守恒原理，待研究的水质组分在水体中以某种形态存在，WASP 在时空上追踪某种水质组分的变化它由两个子程序组成：化学物模型 TOXI 和富营养化模型EUTRO，分别模拟两类典型的水质问题：传统污染物的迁移转化规律（DO、BOD 和富营养化）；物质迁移转化规律（有机化学物、金属、沉积物等）。TOXI 是有机化合物和重金属在各类水体中迁移积

35、累的动态模型，采用了EXAMS 的动力学结构，结合 WASP 迁移结构和简单的沉积平衡机理，它可以预测溶解态和吸附态化学物在河流中的变化情况。EUTRO 采用了 POTOMAC 富营养化模型的动力学，结合 WASP 迁移结构，该模型可DO、COD、BOD、富营养化、碳、叶绿素 a、氨、硝酸盐、有机氮、正磷酸盐等物质在河流中的变化情况。WASP 模型的水流模块 DYNHYD 只适用于一维的，WASP 用于二维水质模拟需要其他二维力模块计算提供水量数据。（2）MIKE 模型4143MIKE 模型体系主要包括 MIKE 11、MIKE 21 和 MIKE 3，是丹麦 DHI 公司开发的。MIKE 1

36、1 用于一维力学、水质、富营养化和泥沙输移计算及洪水预报等，适用于河流、湖库及灌渠等。MIKE 21 用于二维力学、水质、富营养化、石油泄漏等计算，适用于河流、湖库、河口及海湾等。MIKE 3 用于三6第 1 章 绪论。MIKE 21 模型是维力学和水质模拟，适用于河流、湖库、河口、MIKE 11 的姐妹模型，在全世界广泛应用。它是一个极优秀的模型，用来模拟在水质中垂向变化常被忽略的湖泊、河口、海岸地区。它提供的水质变化过程很多。MIKE 21 系统包括了以下 4 个模拟引擎：单一网格，这是一种传统的矩形模型，是将研究区域划分成同一大小的矩形网格，网格的大小（分辩率）由模拟区域大小及具体应用决

37、定，网格越小计算精度越高，但耗时越长。嵌套网格，这也是一种矩形模型，只是在同一模型中可以有多种网格大小。在大网格模型中可以嵌套小网格模型。曲线网格，网格呈四边形或近似矩形，主要适用于蜿蜒河段的力学计算和河床演变分析。三角形网格，采用有限体积解法。该网格能够很好地模拟弯道或水上结构物周围区域的流场。其中前两种网格采用有限差分法，后两种采用有限体积法进行数值离散。有限差分法和有限体积法是水环境模拟应用较多的两类方法。（3）有限差分法和有限体积法在水环境模拟的应用水环境模拟数值离散三大类：有限差分法、有限体积法和有限元法18,19，其中又以前两种在水环境模拟的应用居多。有限差分法的本质，是在有限差分

38、方程中用诸如Df Dx 这样的有限差分比，来代替微分方程中诸如¶f ¶x 的导数。差分的主要形式有前差分、后差分和中心差分。不同的差分形式离散的方程组求解方法不同，如差分方程组解耦，即各方求解，称为显式格式，反之，若需联立求解，称为隐式格式44,45。1967 年美国 Leendertse 首次应用交替方向隐（ADI）差分格式模拟二维潮汐水流,并很快得到推广。后来国际上又应用Yanenko 等人的法，从按空间座标到按物理机制（即方程中物理意义不同的项）方程组。我国在 80 年代也经历了类似的发展过程。这些算法的共同点都是基于矩形座标网格上的 FDM。明显的缺点是，受网格密度

39、的限制，对平面水体的周边形状逼近较差，且对边界条件的实现或确（尤其是边界线的转折点）。为7第 1 章 绪论了克服其局限性，许多学者都致力于不规则边界处理问题的研究，如美国的J.F.Thompson 等人提出的边界拟合坐标系方法（ Boundary Fitted CoordinateSystem）方法46，L曼所提出的任意网格差分法47等。利用这些方法在原则上可以把任意复杂的几何边界变成规则的几何边界求解，但计算区域的规则化是以方程的复杂化为代价的，而且当边界存在尖角时，会出现局部奇异现象，使计算不收敛48,49。有限体积法又称体积法 50,51，其基本思路是将计算区域划分为一系列不重复的单元（

40、即体积），并使每个网格节点周围有一个体积，以网格节点上的因变量数值为未知数，假设其在网格节点之间的分布规律，将方程对每个体积，一组离散方程,结合边界条件和初始条件求得数值解。FVM 早在 70 年代初开始用于平面不可压流数值模拟,形成了矩形网格上的SIMPLE 类隐式算法。模拟浅水水流时，当地形有显著不规则变化时，FDM 必计算点否则无法应用，而 FVM 则可直接应用，只需每个体内地形近似线性变化。FVM 既适用于连续解，也适用于间断解，可以严格遵循物理守恒律。FVM 的误差主要来自对界面通量的估算，它严格遵循守恒律，不存在任何的水量动量不平衡的守恒误差，这不同于 FDM 的误差主要来自用差商

