MIKE水質培訓教程

MIKE3水質培訓教程

DHIChina

1ECOLab簡介

ECOLab是DHI在老式的水質模型概念發展起來的全新的水質和生態模擬工具。ECOLab

軟件開發的理念和措施非常先進，顧客不僅可以修改模型參數，更重要的是可以修改模型關鍵程

序、甚至編寫新程序，然后ECOLab將其與MIKE11/21/3的HD、AD集成計算。

DHI已經將大部分老式的水質模塊轉換成ECOLab通用模板，供顧客調用或修改使用，包

括：

水質模塊

富營養化模塊

重金屬模塊

1.1應用領域

。河流、濕地、湖泊、水庫、河口、海岸和海洋

各生態系統反應的空間預測

簡樸和復雜的水質研究

環境影響和優化研究

?規劃和可行性研究

水質預報

1.2內置模板和使用手冊

?DHI預定義的ECOLab模板在如下目錄中：

C:\ProgramFiles\DHI\\MIKEZero\Templates\ECOLab

?使用手冊和闡明在如下目錄中：

C:\ProgramFiles\DHI\\MIKEZero\Manuals\MIKE_ZERO\ECOLab

BOD降解引起的耗氧

底泥需氧量

水體中的呼吸作用

光合作用產氧

水氣互相作用下的氧互換（大氣復氧）

?BOD-DO模塊包括不一樣營養物（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重要包括：BOD降解需氧量，底泥需氧量，硝化反

應需氧量，光合作用產氧，呼吸作用耗氧以及大氣復氧。營養物轉化的基本過程包括：BOD降

解釋放有機氮和磷，產生的氨氮經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

在人氣中。同步，BOD降解所釋放的部分氨氮和磷可以被浮游生物，植物和細菌所吸取。

?顧客可以按實際需求自定義多種污染物質，并定義對應的降解速率進行模擬。

經典污染問題

與經典污染問題有關的污染物質有:

?近海水域中與健康有關的微生物

?耗氧物質

?營養物質

?異生化合物，例如有危害性或毒性的化合物

與健康有關的微生物

對于近海水域微生物調查的重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

生長環境的調查。一種全面的微生物風險評估包括:

