Mike21模型和RSM的人工湖水質保障調度研究

□陳 凱 □任金亮 □喬明葉（黃河勘測規劃設計有限公司）

Mike21模型和RSM的人工湖水質保障調度研究

□陳 凱 □任金亮 □喬明葉（黃河勘測規劃設計有限公司）

針對如何高效的實現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水質模擬軟件和曲面響應分析法（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面方程，并對該方程進行合理性分析，進而為實現最優化的人工湖水質保障調度提供一定的依據，并為類似問題的解決提供一條新的思路。

M i ke21模型；響應面分析法；人工湖；水質保障

0 引言

為了改善城市環境，提升城市人居品位，我國各地在城市規劃中紛紛將人工湖放在首選位置，如鄭州市鄭東新區規劃的龍湖、龍子湖和如意湖就是其點睛之筆。由于城市規劃人工湖多為新開挖形成，湖體短期內難以形成完善的水生態系統。因此，湖體水質的維護多采用外調優質水源換水的方式，快速降低污染物質在水體中的相對濃度，縮短污染物的停留時間。如何能夠高效地實現水體置換，是人工湖水質保障調度中備受關注的問題。

目前，國內在河流湖泊設計和調度模擬研究中應用較多的軟件為丹麥水力研究所（Danish Hydraulic Institute，簡稱DHI公司）開發的MIKE系列軟件[1]，美國環保署（USEPA）開發的WASP模型[2]和EFDC模型[3]等。在實際的研究中，有限的調度方案必須客觀地反映和概括各種可能性的方案，應具有一定的代表性，否則就失去了實用價值。

文章通過應用DHI公司的MIKE 21水動力水質模型，借鑒筆者參與設計的許昌市鹿鳴湖工程，模擬2個不同的進水通道在不同進水流量和進水周期條件下，分析人工湖完成水體置換的比例。

具體分析方法采用響應面分析法（Response surface methodology，RSM），該方法是Box等人于20世紀50年代提出的一種優化工藝條件的有效方案[4]，近年來被廣泛應用在環境研究領域中的污染物降解分析。其中的Box-Behnken設計是尋找多因素系統中優化條件最常用的一種響應面法[5]。通過響應面分析法可在最少的試驗次數內，將3個因素（2個進水通道的進水流量、換水周期）和響應值（水體置換率）擬合，進行評價并揭示其內在聯系，精確地表述因素和響應值之間的關系，進而為人工湖水質調度提供依據，并為類似工程調度提供一種可實施的分析手段。

1 基本情況

1.1 鹿鳴湖基本情況

鹿鳴湖位于許昌市學院河中下游段，水面占地約18.33 hm2，水體規模約38萬m3。2個進水口分別位于南北兩端，退水口位于中部。

1.2 MIKE21基本設定

利用鹿鳴湖設計湖底形態、高程和當地氣象資料建立模型，選擇3個因素（X1：1#進水口流量；X2：2#進水口流量；X3：換水時間），1#進水口流量范圍為0.05～0.23 m3/s；2#進水口流量范圍為0.05～0.50 m3/s，換水時間為5～10 d。Mike 21模型除X1、X2和X3等3個因素在不同試驗方案中變化外，其他設定均保持一致。

鹿鳴湖初始污染物濃度為40 mg/L，1#和2#進水口進水污染物濃度為20 mg/L。鹿鳴湖污染物目標濃度為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 結果與討論

2.1 水體置換率響應分析

利用Mike21軟件對DesignEspert軟件設計17組試驗方案進行模擬，具體的方案設計和模擬結果見表1。采用變量分析程序（ANVOA）對水體置換率進行響應面回歸，得到水體置換率的回歸模型：

表1 水體置換率響應分析方案及M i ke21模擬試驗結果表

通過對上述模型進行回歸分析，置換率響應面模型的F值（FValue）為1 219.54，遠＞1，說明因素間效果差異明顯。P值（p-value）＜0.05說明模型因素項具有顯著性，P值＞0.10則說明該因素項是非顯著性的。模型的失擬項用于表示模型與試驗擬合的程度，本模型中的失真檢驗數據為1.77×10-1＞0.05，表明該模型無失擬因素存在；模型的復相關系數R2為9.99×10-1，說明該模型的可靠性和適合度較高，可用于進一步分析。

結合響應面方程式，在本次研究中，3個因素對水體置換率影響程度依次為：2#進水口流量＞換水時間＞1#進水口流量。

2.2 響應面方程的驗證

為了驗證響應面方程的有效性，對實際調度過程提供一定的支撐依據，試驗改變了幾個參數，進行了3組驗證，將Mike 21的模擬值與響應面方程預測值進行了對比，具體情況見表2。

表2 水體置換率響應面方程的驗證表

響應面方程計算值與Mike 21軟件模擬結果的最大相對偏差≤3.74%，說明響應面方程與模擬試驗結果較吻合，證明該方程對鹿鳴湖水體置換分析和預測結果準確可靠。

2.3 響應面方程的應用

在人工湖實際調度過程中，常常需要平衡水資源量和換水周期，利用文章擬合的響應面方程，可以為優化換水配置提供一定的依據。如在保障水體置換率達到75%左右時，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方案。表3所列20組調度方案的預測都滿足置換率＞75%的要求，其中第8組方案，即在1#進水口流量為0.05 m3/s、2#進水口流量為0.48 m3/s，換水周期為7.78 d時，預測水體置換率達到76.48%，所需水資源量最少，為35.63萬m3。

表3 響應面方程所解方案示例表

3 結論

文章利用Mike 21軟件和RSM相結合，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面方程：

確定3個因素對水體置換率的影響程度大小依次為：2#進水口流量＞換水時間＞1#進水口流量。通過對響應面方程的驗證，該方程計算結果與Mike 21模型模擬結果接近，具有較高的可靠性，利用該響應面方程能夠為人工湖的日常換水調度提供依據，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在人工湖生態設計中的應用[J].水電能源科學,2008,26(5):124-127.

[2]徐仲翔,孫建富,章獻忠等.W A SP水質模型在蘭江流域水體納污能力計算中的應用[J].北方環境,2011,23(10):30-36.

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

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1673-8853（2016）10-0091-02

2016-06-02

（責任編輯：左英勇）

陳 凱（1983-），男，工程師，主要從事河湖水環境保護與規劃設計工作。