翠湖水环境数值模拟
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> 编者注： 为标准化此类项目工作流程，特编制此文，详细记录了从项目洽谈、需求分析到工作技术细节、问题处理及相关工具等介绍，全过程进行了留痕记录，以便后来者参考以及适应协作化高质量完成项目。采用就近最顶端编写，第一次阅读请点击右侧导航Go to Bottom，从页面底端往上看。
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## 研究报告
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## 模型计算与分析
### 方案计算
#### 优选方案
>[time=Thu, Jun 2, 2022 10:23 PM]
##### 结果预处理
同下
##### 结果分析
> 水位场
> 流速场
> 流线
> 流速梯度及水域面积
> 水体更新时间
##### 结论建议
##### 模型计算
- 数据库节点：解耦计算水体更新时间 >[time=Fri, Jun 3, 2022 12:14 AM]
- 数据库节点：考虑涵洞、堰，无风影响，水动力解耦
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#### 现状方案
>[time=Thu, Jun 2, 2022 10:21 AM]
##### 结果预处理
同下
##### 结果分析
> 水位场
> 流速场
> 流线
> 流速梯度及水域面积
> 水体更新时间
##### 结论建议
##### 模型计算
- 计算节点3：解耦计算水体更新时间 >[time=Fri, Jun 3, 2022 12:14 AM]
- 计算节点3：考虑涵洞、堰，无风影响，水动力解耦
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### 率定验证（水动力水质）
>[time=Thu, Jun 1, 2022 10:21 AM]
#### 模型设置
- 水动力
- 初始场按常水位分区设定
> 采用分区空间查询网格号，然后利用网格号程序修改dfsu文件来完成分区初始场的设定。
- 经验糙率，[参数标准化库](http://md.toolsbox.org.cn/s/PwaLlL8mh)
- 水质
- 取2021年6月份北湖、南湖平均COD数据作为初始场
> 采用Kriging方法插值，Arcgis工具，环境变量范围属性设置为研究区域外轮廓
>
> 再进一步利用研究区外轮廓裁剪，转成asc，利用MikeZero工具箱grd2dfs转为dfs2文件，作为模型水质初始场(NON-UTM,2014版MIKE)，或进一步转为txt，剔除陆地网格数据（注意txt格式：空格、TAB、回车等会造成Meshgenerator加载不了的情况），建议用程序剔除，有相关Trim方法处理。程序方法，搜索 sypcloud代码库MeshUtility.DeleteNodataofScatter
- 进水浓度按6月份平均COD数据
- 扩散系数及降解系数按经验设定，[参数标准化库](http://md.toolsbox.org.cn/s/PwaLlL8mh)
- 进一步考虑水生态的水质模拟
- 选取富营养化水生态模型模板，进行本地化改造，增加TN、TP输出变量
- 取2018年6月份TN、TP、DO、叶绿素a监测数据同上，通过Kriging插值处理后作为初始场
- 给定时间序列温度、风速风向
- 其他参数按经验设定
#### 结果分析
##### 预处理
- 将计算结果的水位、水深小数点设置为两位，流速设置为3位，以便出图及统计分析
> 利用代码修改dfsu文件
```c
public void InterceptDfsuItemValue()
{
var dfsu = @"..\现状.m21fm - Result Files\hd (2)-round.dfsu";
var items = new List<string> { "Surface elevation", "Total water depth" };
foreach(var item in items)
MikeModelAdapterEx.InterceptDfsuItemValue(dfsu, item, 2);
items = new List<string> {"U velocity", "V velocity"};
foreach (var item in items)
MikeModelAdapterEx.InterceptDfsuItemValue(dfsu, item, 3);
}
```
##### 结果分析
>[time=Thu, Jun 1, 2022 11:46 PM]
> 模拟的水位，水位在空间上的分布与现状常水位分布一致
> 模拟的水质空间分布
- 考虑一级降解，稳定后，水质的空间分布
- 考虑水生态系统的相互转换，模拟的水质空间分布
##### 结论建议
- 水动力率定验证，通过对地形、构筑物、水系连通特征的精细刻画，从水位表征上，模拟结果基本符合现状。
- 水质率定验证，因翠湖水体未补水情况下，主要污染来源于内源及鸟类粪便，该部分污染源因缺乏数据支撑，无法估算污染负荷，因此难以完成水质率定验证。本次计算以监测数据概化的背景值，考虑中水持续补水情况下，水体污染物在一级降解后的空间分布。从模拟结果来，整体上东区因无污染传入，水体在自净向好趋势；南湖本地偏高，且有北湖不断输入污染，水体自净能力偏弱，其水质空间分布情况基本符合现状。
