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        重金屬、油類、化學(xué)品等污染物遷移轉(zhuǎn)化模擬技術(shù)

        2020-12-18 02:17:26季海萍高程程高麗莎
        凈水技術(shù) 2020年12期
        關(guān)鍵詞:金澤油類河網(wǎng)

        季海萍,汪 濤,高程程,高麗莎

        (1. 太湖流域管理局水文局<信息中心>,上海 200434;2. 上海碧波水務(wù)設(shè)計研發(fā)中心,上海 200233)

        1 研究背景

        長期以來,水污染問題始終是國內(nèi)外城市水源地安全的重要威脅[1]。水污染既包括生產(chǎn)生活污(廢)水等常規(guī)污染,也包括恐怖主義、船舶化學(xué)品和石油泄漏、工業(yè)事故排放、暴雨徑流污染等突發(fā)性水污染[2]。突發(fā)水污染事件具有突發(fā)性、偶然性,易在短時間內(nèi)造成附近水域水質(zhì)快速惡化,影響水生態(tài)環(huán)境,成為城市供水系統(tǒng)安全運營的重大風(fēng)險[3]。

        黃浦江上游水源地金澤水庫于2016年12月底正式投入使用,供水規(guī)模為351萬m3/d,服務(wù)于上海市西南五區(qū)670萬人口。金澤水庫相對原黃浦江上游水源水質(zhì)有明顯改善,但作為供水水源地仍面臨一定挑戰(zhàn):其所位于的太浦河不僅為下游水源地提供原水,大水期間還是流域內(nèi)重要排洪通道,也是Ⅳ級航道,是開放式、流動性的多功能水域,且由于太浦河沿線周邊區(qū)域化工、紡織、印染企業(yè)眾多,近年來太浦河干支流已有揮發(fā)性有機物污染、銻濃度異常等數(shù)起突發(fā)水污染事件發(fā)生[4],作為金澤水庫取用水水源地,取水安全受到嚴(yán)重威脅;太浦河水質(zhì)受太浦閘(泵)開閉等流域調(diào)度影響明顯。同時,金澤水庫為典型人工淺水水庫,庫區(qū)水力停留時間短(2~3 d),依靠水庫自身調(diào)蓄能力無法明顯凈化水質(zhì),原水水質(zhì)提升仍要依靠上游來水,依靠太浦閘(泵)等調(diào)度措施。

        針對太浦河可能發(fā)生的突發(fā)水污染事件,本課題開展了基于重金屬、油類、化學(xué)品等污染物的遷移轉(zhuǎn)化模擬技術(shù)研究,可為太浦河金澤水源地突發(fā)水污染事故的預(yù)報預(yù)警提供技術(shù)支撐,持續(xù)保障金澤水庫水源地安全取水。

        2 研究內(nèi)容

        重金屬、溢油、化學(xué)品泄漏等污染模擬技術(shù)在國內(nèi)外已有應(yīng)用,本研究主要是針對太浦河-金澤水庫-松浦大橋取水口沿線構(gòu)建基于重金屬、油類、化學(xué)品等污染物的遷移轉(zhuǎn)化模擬技術(shù),能夠在太浦河重金屬、油類、化學(xué)品類突發(fā)水污染事件發(fā)生后,第一時間開展實況水雨情條件下太浦河內(nèi)污染物遷移模擬,通過調(diào)控太浦閘(泵)下泄流量,分析不同工況下污染物對金澤水源地的影響程度、影響時長等,為應(yīng)對突發(fā)水污染事件提供技術(shù)支撐。

        3 關(guān)鍵技術(shù)

        3.1 平原河網(wǎng)水動力模型

        基于重金屬、油類、化學(xué)品等的污染物遷移轉(zhuǎn)化模擬技術(shù)的基礎(chǔ)是平原河網(wǎng)水動力學(xué)模型[5-7],可提供重金屬、油類和化學(xué)品類污染物遷移轉(zhuǎn)化模擬所需的流場。平原河網(wǎng)水動力學(xué)模型主要通過NetCDF接口與突發(fā)水污染事件調(diào)控模型耦合,實現(xiàn)了太浦河突發(fā)事件模擬業(yè)務(wù)化、快捷化的突破。

        3.1.1 水動力模型基本方程

        水動力模型基本方程采用Saint-Venant方程組,數(shù)值離散方程采用成熟的Preismann四點隱式差分格式進(jìn)行離散,聯(lián)立方程求解。

        一維明渠非恒定流Saint-Venant 方程組如式(1)。

        (1)

        其中:t——時間坐標(biāo),s;

        x——空間坐標(biāo),m;

        Q——流量,m3/s;

        Z——水位,m;

        u——斷面平均流速,m/s;

        n——糙率系數(shù);

        C——謝才(Chezy)系數(shù);

        A——過流斷面積,m2;

        B——主流斷面寬度,m;

