,2

(1.中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司，天津 300381；2.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，河南 鄭州 450003)

1 引 言

隨著淮河流域人口增長，兩岸工農(nóng)業(yè)發(fā)展，淮河水環(huán)境質(zhì)量日益惡化，近年來淮河流域突發(fā)水污染事件頻繁發(fā)生，僅2014年就發(fā)生多起污染事件，如:2014年5月3日，淮河潁上段沉船事故造成次生環(huán)境水污染事故，2014年12月15日阜陽市臨泉縣境內(nèi)交通事故造成油漆泄露水污染事故。因此研究淮河突發(fā)水污染應(yīng)急調(diào)度具有重要的現(xiàn)實意義。

目前國內(nèi)外學(xué)者對突發(fā)水污染應(yīng)急調(diào)度有了一定程度的研究，陳軍[1]針對湘江的實際情況，建立突發(fā)重金屬污染的水質(zhì)模型，為湘江重金屬污染應(yīng)急水資源調(diào)度提供模型依據(jù)；王林剛[2]將河流突發(fā)水污染模型系統(tǒng)與三維GIS結(jié)合，并以渭河某段為例，實現(xiàn)可視化效果；白瑩[3]建立黃河突發(fā)水污染預(yù)警模型，并對突發(fā)水污染調(diào)度進行生態(tài)風(fēng)險評價，為決策部門防范區(qū)域內(nèi)突發(fā)水污染提供科學(xué)支持；James P.DobbinS等[4]研發(fā)了船舶突發(fā)污染事故應(yīng)急調(diào)控機制決策支持系統(tǒng)，實行數(shù)據(jù)庫管理，以便實施快速救援，并以密西西比河下游河段進行案例模擬；Christopher[5]針對飲用水源地潛在的主要威脅及突發(fā)污染事件應(yīng)急調(diào)控機制進行了系統(tǒng)的研究。

本文在水動力水質(zhì)模型基礎(chǔ)上，制定不同水資源應(yīng)急調(diào)度方案，重點分析支流位置、支流流量大小對污染物稀釋效果，可為淮河流域水資源調(diào)度提供模型基礎(chǔ)，并為其他流域調(diào)度方案的制定提供借鑒。

2 MIKE11水動力模型的建立及應(yīng)用

2.1 模型介紹

MIKE11模型是一維水動力水質(zhì)模型，以求解圣維南方程組為理論基礎(chǔ)，可用于河流、渠道及灌溉系統(tǒng)一維水流的模擬[6]。其中圣維南方程組的離散方式采用六點中心隱式差分格式(Abbott格式)，在每一個網(wǎng)格點按順序交替計算水位和流量，數(shù)值計算采用傳統(tǒng)的“追趕法”。

一維水動力控制方程組[7]：

(1)

(2)

式中x——空間坐標；

t——時間坐標；

Q——流量；

A——過水斷面面積；

h——水位；

g——重力加速度；

q——旁側(cè)入流流量或取水流量；

R——水力半徑；

C——謝才(Chezy)系數(shù)。

2.2 模型建立

本次一維水動力模型研究范圍為淮河干流臨淮崗至蚌埠閘段，河道長約160km，流量邊界包括上游臨淮崗來水，淠河、潁河、渦河三條支流入流及部分取水口出流，下游取蚌埠閘處為水位邊界。研究區(qū)流域圖如

圖1所示，區(qū)域概化圖如圖2所示。

圖1 研究區(qū)淮河流域

圖2 研究區(qū)淮河區(qū)域概化圖

MIKE11水動力模型建立需要河網(wǎng)文件(.nwk11)，斷面文件(.xns11)，邊界文件(.bnd11)，時間序列文件(.dfs0)，參數(shù)文件(.hd11)，模擬文件(.sim11)等。部分參數(shù)設(shè)置界面文件如圖3、圖4、圖5所示。

2.3 率定及驗證

由于實測數(shù)據(jù)有限，本研究選取代表性水文站即魯臺子站的水位數(shù)據(jù)進行率定驗證。選取2003年6月9—16日為模型計算期，模型計算的時間步長取1min。

經(jīng)率定，河道糙率系數(shù)為0.02～0.03，通過對比MIKE11模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)可知，模型模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的趨勢基本一致，MIKE11淮河段水動力模型是合理可行的。

