Mike21模型和RSM的人工湖水質(zhì)保障調(diào)度研究

□陳 凱 □任金亮 □喬明葉（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司）

Mike21模型和RSM的人工湖水質(zhì)保障調(diào)度研究

□陳 凱 □任金亮 □喬明葉（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司）

針對如何高效的實(shí)現(xiàn)城市人工湖水體置換的問題，文章以許昌市鹿鳴湖為例，利用M i ke21水質(zhì)模擬軟件和曲面響應(yīng)分析法（RSM），通過模擬分析不同的引水條件對鹿鳴湖水體置換率的影響，擬合出水體置換率響應(yīng)面方程，并對該方程進(jìn)行合理性分析，進(jìn)而為實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的人工湖水質(zhì)保障調(diào)度提供一定的依據(jù)，并為類似問題的解決提供一條新的思路。

M i ke21模型；響應(yīng)面分析法；人工湖；水質(zhì)保障

0 引言

為了改善城市環(huán)境，提升城市人居品位，我國各地在城市規(guī)劃中紛紛將人工湖放在首選位置，如鄭州市鄭東新區(qū)規(guī)劃的龍湖、龍子湖和如意湖就是其點(diǎn)睛之筆。由于城市規(guī)劃人工湖多為新開挖形成，湖體短期內(nèi)難以形成完善的水生態(tài)系統(tǒng)。因此，湖體水質(zhì)的維護(hù)多采用外調(diào)優(yōu)質(zhì)水源換水的方式，快速降低污染物質(zhì)在水體中的相對濃度，縮短污染物的停留時(shí)間。如何能夠高效地實(shí)現(xiàn)水體置換，是人工湖水質(zhì)保障調(diào)度中備受關(guān)注的問題。

目前，國內(nèi)在河流湖泊設(shè)計(jì)和調(diào)度模擬研究中應(yīng)用較多的軟件為丹麥水力研究所（Danish Hydraulic Institute，簡稱DHI公司）開發(fā)的MIKE系列軟件[1]，美國環(huán)保署（USEPA）開發(fā)的WASP模型[2]和EFDC模型[3]等。在實(shí)際的研究中，有限的調(diào)度方案必須客觀地反映和概括各種可能性的方案，應(yīng)具有一定的代表性，否則就失去了實(shí)用價(jià)值。

文章通過應(yīng)用DHI公司的MIKE 21水動力水質(zhì)模型，借鑒筆者參與設(shè)計(jì)的許昌市鹿鳴湖工程，模擬2個(gè)不同的進(jìn)水通道在不同進(jìn)水流量和進(jìn)水周期條件下，分析人工湖完成水體置換的比例。

具體分析方法采用響應(yīng)面分析法（Response surface methodology，RSM），該方法是Box等人于20世紀(jì)50年代提出的一種優(yōu)化工藝條件的有效方案[4]，近年來被廣泛應(yīng)用在環(huán)境研究領(lǐng)域中的污染物降解分析。其中的Box-Behnken設(shè)計(jì)是尋找多因素系統(tǒng)中優(yōu)化條件最常用的一種響應(yīng)面法[5]。通過響應(yīng)面分析法可在最少的試驗(yàn)次數(shù)內(nèi)，將3個(gè)因素（2個(gè)進(jìn)水通道的進(jìn)水流量、換水周期）和響應(yīng)值（水體置換率）擬合，進(jìn)行評價(jià)并揭示其內(nèi)在聯(lián)系，精確地表述因素和響應(yīng)值之間的關(guān)系，進(jìn)而為人工湖水質(zhì)調(diào)度提供依據(jù)，并為類似工程調(diào)度提供一種可實(shí)施的分析手段。

1 基本情況

1.1 鹿鳴湖基本情況

鹿鳴湖位于許昌市學(xué)院河中下游段，水面占地約18.33 hm2，水體規(guī)模約38萬m3。2個(gè)進(jìn)水口分別位于南北兩端，退水口位于中部。

1.2 MIKE21基本設(shè)定

利用鹿鳴湖設(shè)計(jì)湖底形態(tài)、高程和當(dāng)?shù)貧庀筚Y料建立模型，選擇3個(gè)因素（X1：1#進(jìn)水口流量；X2：2#進(jìn)水口流量；X3：換水時(shí)間），1#進(jìn)水口流量范圍為0.05～0.23 m3/s；2#進(jìn)水口流量范圍為0.05～0.50 m3/s，換水時(shí)間為5～10 d。Mike 21模型除X1、X2和X3等3個(gè)因素在不同試驗(yàn)方案中變化外，其他設(shè)定均保持一致。

