董瑞瑞，陳和春，王繼保，辛小康

(1.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002;2.長(zhǎng)江水資源保護(hù)科學(xué)研究所，湖北 武漢 430051)

0 引言

長(zhǎng)江流域幅員遼闊，河流眾多，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，隨之而來(lái)的突發(fā)水污染事故［1］發(fā)生頻率較高。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，1990年以來(lái)，長(zhǎng)江流域共發(fā)生水污染事故30余起。2014年4月，漢江武漢段發(fā)生氨氮超標(biāo)水污染事故，導(dǎo)致漢陽(yáng)片區(qū)水廠原水告急，30余萬(wàn)人用水受到影響，突出反映出當(dāng)前突發(fā)水污染事故應(yīng)急管理的重要性和緊迫性。而在水資源保護(hù)日常管理中，需要運(yùn)用數(shù)學(xué)模型對(duì)突發(fā)水污染事故風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別與預(yù)判，利用模型分析污染物的遷移狀況和污染物濃度的時(shí)空變化規(guī)律，確定污染物變化趨勢(shì)及速度，以便能及時(shí)采取有效的應(yīng)急措施，將事故危害降到最低，以保證生命財(cái)產(chǎn)和環(huán)境的安全。

漢江作為長(zhǎng)江中下游的第一大支流，分布著湖北省的重要產(chǎn)糧基地和工業(yè)基地，人口聚集，潛在風(fēng)險(xiǎn)源較多。本文利用MIKE11［2］建立漢江中下游水動(dòng)力水質(zhì)模型［3］，模擬突發(fā)水污染事故，分析污染物的時(shí)空變化規(guī)律，計(jì)算污染物到達(dá)下游目標(biāo)的時(shí)間和污染物的濃度分布，明確污染影響范圍和程度，為突發(fā)水污染事故的應(yīng)急處理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域概化

本次建模范圍為漢江干流黃家港至龍王廟總長(zhǎng)652 km的河段，模型以黃家港和龍王廟為邊界條件，并考慮南河、唐白河、蠻河、東荊河等支流的匯入與流出，支流全部當(dāng)作點(diǎn)源處理。邊界處同時(shí)加入漢江中下游干流沿岸入河共60個(gè)排污口調(diào)查實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，以保證模型的準(zhǔn)確性。因河寬與水深相對(duì)河長(zhǎng)小得多，污染物的傳播主要靠縱向的混摻作用來(lái)實(shí)現(xiàn)，故采用MIKE11軟件進(jìn)行一維的概化模擬。本文基于圣維南方程組和對(duì)流擴(kuò)散方程，采用合適的離散方法和數(shù)值計(jì)算模式，建立了漢江中下游一維水動(dòng)力水質(zhì)預(yù)警應(yīng)急模型。漢江中下游流域范圍及各水文站點(diǎn)的分布見(jiàn)圖1。

1.2 一維水動(dòng)力模型

MIKE11水動(dòng)力模型［4］采用隱式有限差分格式離散方程模擬河流的非穩(wěn)定水流運(yùn)動(dòng)，能自適應(yīng)河道內(nèi)在時(shí)間和空間水流條件的數(shù)值計(jì)算方案，很好地描述河流的各種水流環(huán)境，本文選取MIKE11水動(dòng)力模型模擬研究區(qū)域的水動(dòng)力過(guò)程。模型構(gòu)建收集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括河網(wǎng)資料、河道地形數(shù)據(jù)、實(shí)測(cè)水位流量數(shù)據(jù)、水文測(cè)站位置信息、邊界條件等。河道非恒定流通常采用由連續(xù)性方程和動(dòng)量方程組成的一維圣維南方程組描述。

1.3 一維水質(zhì)模型

MIKE11一維水質(zhì)模型［5］的基礎(chǔ)是一維水動(dòng)力模型，MIKE11對(duì)流擴(kuò)散模型主要用于模擬物質(zhì)在水體中的傳輸擴(kuò)散過(guò)程，利用水動(dòng)力模型計(jì)算得到的水動(dòng)力條件，采用對(duì)流擴(kuò)散方程進(jìn)行計(jì)算。