圖3 研究區(qū)域河網(wǎng)文件

圖4 河道斷面

圖5 時間序列文件

圖6 MIKE11模型2003年6月魯臺子水位實測值與 計算值對比

3 MIKE11水質(zhì)模型建立及應(yīng)用

3.1 模型簡介

MIKE11 AD模塊可對水體中可溶性物質(zhì)或懸浮性物質(zhì)的對流擴散過程進行模擬分析，在HD模塊產(chǎn)生的水動力條件基礎(chǔ)上，應(yīng)用對流擴散方程，通過設(shè)定恒定的衰減常數(shù)來模擬非保守物質(zhì)。

一維對流擴散方程：

(3)

式中x——空間坐標；

t——時間坐標；

C——物質(zhì)濃度；

D——縱向擴散系數(shù)；

A——橫斷面面積；

K——線性衰減系數(shù)；

C2——源/匯濃度；

q——旁側(cè)入流流量。

對流擴散方程采用中心和空間的隱士差分格式。

3.2 模型建立

MIKE11對流擴散(AD)模型參數(shù)設(shè)置主要涉及定義水質(zhì)物質(zhì)組分、初始條件、衰減系數(shù)和擴散系數(shù)等。AD參數(shù)設(shè)置界面如圖7所示：

圖7 AD參數(shù)設(shè)置界面

MIKE11對流擴散(AD)模塊可模擬氨氮、COD等多種物質(zhì)，研究區(qū)域內(nèi)常見污染物有氨氮、高錳酸鹽等，依據(jù)現(xiàn)有實測水質(zhì)資料，本研究模擬物質(zhì)取氨氮，初始氨氮濃度設(shè)為0.45mg/L，根據(jù)實測水質(zhì)數(shù)據(jù)設(shè)置水質(zhì)邊界，其中設(shè)置水動力邊界須同時設(shè)置水質(zhì)邊界，如潁河口邊界、渦河口邊界，外邊界設(shè)置所有模擬成分，如蚌埠閘邊界，內(nèi)邊界根據(jù)實際情況設(shè)定物質(zhì)濃度。

3.3 率定及驗證

MIKE11對流擴散(AD)模塊與水動力模塊一致，選取2003年6月9—16日為計算期，部分水質(zhì)資料由相關(guān)文獻得到[8-9]，本文率定驗證代表性水文站魯臺子站的氨氮濃度。

圖8 2003年6月魯臺子氨氮實測值與計算值對比

經(jīng)率定，氨氮降解系數(shù)為0.141(1/d)。由氨氮濃度模擬分布圖可知，氨氮模擬趨勢與實測數(shù)據(jù)一致，誤差在允許范圍內(nèi)。水體水質(zhì)情況與光照、水體溫度、模擬物質(zhì)特性等有很大關(guān)系，數(shù)值模型很大程度上不能完全復(fù)演河道歷時情況，即環(huán)境系統(tǒng)具有不可重復(fù)性[10]，會造成水質(zhì)模擬誤差較水動力模型的誤差要大。

綜上所述，MIKE11對流擴散模塊合理可行，能準確模擬物質(zhì)在淮河的運移擴散情況，滿足模擬要求，可為水資源應(yīng)急調(diào)度工況提供有力的水質(zhì)模型基礎(chǔ)。

4 水資源應(yīng)急調(diào)度模擬

污染物按降解的難易程度，分為保守型污染物和非保守型污染物，保守型污染物很難降解，對同樣污染量的兩種污染物實施應(yīng)急調(diào)控方案，水體中保守型污染物的濃度要高于非保守型污染物。為模擬最不利情況下引水沖污方案對污染物的稀釋效果，本文選取保守型污染物作為研究對象。常見的應(yīng)急調(diào)度處理方式有引水沖污和生物膜技術(shù)等，本研究運用數(shù)值模型定量模擬分析引水沖污方案。

根據(jù)研究區(qū)域各支流情況，假設(shè)由于水運失事，載有污染物的貨船翻入淮河干流，失事位置位于淠河口與穎河口之間，造成突發(fā)水污染事件，污染物溶于水體后濃度高達20mg/L，淮河原水體及各支流水體中不含該污染物。模擬總時長30d，突發(fā)污染事故發(fā)生時間為第5天，假定該保守型污染物濃度低于0.1mg/L時，能滿足中國地表水環(huán)境質(zhì)量標準(GB 3838—2002)要求，突發(fā)污染發(fā)生處位置如圖9所示。

