一种基于MIKE21的湖泊水环境容量计算方法技术

本发明专利技术公开了一种基于MIKE21的湖泊水环境容量计算方法，该方法包括如下步骤：1)研究区域数据的采集；2)水动力学模型的搭建；3)水质模型的搭建；4)水动力水质模型的耦合；5)模型的参数率定；6)计算湖泊水环境容量。本发明专利技术的湖泊水环境容量的计算方法，通过MIKE21搭建湖泊水动力水质模型，在进行水质模拟时，除了可以分析常规水质成分以外，还能分析自定义目标物质在各类复杂水体中的变化过程，准确地模拟湖泊污染物浓度状况，进而可以准确计算在入湖来水不同流量大小时的湖泊水环境容量，提高了计算结果的精度，而且可以根据在不同来水条件下计算所得水环境容量对湖泊的污染物总量进行控制，有效的改善湖泊的水质状况。

A calculation method of lake water environmental capacity based on MIKE21

The invention discloses a method for calculating lake water environmental capacity based on MIKE21, which includes the following steps: 1) collecting regional data; 2) building hydrodynamic model; 3) building water quality model; 4) coupling of hydrodynamic water quality model; 5) calibration of model parameters; 6) calculating lake water environmental capacity. The method for calculating lake water environmental capacity of the invention builds lake hydrodynamic water quality model through MIKE21. In water quality simulation, besides analyzing conventional water quality components, it can also analyze the changing process of self-defined target substances in various complex water bodies, accurately simulate Lake pollutant concentration, and accurately calculate the different flow rates of incoming water into lakes. At the same time, the water environmental capacity of the lake can improve the accuracy of the calculation results, and the total amount of pollutants in the lake can be controlled according to the water environmental capacity calculated under different incoming water conditions, thus effectively improving the water quality of the lake.