- 考虑水生态转换过程的模拟，结果分析认为，
- 下一步有条件情况下可进一步收集污染负荷数据、水生态数据优化模型参数，提升模拟精度。
#### 模型计算
>[time=Wed, Jun 22, 2022 9:16 AM]
- 计算节点3：调整了个别堰参数设置不合理造成的水质计算不稳定性，重新算一个水动力解耦模型
>[time=Mon, Jun 13, 2022 2:43 PM]
- 计算节点3：水质率定验证计算，结果不合理，调参后再算
>[time=Sun, Jun 12, 2022 10:11 PM]
- 数据库节点：水质率定验证计算，降解系数调整
>[time=Sun, Jun 12, 2022 8:11 PM]
- 计算节点3：水质Ecolab率定验证计算
>[time=Sun, Jun 12, 2022 3:36 PM]
- 计算节点3：水质率定验证计算
>[time=Thu, May 27, 2022 11:50 PM]
- 计算节点3：解耦计算水质
>[time=Thu, May 25, 2022 11:47 PM]
- 计算节点3：考虑涵洞、堰，无风影响，水动力解耦
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### 模型试算
#### 真实地形
>[time=Thu, May 24, 2022 9:11 PM]
- 根据目前计算结果发现，湖外水位走高可能会倒流入湖
- 将堰涵洞设置为只允许流出
- 同时调整西南入口的第一道涵洞的尺寸从0.2增大到0.8
- 数据库节点：计算的设计方案；节点3：计算的现状方案
>[time=Thu, May 22, 2022 9:12 PM]
- 对北湖入南湖涵洞根据实际调度情况，设置为只允许北向南流
- 节点2-105：现状计算半年结果的方案（未设置北向南的涵洞控制规则）
- 数据库节点，计算中水补水+罗家坟补水方案
>[time=Thu, May 13, 2022 9:13 PM]
- 重新理清了涵洞、堰结构物，并全部批量建模
- 涵洞、堰建模时作为网格控制线控制，线段与水流方向垂直，方向从左岸到右岸为上游向下游
- 通过试算结果，校核了涵洞堰顶高程
- 修复了网格地形高程与涵洞地形高程的匹配，涵洞地形高程必须置于网格地形高程之上
> 涵洞概化图
```c
public void AddWeirs2M21ByShpTest()
{
var shpfile = @"..\堰.shp";
//var configfile = @"..\现状.m21fm";
var configfile = @"..\设计-中水&罗家坟.m21fm";
var mb = new MikeModelAdapter();
mb.AddWeirs2M21ByShp(shpfile, configfile);
}
```
```c
public void AddCulverts2M21ByShpTest()
{
var shpfile = @"..\涵洞.shp";
//var configfile = @"..\现状.m21fm";
var configfile = @"..\设计-中水&罗家坟.m21fm";
var mb = new MikeModelAdapter();
mb.AddCulverts2M21ByShp(shpfile, configfile);
}
```
>[time=Thu, Apr 24, 2022 9:14 PM]
- 水位核不上，校核水系连通处，是否有未考虑的结构物
- 尽快解决cad字体的问题，详细看一下cad图，提出需进一步与业主核实的清单
>[time=Thu, Apr 23, 2022 9:15 PM]
- 节点3-104：现状真实地形（修正）无风计算方案，6月-8月
- 内网节点4：设计真实地形（修正）无风计算方案，6月-8月
>[time=Thu, Apr 22, 2022 9:15 PM]
- 节点2-105：设计真实地形无风计算方案，6月-8月
>[time=Thu, Apr 14, 2022 9:15 PM]
>
- 节点2-105：现状真实地形无风计算方案，6月-8月
- 节点3-104：现状真实地形有风计算方案，6月-8月
>[time=Thu, Mar 28, 2022 9:16 PM]
>
- 节点2-105：现状计算半年结果的方案
- 节点3-104：方案1
- 数据库-98：方案2 12天-step-23 36天-step-71
- IO-97：方案4 5天-step-8 13天-step-24
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#### 平底计算
##### 结果分析
>[time=Fri, Mar 6, 2022 7:27 AM]
> 现状：中水补水方案
> 现状：水库补水方案
> 设计：罗家坟补水方案
> 设计：前章村+罗家坟补水方案
> 设计：中水+前章村+罗家坟补水方案
> 设计：中水+罗家坟补水方案
> 方案优选
##### 模型计算
>[time=Fri, Mar 3, 2022 7:20 AM]
- 计算节点1：挂现状中水补水方案
- 计算节点2：挂现状水库补水方案
- 计算节点3：挂罗家坟补水方案
- 计算节点4：挂中水+罗家坟补水方案
- 计算节点5：挂中水+前章村补水方案
- 计算节点6：挂中水+罗家坟+前章村补水方案
### 色板自定义
```jsx=
