基于MIKE11的沈阳市南北运河水质水量耦合模型研究

郭宇轩 王勇勇

[摘要]通过利用丹麦水资源与水环境研究所DHI研制的MIIKE11软件中的HD水动力学模块和AD对流扩散模块，对沈阳市南北运河的水质水量进行了模拟分析。根据掌握南北运河段水文站的实际日水文资料对模型的参数进行率定，并对南北运河模型进行验证。研究结果表明，所建立的模型在率定期间和模型验证期间模拟效果均表现良好，水质、水动力及可控水中构筑物均模拟效果好，模拟精度高，此模型能够充分表现沈阳市南北运河段的水质、水量特征，为实现沈阳市南北运河水生态环境的全面提升和水功能修复建设提供了强有力的技术支持。

[关键词]MIKE11；水质水量耦合模型；沈阳市南北运河

[中图分类号]X524 [文献标识码]A

1 引言

1.1 研究区域概况

沈阳市南北运河分为新开河和南运河，交汇于东塔闸门处，为城市内河。新开河又名北运河，是1914年在沈阳市区北部人工开凿的一条灌溉渠道，河道全长33km，宽度15～25m不等。本次模拟新开河段从鸟岛起流至丁香湖段，全长27059m，在新开河上游有辉山明渠和满堂河等河流汇入，在新开河下游有卫工明渠河流流出，新开河途径北陵公园、怒江公园、丁香湖。

南运河属于季节性景观河流，该河流全长12549m，平均水深1.5m左右。本次南运河模拟河段从东塔闸门到龙王庙闸门，途径万泉公园、万柳塘公园、青年公园、南湖公园，流至龙王庙闸坝最后汇入浑河。

1.2 气候特征

南北运河流域属东北地区，是明显的温带半湿润大陆性气候，全年气温-24℃～34℃，平均气温6.2℃～9.7℃。全年降雨量主要由季节分配，降水量大致在600mm～800mm之间，受季风影响，降水主要集中在夏季。日夜温差较大，四季分明，全年无霜期155～180天。冬季天气寒冷，且严寒时间较长，近六个月，但降雪较少。夏季持续时间较短，且多雨。春秋两季气温变化迅速，持续时间较短。

2 模型建立

2.1 模型概况

采用丹麦DHI公司的MIKE软件，构建沈阳南北运河水质水量调控模型，模拟南北运河河流的水流状态和污染物在河道中对流扩散和降解情况。MIKE软件是基于垂向积分的物质和动量守恒方程，即一维非恒定流圣维南（Saint-Venant）方程组构建水量模型，模拟河道的水量演进过程。水质模型是基于一维水质模型，只需要考虑流动方向上的各断面污染物浓度变化，构建水质模型，模拟河道污染物在河道中的变化。二者耦合模型是指水量模型与水质模型采用同一计算单元和时间步长，水量模型给水质计算提供所需的流速、流量、断面过水面积、槽蓄量等水力参数，对河道中水流状态和污染物演变过程同时进行模拟。

2.2 模型率定

MIKE11一维水动力模型率定和验证的主要参数为河床的糙率系数和水闸控制运行中的目标参数。所谓河床糙率就是指河道水流和河道表面之间的摩擦力的相关系数，河道的粗糙程度、河床的形态、河道的形态等因素对流域内水流阻碍作用的综合影响情况。河床糙率的准确确定会直接影响模型的建立与计算。通知设置河床糙率，进而满足水位、水量和实际值达到一致。

2.3 计算实例

2.3.1 沈阳市南北运河河网文件。MIKE11一维水动力模型构建过程中，需要其软件所支持的河网文件作为模型构建的基础模型，本河网文件通过利用沈阳市南北运河的DEM资料生成河网矢量文件，再将矢量文件导入MIKE11HD中，应用软件工具进行河网图形绘制并根据实际获取的沈阳市南北运河的水系地图对所绘制的河网文件進行略微的修改。同时根据对实际模拟区间河段长度的测量对河网文件中河道参数进行修改，并对水中构筑物的基本信息进行录入，进而符合实际的河道情况。