【技术实现步骤摘要】
一种基于MIKE21的湖泊水环境容量计算方法
本专利技术涉及湖泊水环境的
，具体地指一种基于MIKE21的湖泊水环境容量计算方法。
技术介绍
水环境容量是水功能区水质目标管理的基本依据，是水资源保护规划的主要约束条件，是实施水污染物总量控制的依据，也是水环境管理的基础。水环境容量是水体在规定的环境目标下所能容纳污染物的最大负荷，可以看出水环境容量的定义强调了水环境容量的大小与水质目标、水体特征及污染物有关。随着社会经济的快速发展和人口的急速增长，以及人们对水资源的需求不断的增大，我国的水污染问题就变的日趋严重。现有的水环境容量的计算方法包括模型试错法、概率稀释模型法、未确知数学法、以及以线性规划法和随机规划法为主要内容的系统最优化法。曲衍华等在建立水质模型的基础上，采用单独计算稀释容量和自净容量而后加和的方法；周孝德等提出的基于一维稳态水环境容量计算模型的3种水环境容量计算方法:段首控制法、段尾控制法及功能区段尾控制法。上述水环境容量计算方法没有考虑湖流河的不同条件下水环境容量的差异，而且对整个研究区域的污染物浓度的模拟精度不高，导致计算精度较低。
技术实现思路
本专利技术的目的就是要解决上述
技术介绍
的不足，提供一种计算精度高的基于MIKE21的湖泊水环境容量计算方法。本专利技术的技术方案为：一种基于MIKE21的湖泊水环境容量计算方法，包括如下步骤：1)研究区域数据的采集：采集研究区域的地形高程数据、水文数据、气象数据、风场数据、水质数据；2)浅水湖泊群水动力学模型的搭建：通过输入步骤1)采集的地形高程数据在MIKE21的水动力学建模模式下，采取无结构自适应三角形网格方式得到研究区域的平面二维有限元网格计算模型，再应用MIKE21的MeshGenerator模块，采用线性方式插入到Z轴，生成包含实际地形数据和水深数据的三维有限元计算mesh格式文件，得到研究区域的计算网格，设置与所述计算网格匹配的各项参数、初始条件以及边界条件，搭建完成浅水湖泊群水动力学模型；3)浅水湖泊群水质模型的搭建：通过输入步骤1)采集的水文数据、气象数据、风场数据、水质数据，在MIKE21中的ECOLab模块选择系统内置的用来描述湖泊水体中污染物迁移、转化、扩散的数学物理方程的水质模型，设置与所述水质模型匹配的参数和初始条件，搭建完成浅水湖泊群水质模型；4)水动力水质模型的耦合：通过求解步骤2)所得的浅水湖泊群水动力学模型得到水体瞬时流速，并将瞬时流速在x、y方向上的均值提供给步骤3)所得的浅水湖泊群水质模型作为初始条件，得到耦合后的水动力水质模型；5)模型的参数率定：验证水动力水质水生态耦合模型模拟结果与实测数据的误差，再对模型内的参数进行率定，直到模拟结果满足精度要求；6)计算湖泊水环境容量：通过水动力水质模型进行模拟得到入湖河流和出湖河流控制断面污染物浓度值，采用水环境容量计算公式计算不同来水条件下相应水质目标下湖泊水环境容量。上述技术方案中，所述步骤1)中，所述地形高程数据包括采用三点定位法从GoogleEarth上提取所研究湖泊群所在区域地表地形高程数据，人工测量得到研究湖泊群所在区域湖底地形高程数据；水文数据具体包括研究区域的湖泊水深、湖泊的入流量和出流量；风场数据具体包括研究区域湖泊的多年平均风速、风向；气象数据具体包括研究区域湖泊的当地大气压强、温度、湿度；水质数据具体包括研究区域湖泊的BOD、DO、COD、NH3-N、TN、TP污染物的浓度值、盐度和源汇项。上述技术方案中，所述步骤2)中，设置与所述计算网格匹配的各项参数、初始条件以及边界条件，其中，各项参数包括模拟时间、时间步长、科氏力参数、涡粘系数；初始条件包括研究区域湖泊多年平均风速、风向、湖泊的初始水深、流速、温度、盐度和源汇项；边界条件包括自由表面边界、床底边界和干湿边界。上述技术方案中，所述步骤2)中，边界条件包括自由表面边界、床底边界和干湿边界；自由表面边界主要指湖泊表面自由风在x方向和y方向对湖泊水面剪应力的大小，分别表示为τsx、τsy，由下式计算得到：τsx＝f0ρk|W|Wx，τsy＝f0ρk|W|Wy式中：f0为风阻力系数，取研究区域实测值；ρk为空气密度(kg/m3)，取研究区域实测值；W为研究区域的风速(m/s)；Wx为研究区域的风速在x方向的分量(m/s)；Wy为研究区域的风速在y方向的分量(m/s)。所述床底边界主要指湖泊床底摩擦力，其在x、y方向的分量分别表示为τbx、τby，由下式计算得到：式中：Cf为湖底摩擦系数；u为x方向上的速度分量(m/s)；v为y方向上的速度分量(m/s)；ρ为水体密度，取为1.0*10^3kg/m3。所述干湿边界包括干水深、洪水淹没水深和湿水深，设置干湿边界需要满足湿水深>淹没水深>干水深，模型预设值为干水深0.005m，淹没水深0.05m，湿水深0.1m。上述技术方案中，所述步骤2)中，搭建的浅水湖泊群水动力学模型的方程为：式中：h＝η+d为总水深(m)，η为底高程(m)，d为静水深(m)；为x方向的平均水深流速(m/s)；为y方向的平均水深流速(m/s)；S为源汇项(g/m2·s)；f为科氏力参数(m-1)；g为重力加速度，取9.8m/s2；pa为当地大气压强(Pa)；ρ为水体密度，取为1.0*10^3kg/m3；ρ0为水的相对密度(kg/m3)；τsx为湖泊表面自由风在x方向对湖泊水面的剪应力；τsy为湖泊表面自由风在y方向对湖泊水面的剪应力；τbx为湖泊床底摩擦力在x方向的分量；τby为湖泊床底摩擦力在y方向的分量；sxx、sxy、syx、syy为辐射应力分量(m2/s2)；us为点源速度在x方向的分量；vs为点源速度在y方向的分量；Txx为与水流粘滞性有关的x方向的法向应力，Tyy为与水流粘滞性有关的y方向的法向应力，Txy为与水流粘滞性有关的x,y方向的切向应力，采用下式计算：式中：A为涡粘系数。上述技术方案中，所述步骤3)中，设置与所述水质模型匹配的各项参数和初始条件，其中参数包括紊动扩散系数，初始条件包括湖泊多年平均风速、风向、湖泊的初始水深、温度、盐度、源汇项和BOD、DO、COD、NH3-N、TN、TP污染物的浓度值以及湖泊水体的流速。上述技术方案中，所述步骤3)中，搭建的浅水湖泊群水质模型的方程如下：式中：c为所求的污染物的浓度(mg/L)；h为水深(m)；t为时间(h)；u为x方向上的速度分量(m/s)；v为y方向上的速度分量(m/s)；Ex为x方向的紊动扩散系数；Ey为y方向的紊动扩散系数；S为源汇项(g/m2·s)；F(C)为反应项。上述技术方案中，所述步骤6)中，水环境容量计算根据不同条件采用不同公式计算：(1)适用于均匀混合水体式中：m为出湖河流数量；n为入湖或排污口数量；Qj为第j条出湖河流的流量(m3/s)；Qi为第i条入湖河流或排污口的流量(m3/s)；Cs为污染物控制标准浓度(mg/L)；C0i为第i条河流的污染物平均浓度(mg/L)；k为污染物综合降解指数；V为区域环境体积(L)。(2)适用于非均匀混合水体式中：Cs为污染物控制标准浓度(mg/L)；C0为污染物环境本底值(mg/L)；k为污染物综合降解指数；Φ为扩散角，由排放口附近地形决本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于MIKE21的湖泊水环境容量计算方法，其特征在于，包括如下步骤：1)研究区域数据的采集：采集研究区域的地形高程数据、水文数据、气象数据、风场数据、水质数据；2)浅水湖泊群水动力学模型的搭建：通过输入步骤1)采集的地形高程数据在MIKE21的水动力学建模模式下，采取无结构自适应三角形网格方式得到研究区域的平面二维有限元网格计算模型，再应用MIKE21的Mesh Generator模块，采用线性方式插入到Z轴，生成包含实际地形数据和水深数据的三维有限元计算mesh格式文件，得到研究区域的计算网格，设置与所述计算网格匹配的各项参数、初始条件以及边界条件，搭建完成浅水湖泊群水动力学模型；3)浅水湖泊群水质模型的搭建：通过输入步骤1)采集的水文数据、气象数据、风场数据、水质数据，在MIKE21中的ECOLab模块选择系统内置的用来描述湖泊水体中污染物迁移、转化、扩散的数学物理方程的水质模型，设置与所述水质模型匹配的参数和初始条件，搭建完成浅水湖泊群水质模型；4)水动力水质模型的耦合：通过求解步骤2)所得的水动力学模型得到水体瞬时流速，并将瞬时流速在x、y方向上的均值提供给步骤3)所得的水质模型作为初始条件，得到耦合后的水动力水质模型；5)模型的参数率定：验证水动力水质水生态耦合模型模拟结果与实测数据的误差，再对模型内的参数进行率定，直到模拟结果满足精度要求；6)计算湖泊水环境容量：通过水动力水质模型进行模拟得到入湖河流和出湖河流控制断面污染物浓度值，采用上述水环境容量计算公式计算不同水文条件下相应水质目标下湖泊水环境容量。...