// 从大到小，5级，红橙绿，适用于水位
// Created : 2022-05-15 9:24:39
// DLL id : C:\Program Files (x86)\DHI\2014\bin\x64\pfs2004.dll
// PFS version : Feb 4 2015 19:28:27
// #2986cc #3e92d1 #539ed6 #69aadb #7eb6e0 #94c2e5 #a9ceea #bedaef #d4e6f4 #e9f2f9 #ffffff
[PALETTE_FILE]
[MIKEZero_Palette_Definition]
Palette_Title = 'Surface elevation [m]'
Palette_Type = 1
Locked = false
Topmost_Value = false
Nice_Value = true
RGB_Delete_Color = 220, 220, 220
RGB_Color_Value = 105,179,76, 40.85
RGB_Color_Value = 172,179,52, 41
RGB_Color_Value = 250,183,51, 41.3
RGB_Color_Value = 255,142,21, 41.4
RGB_Color_Value = 255,78,17, 41.7
RGB_Color_Value = 255,13,13, 42
EndSect // MIKEZero_Palette_Definition
EndSect // PALETTE_FILE
```
```jsx=
// 从大到小，5级，红橙绿，适用于湖泊流速
// Created : 2022-05-15 9:24:39
// DLL id : C:\Program Files (x86)\DHI\2014\bin\x64\pfs2004.dll
// PFS version : Feb 4 2015 19:28:27
// #2986cc #3e92d1 #539ed6 #69aadb #7eb6e0 #94c2e5 #a9ceea #bedaef #d4e6f4 #e9f2f9 #ffffff
[PALETTE_FILE]
[MIKEZero_Palette_Definition]
Palette_Title = 'Surface elevation [m]'
Palette_Type = 1
Locked = false
Topmost_Value = false
Nice_Value = true
RGB_Delete_Color = 220, 220, 220
RGB_Color_Value = 105,179,76, 0
RGB_Color_Value = 172,179,52, 0.001
RGB_Color_Value = 250,183,51, 0.005
RGB_Color_Value = 255,142,21, 0.01
RGB_Color_Value = 255,78,17, 0.05
RGB_Color_Value = 255,13,13, 0.1
EndSect // MIKEZero_Palette_Definition
EndSect // PALETTE_FILE
```
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## 模型构建
### 地形校核
>[time=Thu, Mar 17, 2022 2:36 PM]
模型地形概化是否合理，可以通过库容曲线来校核。
> 利用**嗖嗖应用中心**库容提取工具
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### 网格剖分
>[time=Thu, Mar 17, 2022 2:36 PM]
- 网格剖分控制线注意事项
- CAD最方便
- 常水位线作为控制线，连成控制域
- 堤防线（岸线）作为控制线，连成控制域
- 堰，按垂直水流面向水流方向从左到右绘制控制线与其他控制线相交
- 涵洞，按垂直水流面向水流方向从左到右，如实际涵洞将跨2个以上网格形成通道，则沿通道每个界面都要绘制，如下图：
- 堰、涵洞准备以下矢量数据，已实现批量建模
- 插值注意事项
- 散点数据的准备一般为：
- gis：dem转asc
- mike zero toolbox：gis2mike，将asc转dfs2，然后mike2txt，将dfs2转为xyz，再利用一下方法剔除无用的点
```c#
public void DeleteNodataofScatterTest()
{
var txt = @"C:\sypcloud_git\projects\99_禹冰_翠湖\m21n\initchlaclip0.txt";
Mesh.MeshUtility.DeleteNodataofScatter(txt, "-0.000000");
}
```
- 网格剖分以为区域的散点数据剔除，以免加入插值计算造成失真影响
> 通过GIS空间选择功能来实现
- 对于局部地形对照CAD高程测量原始数据详细添加控制散点
> 很重要，一般大范围插值对局部地形很难刻画准确，务必对涉及堰、涵洞等结构物处的地形要补充散点
- [关于Kriging插值的一篇很棒的Blog](https://gisgeography.com/kriging-interpolation-prediction/)