2 模型建立及驗(yàn)證

2.1 模型建立

圖1 漢江中下游流域范圍示意

以漢江中下游干流為研究對(duì)象，以高錳酸鹽指數(shù)和氨氮(NH3-N)為代表污染物，建立衰減型污染物河流水動(dòng)力水質(zhì)模型。根據(jù)河道形態(tài)和地形數(shù)據(jù)，漢江中下游652 km的河段被劃分為275個(gè)斷面，平均斷面間距2.5 km。根據(jù)研究區(qū)域的GIS數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)建立河網(wǎng)文件和大斷面文件。本次建模水位、流量按模擬開(kāi)始時(shí)刻的水動(dòng)力條件進(jìn)行取值;水質(zhì)模型初始條件采用高錳酸鹽指數(shù)和氨氮(NH3-N)2010年1月濃度的平均值，漢江中下游一維水動(dòng)力模型上游邊界采用黃家港水文站2010年1月1日～2011年12月31日共計(jì)2年的逐日流量過(guò)程，下游邊界采用龍王廟水位站2010年1月1日～2011年12月31日逐日水位過(guò)程?？紤]主要河流南河、唐白河、蠻河等支流的入?yún)R以及東荊河的分流，模型在各個(gè)邊界處設(shè)有水質(zhì)組分的濃度變化情況，并與水動(dòng)力模型初始條件的設(shè)定保持一致;水質(zhì)模型上游邊界采用白家灣斷面2010年1月～2011年12月逐月高錳酸鹽指數(shù)和氨氮(NH3-N)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，水質(zhì)模型下游邊界采用相同年限宗關(guān)斷面逐月高錳酸鹽指數(shù)和氨氮(NH3-N)實(shí)測(cè)濃度數(shù)據(jù)。考慮主要點(diǎn)源的入?yún)R，邊界處同時(shí)加入漢江中下游沿岸入河排污口調(diào)查實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，以保證模型的準(zhǔn)確性?？紤]到模型的穩(wěn)定性與計(jì)算時(shí)間，時(shí)間步長(zhǎng)定為1 min。

2.2 模型率定及驗(yàn)證

2.2.1 水動(dòng)力模型

水動(dòng)力模型率定主要是調(diào)整河床糙率。從黃家港水文站至武漢江段，漢江干流依次布有黃家港、皇莊、沙洋、潛江、仙桃、漢口水文站，利用2010年～2011年2年的皇莊、沙洋、仙桃斷面的逐日實(shí)測(cè)水位與流量數(shù)據(jù)對(duì)參數(shù)進(jìn)行率定，參照相關(guān)成果，并根據(jù)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的校正，漢江中下游河段糙率采取分段取值的方法［6］，各段糙率取值為:漢江丹江口 ～襄陽(yáng)段 0.018～0.028，襄陽(yáng) ～沙洋段0.016～0.022，皇莊～沙洋段0.015 2～0.020，漢江岳口～仙桃段0.015 4～0.024，漢江漢川～龍王廟段0.016～0.025，并將漢江中游皇莊、下游沙洋和仙桃水文站的實(shí)測(cè)流量值和水位值與模型計(jì)算值相比較，模型的計(jì)算精度采用如下公式

各斷面水位驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖2。流量驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖2、3可以看出，水動(dòng)力模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果較吻合，3個(gè)驗(yàn)證斷面流量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值平均相對(duì)誤差為11.38%，水位計(jì)算值與實(shí)測(cè)值平均相對(duì)誤差為3.13%。該模型具有較高的可靠性。

2.2.2 水質(zhì)模型

水質(zhì)模型上游邊界采用白家灣斷面2010年1月～2011年12月逐月高錳酸鹽指數(shù)和氨氮(NH3-N)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，水質(zhì)模型下游邊界采用宗關(guān)斷面逐月高錳酸鹽指數(shù)和氨氮(NH3-N)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。考慮主要點(diǎn)源匯入情況，高錳酸鹽指數(shù)綜合衰減系數(shù)取0.045/d，NH3-N綜合衰減系數(shù)取0.025/d。模型選擇仙人渡、皇莊、仙桃3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面作為驗(yàn)證斷面，以其2010年～2011年2年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，采用式(1)計(jì)算出3個(gè)斷面高錳酸鹽指數(shù)的平均相對(duì)誤差為14.5%，NH3-N的平均相對(duì)誤差為20.19%。NH3-N驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖4，高錳酸鹽指數(shù)驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖5。由于水質(zhì)模型對(duì)實(shí)測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)、對(duì)應(yīng)的污染源調(diào)查數(shù)據(jù)要求較高，本研究仍然只對(duì)水質(zhì)和污染源數(shù)據(jù)進(jìn)行了大致摸底，因此濃度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值具有一定的誤差，但是總體上能夠反映污染物的分布規(guī)律和變化趨勢(shì)，具有一定的精度，可應(yīng)用于突發(fā)水污染事故應(yīng)急預(yù)警模擬，以反映突發(fā)水污染事故發(fā)生后污染物的傳輸、降解規(guī)律。

