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基于Mike21模型的湖泊截污控源研究★曾秀云1，陈钰林2（1.福州工商学院，福建福州350715；2.福州市城市排水有限公司，福建福州350001）摘要：本项目以福州西湖沉淀区水体治理为目标，从水体水动力和水质模型建模入手，根据西湖-左海地形图，将西湖湖区概化为14361个网格节点，对于截污控源工程措施，考虑到污染物在沉淀区的停留时间较短，水质模型采用AD 模型。
由于截污措施均在研究区域外，整体表现为对屏西河入流水质的影响，因此对截污前后入流水质的变化进行评估模拟。
通过模拟发现，采取截污措施后，对于减少COD、NH 3N 污染物贡献较为明显，对于减少SS 污染物有一定成效。
关键词：推流器选型水动力模拟中图分类号：X524文献标识码：A文章编号：1004-7050（2022）07-0154-03引言近年来，随着福州市生态文明建设的不断提升，人居环境不断改善，福州西湖作为福州市的重要旅游文化景点，也是福州市重要的城市名片。
本项目位于西湖入口处，面积近10000m 2，整治任务主要包括截污口整治、应急清淤、补水以及水动力改善等工程，作为此次整治工程的截污工程已先行实施，因此评估该工程措施对改善西湖水质，特别是西湖沉淀区水质的成效，为将来类似工程方案的选择和制定提供较为准确的定量分析，是科学决策的重要依据。
1工程概况本项目以福州西湖沉淀区水体治理为目标，从水体水动力和水质模型建模入手，通过对控源截污方案的模拟评估，用以实际工程加以验证，以达到恢复西湖沉淀区水质的目标。
近年来国内外研究人员对河湖水质数学模型开展了大量的研究工作[1]，开发了一系列公用和专用的水质模型，并通过实测数据对模型进行了验证。
目前主要的河湖水质模型有Mike 系列、QUAL2E、WASP、EFDC、DELFT3D 等。
对于不同地域的湖泊流域，水利条件和水质条件均不相同，需根据项目的具体情况选择构建模型。
国内卿晓霞等[2]为评估河流治污措施对西湖水质改善的效果，用MIKE21模型对伏牛溪西湖主要污染物氨氮和COD Mn 进行了数值模拟。
Journal of Water Resources Research 水资源研究, 2014, 3, 247-256Published Online June 2014 in Hans. /journal/jwrr/10.12677/jwrr.2014.33031The Research and Application Progress ofEnvironmental Fluid Dynamics CodeHainan Ai, Wenshi Zhang, Xuebin Hu, Qiang He, Yuanyuan LiuKey Laboratory of the Three Gorges Reservoir Region’s Eco-Environment, Ministry of Education,Chongqing University, ChongqingEmail: aihainan@Received: Apr. 2nd, 2014; revised: Apr. 9th, 2014; accepted: Apr. 15th, 2014Copyright © 2014 by authors and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY)./licenses/by/4.0/AbstractWith improvement of people’s understanding of environmental problems and the rapid develop-ment of computer science, simulation of environmental processes has become a research focus in the field of environmental science and geochemistry. Environmental Fluid Dynamics Code is de-veloped according to multiple mathematical models by Virginia Institution of Marine Science.Based on more than 200 papers from journal at home and abroad from 2003 to 2013, this paper presents the application and study of hydrodynamic model, water quality model and sediment model about estuaries, rivers, lakes and reservoirs, and meanwhile analyzes the development di-rection of EFDC.KeywordsEFDC, Hydrodynamic Model, Water Quality Model, Sediment Model环境流体动力学代码EFDC模型的研究及应用进展艾海男，张文时，胡学斌，何强，刘媛媛重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆Email: aihainan@作者简介：艾海男(1982-)，男，副教授，主要从事活性污泥数学模型、排水管道污水处理研究。