        R——水力半徑,m;

        q——旁側(cè)入流流量,m2/s;

        Bw——水面寬度(包括主流寬度B及起調(diào)蓄作用的附加水面寬度),m。

        3.1.2 模型中水利工程調(diào)度模擬

        水利工程對河網(wǎng)水流在時間、空間上有著重要影響,其調(diào)度模擬是水動力學(xué)模型的重要組成部分。根據(jù)太浦河-黃浦江流域的河網(wǎng)特征,結(jié)合流域內(nèi)洪水與水量調(diào)度方案、水量分配方案,以及水利工程運行管理的實踐經(jīng)驗,水利工程遵循防洪期間按照防洪安全要求、保供水期間按照供水安全要求的原則進(jìn)行調(diào)度,通過關(guān)聯(lián)不同時間段的河網(wǎng)水位實現(xiàn)水利工程的精細(xì)模擬[8]。

        3.1.3 降雨徑流模擬

        不同的下墊面條件具有不同的降雨入滲和產(chǎn)流規(guī)律,模型將太浦河-黃浦江區(qū)域下墊面主要分為水面(包括河道、湖泊)、水田、旱地、綠地、房屋和城鎮(zhèn)道路6種下墊面,依據(jù)各個類型下墊面的蒸發(fā)量、入滲系數(shù)和徑流系數(shù),并按照水文學(xué)的原理和方法分別計算相應(yīng)下墊面的產(chǎn)匯流[8]。

        3.2 重金屬類突發(fā)水污染事件模擬

        太浦河主要重金屬類污染物質(zhì)為銻(Sb),以固態(tài)金屬顆粒及離子形態(tài)分布在水體中。不同于一般的突發(fā)水污染事件,銻一直存在于太浦河中,干流主要斷面平均濃度在1.5~2.6 μg/L[《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)規(guī)定地表水水源銻濃度標(biāo)準(zhǔn)限值為5.0 μg/L],當(dāng)區(qū)域遭遇強降水造成支流污水大量匯入而太浦閘(泵)關(guān)閉無法向下游供清水時,太浦河干流銻濃度極易超標(biāo)。

        重金屬銻的遷移模擬技術(shù)基于平原河網(wǎng)水動力學(xué)模型,對河湖水體中污染物隨空間和時間遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律進(jìn)行數(shù)學(xué)描述(圖1)。模型中污染負(fù)荷模塊是模擬太浦河銻污染物的產(chǎn)生量、入河量、排放位置及空間分布等信息的模塊,作為銻污染模擬模型的前置項,為水質(zhì)模擬提供污染負(fù)荷邊界。銻排放點源的廢污水量、污染物量及排放位置根據(jù)實際調(diào)查資料得到,以取排水形式概化入河網(wǎng)。通過河網(wǎng)水動力學(xué)模型計算河道水位、流量等水文要素,以污染負(fù)荷模塊估算的污染負(fù)荷為源項,依據(jù)質(zhì)量守恒原理,采用物質(zhì)輸移的對流擴散方程,模擬各時段河道內(nèi)銻指標(biāo)的濃度變化。

        圖1 重金屬(銻)突發(fā)水污染事件模擬過程圖Fig.1 Simulation Process of Water Pollution Emergency Event for Heavy Metal (Sb)

        2019年8月9—10日,受第9號臺風(fēng)“利奇馬”影響,太湖流域杭嘉湖地區(qū)遭遇強降雨,太浦河周邊河網(wǎng)水位快速上漲,太浦閘于8月9日16時45分關(guān)閘。8月11日水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果顯示,太浦河干流平望大橋、黎里東大橋斷面銻濃度異常,均達(dá)到5.2 μg/L,超出5.0 μg/L的標(biāo)準(zhǔn)限值。本次研究利用黃浦江上游地區(qū)銻的遷移模擬模型,模擬了太浦河泵站8月12日開啟1臺機組(50 m3/s)應(yīng)急供水后金澤水庫斷面銻濃度變化,預(yù)測峰值約在3.9 μg/L左右,出現(xiàn)時間為8月12日13時左右,金澤水庫自動站監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示銻濃度峰值為4.1 μg/L,出現(xiàn)時間為8月12日8時左右,模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)接近,由圖2可知,銻指標(biāo)的濃度模擬結(jié)果與實測值均較為接近,變化趨勢一致。因此,該模型可應(yīng)用于太浦河銻濃度異常事件的調(diào)度模擬,為保障供水安全提供技術(shù)支撐。

        圖2 太浦河2019年8月中旬金澤水庫斷面銻濃度模擬與實測對比圖Fig.2 Comparison of Simulated and Measured Antimony Concentration in Jinze Reservoir Section of Taipu River in Middle August 2019