環境健康評估

包括有關排水管道或污水排放口，雨水排放口的季節性變化，水溫，流量，潮汐變化等信

息，以及一種匯報和行動系統以保證水質惡化引起的問題能及時告知到健康權威機構并作出對應

處理。

?指示劑生物體的出現和這些生物體的行為，包括其與物理-化學原因及有關病原體關聯

的死亡速率（基于光強、鹽度、水溫、沉降速率和污染程度等）。

?病原體的展現

耗氧物質

耗氧物質分為溶解性和懸浮性物質,與氧進行生物或生物化學作用，消耗水中的溶解氧。這

些耗氧物質重要是某些不一樣類型的有機物，具有不一樣類的降解速率。生化需氧量（BOD）

是間接反應水中能為微生物分解的有機物總量的一種綜合指標。有機物在有氧條件下為微生物分

解產生H2。、C02和NH3。一般BOD以被檢查的水樣在原則條件下5天內的耗氧量為代表，

稱為BOD5O

營養物質

許多營養物質都是生物生長的必要元素。適量的營養物對于水中微生物的生長及活動是必需

的，然而，一旦營養物質過量就會引起富營養化，將引起一系列的問題，如水體污濁，河床底部

缺氧，生物沉積量的增長等。富營養化模塊可用來模擬這種狀況，由于該模塊考慮到藻類對其他

物質的直接影響。

在營養物質中氮和磷是最重要的，它們是水生植物生長的控制因子。氮以氨窺口硝酸鹽這兩

種無機氮的形式存在。許多國家對近海水域中的這些營養物質都設定了濃度原則。MIKE3水質

模型(WQ)就是設計用于評估和這些原則濃度有關的水責問題。MIKE3富營養化模塊(EU)更

為復雜，一般水責問題無需使用。

水質模塊狀態變量波及到的重要過程描述：

DO:reaera（大氣復氧）+phtsyn（光合作用）-respT（呼吸作用）一BodDecay（BOD降

解）-SOD（底泥需氧量）一OxygenConsumptionFromNitrification（硝化耗氧）

TEMP:Rad_in（太距輻射）-Rad_out（長波輻射）

AMMONIA:AmmoniaReleaseFromBOD（BOD降解釋放氨氮）-Nitrification（硝化）

-Plantuptake（植物攝取）-bacteriaUptake（細菌埸取）

NITRATE:Nitrification（石肖化）-Denitrification（反石肖化）

BOD:-BodDecay（BOD降解）-Sedimentation（沉降）+Resuspension（再懸浮）

OP:PPdecdy（顆粒型磷降解）-PPkmnation（顆粒型磷合成）十OPreledseFromBOD

（BOD降解釋放溶解型磷）-OPplantUptake（植物攝取溶解型磷）

PP:-PPdecay（顆粒型磷降解）+PPformation（顆粒型磷合成）-PPsedimentation（顆粒

型磷沉降）+PPresuspension（顆粒型磷再懸浮）

FaecalColi:-FaecalColiDecay（糞大腸桿菌降解）

TotColi:-TotalColiDecay（總大腸桿菌降解）

重要常數：

?降解系數

?溫度系數

?沉降和再懸浮速率

?沉來臨界速率

?產氧速率

?呼吸速率

?底泥需氧量

?耗氧速率（如硝化過程）

?N/P產率和被吸取速率

?反應級數

?硝化/反硝化速率

重要參數經驗值:

1.B0D一級降解速率:0.1-0.2/day

溫度系數1.07(1.02-1.09)

2.BOD降解過程釋放氨氮的經典產出率

原污水:0.065gNH4/gBOD(0.01-0.1)

生化處理后污水：03gNH4/gBOD(0.1-0.6)

3.硝化速率0.05/day(0.01-0.3)

溫度系數1.088

硝化需氧量:4.57gO2/gNH4

4.反硝化速率0.1川明(0.05-0.3)

溫度系數1.16

5.植4勿吸取N(光合彳乍用):植物0.066gNH4/gBOD

6.BOD降解過程中細菌吸取N:0.109gNH4/gBOD

7.BOD降解釋放無機磷的經典產出率

原污水：0.014gP/gBOD(0.003-0.03)

生化處理后污水：0.06gP/gBOD(0.01-0.09)

8.植物吸取P:0.0091gP/gBOD

9.顆粒態磷(PP)降解速率:0.1-0.2/day

MIKE3水質模型

MIKE3水質模型所需數據資料:

?基本模型參數：

地形網格（構造網格圖或非構造網格圖）

時間步長和模擬定間

輸出項類型和頻率

?地形和HD條件

?耦合的AD模型：擴散系數的率定

?初始值：各參數的濃度值

?邊界條件：各參數的濃度值

?污染源：坐標位置、水動力條件及各參數的濃度值

?各生物過程速率值：參照率定值、經驗值或監測值等。

在MIKE3模型中添加ECOLab模塊

第一步：弓I入水質模塊：

1.在MIKE3構造網格模型中引入ECOLab模塊：打開MIKE36FlowModel

(.m3)->BasicParameters->ModuleSelection->Environmentalmodules->ECOLab(圖

3.1),出現ECOLabParameters,在ModelDefinition里選擇合適的內置水質模塊或自定義

模塊，參見圖3.2。

圖3.1

圖3.2

2.在MIKE3m/勾造網格模型中引入ECOLab模塊：打開MIKE3今FlowModel

FM->ModuleSelection->ECOLab（參見圖3.3）,出現ECOLabModule,在Model

Definition里選擇合適的內置水質模塊或自定義模塊，參見圖3.4。

圖3.3

圖3.4

第二步：在ModelDefinition里選擇計算措施并設置水質模擬時間步長。

水質模擬時間步長一般先以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變量、邊界水質條件、擴散系數、

污染源濃度、ECOLab模塊各參數、作用力和輸出項進行設定。

4水質模型應用要點歸納

1.三維水質模型重要合用于水庫、湖泊、河口和海洋等的水質模擬。模擬成果重要取

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.若要減少初始值對模型計算成果的影響或繼續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運行2次,第一次是將初始值設為常數進行模擬

（一般采用起始模擬時間實測數據的平均值），第二次是將第一次運行后的如三維成果圖*.dfs3

或*.dfsu文獻作為初始值進行模擬，以減少成果對于初始值的依賴性和考慮不一樣研究區域內

污染物濃度的梯度變化。

3.WQ模塊重要用于：水體中人為原因導致的污染負荷（點源和面源污染）占主體的

狀況，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，富營養化

程度較大，則應當考慮用EU模型，考慮浮游生物的影響。

4.增人水質計算時間步長，可以縮短計算時間，但也會增長模型發散的也許性，因此

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.進行水質模擬前需進行對流擴散模擬，確定對流擴散系數以及檢查模型的發散性。