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## 计算方案设计与分析内容
>[time=Thu, Mar 18, 2022 2:36 PM]
### 计算方案
- 率定验证
- 水动力
- 未收集到两期独立数据来率定验证，因此以现状模拟的水位在空间上符合常水位，认为模型可靠。
- 水质
- 未收集到两期独立数据（主要污染来源负荷及同期水体水质监测数据）来率定验证，因此以现状模拟的水质在空间上符合常水位水质类别或与有监测点的水质简单比对合理，即认为模型可靠。
- 水生态模型
- 查找文献，取相应经验值
- 工况模拟预测
- 现状
- 水动力
- 中水补水
- 上庄水库补水
- 水质
- 中水补水情况下水体更新时间
> - 假定水体有污染素浓度为1mg/l
> - 假定中水补水不带入污染素
> - 计算水体污染素浓度降至0.37mg/l时的传播时间
> - 污染素无扩散无降解，**只考虑推流**作用
> [水体更新时间](https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAwMjAwODIxMA==&mid=2651850683&idx=1&sn=2ddac6ae67bc6eedce9c5744b861c067&chksm=81345246b643db5083218b5433b82371f59b40dc457531cdba68ceba7fa0b77a19e725a7e694&mpshare=1&scene=23&srcid=0315Hd50MsF1wPDZcdjimpwV&sharer_sharetime=1615800668439&sharer_shareid=acacdb199238f565eec62f6ee4087fe6&exportkey=AeKczvuuTsueB4tAXsecBL0%3D&acctmode=0&pass_ticket=hI7ld5JzA%2FxLTwnFO%2FwXscgyJtx6%2B7heX2fqwCLcb6LQ3XWZHDfjlAvDW44aEGIG&wx_header=0#rd) [参考文献](https://d.wanfangdata.com.cn/periodical/hpkx201701005)
- 给定背景值，中水水质，模拟中水补水对水体的稀释扩散过程
- 水生态
- 给定气象条件，基于水生态模型模拟水体水质的变化过程
- 设计
- 水动力
- 组合补水下水动力条件的变化模拟
- 中水+罗家坟
- 中水+前章村
- 罗家坟+前章村
- 中水+罗家坟+前章村
- 水质
- 组合补水情景下的水体更新时间变化模拟
- 组合补水情景下的水质变化模拟
- 水生态
- 优选补水方案下的水生态模拟
- 水生态措施情景模拟
### 分析内容
- 了解常水位计算水域空间水位分布，设定比较合理的初始场
> 特别湖泊模拟，很难短时间消除影响，所以一定要确保是合理的初始场
- 模型试算经计算稳定后，分析水位及水质空间分布与现状大致符合，视为率定验证合理，模型可靠
- 方案计算分析内容
- 水动力分析内容
- 给出各计算方案1天、2天、...的水位场、流场、流线
> 流线，利用**嗖嗖应用中心**dfs转换工具转dat，在tecplot处理
> 色版采用自定义好的模板色
> 确保结果分析的计算步对应的下游水位是正常下泄，未出现补水造成的壅水
- 给出流速0、0.001、0.005、0.01、0.05、0.1梯度间的水域面积及占比
> 利用**嗖嗖应用中心**包络面统计工具
- 给出水动力条件优化的空间布局建议
- 水质分析内容
- 给出各计算方案水体更新时间
> 利用**嗖嗖应用中心**水体更新时间工具
- 给出各计算方案1天、2天、...的各模拟因子浓度场、水质类别场
- 计算不同水质类别或水质浓度梯度相应的水域面积及占比
- 给出水质改善的空间布局建议
- 水生态分析内容
- 分析水体自净能力
- 结合水质改善空间布局建议，分析水生态措施的改善潜力
- 总结
- 给出现状水体水动力条件的问题，流速总体情况、空间特点
- 给出现状水质的问题，总体情况，空间特点
- 给出优化建议
- 给出方案设计后的水动力条件、水质改善情况
- 给出水生态措施的总体情况
- 从水动力条件、水生态措施上给出水体水环境持续保持及改善的整体建议
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## 现状问题及识别
>[time=Fri, Feb 18, 2022 7:48 AM]
### 气象特点
### 水源
### 水位
### 水环境
#### 水质监测点
| | | | | | | | | |
| ------------------- | ---------------------------------------------- | ---------------------------------------------- | ---------------------------------------------------- | ---------------------------------------------------- | ------------- | --------------------- | ----- | ----- |
| 站点 | 2015 | 2016 | 2017 | 2018 | 2019 | 2020 | 2021 | 2022 |