【技术特征摘要】
1.一种基于MIKE21的湖泊水环境容量计算方法，其特征在于，包括如下步骤：1)研究区域数据的采集：采集研究区域的地形高程数据、水文数据、气象数据、风场数据、水质数据；2)浅水湖泊群水动力学模型的搭建：通过输入步骤1)采集的地形高程数据在MIKE21的水动力学建模模式下，采取无结构自适应三角形网格方式得到研究区域的平面二维有限元网格计算模型，再应用MIKE21的MeshGenerator模块，采用线性方式插入到Z轴，生成包含实际地形数据和水深数据的三维有限元计算mesh格式文件，得到研究区域的计算网格，设置与所述计算网格匹配的各项参数、初始条件以及边界条件，搭建完成浅水湖泊群水动力学模型；3)浅水湖泊群水质模型的搭建：通过输入步骤1)采集的水文数据、气象数据、风场数据、水质数据，在MIKE21中的ECOLab模块选择系统内置的用来描述湖泊水体中污染物迁移、转化、扩散的数学物理方程的水质模型，设置与所述水质模型匹配的参数和初始条件，搭建完成浅水湖泊群水质模型；4)水动力水质模型的耦合：通过求解步骤2)所得的水动力学模型得到水体瞬时流速，并将瞬时流速在x、y方向上的均值提供给步骤3)所得的水质模型作为初始条件，得到耦合后的水动力水质模型；5)模型的参数率定：验证水动力水质水生态耦合模型模拟结果与实测数据的误差，再对模型内的参数进行率定，直到模拟结果满足精度要求；6)计算湖泊水环境容量：通过水动力水质模型进行模拟得到入湖河流和出湖河流控制断面污染物浓度值，采用上述水环境容量计算公式计算不同水文条件下相应水质目标下湖泊水环境容量。2.根据权利要求1所述的基于MIKE21的湖泊水环境容量计算方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述地形高程数据包括采用三点定位法从GoogleEarth上提取所研究湖泊群所在区域地表地形高程数据，人工测量得到研究湖泊群所在区域湖底地形高程数据；所述水文数据具体包括研究区域的湖泊水深、湖泊的入流量和出流量；所述风场数据具体包括研究区域湖泊的多年平均风速、风向；所述气象数据具体包括研究区域湖泊的当地大气压强、温度、湿度；所述水质数据具体包括研究区域湖泊的BOD、DO、COD、NH3-N、TN、TP污染物的浓度值、盐度和源汇项。3.根据权利要求1所述的基于MIKE21的湖泊水环境容量计算方法，其特征在于：所述步骤2)中，边界条件包括自由表面边界、床底边界和干湿边界，自由表面边界主要指湖泊表面自由风在x方向和y方向对湖泊水面剪应力的大小，分别表示为τsx、τsy，由下式计算得到：τsx＝f0ρk|W|Wx，τsy＝f0ρk|W|Wy式中：f0为风阻力系数，取研究区域实测值；ρk为空气密度(kg/m3)，取研究区域实测值；W为研究区域的风速(m/s)；Wx为研究区域的风速在x方向的分量(m/s)；Wy为研究...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹朝望，黎育红，熊卫红，孙媛媛，史岩，尹耀锋，
申请(专利权)人：湖北省水利水电规划勘测设计院，
类型：发明
国别省市：湖北,42