MIKE水質(zhì)培訓教程

1、MIKE 3 水質(zhì)培訓教程DHI China151 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：水質(zhì)模塊富營養(yǎng)化模塊重金屬模塊1.1 應用領(lǐng)域河流、濕地、湖泊、水庫、河口、海岸和海洋各生態(tài)系統(tǒng)反應的空間預測簡單和復雜的水質(zhì)研究環(huán)境影響和優(yōu)化研究規(guī)劃和可行性研究水質(zhì)預

2、報1.2 內(nèi)置模板和使用手冊 DHI預定義的ECO Lab模板在以下目錄中：TemplatesECOLab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 3 WQ 水質(zhì)模塊的目標MIKE 3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?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

3、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，硝化反應需氧量，光合作用產(chǎn)氧，呼吸作用耗 氧以及大氣復氧。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

4、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)境的調(diào)查。一個全面的微生物風險評估包括： 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)并作出相應處理。 指示劑生物

5、體的出現(xiàn)和這些生物體的行為，包括其與物理一化學因素及相關(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有機物總量的一個綜合指標。有機物在有氧條件下為微生物分解產(chǎn)生 H2。、CO2和NH3。一般BOD以被檢驗的水樣在標準條件下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

6、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)都設定了濃 度標準。MIKE 3水質(zhì)模型（WQ）就是設計用于評估和這些標準濃度相關(guān)的水質(zhì)問 題。MIKE 3富營養(yǎng)化模塊（EU）更為復雜，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 大氣復氧）+ phtsyn （光合作用）-respT （呼吸作

7、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） 一Plantuptake 他物攝?。゜acteriaUptake （ffl 菌攝?。㎞ITRATE : Nitrification （硝化）-Denitrification （反硝化）BOD : - BodDecay （BOD 降解）-Sediment

8、ation 磯降）+ Resuspension 再懸?。㎡P: 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他物攝取?§解型磷）PP: - PPdecay （顆粒型磷降解）+ PPformation （顆粒型磷合成）-PPsedimentation顆 粒型磷沉降）+ PPresuspension|S粒型磷再懸?。〧aecalColi： -FaecalColiDecay （糞大腸桿菌降解）TotColi: -TotalColiDecay （總大腸桿菌降解） 主要常數(shù)

9、： 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) 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 (0.0

10、5 - 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/gBOD7 . BOD降解釋放無機磷的典型產(chǎn)出率原污水:0.014 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 .顆粒態(tài)磷(PP)降解速率：0.1-0.2/day3 MIKE 3水質(zhì)模型MIKE 3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

11、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 3模型中添加ECO Lab模塊第一步：引入水質(zhì)模塊：1 .在MIKE 3結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型中引入 ECO Lab模塊：打開 MIKE 3 Flow Model (.m3) Basic Parameters Module Selection Environmental modules ECO Lab (圖 3.1),出現(xiàn) ECO Lab Parameters 在 Model Definition里選擇適當?shù)膬?nèi)置水質(zhì)模塊

12、或自定義模塊，參見圖3.2。圖3.1圖3.22 .在MIKE 3非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型中引入 ECO Lab模塊：打開 MIKE 3 FlowModel FM Module Selection ECO Lab （參見圖 3.3）,出現(xiàn) ECO Lab Module,在Model Definition里選擇適當?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ECOLab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)

13、、作用力和輸出項進行設定。4 水質(zhì)模型應用要點歸納1. 三維水質(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三維結(jié)果圖 *.dfs3 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

14、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，則應該考慮用 EU 模型，考慮浮游生物的影響。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)以及檢驗模型的發(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、化學和生物過程在 ECOLab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

15、 MIKE3AD模塊中為/sec,在ECOLab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 *.dfs3 或 *.dfsu 文件對不同區(qū)域的參數(shù)值進行分別設定。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。主要應用在內(nèi)陸水體（如湖泊、水庫等）以及

16、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（如石茄）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，20c30c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

17、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，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軟件預設了 3個富營養(yǎng)化模板：Eutrophicati

18、onModell .ecohb EutrophicationModelLSedimentBenthicVegetation.Bcolab EutrophicationModeL.ecohb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） 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

19、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中的富營養(yǎng)化模型也屬于生態(tài)動力學模型，具描述了營養(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。141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

20、；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-SEPCPRPC-Production 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-Sett

21、ling 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 nitrogen 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:

22、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 phosphorus 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-SECHPRCH-Production phytoplankton chloroph

23、yll 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-DEZCPRZC-Production 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+D

24、EZCDEPC2DC-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 zooplankton 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

25、游動物的碳量7) Detritus Nitrogen: DEPN2DN+EKZN-REDN-SEDN+DEZN+DEBNDEPN2DN- 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 zooplankton 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 nit

26、rogen 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+DEBPDEPP2DP- Death phytoplankton 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-Se

27、ttling 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) Inorganic Nitrogen: REDN+REZN+RESN-UNPN+DEPN2IN-UNBN+REBNREDN- 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

28、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 phytoplankton 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

29、氮量10) Inorganic Phosphorous: REDP+REZP+RESP-UPPP+DEPP2IP-UPBP+REBPREDP- 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 phytoplankton to inorganic phosphorous 死亡浮游植物在礦化作用下釋放的 無機磷量UPBP- Uptake benthic vegetation phosphorous 底棲植物吸收的無機磷量REBP- Respiration