第3期(总第180期)
2020年3月
中国水直总及电气化
China Water Power & Electrification
No.3 (TOTAL No. 180)Mar., 2020DOI： 1 0.166 1 7/j.cnki. 11 -5543/TK. 2020.03.09基于MIKE-ECOlab模型的英那河水库
水质时空变化预测研究窦笑宇(辽宁西北供水有限责任公司，辽宁铁岭112002)【摘 要】 城镇供水水源地水库的水质变化预测研究，对保证供水安全具有重要意义。文章以辽宁省英那河水 库为例，利用MIKE-ECOlt模型模拟预测了丰水年、平水年和枯水年等不同工况下COD和氨氮两种主要污染物
的时空变化规律。研究结论对英那河水库污染物运移规律研究、提高水环境保护水平具有重要的借鉴价值。【关键词】MIKE-ECOlab模型；英那河；水质模拟中图分类号：TV697 文献标识码：B 文章编号：1673-241 (2020) 03-037-04Study on Prediction of Water Quality Temporal and Spatial Variation in
Yingna River Reservoir based on MIKE-ECOlab ModelDOU Xiaoyu(Liaoning Northwest Water Supply Co., Ltd. $ Tieling 112002, China)Abstract: The prediction studies of water quality changes in reservoim of urban water suppty sources is of great sianificanco
ta ensure the safety of water supply. Yingna River Reseooi in Liaoning Provincc is adopted as an exampie in the papee The MIKE-ECOlab modd is utilized ta sirnulate and predict the temporai and spatiai veriation law of COD and ammonio
nitrooen undee dOerent working conditions, such as high flow yeaoc, low water years and diy yeeoc, etc. The conclusion of
the study has impoeant referenco value for the study of pollutant transpoe law and the irnpovement of water environmentai p otectoon aeeeaon YongnaRoee0Reseeoo.Key words： MIKE-ECOlab modei； Yingna Rivcs； watea quality sirnulation1水库简介英那河水库位于辽宁大连庄河市境内的英那河干 流上，大坝距离下游入海口约41km,水库的控制流
扩建工程，以实施向大连的跨流域调水2。工程完工 后可以与转角楼水库联合调度，将城市供水能力提升
至2亿m3。水库扩建后的大坝为浆砌石混凝土重力 坝，最大坝高59m，防洪水位为78.10m，对应
域面积为692km2,老水库建成于1974年⑴。由于英 那河流域属于辽东半岛水资源相对丰富的地区，而大
库容2.08亿m3 ；设计洪水位为80.54m，对应库容 2.68亿m3，校核洪水位为81.20m，对应库容2.87 亿m3⑶。由于英那河水库为大连市的重要水源地水
连市的金州以南地区水资源十分短缺，为了缓解大连 市的水资源供需矛盾，2001年开始进行英那河水库
库，因此，其水质预测研究具有重要的意义。37科学研究及工程设计Scientific Research & Engineering Design2 MIKE-ECOlab模型的构建2.1英那河水库地形网格划分英那河水库属于典型的河道型水库，研究中基于 水库的CAD地形资料和实测数据，通过河段连接、