41、逼近偏导数而带来的截断误差，后者使 FDM 不适用于时空变率大的情况。因此，FVM 吸取了 FDM 与 FEM 的优点，并同时具有 的独特优点，尤其对二维及三维问题 FVM 可发挥巨大作用。1.3 主要研究内容及技术路线1.3.1 研究内容本文应用 MIKE 模型系统，进行研究内容包括：湖引水条件下水质演变规律研究。主要（1）分析平原河网区产汇流特征及 MIKE 产汇流模型的适用性，建立平原圩区产汇流模型，耦合于 MIKE 11；建立耦合模型。泖区一维河网及二维湖泊力（2）在湖现状水量水质特征及水质评价的基础上，确定水质模拟因子；利用 MIKE 21 模型建立（3）利用建立湖二维水质模型。湖一

42、、二维力及水质模型，开展湖湖流特征分8第 1 章 绪论析及引水条件下湖水质演变规律研究。1.3.2技术路线图 1.3-1研究技术路线图9提供水力条件湖引水水质变化规律及水源地建设方案建议引水水文水质边界条件湖引水水质变化模拟湖二维水质模型建立及率定湖典型湖流水力模拟河网湖泊耦合水力模型建立及率定实测水质资料湖二维水力模型建立及率定产汇流模型泖区一维河网水力模型建立湖地形、水文水质、风场等资料收集泖区降雨、蒸发、下垫面资料收集泖区水位流量、河道等资料收集第 2 章 河湖串联河网区水量水质系统模型构建第 2 章 河湖串联河网区水量水质系统模型构建2.1 河湖串联河网区水量水质模型系统2.1.1 模

43、型系统简介MIKE 系统模型是丹麦水力学所（DHI）研究开发的模拟地表水及水水环境系统演变过程的系列软件包。根据河湖串联河网区力及其水环境演变特征，选取 MIKE 系统模型的 MIKE 11、MIKE 21、MIKE FLOOD 及 AD/ECO 水质模块，构建河湖串联河网区水量水质系统模型框架，具体见图 2.1-1。河湖串联河网区水量水质系统模型中，RR（Rainfall Runoff）是流域产汇流计算模块，MIKE 11 HD 是一维水力计算模块，RR 可以单独运算模拟流域产汇流过程，也可以和 MIKE 11 HD 耦合，为 MIKE 11HD 模块提供侧向汇流条件，模拟河道河网力。MIK

44、E 21 HD 是二维水力计算模块。MIKE 11 HD 和 MIKE21 HD 均可以单独运算，也可以分别和对流扩散模块（AD）以及模拟模块（ECO）耦合运算计算简单或复杂的水力水质问题。同时，MIKE 11HD 可以和MIKE 21 HD 通过 MIKE FLOOD 实现一、二维水力耦合计算。图 2.1-1 MIKE FLOOD 耦合模型框架示意图2.1.2 MIKE FLOOD 水量耦合条件处理MIKE FLOOD 是一维模型 MIKE 11 和二维模型 MIKE 21 的动态耦合模型，为河流-区和内河-河口海岸的有效连接。可以模拟河口和海岸地区的河流和10AD/ECO水质模块MIKE

45、FLOOD水力耦合模块MIKE 21 HD水力模块MIKE 11 HD水力模块RR 降雨计算模块第 2 章 河湖串联河网区水量水质系统模型构建风暴潮引起的洪水问题、区内详细的流场（流速和水位）、河道和明渠与相邻区和湖泊水库等的水体交换以及溃坝后区内的溢流等问题。MIKE FLOOD 根据连接处动量守恒原则，通过定义一维水流计算节点和二维水流计算网格单元的连接方式，可进行五种一二维连接问题的模拟52：标准连接（Standard Link）标准连接是一种显式连接，用于一维计算区域计算区域或二维计算区域向一维计算区域的自然连接。其连接示意如图 2.1-2 所示。图 2.1-2 MIKE FLOOD

46、的标准连接示意图侧向连接（Lateral Link）侧向连接用于模拟洪区发生的河道漫流模拟。其连接方式如图2.1-3 所示。2.1-3 MIKE FLOOD 的侧向连接示意图11第 2 章 河湖串联河网区水量水质系统模型构建物连接（Structure Link）水工水工物模拟用于有水工物的一二维连接问题，其连接示意如图2.1-4 所示。图 2.1-4 MIKE FLOOD 的水工物连接示意图市政连接（Urban Link）连接用于模拟地表暴雨洪水通过人工井下泄到市政市政以及排水管道洪水通过溢流井的上涌问题。零流量连接（Zero Flow Llink）零流量连接包括 x 方向的零流量连接和 y