AD模塊可簡樸模擬鹽水入侵、溫度變化、污染物傳播和一級降解。完整的物理、化學和生物過

程在ECOLab模塊中實現，并與AD耦合使用進行計算。

6.降解系數的單位在MIKE3AD模塊中為/sec,在ECOLab中為/天。

7.對ECOLab中各常數進行率定期，一般采用同一參數值進行率定。若研究區域內組

分濃度梯度變化較大，則使用*.dfs3或*dfsu文獻對不一樣區域的參數值進行分別設定。

8.假如實測數據明顯有問題，通過對各生態過程中的參數調整仍然不能到達很好的率

定效果，則應當考慮根據實際狀況對污染源的流量和負荷進行重新評估，作出合適修改后輸入模

型。

EU-富營養化模塊（附加）

富營養化模塊（EU）用來描述水中溶解氧狀態，營養物循環，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。重要應用在內陸水體（如湖泊、水庫等）以及有關的

海洋水域，污染問題重要與營養物質負荷有關。

氮和磷一般是基本的營養物質，它們控制著水中浮游植物和大型藻類（如石斑）的生長，而

這些植物會引起富營養化問題。水生生態系統的富營養化狀態不僅取決于營養物質負荷，水溫、

光照、鹽度、水動力條件也相稱重要。溫度和光輻射是藻類進行光合作用的必要條件，前者決定

細胞內酶促反應的速率，后者是代謝的能源。多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。當光強增長時，浮游植物的生長率也增大，并呈線

性關系，直到光合速率達飽和。海水的溫度是赤潮發生的重要因子，20℃?30℃是赤潮發生的

最適溫度。鹽度的變化是增進生物大量繁殖的原因之一，鹽度變化在26?37%范圍內均有發生

赤潮的也許。海水鹽度在15?21.6%時輕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，易誘發赤潮。在水流緩慢的水體如湖泊、水庫、河口、港灣和內海等處易發

生富營養化，這是由于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，使海底層營養鹽上升到水上層導致沿海水域高度富營養化。

MIKE軟件預設了3個富營養化模板：

?EutrophicationModell.ecolab

?EutrophicationModel1SedimentBenthicVegetation.ecolab

?EutrophicationModel2,ecolab

富營養化模擬的數據搜集

需搜集的數據重要包括:

?浮游植物生產量，即可用(gO2/m2/d)也可用(gC/m7d)

?葉綠素-a濃度（g/m3）

?總氮和總磷（g/m3）

?無機氮和無機磷（g/mD

?溶解氧（g/m3）

?底棲植被生物量（gC/m2）（假如包括在建模中）

這些數據是必要的，此外有關數據有浮游動物生物量和腐質碳濃度。

這些數據必須覆蓋研究區域，采集位置必須靠近模型邊界位置.為得到可靠模擬成果，邊界

數據尤為重要。

模擬對象:

浮游植物、浮游動物、有機物（腐質）、有機W無機營養物N和P,DO,底棲植被生物量

狀態變量有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a

ZC-浮游動物

DC、DN、DP-腐質碳，腐質氮，腐質磷

IN、IP-無機氮，無機磷

DO-溶解氧

BC-底棲植物碳

ECOLab中的富營養化模型也屬于生態動力學模型，其描述了營養鹽的循環過程，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。（重要轉化過程如下圖所示）此外