支流简化删除与连接、河道长度数据修正等一系列的
处理操作，最终获得英那河水库概化河网文件。本次研究中，英那河水库的英那河主库区河段长 度为16658m,小峪河支库段长度为3054m。模型采
用非结构化网格⑷，网格的最大控制面积为500m2,
一共划分为10217个网格、6974个计算节点。网格生 成后，将库底高程散点导入网格文件并进行高程内
插，最终获得水库的河底高程图⑸。由于Mike11属 于一维水动力模型，断面文件对研究结果具有至关重
要的作用，因此，在主库区设置15个断面，在小峪 河支库段设置4个断面。2.2模型的边界条件鉴于水库水质的影响因素，MIKE-COlb模型的
边界条件划分为内部和外部边界条件⑹。其中，外部 边界条件是流入或流出模型的部位，也就是模拟河段
的起始点和流出点；内部边界条件为研究区的取水
点、工厂排污口等各种流入或流出模型的各种汇源 点。在本次研究中，将英那河水库典型平水年的径流
量作为模型的入流条件，模型的下游边界采用实测水 位数据⑺。由于水库是由干流主库和较大一级支流小 峪河支库两个主要汇流库区组成的，因此，将水库大
坝坝址断面的多年平均径流量按照比例进行再分配，
然后将流量和水位数据制成时间序列文件，并将其作 为模型的边界条件。由于英那河水库为大连市的重要水源地水库，周 边环境保护良好，没有大型工厂等污染源，因此，仅
考虑引水工程这一内部汇源项，取水量按照多年均值
计算。模型水质边界条件的设定与水动力边界条件类 似，提取上游断面表层水质数据，简化为月均值后作
为水质边界条件。模型的初始模拟条件要保持与实际
38河网的水动力条件基本一致，研究中设定一个接近于 0的值，河床糙率基于前人的经验和反复试算确定为 0.06。2.3模型的验证模型的模拟计算时间确定：研究中对计算精度和 运行时间进行综合考虑，设置时间步长为120s，每天 存储一个结果，计算的起始时间为5月1日，结束时
间为7月31日。研究中提取上游断面的长序列流量 数据作为模型的边界条件， 初始条件设定为水库的正 常蓄水位131.5m。将5月份实测的水质数据作为模
型的初始浓度场文件，经过模型的运行和试算，在稳 定后停止运算。将得到的水质结果场文件分别重新赋 值，获得自定义初始浓度场文件。目前坝前有水温、
DO、氨氮、硝氮、COD等实测资料。由于水体中的 有机物降解过程和水温以及溶解氧的关系比较密切，
而氨氮和硝铵的转化过程与水温、溶解氧以及水体中 的有机物含量有关⑻，因此，应用率定好的模型参数
运行模型，并提取模拟结果。结果显示模拟值和实测
值之间具有较好的拟合度，整体趋势基本一致。2.4模拟工况本次研究选择英那河水库与转角楼水库联合运行
后的丰水年、平水年和枯水年三种典型水文年运行工
况。由于模型构建使用的是典型平水年的运行工况， 因此将上文获得的一维模型模拟结果与丰水年和枯水
年的模拟结果进行对比分析。英那河水库在不同典型 水文年的径流量（见图1 ）、水质边界条件和水质参
数，沿用平水年的相关资料。图1英那河水库典型水文年径流量W30o◎
系匸25o凹
20o 15O
1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月
时间
图2英那河水库典型水文年运行水位3计算结果与分析3.1 COD时空变化规律分析由于各种运行工况下没有典型的平水期， 研究中
以 8 月和 3 月作为水库的丰水期和枯水期， 提取上述 两月的计算结果，整理获得不同工况下的COD纵向 分布图（见图3和图4）%由图可知，在丰水年、平
水年和枯水年三种不同工况下，COD均呈现出从库
尾到大坝坝前沿程不断下降的态势。从下降的速度来 看，枯水年最快、平水年次之、丰水年最慢。在枯水 期的3月份，三种不同水文年工况下的COD下降趋
势呈现出类似的特征，主要是水库COD的下降速率 较慢，COD的值稍高于风水期。同时，由于丰水年
的水库来水量较大，因此会携带更多的污染物进入库