圖2 水位驗(yàn)證結(jié)果

3 突發(fā)水污染事故情景模擬

圖3 流量驗(yàn)證結(jié)果

漢江是襄陽(yáng)城市飲用水的唯一水源。根據(jù)排污口調(diào)查情況，漢江襄陽(yáng)段內(nèi)排污企業(yè)多，排污大戶(hù)多，并直接排入漢江，加大了水污染事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，而且一旦發(fā)生，后果嚴(yán)重。漢川、武漢江段布有多個(gè)水廠以及食品加工企業(yè)，排污口眾多，本身水質(zhì)較差，如果距離它較近的仙桃發(fā)生水污染事故，將會(huì)對(duì)武漢的飲用水產(chǎn)生影響。突發(fā)水污染事故瞬間排入河流的污染物濃度較大，利用所建立的一維水質(zhì)預(yù)警預(yù)報(bào)模型可實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物運(yùn)移過(guò)程的模擬。現(xiàn)擬定2種工況，應(yīng)用2011年數(shù)據(jù)，分別模擬襄陽(yáng)、仙桃境內(nèi)某污水處理廠在枯水期1月3日早8點(diǎn)發(fā)生的水污染事故，污染物就近流入漢江，高錳酸鹽指數(shù)濃度為10 000 mg/L，排放流量1.0 m3/s，衰減系數(shù)K采用模型率定后的值0.045/d。在事故河段加入1個(gè)突發(fā)水污染事故的點(diǎn)源，該處1月3日污染物濃度為10 000 mg/L，事故持續(xù)排放時(shí)間為1 d。

圖4 NH3-N驗(yàn)證結(jié)果

(1)襄陽(yáng)段1月突發(fā)水污染事故情景模擬。圖6為發(fā)生水污染事故后1月3日～15日污染物沿程濃度變化。從圖6可看出，發(fā)生水污染事故時(shí)，污水與漢江水混合后，襄陽(yáng)段高錳酸鹽指數(shù)濃度達(dá)到14 mg/L，為V類(lèi)水質(zhì)，由于水流的稀釋與沖刷，污染物濃度逐漸降低，峰值也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但隨后幾天濃度峰值基本都維持在6～8 mg/L，為IV類(lèi)水質(zhì)。隨著污染物的運(yùn)移，在1月6日、9日和11日依次傳播到皇莊、潛江、仙桃，而在1月15日，污染物到達(dá)漢江河口流出漢江，全過(guò)程歷時(shí)12 d，此時(shí)的高錳酸鹽指數(shù)降至2.43 mg/L，滿(mǎn)足III類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，即15日之后水質(zhì)恢復(fù)正常。

圖5 高錳酸鹽指數(shù)驗(yàn)證結(jié)果

(2)仙桃段1月突發(fā)水污染事故情景模擬。圖7為1月3日發(fā)生事故后污染物沿程濃度變化。從圖7可看出，污染團(tuán)歷時(shí)4 d后于1月6日移出漢江。污染團(tuán)峰值濃度分別于1月3日、4日、5日和6日達(dá)到丹江口大壩下游497 012、505 065、593 126 m和642 323 m斷面處。發(fā)生水污染事故后，仙桃斷面高錳酸鹽指數(shù)峰值為13.5 mg/L，隨著時(shí)間的推移，污染團(tuán)向下游遷移，由于彌散作用和沿程流量入?yún)R作用，污染團(tuán)峰值濃度有所降低，但也均超過(guò)了12 mg/L。

圖6 襄陽(yáng)段2011年1月高錳酸鹽指數(shù)沿程變化

圖7 仙桃段2011年1月高錳酸鹽指數(shù)沿程變化

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)MIKE11建立了漢江中下游一維水動(dòng)力水質(zhì)預(yù)警預(yù)報(bào)模型，利用實(shí)測(cè)水位、流量、水質(zhì)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了率定與驗(yàn)證。結(jié)果顯示，漢江中下游一維水動(dòng)力水質(zhì)預(yù)警預(yù)報(bào)模型能較好地模擬漢江中下游江段發(fā)生突發(fā)水污染事故時(shí)污染物的影響程度，以及污染物到達(dá)不同監(jiān)測(cè)斷面處的時(shí)間和濃度值。該模型能較為準(zhǔn)確地反映漢江中下游流域的水動(dòng)力和水質(zhì)情況，為漢江中下游突發(fā)水污染事故的應(yīng)急處理提供科學(xué)依據(jù)，減少突發(fā)水污染事故帶來(lái)的危害。

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