ECO Lab数值模拟生态实验室

辅助变量和衍生变量
辅助变量： 数学表达式，包含一串变元和运算符； 便于将较长的过程分割成一些子过程，作为变 元被过程表达式引用； 衍生变量：
通过状态变量或过程计算推导出的结果 用一组变元和运算符组成的数学表达式描述。变元可以是状 态变量、常数、作用力、辅助变量、数字或过程。 不能在其它表达式中指定附加输出。 如TIN＝氨氮＋硝氮； TP＝DP＋PP
模型率定－WQ模块
率定耦合的常微分方程一般非常复杂，建议先从较 独立的状态变量开始率定模型。
WQ水质模板建议的率定顺序：
BOD-DO关系 – 降解速率 – 大气复氧 – 产生和呼吸作用 – 硝化
营养物质 – 与BOD的关系 – 硝化/反硝化过程 – 吸附作用
生态模型的发展不再受限于对新的生态知 识进行技术完善应用，关于生态系统的知 识以及其自身各过程的正确描述才是限制 其发展的因素。
WQ 率定
• HD率定 – 流量和水位的率定 • AD率定 – 利用追踪指示剂，与一系列点的时间序列浓度进
行比较率定。 河床糙率可能需要微调。
• WQ – 营养物
• 由BOD降解产生 • 硝化作用/反硝化作用 • 被植物摄取
• WQ - BOD/DO
• 生产/呼吸作用 (不受污染影响部分) • 大气复氧 • BOD 降解
常 量
常数包括内置常量和自定义常量，后者如速率常数、指数、半饱 和浓度等，可通过文献和实地调查来确定。
常数空间变化 SpБайду номын сангаасtial Var.：



水平变化：在每个水平网格点上的值可能有所不同， 但在垂直方向的水体中值相同。 水平和垂直变化：在所有网格点中值可能都不相同。 与多层网格系统相关。 没有变化：全域，所有网格点都有相同的值
过 程
Process Type（过程类型） Transformation （转化）：主要是降解和生成。此类 型在原地转化物质，但不能移动或传输物质。 Settling（沉降）：物质转移至水体下，或在多层网格 系统中将物质在不同层的移动。
BUOYANCY （浮力）：物质转移至水体上，或在多 层网格系统中将物质在不同层的移动。尤其适用于EU 模块中藻类（如蓝绿藻）的上浮运动。
ECO Lab 编辑器－状态变量&过程
State Variable – DO：
所有状态变量和过程之间的相互关系可以在'Tools： Processmatrix'下看到
dC DO dt
相互耦合 State Variable – BOD：
表达式框内定义该状态变量的通 用微分方程 — 物质浓度随时间的 变化率。微分方程集成了所有影 响该状态变量增加/削减的过程
dCBOD ()过程1BOD ()过程2 BOD ()过程3BOD... dt
dC NH4 ()过程1NH 4 ()过程2 NH 4 ()过程3NH 4 ... dt
SV3: NH4
……..
过程作为ECO Lab 计算的微分方程组的自变量
描述影响状态变量随时间增加或削减的各种因素
ECO Lab 编辑器－过程&辅助变量
辅助变量：大气复氧系数 = f (流速
，风速，水深…)
辅助变量：饱和DO浓度 = f(盐度，水温)
ECO Lab 编辑器－辅助变量（子过程）
K2 = f(流速，风速，水深…)
输入描述辅助变量（子过程）的数学公式：F（数字、状态变量、辅助变量、常量、作 用力、逻辑函数、数学函数、内置函数和保留项） —— 注意定义的顺序！
状态变量 常 量 作 用 力 辅助变量 过 程 衍生变量