区，因此COD的值明显偏高；由于不同工况在丰水 期的流量差距较大，而枯水期的差别较小，因此枯水 期的COD含量比较接近。由此可见，COD的含量受
来水的影响比较明显。(弍旦
、GOU
0 2000
4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000里剳m图3丰水期COD沿程分布曲线科学研究及工程设计Scientific Research & Engineering Desiyn(1/岂)、
GOU
0 2000 4000 6000
8000 10000 12000 14000 16000里秒m图4枯水期COD沿程分布曲线为了研究COD含量随时间变化的规律，研究中 选择英那河水库主库区中游8km处和下游16km处两 个特征点位,对两个点位的COD值浓度进行模拟计
算（见图5和图6）%由图可知，COD值呈现出丰水 期浓度升高而枯水期浓度降低的变化特征，其中，中
游部位的最低值位于12月至1月,下游部位的最低 值位于2一3月。同时,在水库的丰水期，不同工况1211T-丰水年
10亠平水年T-枯水斥9_______________I_____________________I______________7月8月9月10月11月12月1月2月3月4月5月6月7月8月9月
时间图5中游特征点位COD随时间变化曲线(1/1 皆)O
、
GOU
7657月8月9月10月11月12月1月2月3月4月5月6月7月8月9月
时间图6下游特征点位COD随时间变化曲线39科学研究及工程设计Scientific Reseerch & Engineering Desivn的COD值差别较大，而枯水期的差别不是很明显。 由此可见，水库的COD值和来水浓度与流量之间存 在密切关系。3.2氨氮时空变化规律分析氮营养盐是水库水体污染物的重要代表，其在水
体中的转换比较复杂，会受到温度、溶解氧以及pH 值等多种因素的影响，结合英那河水库氮营养盐的特
征， 研究中以氨氮作为代表进行氮营养盐的时空变化
规律分析。同COD的模拟计算类似，研究中以8月
和3月作为水库的丰水期和枯水期，提取上述两月的 计算结果， 整理获得不同工况下的氨氮纵向分布图 （见图7和图8）%由图可知，在丰水年、平水年和枯
水年三种不同工况下，氨氮均呈现出从库尾到大坝坝 前沿程先缓慢上升再逐渐下降的态势。从变化速度来 看，枯水年变幅最小、平水年次之、丰水年变幅最
大；在枯水期的3月份，三种不同水文年工况下的 COD含量比较接近，因此氨氮量也比较接近，在水5(T
皆)逼
W
4
2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000
里程/m图7丰水期氨氮沿程分布曲线(060--丰水年T岂055)逼
M
050045040035030025020
0
2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000里程/m图％枯水期氨氮沿程分布曲线43库的上游枯水期的COD值较高，因此，其分解产生 的氨氮值也相对较高，加上枯水期水体中的生物活性
较弱，对氨氮的吸收量较小，氨氮含量的峰值也比丰 水期稍高。同样， 为了进一步研究氨氮含量随时间变化的规 律，研究中对主库区中游8km处和下游16km处两个 特征点位的氨氮值浓度进行模拟计算（见图9和图
10）%由图可知，氨氮值随时间的变化与COD随时间
变化之间存在显著的负相关关系，呈现出丰水期浓度 下降而枯水期浓度升高的变化特征。整体来看，丰水 年的氨氮含量高于平水年和枯水年。(03弍 5- 旦0逼
-3OW
0-2
50.200.15—丰水年 亠平水年 0.10T-枯水卒7月8月9月10月11月12月1月2月3月4月5月6月7月8月9月
时间图10下游特征点位氨氮随时间变化曲线4结论本次研究利用MIKE-ECOlab模型模拟预测了英 那河水库在丰水年、平水年和枯水年等不同工况下 COD和氨氮两种主要污染物的时空变化规律，并获