圖9 突發(fā)水污染位置

干流流量取臨淮崗上游最近水文站——潤河集水文站多年平均流量200m3/s，污染處上、下游支流通過調(diào)節(jié)各自河道閘壩控制下泄流量，以滿足不同工況需求。依據(jù)污染物上、下游支流流量與淮河干流流量的比值，現(xiàn)制定以下7種工況對比分析：

工況1：不啟用引水沖污方案，作對比工況

工況2：開啟污染處下游潁河支流閘壩，使Q下：Q干=1∶4

工況3：開啟污染處下游潁河支流閘壩，使Q下：Q干=1∶2

工況4：開啟污染處下游潁河支流閘壩，使Q下：Q干=1∶1

工況5：開啟污染處上游淠河支流閘壩，使Q上：Q干=1∶4

工況6：開啟污染處上游淠河支流閘壩，使Q上：Q干=1∶2

工況7：開啟污染處上游淠河支流閘壩，使Q上：Q干=1∶1

4.1 不同時刻各工況對比分析

圖10 工況1不同時刻污染物濃度趨勢

圖11 工況2不同時刻污染物濃度趨勢

圖12 工況3不同時刻污染物濃度趨勢

圖13 工況4不同時刻污染物濃度趨勢

圖14 工況5不同時刻污染物濃度趨勢

圖15 工況6不同時刻污染物濃度趨勢

圖16 工況7不同時刻污染物濃度趨勢

由不同工況下第7天、第8天、第9天的污染物濃度趨勢圖可知：

a.工況1—工況7中，隨時間推移污染團峰值及污染團前端向下游不斷運移，污染物峰值濃度均逐漸降低，污染范圍總體呈逐漸擴大趨勢，工況1污染物峰值濃度大于同時刻工況2—工況7的污染物峰值濃度；

b.下游潁河支流引水沖污工況中，污染物濃度在下游支流匯入口處(約30km里程處)有明顯瞬時降低，這是由于支流不含污染物的清水匯入干流對污染物瞬時稀釋造成的，且下游支流加大流量越大，污染物濃度瞬時降低現(xiàn)象越明顯，降低的幅度越大，而上游支流引水沖污工況中沒有污染物濃度瞬時降低現(xiàn)象；

c.工況4、工況7中，污染物峰值濃度在模擬第7天、第8天、第9天時均小于0.1mg/L，滿足水質(zhì)標準要求，引水沖污方案對削減污染物濃度有一定的實際意義。

4.2 同時刻不同工況對比分析

比較不同工況第8天污染物濃度趨勢圖可知：

圖17 第8天工況1、2、3、4污染物濃度趨勢

a.如圖17～圖19所示，無論支流處于污染物上游還是下游、支流加大流量與干流流量比值為多少，引水沖污工況與對比工況相比，均降低了污染物峰值濃度，加大了污染物擴散范圍，加速了污染物運移速度。

圖18 第8天工況1、5、6、7污染物濃度趨勢

圖19 第8天工況4、工況7污染物濃度趨勢

b.引水支流位置一定時，支流加大流量越大，同時刻污染云團擴散范圍越廣，污染物峰值濃度越低，這是因為支流加大流量越大，匯入干流后導(dǎo)致干流流量越大，加速了污染云團的擴散，且對峰值削減效果也越好。除此之外，支流流量越大，污染云團前端及峰值向下游運移速度越快，縮短了下游應(yīng)急響應(yīng)時間。

5 結(jié) 論

a.根據(jù)已有淮河斷面數(shù)據(jù)及水文數(shù)據(jù)建立淮河干流MIKE11水動力水質(zhì)模型，經(jīng)率定驗證，模型精度符合要求，可用于分析污染物遷移變化規(guī)律，為淮河干流突發(fā)水污染事件應(yīng)急調(diào)度奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。

b.模擬突發(fā)水污染事故不同水資源應(yīng)急調(diào)度工況下污染團運移情況，定量預(yù)測污染團峰值及影響范圍，優(yōu)選下游引水沖污方案，為不同應(yīng)急方案的制定提供決策依據(jù)和強有力技術(shù)支持。

c.引水沖污有利于緩解突發(fā)性水污染事件的危害程度，但并不能徹底解決淮河流域的水污染問題?；春铀h(huán)境的整治還必須加強污染源頭治理，嚴格控制污染源的排放，從根本上解決淮河流域污染問題，保證沿岸居民用水安全。