模拟组分 水质反应参数（率定值） 外因数据 子过程 主要过程 附加结果
DO：reaera + phtsyn - respT - BodDecay - SOD – OxygenConsumptionFromNitrification TEMP：Rad_in-Rad_out AMMONIA：AmmoniaReleaseFromBOD - Nitrification - Plantuptake – bacteriaUptake NITRATE：Nitrification – Denitrification BOD：- BodDecay - Sedimentation + Resuspension OP：PPdecay - PPformation + OPreleaseFromBOD – OpplantUptake PP：- PPdecay + PPformation - PPsedimentation + Ppresuspension FaecalColi：-FaecalColiDecay TotColi：-TotalColiDecay
WS（水面）：过程或状态变量位于水体上部，总与水 面接触。如水葫芦、大气复氧。 WC（水体）：过程或状态变量存在于整个水体中 。如 浮游植物C浓度、BOD降解。 WB（河床）：过程或状态变量总与河床底部接触。如 鳗草和大型藻类。 SED（沉积）：过程或状态变量存在于底泥沉积物中 。SED状态变量性质上是固定的，不受对流扩散输运 的影响。如底泥BOD。
ECO Lab
－ 数值模拟生态实验室
在MIKE ZERO 中如何打开ECO Lab 图形用户界面
ECO Lab 编辑器－状态变量
ECO Lab 编辑器－常 量
ECO Lab 编辑器－作用力
ECO Lab 编辑器－辅助变量
ECO Lab 编辑器－过 程
ECO Lab 编辑器－衍生变量
ECO Lab 数据类型
衰减系数： 1st order rate WQ model－per day
作用力
代表了影响生态系统的外部自然力，在时间
和空间上可变。典型的例子是温度、太阳辐 射和风。 若某个状态变量有大量实测资料（如T）， 可以在模型中先视为作用力，使率定结果更
加可靠。率定结束后可以将作用力还原为状
态变量。 WQ：盐度、水深、流速、斜率和温度 等
描述影响状态变量增加/削减的变换过程
(T 20) - K3 BOD θ3
DO2 Ks +DO2
常数：
BOD降解系 数
常数：作用力：状态变量： 状态变量： 常数：
温度校 温度 正系数 BOD浓度 DO浓度 半饱和常度
输入描述过程的数学公式：F（数字、状态变量、辅助变量、常量、作用力、 逻辑函数、数学函数、内置函数和保留项）
MIKE 21/3 models, user-specified parameter in MIKE 11！！
Forcing – Water Velocity Transferred from hydrodynamic model ！！
Forcing – Temperature Input data from measurements (transferred from hydrodynamic model in MIKE 3)！！
ECO Lab 数据
状态变量 常量 作用力 辅助变量 过程 衍生变量 范围，传输（对流或固定） 空间变化，用户定义或内置 空间变化，用户定义或内置 空间变化， 输出 是/否 范围，空间变化，类型（转换、沉降或上浮），输出 是/否 空间变化， 输出 是/否
范 围: 表 面
水体 空间变化: None, 1D, 2D or 3D
ECO Lab 编辑器－衍生结果
通过状态变量或过程等组分计算推导出的附加结果 F（数字、状态变量、过程、辅助变量、常量、作用力）
ECO Lab 基本术语
范围 (Scope): 表面WS，水体WC，沉积SED，河/海床WB 组分和过程 与 MIKE 3相关更为密切 空间变化 (Spatial var.): 数据输入和过程 none, 1D, 2D 或 3D 内置 (built-in): 内置或用户自定义
河床/底泥
状态变量
状态变量范围Scope：
WC ：Water Column 水体 WS ：Water Surface 水表面 WB： Water Bed 河/海床 SED：Sediment 沉积
表达式Expression：
只能是与该状态变量对应的不同过程或数字组成
范 围
用于定义状态变量或过程在水环境中的发生位置
数据类型的相互关系
状态变量
过
程
辅助变量（子过程）
常 量 （水质反应参数）
作 用 力 （外部自然力）
ECO Lab 编辑器 —— 耦合的生化反应微分方程组
dCDO ()过程1Do ()过程2 Do ()过程3Do ()过程4 Do... dt
SV1: DO SV2: BOD
水质模型输入数据信息
边界条件的污染物流量和浓度； 污染源的流量和浓度； 初始值浓度； 水温、盐度和光照等作用力； ECO Lab 各生化反应系数； 风速和风量； 降雨和蒸发信息等 。
水质模型率定
通过不断调整模型参数，使各模拟组分的模拟值与实测值尽 可能吻合。
造成模拟结果偏差的原因 ： 模型边界浓度定义不准确； 输入生态系统的负荷定义不准确； 初始浓度不准确； 水动力模型不准确； 选择的ECO Lab过程描述不恰当； ECO Lab过程表达式中的率定参数值不准确； 实测值不准确； 数值计算不稳定 。
ECO Lab 编辑器－状态变量&过程
State Variable – DO：
大气复氧
呼吸作用
底泥需氧量
硝化反应需氧量
光合作用
BOD降解需氧量
State Variable – BOD：
状态变量表达式： 由过程名 和运算符组成
BOD降解 BOD沉降
BOD沉降再悬浮
ECO Lab 编辑器－过程&过程的表达式
ECO Lab: A never ending job
ECO Lab 编辑器－作用力（外部自然因素）&常量（率定参数）
Constant – BOD Decay Rate
内置或用户自定义
Constant – Latitude Variable specified in the bathymetry of the hydrodynamic setup for