得如下主要结论：水库的COD值呈现出从库尾到大 坝坝前沿程先缓慢上升再逐渐下降的（下转第44页）科学研究及工程设计Scientific Reseerch & Engineering Desivn坝右岸坝肩上游靠近河岸的部位；大坝在z方向上的 最大位移值为22. 34mm,出现在大坝右岸混凝土坝与
究，结论可以为大坝的稳定性评价提供必要的理论支 持。当然，本次研究利用有限元软件进行渗流分析过
基岩接触的部位。从大坝的应力来看，大坝的第一主 应力最大值为331. 18MPa,出现在混凝土坝右岸的表 面部位；第三主应力的最大值为1787. 42MPa,出现 在坝基的基岩部位。程中，仅针对稳定饱和渗流情况展开分析，今后需要 对更接近实际工况的非稳定、非饱和渗流展开进一步
的深入研究%!参考文献表2 应力和位移计算成果计算工况工况1工况2［1 ］金宏博•胜利水电站地下厂房围岩安全系数及预警研究［J］•
中国水能及电气化，2019(8) ：17-20.X向位移/mm8. 177. -2］李树森•胜利水电站雾化雨条件下右岸边坡稳定性分析-J］ •
东北水利水电，2019，37(7) ：68-70.Y向位移/mm98.9822.04377.591933.1288. 87Z向位移/mm第一主应力/MPa第三主应力/MPa22. 34331.18-3 ］安娜•胜利水电站进水塔抗震稳定性校核评价-J］ •水利技术监督，2017，25 (1 )：52-54,133•1787. 42-4 ］王凯，邹斌，杨丽虹，等•幸福水库大坝渗流安全分析及评价-J］ •人民珠江，2019，40(10) ：110-115•4结语大坝是水库电站工程的重要工程, 也是整个工程 体系的重要组成部分，而渗流稳定是影响大坝安全稳
-5 ］刘永强，叶伟，王凯•填筑密实度对某均质土坝渗流及稳定性
的影响分析［J］.水电能源科学，2019，37(9) ：67-70•-6］刘东升•基于ANSYS的石桥水电站重力坝抗震性能分析-J］ •
东北水利水电，2019，37(6) ：59-62，72.定运行的重要影响因素。鉴于大坝坝肩与山体的连接 处等结合部位是最容易出现渗流的薄弱位置，而库水 位的升降变化会造成水压变化以及大坝受力的变动,
-7］马飞，宿辉，马超豪，等•基于ANSYS的高地温支护结构温度
应力研究［J］.人民黄河，2018，40(2) ：113-116•-8］赵国杰，金津丽•基于ANSYS的严寒地区拱坝稳定及应力分本次研究利用数值模拟方法对库水位升降的非稳定工 况下的大坝右岸坝肩与山体结合部的渗流场进行研析［J］.水电与抽水蓄能，2017，3 (2)：103-107•(上接第40页)态势，并且和来水浓度与流量之间存
在密切关系，主要表现为丰水期高、枯水期低的特
-3 ］高清震，王俊海•英那河水库的动态方案-J］ •东北水利水
电，2012，30(6) ：47-48.征；水库的氨氮与COD类似，呈现出从库尾到大坝
-4］赵令剑•基于MIKE11AD与ECOLab耦合模型的输水隧洞水质
模拟研究［J］.水利规划与设计，2019(7) ：61-63，134.坝前沿程先缓慢上升再逐渐下降的态势， 随时间的变
-5］李娜，娄安刚,张学庆，等•基于MIKE3的渤海三维温盐数值模
化与COD随时间变化之间存在显著的负相关关系， 呈现出丰水期浓度下降而枯水期浓度升高的变化特
拟［J］ •海洋湖沼通报，2019(2) ：19-6］张晓雷，吴新宇,王恩.MIKE3在小浪底坝区水沙运动模拟中
的应用［J］.华北水利水电大学学报(自然科学版)，2018，39
征% !参考文献-1 ］李文生，徐博•需水量变化的供水库群联合调度研究-J］ •东北
水利水电，2017，35 (5) ：59-62.(3) ：73E8.-7］黄少彬，李开明,姜国强，等•基于MIKE3模型的珠江口水体交
换研究［J］.环境科学与管理,2013 ,38(8) ： 134-140.-8 ］黄亚新,张小倩，杨燕，等•水华初期蓝藻颗粒有机物在不同菌
群作用下分解释放营养盐的过程研究-J］ •生态科学,2017,36
-2 ］李智慧，张茹，王金伟•碧流河水库与英那河水库联合优化调
度研究［J］.水利建设与管理，2012，32(S1 )：83-86.(5) ：55-63.44