第 5 期2023年 10 月NO.5Oct .2023水利信息化Water Resources Informatization0 引言由于近年来全球性的气候异常和东部地区城镇化快速发展，洪水、暴雨、强潮和下垫面剧烈变化的综合影响加剧了平原河网水文条件的复杂多变。
水情是嘉兴市最重要的市情之一[1]，河湖水系承载了嘉兴市防洪、除涝、供水、航运、水生态、水文化、滨水产业等多重功能，是嘉兴长三角一体化高质量发展的重要支撑，独特的平原河网水系也决定了水灾害防御等问题的复杂性、艰巨性和长期性。
水旱灾害频发、水资源短缺、水环境污染和水生态损害等，已成为困扰城市安全、环境治理和区域可持续发展的重要问题。
传统的二维 GIS 只能笼统、粗略、宏观地进行数据分析，在场景表达上单一且抽象，无法满足水利精细化管理的要求[2]。
水系统演化具有很强的不确定性，在科学本质上更具有综合性、协作性和跨学科性，需要使用新工具进行处理分析和洞察理解[3]。
数字孪生的核心是构建仿真模型以实现信息空间和物理空间的无缝集成与实时映射[4]，从而对物理空间对象进行全生命周期的管控，降低复杂系统预测不确定性，规避应急事件带来的风险。
数字孪生水网是实景三维、GIS 、大数据、物联网、云计算、智能传感等新兴技术的融合应用，实景三维 GIS 能够高逼真、高精度还原现实场景，为智慧水利治理提供可视化、直观化、立体化的环境与空间信息，因此用实景三维 GIS 打造智慧水网，具备场景还原更真实、智慧化数字模拟更准确、辅助 AI 风险预警更智能等多种优势，以实时同步、虚实映射、高保真度等特性，为拓展水利科学研究提供了一种新的工具[5]。
《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035 年远景目标纲要》提出“构建智慧水利体系，以流域为单元提升水情测报和智能调度能力”[6]。
为使江河湖泊更好地造福人民，必须跟上数字时代的步伐，充分利用数字化、网络化、智能化，赋能水利[7]。
水生态与环境24江苏水利JIANGSUWATERRESOURCES2020年10月Oct.2020江苏省通南地区河网水量水质数值模拟研究方浩川1，许仁义1,钱睿智2，汪凌翔1(1.扬州大学水利科学与工程学院，江苏扬州225009；2.江苏水文水资源勘测局扬州分局，江苏扬州225000)摘要：通过已有的水文和水质数据建立了邵伯湖供水区扬州通南地区河网的一维水动力和水质模型，率定了水量和水质参数，为能够定量分析在不同水资源调度情况下扬州内部河网水动力条件的改善情况和水质条件的改善打下了基础,为今后邵伯湖供水区排涝防洪作可靠依据，为扬州市水生态文明建设提供技术支撑。
关键词：河网；水动力；水质中图分类号:X824文献标识码：B文章编号：1007-7839(2020)10-0024-06Numerical simulation strdy on water quantity and quality of river networkin Tongnan area of Jiangse ProvinccFang Haochuan1，XU RenyO，Qian Zhihui2，Wang Lingxiang1(1.Cofegs of Hydraulie Science and Engineering，Yangzhow University，Yangzhow225009，China；2.Yangzhow Hydrology and Water Resources Suos Bureau of Jiangsu Province，Yangzhow225000，China) Abstract:Based on the existing hydelogy and wateo quality data，a one—dniiensional hydrodynamtc and wateo quality model of the riveo network in the Tongnan ard of Yangzhou in the Shaobo Lake wateo supply ard was estab-oohed，and thewateeeooumeand wateequaootypaeameteeGweeecaoobeated，oayongthetoundatoon toetheompeoee-mentothydeodynamocand wateequaootycondotoonGon theonteenaoeoeeenetwoek otYangehou undeedo t eeentwatee eeGoueceGdopatch condotoonG，whoch couod peoeodeaeeooaboebaGotoetoood conteooand