mike11

1基于Mike11的汉江中下游水质模型构建王庆改赵晓宏杨木水吴文军李时蓓吴波（国家环境保护总局环境工程评估中心环境质量模拟重点实验室，北京100012）摘要：由于工农业的快速发展，近年来汉江中下游水质趋于恶化，主要表现在水体中氮、磷等营养物质增加，水体富营养化加剧等问题。为了促进湖北省汉江中下游流域的经济、社会与环境的协调发展，应用MIKE11的RR模型、HD模型、AD模块、ECOLab模块，建立了汉江中下游的降雨-径流模型、水动力模型和水质模型，应用该模型可动态模拟汉江中下游的化学需氧量(CODcr)、生化需氧量(BOD5)、氨氮、硝酸盐氮、磷和溶解氧（DO）等的运移转化过程，预防水华等重大污染事件发生，为未来政府管理决策提供依据。关键词：汉江；水质模型；Mike111概述汉江水资源丰富，是湖北省重要的饮用水源和工农业用水水源地，其上游丹江口水库是南水北调中线工程的水源地，汉江水环境质量的优劣直接关系到人民安居乐业和社会经济发展等重大问题。然而，近年来汉江中下游水质趋于恶化，汉江干流自上而下有污染逐渐加重的趋势，襄樊以上河段能满足国家地面水环境质量标准中的Ⅱ类水质要求，而钟祥以下河段基本上为Ⅲ类水体，有的断面水质甚至只能达到Ⅵ类水体要求，且汉江水质污染状况有逐年加剧的趋势。汉江支流由于水量小、自净能力差，水质污染状况更为严重。在按规定设置的11个水质监测控制断面中，水质良好达到Ⅰ-Ⅲ类标准的断面占45.5%，水质受污染为Ⅳ类、Ⅴ类的各占18.2%；水质污染严重为劣Ⅴ类的占18.2%。为了保证在南水北调的情况下，促进湖北省汉江中下游流域的经济、社会与环境的可持续发展，应用MIKE11的RR模型、HD模型、AD模块、ECOLab模块，建立汉江中下游的降雨-径流模型、水动力模型和水质模型，模拟汉江中下游的化学需氧量(CODcr)、生化需氧量(BOD5)、氨氮、硝酸盐氮、磷和溶解氧（DO）等的运移转化过程，预防水华等重大污染事件发生，为未来政府管理决策提供依据。2降雨径流模型建立2.1数据获取降雨径流模型所需输入数据包括气象数据、水位和流量数据（用于模型率定和验证）、流域参数和初始条件定义。基本的气象数据有降雨时间序列、潜在蒸发时间序列。收集到的降雨资料主要包括1987年和2003年15个气象观测站的实测资料，所有站均位于汉江流域中游。收集到的蒸发资料包括1986年和1987年2个站的实测资料，位于汉江流域中游。下游缺乏实测资料。收集到的1987年径流资料主要有新店铺、高天和开封的实测资料，收集到的2003年径流资料主要有新店铺、高天两站的实测资料。2.2汉江中下游子流域划分根据汉江中下游不同区域的集水特性，汉江中下游的流域范围在模型中被划分为14个子流域，如图1所示。各子流域面积及实测径流信息在表1中给出。子流域面积通过GIS软件建立拓扑关系计算得到。2.3模型建立2.3.1模型率定MIKE11RR模型为概念性、集总型模型，所有参数都有一定的物理概念，但由于各参数值反映的是各子流域的平均条件，无法通过实测获得，必须通过与实测径流资料比较估计参数值，因此必须进行率定。根据所掌握的资料情况，将1987年作为率定年，2003年作为验证年。根据1987年降雨、蒸发和径流资料，分别对三个有实测径流系列的子流域（C1、C2、C3）进行了率定，结果见图2～4。2表1子流域信息名称面积(Km2)河流水文站C110，470新店铺C27，891郭滩C33，972开峰峪U13，605U21，588U35，713U43，677U57，348U61，521U76，557U86，283U91，325U101，855U114，749对于出口无实测径流资料的子流域，是基于已率定子流域的参数值及过去研究的经验初步确定参数值，并与河流模型（MIKE11HD）耦合计算后根据河流水文站资料最终确定模型参数值。率定结果总体上看是可接受的。有些峰值的计算存在较大误差，这主要是由于模型所用的降雨资料覆盖的时间和空间范围都偏小。但总水量的模拟比较合理，这对于后续的水质模拟至关重要。模型参数的率定结果见表2。表2：子流域率定参数表CatchmentNameUmaxLmaxCQOFCKIFCK1，2TOFTIFU17.6820.856940.136.20.190.389U29910.823669.534.30.1820.38U39.2910.872804.311.50.1890.384U59.2800.92944.640.30.1830.585U910.9930.691805.5440.1620.176U610.4940.612952.641.90.1860.111U49.2800.92944.640.30.1830.585U109.2800.92944.640.30.1830.585U119.2800.92944.640.30.1830.585U79.2800.92944.640.30.1830.585U89.2800.92944.640.30.1830.585C17.4530.752105128.10.2880.282C29.9560.804105311.50.2860.288C39.7580.778136530.60.1650.15图1子流域划分（“C”子流域表示出口有实测径流资料，“U”子流域表示没有实测径流资料）3图21987年C1子流域的实测与模拟以及累积实测与模拟径流量比较图31987年C2子流域的实测与模拟以及累积实测与模拟径流量比较图41987年C3子流域的实测与模拟以及累积实测与模拟径流量比较2.3.2模型验证用2003年资料验证模型。图5～6为C1和C2子流域的验证结果。验证与率定的拟合程度一致，表明所选用的RR模型参数值是可靠的。