        3.3 油類突發(fā)水污染事件模擬

        基于美國ASA公司的OilMap模型[9-10],構(gòu)建了黃浦江上游金澤水源地溢油模擬模型,其核心模塊是溢油軌跡計算,在物質(zhì)平衡的基礎(chǔ)上預(yù)測泄漏的油品在水體表面的運動軌跡。泄漏的油類污染物在模型中由一系列的溢油點代表,溢油點可模擬不同物理化學(xué)屬性的油品泄漏后在水體表面擴展,以及在岸邊線、風(fēng)和水流的多重作用下拉長、分散等現(xiàn)象,其中包括了蒸發(fā)、擴散、進(jìn)入水體、乳化以及吸附等過程。

        詳實的油類污染物類型以及相應(yīng)物理化學(xué)性質(zhì)參數(shù)是開展模擬的必要條件,也是提高溢油模型模擬精度和效率的重要因素。本次研究針對黃浦江上游地區(qū)存儲和運輸?shù)挠推?,開發(fā)建立了包含1 450余種油品以及多項理化關(guān)鍵參數(shù)的油品數(shù)據(jù)庫,包括油品名稱、密度、黏度、表面張力、最大含水率、最小油膜厚度、閃點、沸點及蒸發(fā)常數(shù)等關(guān)鍵參數(shù);同時還兼顧了數(shù)據(jù)庫的可擴展性,可方便地新增油品類型和理化性質(zhì)數(shù)據(jù)。

        圖3 油類突發(fā)水污染事件模擬過程圖Fig.3 Simulation Process of Water Pollution Emergency Event for Oil

        通過調(diào)整太浦閘(泵)的工況,形成太浦河不同工況下的流場數(shù)據(jù),利用油類污染物遷移轉(zhuǎn)化模擬模型,可獲得多工況下的調(diào)度結(jié)果,同時結(jié)合實時水雨情,以最短時間內(nèi)恢復(fù)金澤水庫供水為目的,形成應(yīng)對油類污染物突發(fā)水污染事件的最佳調(diào)度策略。

        3.4 化學(xué)品類突發(fā)水污染事件模擬

        基于美國ASA公司的ChemMap模型[11],構(gòu)建了黃浦江上游金澤水源地化學(xué)品泄漏模擬模型,通過輸入相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)和泄漏化學(xué)品的物理化學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù),考慮化學(xué)品在水體中的蒸發(fā)、溶解、吸附、沉降和降解等過程,模擬其遷移轉(zhuǎn)化過程。

        化學(xué)品類污染物類型以及相應(yīng)物理化學(xué)性質(zhì)參數(shù)是開展模擬的必要條件,本研究針對黃浦江上游地區(qū)存儲和運輸?shù)幕瘜W(xué)品,開發(fā)建立了包含400余種常見化學(xué)品以及多項理化關(guān)鍵參數(shù)的化學(xué)品數(shù)據(jù)庫,包括了化學(xué)文摘號、中英文化學(xué)名、辛醇-水分配系數(shù)、密度、溶解度、在水、空氣和沉積物中的降解速率、最小污染物層厚度等關(guān)鍵參數(shù)。

        圖4 化學(xué)品類突發(fā)水污染事件模擬過程圖Fig.4 Simulation Process of Water Pollution Emergency Event for Chemicals

        通過調(diào)整太浦閘(泵)的工況,形成太浦河不同工況下的流場數(shù)據(jù),利用化學(xué)品污染物遷移轉(zhuǎn)化模擬模型,可獲得多工況下的調(diào)度結(jié)果,同時結(jié)合實時水雨情,以最短時間內(nèi)恢復(fù)金澤水庫供水為目的,形成應(yīng)對化學(xué)品污染物突發(fā)水污染事件的最佳調(diào)度策略。

        4 總結(jié)與展望

        本次研究首次構(gòu)建了金澤水庫所在河道太浦河重金屬、油類、化學(xué)品類突發(fā)水污染事件模擬模型,并與太浦河河網(wǎng)水動力學(xué)模型實現(xiàn)了無縫耦合,創(chuàng)新性地研究提出了平原河網(wǎng)污染事件突發(fā)、發(fā)生地點隨機等特點的聯(lián)合調(diào)控技術(shù),實現(xiàn)了太浦河突發(fā)事件模擬業(yè)務(wù)化、快捷化的突破。該項關(guān)鍵技術(shù)已應(yīng)用于金澤水源水質(zhì)水量監(jiān)測與預(yù)警業(yè)務(wù)化示范平臺,能有效將模型預(yù)報作業(yè)時間由6~8 h縮短至3 h。

        相較于其他成熟的商用軟件,本次構(gòu)建的黃浦江上游地區(qū)突發(fā)水污染事件調(diào)控模型操作流程較為復(fù)雜,后期在提高模擬精度基礎(chǔ)上將進(jìn)一步優(yōu)化人機互動界面,實現(xiàn)程序自動化功能。

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