2.3.2 断面文件。模型建立计算过程中需要大量的河段断面信息，有助于完善河道的准确性，河道断面数据一般是以坐标的形式，此次模拟在断面文件的绘制过程中，由于对于水中构筑物（闸坝）需要在闸坝前后500m的位置各设置一个断面，所以对沈阳市南北运河进行四个闸坝、8个断面的绘制，具体断面数据（高程、宽度等）由实际测量得到，进而生成（.xns11）文件。

2.3.3 边界文件。模型的上边界采用鸟岛闸坝2016年11月1日～2017年12月31日的水质水量数据生成时间序列（.dfs0）文件，河道上游有满堂河河流汇入新开河主干道，通过查阅监测站流量年数值和相关水文资料，对流量、水质数据进行添加生成时间序列（.dfs0）文件，完成概化点源的填写，在河流的下游有卫工明渠支流流出，将卫工明渠支流进行概化，设为一个点源，并查阅相关监测站数值和水文资料生成时间序列（.dfs0）文件，完成数据的填写，模型的下边界采用丁香湖和龙王庙闸门的水文资料，并对水位进行设定，从而完成了边界文件的绘制（.bnd11）文件的生成。

2.3.4 模型的建立及率定。建立（.sim11）文件，将绘制好的河网文件、断面文件、边界文件耦合到水动力文件（.HD11）文件中，设置水动力参数文件（.HD11）和水质的参数文件（.AD11），定义模拟的初始条件、河床糙率、衰减系数、扩散系数等条件，设置模拟时间的步长为1，保存路径，进行模型的模拟运行，将模拟运行后生成的HD和AD文件打开，在相应断面位置上取出模拟数值。

在模拟出的水动力模型基础上，添加水质参数以及水质边界条件，采用2016年11月1日到2017年12月31日的实测水质数据对模型参数进行率定，设定模拟时间段为2016年11月1日到2017年12月31日，前两个月作为模型的预适应计算时间段，时间步长为20天。以卫工明渠断面龙王庙闸坝断面的实测流量值、COD值和氨氮值作为率定及验证的依据，率定结果见图1和图2。

通过对此次COD率定结果的分析，2016年11月1日到2017年12月31日内COD实测值和模拟值可根据图像显示的曲线可知，误差值均小于10%，整个模型模拟出来的精度较高，模型较为准确，本模型COD模拟模块即为可计算应用的可靠模型模块。

通过对此次氨氮率定结果的分析，2016年11月1日到2017年12月31日内氨氮实测值和模拟值可根据图像显示的曲线可知，最大误差点范围在2016年12月31日到2017年2月9日期间，误差值也均小于10%，整个模型模拟出来的精度较高，模型较为准确，本模型氨氮模拟模块即为可计算应用的可靠模型模块。

通过对此次氨氮率定结果的分析，2016年11月1日到2017年12月31日内流量实测值和模拟值可根据图像显示的曲线可知，最大误差点范围在2017年4月19日左右，此时间段误差相对较大，但是个别点误差较大可忽略不计，整体误差保持在10%即可，由此可知整个模型模拟出来的精度较高，可作为应用模型。

3 结语

沈阳市水域面积较大，城区运河还承载着防汛功能，水质污染和水量过大都会影响运河周围的生态环境，通过建立水质水量耦合模型，可以准确地预测河道的水位、流量，以及各个断面的水质情况，将为国家正在提倡的水生态建设及修复作出重要的数据支持及保障。本文通过应用MIKE11对沈阳市南北运河进行了模型的建立以及模型的率定和验证，模型在率定区间模拟效果合理，可应用此模型对沈阳市南北运河进行生态水质水量的预测。

[参考文献]

[1] 常旭，王黎.MIKE11模型在浑河流域水质预测中的应用[J].水电能源科学，2013，31（6）.

[2] 李伟，刘冬梅，赵博.基于MIKE11的浑太河水动力水质模型研究[J].吉林水利，2016（5）.