47、方向的零流量连接，零流量连接是侧向连接的补充。该连接设置是为了模拟 MIKE 21 的漫滩流穿过 MIKE 11 的河道问题以及泛洪区存在道路及堤防阻流的问题。MIKE FLOOD 一二维耦合根据“水位-流量”衔接关系，一维水流流区域时，由 MIKE 11 计算出连接河道末端（第一个 Q 点）的流量，并作为源项提供给 MIKE 21 连接网格单元；二维水流流向一维河道时，由 MIKE 21 模型计算出连接网格单元的水位提供给 MIKE 11 一维河道连接节点，并作为该节点的水位边界。MIKE 11 里与 MIKE 21 连接处的河道端点需要给定一个虚拟的水位边界作为耦合模型的启动条件，该虚拟水

48、位不影响 MIKE FLOOD 的后续计算。12第 2 章 河湖串联河网区水量水质系统模型构建2.2 产汇流模型理论基础2.2.1 产汇流模型选取MIKE RR 模型自身提供的 6 种产汇流模型53（ NAM、UHM、SMAP、Urban、 FEH 和 DRiFt 模型），基于不同的理论方法，对资料的要求不同，适用的范围也不一样。各模型原理及适用特征如见表 2.2-1。表 2.2-1 MIKE RR 产汇流模型比较平原水网地区低地筑堤围圩保护农田，形成圩区，汇流过程因受人为因素影响，有其特有的规律。在汛期，水网经常高出圩内田面，圩内产水量除部分蓄内沟塘外，其余部分要靠动力抽排入外河。由表 2.

49、2-1 可知，MIKE 自带的产汇流模型都没有考虑到这一点。因此，本文对产汇流模块进行替换改进，建立适合研究区域的河网产汇流模型来计算汇流过程，提供河网水力模拟的旁侧入流条件。平原河网区产汇流模型具体见章节 2.2.1 和 2.2.2。2.2.1 河网地区产流模拟由于不同下垫面具有不同的产流规律，下垫面可以分为很多类型，根据太湖流域下垫面特征，本模型将下垫面分为五类：水面、水田、城镇不透水地面、旱13MIKE 产汇流模型模型理论基础资料要求适用对象NAM 模型集总参数的概念性水文模型，模型考虑4 层蓄水体（融雪蓄水层、地表蓄水层、浅层蓄水层、蓄水层）的水量交换降雨、蒸发、实测流量大、小流域的丘

50、陵山区UHM 模型利用线技术用于计算单场暴雨事件的产汇流过程降雨、实测流量大、小流域单场暴雨产汇流SMAP 模型集总参数的概念性水文模型，模型考虑根区蓄水层、 水蓄水层对地表径流和蒸发的影响降雨、蒸发、实测流量（逐月）大、小流域的丘陵山区，不考虑产汇流日过程Urban 模型Urban A 模型应用的是时间/面积法；Urban B 模型应用的是非线性蓄水池（运动波）方法降雨、实测流量城市的产汇流模拟FEH 模型水文线方法降雨特定地区的产汇流DRiFt 模型基于地形数据（DEM）的半分布式水文模型DEM、降雨、蒸发空间分布、河网空间分布及实测流量大流域、资料充足第 2 章 河湖串联河网区水量水质系

51、统模型构建地和非耕地。（1）水面产流根据水量平衡原理，水面产流量在数值上等于时段内降雨量与蒸发量之差：R1 = P - CE ´ E（2.2.1）式中，R1为水面时段净雨深即产流量，mm；P降雨量(mm)； E蒸发皿的蒸发量；CE蒸发皿折算系数。（2）水田产流水田的产流需考虑水稻生长的需水要求，根据排灌原则逐时段可以推求水田产流过程：由作物生长期的需水过程及水稻田适宜水深上、下限，耐淹水深等因素，逐日进行水量调节计算，推求水田产流过程 R2。H2 = H1 + P - a ´ CE ´ E - F（2.2.2）当 H2>Hp 时：R2 = H2 - HP ；

52、H2 = HP（2.2.3）当 Hu<H2<Hp 时：R2 = H2 - HU ；H2 = HU（2.2.4）当 Hd<H2<Hu 时：R2 = 0（2.2.5）当 H2<Hd 时：R2 = H2 - Hd ；H2 = Hd（2.2.6）式中：H1、H2每天初、末水稻田水深，mm；水稻各生长期的需水系数；Hp各生长期水稻耐淹水深，mm； Hu各生长期水稻适宜水深上限，mm；Hd各生长期水稻所需要的水深下限，mm；F 水稻田日渗透量，mm。14第 2 章 河湖串联河网区水量水质系统模型构建（3）城镇不透水区域产流城镇、道路等不透水区域的产流计算简单，即为径流系数与降雨的乘积。当 P - EE > 0 时，R5 = a ´( P - EE )（2.2.7）R5 = 0否则，不产流，式中：R5为城镇的产流；为径流系数；P为时段降雨；EE为时段蒸发。（4）旱地