還模擬水體中的氧環境。

1生產，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；6

死亡，浮游動物；7呼吸，浮游動物；8懸浮性腐質的礦化；9腐質沉積；10腐質礦化；11沉

積物中的累積；12生產，底棲植被；13死亡，底棲植被；14與上覆水體的互換。

以EU1為例，富營養化模塊狀態變量波及到的過程描述：

1)AlgalCarbon:PRPC-GRPC-DEPC-SEPC

PRPC-Productionphytoplanktoncarbon浮游植物生產的碳量

GRPC-Grazingofphytoplanktoncarbon浮游動物牧食消耗的浮游植物碳量

DEPC-Deathofphytoplanktoncarbon浮游植物死亡損失的碳量

SEPC-Settlingofphytoplanktoncarbon浮游植物沉積損失的碳量

2)AlgalNitrogen:UNPN-GRPN-DEPN-SEPN

UNPN-Uptakeofphytoplanktonnitrogen浮游植物吸取的氮量

GRPN-Grazingofphytoplanktonnitrogen浮游動物牧食消耗的浮游植物氮量

DEPN-Dedthofphytoplanktonnitrogen浮游植物死亡損失的氮量

SEPN-Settlingofphytoplanktonnitrogen浮游植物沉積損失的氮量

3)AlgalPhosphorous:UPPP-GRPP-DEPP-SEPP

UPPP-Uptakeofphytoplanktonphosphorous浮游植物吸取的磷量

GRPP-Grazingofphytoplanktonphosphorous浮游動物牧食消耗的浮游植物磷量

DEPP-Deathofphytoplanktonphosphorus浮游植物死亡損失的磷量

SEPP-SettlingofPhytoplanktonphosphorous浮游植物沉積損失的磷量

4)Chlorophyll-a:PRCH-DECH-SECH

PRCH-Productionphytoplanktonchlorophyll浮游植物光合作用生產的葉綠素

DECH-Dedthofphytoplanktonchlorophyll浮游植物死亡損失的葉綠素

SECH-Settlingofphytoplanktonchlorophyll浮游植物沉積過程損失的葉綠素

5)Zooplankton:PRZC-DEZC

PRZC-Productionofzooplanktoncarbon浮游動物生長過程中生產的碳量

DEZC-Deathofzooplanktoncarbon浮游動物死亡損耗的碳量

6)DetritusCarbon:DEPC2DC+DEBC2M3+EKZUREDC-SEDC+DEZC

DEPC2DC-Deathphytoplanktontodetrituscarbon浮游植物死亡后轉化為腐質的碳

DEBC2M3-Deathbenthicvegetationcarbon,perm3每立方米死亡的底棲植物中的

碳量

EKZC-Excretionbyzooplanktoncarbon浮游動物排泄的碳量

REDC-Respirationdetrituscarbon腐質呼吸作用中消耗的碳量

SEDC-Settlingofdetrituscarbon腐質沉積進入沉積物的碳量

DEZC-Deathofzooplanktoncarbon死亡浮游動物的碳量

7)DetritusNitrogen:DEPN2DN+EKZN-REDN-SEDN+DEZN+DEBN

DEPN2DN-Deathphytoplanktontodetritusnitrogen浮游植物死亡后轉化為腐質

的氮量

EKZN-Excretionbyzooplanktonnitrogen浮游動物排泄的氮量

REDN-Respirdtiondetritusnitrogen腐質呼吸作用中消耗的氮量

SEDN-Settlingofdetritusnitrogen腐質沂積進入沉積物的氮量

DEZN-Deathofzooplanktonnitrogen死亡浮游動物所含的氮量

DEBN-Deathbenthicvegetationnitrogen死亡底棲植物所含的氮量

8)DetritusPhosphorous:DEPP2DP+EKZP-REDP-SEDP+DEZP+DEBP

DEPP2DP-Deathphytoplanktontodetritusphosphorous浮游植物死亡后轉化為腐

質的磷量

EKZP-Excretionbyzooplanktonphosphorus浮游動物排泄的磷量

REDP-Respirationdetritusphosphorus腐質呼吸作用中消耗的磷量

SEDP-Settlingofdetritusphosphorus腐質沉積進入沉積物的磷量

DEZP-Deathofzooplanktonphosphorus死亡浮游動物所含的磷量

DEBP-Deathbenthicvegetationphosphorous死亡底棲植物所含的磷量

9)InorganicNitrogen:REDN+REZN+RESN-UNPN+DEPN2IN-UNBN+REBN

REDN-Respirationdetritusnitrogen腐質有機氮礦化作用釋放的無機氮量

REZN-Respirationofzooplanktonnitrogen浮游動物呼吸釋放的無機氮量

RESN-Respirationofsedimentnitrogen沉積物有機氮礦化作用釋放的無機氮量

UNPN-Uptakeofphytoplanktonnitrogen浮游植物吸取的無機氮量

DEPN2IN-Deathphytoplanktontoinorganicnitrogen死亡浮游植物在礦化作用下

釋放的無機氮量

UNBN-Uptakebenthicvegetationnitrogen底棲植物吸取的無機氮量

REBN-Respirationofbenthicvegetationnitrogen底棲植物呼吸作用釋放的無機氮

10)InorganicPhosphorous:REDP+REZP+RESP-UPPP+DEPP2IP-

UPBP+REBP

REDP-Respirationdetritusphosphorus腐質有機磷礦化作用釋放的無機磷量

REZP-Respirationofzooplanktonphosphorous浮游動物呼吸作用釋放的無機磷量

RESP-Respirationofsedimentphosphorous沉積物中的有機磷礦化作用釋放的無機

磷量

UPPP-Uptakeofphytoplanktonphosphorous浮游植物吸取的無機磷量

DEPP2IP-Deathphytoplanktontoinorganicphosphorous死亡浮游植物在礦化作

用下釋放的無機磷量

UPBP-Uptakebenthicvegetationphosphorous底棲植物吸取的無機磷量

REBP-Respirat