鹿鳴湖初始污染物濃度為40 mg/L，1#和2#進(jìn)水口進(jìn)水污染物濃度為20 mg/L。鹿鳴湖污染物目標(biāo)濃度為25 mg/L。

水體置換率為污染物濃度由40 mg/L下降到25 mg/L的水面面積比。

2 結(jié)果與討論

2.1 水體置換率響應(yīng)分析

利用Mike21軟件對DesignEspert軟件設(shè)計(jì)17組試驗(yàn)方案進(jìn)行模擬，具體的方案設(shè)計(jì)和模擬結(jié)果見表1。采用變量分析程序（ANVOA）對水體置換率進(jìn)行響應(yīng)面回歸，得到水體置換率的回歸模型：

表1 水體置換率響應(yīng)分析方案及M i ke21模擬試驗(yàn)結(jié)果表

通過對上述模型進(jìn)行回歸分析，置換率響應(yīng)面模型的F值（FValue）為1 219.54，遠(yuǎn)＞1，說明因素間效果差異明顯。P值（p-value）＜0.05說明模型因素項(xiàng)具有顯著性，P值＞0.10則說明該因素項(xiàng)是非顯著性的。模型的失擬項(xiàng)用于表示模型與試驗(yàn)擬合的程度，本模型中的失真檢驗(yàn)數(shù)據(jù)為1.77×10-1＞0.05，表明該模型無失擬因素存在；模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)R2為9.99×10-1，說明該模型的可靠性和適合度較高，可用于進(jìn)一步分析。

結(jié)合響應(yīng)面方程式，在本次研究中，3個(gè)因素對水體置換率影響程度依次為：2#進(jìn)水口流量＞換水時(shí)間＞1#進(jìn)水口流量。

2.2 響應(yīng)面方程的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證響應(yīng)面方程的有效性，對實(shí)際調(diào)度過程提供一定的支撐依據(jù)，試驗(yàn)改變了幾個(gè)參數(shù)，進(jìn)行了3組驗(yàn)證，將Mike 21的模擬值與響應(yīng)面方程預(yù)測值進(jìn)行了對比，具體情況見表2。

表2 水體置換率響應(yīng)面方程的驗(yàn)證表

響應(yīng)面方程計(jì)算值與Mike 21軟件模擬結(jié)果的最大相對偏差≤3.74%，說明響應(yīng)面方程與模擬試驗(yàn)結(jié)果較吻合，證明該方程對鹿鳴湖水體置換分析和預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

2.3 響應(yīng)面方程的應(yīng)用

在人工湖實(shí)際調(diào)度過程中，常常需要平衡水資源量和換水周期，利用文章擬合的響應(yīng)面方程，可以為優(yōu)化換水配置提供一定的依據(jù)。如在保障水體置換率達(dá)到75%左右時(shí)，通過求解方程，提出不同的換水方案并確定水資源量最少的最優(yōu)方案。表3所列20組調(diào)度方案的預(yù)測都滿足置換率＞75%的要求，其中第8組方案，即在1#進(jìn)水口流量為0.05 m3/s、2#進(jìn)水口流量為0.48 m3/s，換水周期為7.78 d時(shí)，預(yù)測水體置換率達(dá)到76.48%，所需水資源量最少，為35.63萬m3。

表3 響應(yīng)面方程所解方案示例表

3 結(jié)論

文章利用Mike 21軟件和RSM相結(jié)合，模擬分析不同的換水方案，擬合成許昌市鹿鳴湖水體置換率響應(yīng)面方程：

確定3個(gè)因素對水體置換率的影響程度大小依次為：2#進(jìn)水口流量＞換水時(shí)間＞1#進(jìn)水口流量。通過對響應(yīng)面方程的驗(yàn)證，該方程計(jì)算結(jié)果與Mike 21模型模擬結(jié)果接近，具有較高的可靠性，利用該響應(yīng)面方程能夠?yàn)槿斯ず娜粘Q水調(diào)度提供依據(jù)，并且為類似工程問題提供一種新的解決思路。

[1]王哲，劉凌,宋蘭蘭.M i ke 21在人工湖生態(tài)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].水電能源科學(xué),2008,26(5):124-127.

[2]徐仲翔,孫建富,章獻(xiàn)忠等.W A SP水質(zhì)模型在蘭江流域水體納污能力計(jì)算中的應(yīng)用[J].北方環(huán)境,2011,23(10):30-36.

[3]李林子,錢瑜,張玉超.基于EFD C和W A SP模型的突發(fā)水污染事故影響的預(yù)測預(yù)警[J].長江流域資源與環(huán)境,2011,20(8): 1010-1016.

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1673-8853（2016）10-0091-02

2016-06-02

（責(zé)任編輯：左英勇）

陳 凱（1983-），男，工程師，主要從事河湖水環(huán)境保護(hù)與規(guī)劃設(shè)計(jì)工作。