| B区大湖西岸（翠湖） | TN<br>TP<br>CODmn<br>溶解氧<br>叶绿素a<br>浊度 | TN<br>TP<br>CODmn<br>溶解氧<br>叶绿素a<br>浊度 | TN<br>TP<br>CODmn<br>溶解氧<br>叶绿素a<br>浊度<br>PH | TN<br>TP<br>CODmn<br>溶解氧<br>叶绿素a<br>浊度<br>PH | CODmn<br>浊度 | CODmn<br>浊度<br>水温 | CODmn | CODmn |
| C区荷花塘北岸 | TN<br>TP<br>CODmn<br>溶解氧<br>叶绿素a<br>浊度 | TN<br>TP<br>CODmn<br>溶解氧<br>叶绿素a<br>浊度 | TN<br>TP<br>CODmn<br>溶解氧<br>叶绿素a<br>浊度<br>PH | TN<br>TP<br>CODmn<br>溶解氧<br>叶绿素a<br>浊度<br>PH | CODmn<br>浊度 | CODmn<br>浊度<br>水温 | CODmn | CODmn |
| 气象站排水口 | - | - | - | - | - | CODmn<br>浊度<br>水温 | CODmn | CODmn |
| 前章村西路东 | - | - | - | - | - | - | CODmn | CODmn |
| 东南进水区 | | | | | | | CODmn | CODmn |
#### 水质监测数据分析评价
- B区大湖西岸（北湖）
> 2015~2018 TN月均浓度趋势
> 2015~2018 TP月均浓度趋势
> 2015~2018 DO月均浓度趋势
> 2015~2018 叶绿素a月均浓度趋势
> 2015~2022 CODmn（高锰酸钾指数）月均浓度趋势
- C区荷花塘北岸（南湖）
> 2015~2018 TN月均浓度趋势
> 2015~2018 TP月均浓度趋势
> 2015~2018 DO月均浓度趋势
> 2015~2018 叶绿素a月均浓度趋势
> 2015~2022 CODmn（高锰酸钾指数）月均浓度趋势
- 前章村西路东（北湖）
> 2021-2022 CODmn（高锰酸钾指数）月均浓度趋势
- 东南进水口（北湖）
> 2021-2022 CODmn（高锰酸钾指数）月均浓度趋势
- 气象局排水口（南湖）
> 2021-2022 CODmn（高锰酸钾指数）月均浓度趋势
- 结论分析
> [湖泊营养物基准—中东部湖区(总磷、总氮、叶绿素a)2020年版](https://www.mee.gov.cn/xxgk2018/xxgk/xxgk01/202012/t20201230_815561.html)
> 表示对湖泊产生的生态效应（藻类生长）不危及其水体功能的最大浓度（任一时段湖泊 TP、TN 和 Chl a 监测代表值满足基准值时，藻类生长不会危及水体功能）。
### 已实施工程
### 问题分析
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## 现场踏勘
>[time=Thu, Feb 17, 2022 2:36 PM]
[现场踏勘](http://md.toolsbox.org.cn/s/N4FmZ363f)
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## 数据收集处理
### 气象数据
- [0.25度FNL](https://rda.ucar.edu/datasets/ds083.3/) NECP 气温场、风场
- [0.25度GFS](https://rda.ucar.edu/datasets/ds084.1/?hash=access) NECP 气温场、风场
- 处理成dfs0的程序，见[PSYP代码库](https://gitee.com/hydrojip/psyp) dataio->netcdf-netcdf_metero.py
### 地形数据
- 客户提供CAD
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## 会议沟通
### 2022-5-5 水系连通及构筑物交底
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## 数据清单
>[time=Thu, Feb 12, 2022 4:54 PM]
- CAD图（高程点、常水面线、堤防线、路网、构筑物、建筑物等）
- 补调水情况说明（在哪补？在哪调？流量多少？补调规律？构筑物控制规则）
- 构筑物清单表（位置、名称、参数（长、宽、上下游底板高程）、控制规则等）
- 区域气象数据（1年逐时降雨、气温、风场、辐射等）
- 水体水质监测数据
- 水体水生态监测数据（水生植物、生物分布及种类等）
- ...
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## 项目洽谈
>[time=Thu, Feb 11, 2022 4:54 PM]
- 项目需求
- 开展翠湖现状水动力、水质模拟，了解现状水流结构，识别现状水环境问题的成因
- 水生态模拟，重点关注红藻模拟
- 对设计调水方案模拟，提出最优调水方案
- 技术方案
- MIKE21FM 水动力水质水生态模型
- 地形测绘之前，按平底先行计算
- 生态模型数据缺失，按相关经验值确定
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###### tags: `数模咨询`