01002003004005006007001987-1-10:001987-2-200:001987-4-110:001987-5-310:001987-7-200:001987-9-80:001987-10-280:001987-12-170:00径流(m3/s)模拟值实测值0500010000150002000025000300001987-1-10:001987-2-200:001987-4-110:001987-5-310:001987-7-200:001987-9-80:001987-10-280:00径流(m3/s)模拟值实测值020040060080010001200140016001987-1-10:001987-2-200:001987-4-110:001987-5-310:001987-7-200:001987-9-80:001987-10-280:001987-12-170:00径流(m3/s)模拟值实测值0500010000150002000025000300001987-1-10:001987-2-200:001987-4-110:001987-5-310:001987-7-200:001987-9-80:001987-10-280:001987-12-170:00径流(m3/s)模拟值实测值01002003004005006007008009001987-1-10:001987-2-200:001987-4-110:001987-5-310:001987-7-200:001987-9-80:001987-10-280:001987-12-170:00径流(m3/s)模拟值实测值0500010000150002000025000300001987-1-10:001987-2-200:001987-4-110:001987-5-310:001987-7-200:001987-9-80:001987-10-280:001987-12-170:00径流(m3/s)模拟值实测值4图52003年C1子流域的实测与模拟以及累积实测与模拟径流量比较图62003年C2子流域的实测与模拟以及累积实测与模拟径流量比较3水动力模型建立应用MIKE11水动力模型模拟汉江中下游河流的水位和流量，作为后续水质模拟的基础。MIKE11HD是一维水动力模型，主要用于洪水预报及调度措施、河渠/灌溉系统的设计调度、及河口风暴潮的研究。水动力的模拟结果可作为后续对流扩散和水质模拟的基础。3.1水动力模型的数据文件MIKE11水动力模型主要包括数据文件有：河网文件（.nwk11）、断面数据（.xns11）、边界条件（.bnd11）、模型参数文件（.hd11）。水动力模型所搜集的断面资料为汉江1985年河床地形资料，共有91个断面数据，其中汉江干流有83个断面，唐河2个断面，白河3个断面，南河3个断面。1987年和2003年有11个水文站点水位和流量的实测数据供水动力模型的率定和验证(表3)，率定验证的数据越多，模型就越可靠。河网文件包含汉江（从黄家岗至汉口的615km河段）及唐河（从郭滩站开始）、白河（从新店铺站开始）和南河（从开峰峪站开始）等三条支流，见图7。图7MIKE11河网概化02004006008001000120014002003-1-10:002003-2-200:002003-4-110:002003-5-310:002003-7-200:002003-9-80:002003-10-280:002003-12-170:00径流(m3/s)模拟值实测值05000100001500020000250003000035000400002003-1-20:002003-2-210:002003-4-120:002003-6-10:002003-7-210:002003-9-90:002003-10-290:002003-12-180:00径流(m3/s)模拟值实测值05001000150020002500300035004000450050002003-1-10:002003-2-200:002003-4-110:002003-5-310:002003-7-200:002003-9-80:002003-10-280:002003-12-170:00径流(m3/s)模拟值实测值050001000015000200002500030000350002003-1-20:002003-2-210:002003-4-120:002003-6-10:002003-7-210:002003-9-90:002003-10-290:002003-12-180:00径流(m3/s)模拟值实测值25000300003500040000450005000055000440004600048000500005200054000560005800060000620006400066000HanRiverHydraulicModel5表3汉江中下游11个水文站点边界文件的生成通过边界文件编辑器实现。在本研究中包括5个外部边界和1个内部边界（东荆河的取水口）。上游入流条件为4个实测流量时间序列，下游边界为汉口站实测水位资料，东荆河的出流在模型中处理为出流点源，也采用实测资料，见表4。降雨径流为旁侧入流，如上所述，旁侧流入用MIKE11RR模型计算，与MIKE11HD完全耦合，入流河段的分配见表5。表4MIKE11HD边界条件边界类型河名桩号站名入流汉江6190黄家港入流白河0新店铺入流唐河100000郭滩入流南河100000开峰峪水位汉江615000汉口出流汉江457000东荆河表5MIKE11HD模型中旁侧入流分配桩号(米)No.子流域起始点终止点河名1U150190117890汉江2U20258000白河3U3100000182000唐河4U4137890288471汉江5U550190288471汉江6U6619045000汉江7U7340000615000汉江8U8340000615000汉江9U9100000100000南河10U10288471340000汉江11U11288471340000汉江参数文件主要是定义模拟的初始条件河床糙率。