deaonagepeeeentoon otSha-oboLakewateeGuppoyaeeaon thetutuee，and peoeodeabaGotechnocaoGuppoettoetheconGteuctoon otueban watee ecooogocaocoeoooeatoon otYangehou Coty.Key wo5dt：eoeeenetwoek；wateepowee；wateequaooty1概述江苏省扬州市通南地区位于长江下游沿江地区，地势平缓,属于亚热带季风气候，四季分明，雨水充沛，年平均降水量为1031mm，但水文条件十分复杂，地表径流在空间和时间上分配很不均衡，具体表现为南部径流多于北部，丰水期降水值在年降水量中占了很大比重，而且由于许多河流河床都比较窄，城区实际往外（长江及周边河流）排水口较少,水流常常被堵在城区，排水效果不是很完善，导致在汛期常常可能发生洪涝灾害。
EFDC模型背景1.EFDC模型EFDC（Environmental Fluid Dynamics Code）是基于微软操作系统开发的三维（3D）环境流体生态动力学模型（EFDC）的前处理和后处理系统模型。
EFDC模型最初由美国弗吉尼亚大学海洋科学研究所（VIMS，Virginia Institute of Marine Science at the College of Williamand Mary）的John Hamrick（Hamrick，1992-1996）教授用Fortran77语言开发设计，后改用Fortran95进行再次开发，稳定性和计算效率等均有大幅度提高。
目前EFDC由美国环境保护署（EPA）进资助，经过近20年的发展和完善，已经成为美国国家环保署最为推崇的模型之一，被广泛应用于各个大学、政府和环境咨询机构。
目前，是美国最大日负荷总量（TMDL）等环境保护计划中主要使用的水质模型，并且该模型到目前为止被誉为21世纪最有发展前途的环境流体动力学模型，1.2EFDC模型的版本和主要模块EFDC模型有多个不同的版本，它们分别代表了计算机不同的操作菜单和功能。
其最初版本和美国环保部版本是完全开源的，另外有些版本是经过商业开发，虽然核心部分仍是开源的，但是前后处理模块是完全商业化的，无论哪种版本，EFDC模型系统包括水动力、泥沙、有毒物质、水质。
底质、风浪等模块，模拟计算过程中首先完成流场计算，获得三维流速场的时空分布特征，在此基础上计算泥沙迁移、冲淤作用，进而模拟受粘性泥沙吸附影响的各水质变量动态变化过程。
EFDC模型主要包括水动力、标量输运、水质、泥沙模块和有毒模块五个部分。
结构关系图如下：水动力模块是EFDC模型的基础；水质模块主要负责处理各种水质变量的源和汇；泥沙模块将泥沙分为粘性和非粘性两大类，用户可以根据需求进行相关设置；有毒物质模块和泥沙模块类似，计算各种有毒物质的源和汇；波浪模块基于能量平衡方程构建，并留有程序接口，用户可以将SWAN等外部模型的计算结果导入。
水环境容量计算模型1)河流水环境容量模型水环境容量是在水资源利用水域内，在给定的水质目标、设计流量和水质条件的情况下,水体所能容纳污染物的最大数量。
按照污染物降解机理，水环境容量W 可划分为稀释容量W 稀释和自净容量W 自净两部分，即：W W W =+稀释自净稀释容量是指在给定水域的来水污染物浓度低于出水水质目标时，依靠稀释作用达到水质目标所能承纳的污染物量。
自净容量是指由于沉降、生化、吸附等物理、化学和生物作用，给定水域达到水质目标所能自净的污染物量。
河段污染物混合概化图如图11。
4—1。
根据水环境容量定义，可以给出该河段水环境容量的计算公式：图11.4—1 完全混合型河段概化图0()i si i i W Q C C =-稀释i i si i W K V C =⋅⋅自净即：0()i i si i i i si W Q C C K V C =-+⋅⋅考虑量纲时,上式整理成:086.4()0.001i i si i i i si W Q C C K V C =-+⋅⋅其中：当上方河段水质目标要求低于本河段时：0i si C C =当上方河段水质目标要求高于或等于本河段时：00i i C C =式中：i W -第i 河段水环境容量（kg/d ）；i Q -第i 河段设计流量（m 3/s ）；i V —第i 河段设计水体体积(m 3）；i K —第i 河段污染物降解系数（d -1）；si C —第i 河段所在水功能区水质目标值（mg/L ）；0i C —第i 河段上方河段所在水功能区水质背景值(mg/L ），取上游来水浓度。
若所研究水功能区被划分为n 个河段,则该水功能区的水环境容量是n 个河段水环境容量的叠加，即:1ni i W W ==∑01131.536()0.000365n ni si i i i i i i W Q C C K V C ===-+⋅⋅∑∑式中：W —水功能区水环境容量（t/a);其他符合意义和量纲同上.2）湖泊、水库水环境容量计算模型有机物COD 、氨氮的水环境容量模型：在目前国内外的研究中，多采用完全均匀混合箱体水质模型来预测水库水体长期的动态变化,即将水库视为一个完全混合反应器时，有机物的容量计算模型可以用水体质量平衡基本方程计算。
