陳鈺林，李家樂(lè)，姚 燁，陳宏景，黃智剛，許仁星

(1.福州市水務(wù)投資發(fā)展有限公司，福建 福州 350001；2.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350；3.福州水務(wù)平潭引水開(kāi)發(fā)有限公司，福建 福州 350001；4.福州城建設(shè)計(jì)研究院有限公司，福建 福州 350001)

0 引 言

目前，我國(guó)對(duì)水源地風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究主要集中在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法[6-9]以及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)[10-11]上，但在精準(zhǔn)辨識(shí)風(fēng)險(xiǎn)因子基礎(chǔ)上，利用平面二維模型進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并根據(jù)研究結(jié)果提出應(yīng)急策略的研究較少。為此，本文根據(jù)水源地踏勘調(diào)研資料，通過(guò)專家分析法開(kāi)展污染因子調(diào)查，采用風(fēng)險(xiǎn)矩陣LS法對(duì)污染因子進(jìn)行評(píng)價(jià)，然后建立平面二維水動(dòng)力水質(zhì)模型對(duì)突發(fā)水污染事件進(jìn)行評(píng)估，以期為閩江竹岐補(bǔ)水水源地的安全運(yùn)行與安全管理提供方法和思路，為水源地污染評(píng)價(jià)體系建立和污染預(yù)防措施制定提供參考依據(jù)。

1 風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別及評(píng)價(jià)

1.1 風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別步驟

閩江竹岐水源的風(fēng)險(xiǎn)源辨識(shí)從以下幾個(gè)方面開(kāi)展：①查閱文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合實(shí)地調(diào)研，按照污染來(lái)源對(duì)閩江竹岐泵站范圍內(nèi)的周邊生產(chǎn)、生活和交通運(yùn)輸?shù)耐话l(fā)污染風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析并概化。②固定源風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查。對(duì)流域內(nèi)生產(chǎn)單位的生產(chǎn)工藝、廠區(qū)儲(chǔ)運(yùn)、危險(xiǎn)化學(xué)品管理、廢水收集、處理、排放等重點(diǎn)環(huán)節(jié)的事故隱患情況逐一排查。③流動(dòng)源風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查。調(diào)查內(nèi)容包括通過(guò)公路、鐵路、水路運(yùn)輸可能影響水源地的危險(xiǎn)化學(xué)品和危險(xiǎn)廢物等的種類(lèi)和數(shù)量，沿線已采取的污染防控措施情況。污染風(fēng)險(xiǎn)源定位見(jiàn)圖1。

圖1 污染風(fēng)險(xiǎn)源定位

1.2 風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別結(jié)果

閩江流域近年偶發(fā)水質(zhì)污染突發(fā)事件，結(jié)合實(shí)地調(diào)研及有關(guān)部門(mén)內(nèi)部統(tǒng)計(jì)，采用專家分析法開(kāi)展污染源識(shí)別和評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果為閩江上游入流污染物(突發(fā))、沿線生活污染源(排口污染物)等級(jí)較高。為進(jìn)一步定量評(píng)估，擬建立二維水動(dòng)力水質(zhì)模型進(jìn)行數(shù)值仿真分析。

2 二維水動(dòng)力水質(zhì)模型建立及工況設(shè)定

2.1 水動(dòng)力水質(zhì)模型

2.1.1 模型建立

本文參考2005年實(shí)測(cè)水底高程資料，模擬總時(shí)長(zhǎng)為100 h，渦粘系數(shù)為0.28，建立了閩江竹岐段(水口水電站至文山里約55 km的河段)的河道模型，閩江竹岐網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2。網(wǎng)格模型數(shù)9 415個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)5 297個(gè)，采用2020年5月7日12∶00～5月8日12∶00，間隔1 h的閩江竹岐潮位數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果見(jiàn)圖3。依據(jù)實(shí)測(cè)竹岐、候官2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的潮位過(guò)程、水質(zhì)過(guò)程對(duì)該模型進(jìn)行率定和驗(yàn)證，根據(jù)平均絕對(duì)誤差(MAE)和均方根誤差(RMSE)進(jìn)行誤差判定。各水質(zhì)指標(biāo)率定結(jié)果見(jiàn)圖4。結(jié)果顯示，該模型率定誤差較小，可用于水質(zhì)計(jì)算。

圖2 閩江竹岐網(wǎng)格劃分

圖3 閩江竹岐潮位驗(yàn)證

圖4 閩江竹岐水質(zhì)率定結(jié)果

2.1.2 邊界條件

為使模型更加接近閩江竹岐實(shí)際水動(dòng)力情況，通過(guò)實(shí)際測(cè)定下游邊界侯官泵站的水位條件(監(jiān)測(cè)時(shí)間為2 d，監(jiān)測(cè)頻率為1 h/次)作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，將其進(jìn)行數(shù)據(jù)前處理后作為模型下游邊界的邊界條件。根據(jù)閩江竹岐流域竹岐水文測(cè)站測(cè)定的逐年月平均流量成果，選取竹岐流域各年平均流量作為入流邊界條件。同時(shí)，通過(guò)對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可得，下游邊界處受到閩江潮水回溯作用影響，水位呈現(xiàn)較為明顯的周期性變化。

2.2 工況設(shè)定

根據(jù)實(shí)測(cè)調(diào)研及相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)分析，針對(duì)3個(gè)不同風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，選取特枯年、平水年、豐水年3種典型代表年作為來(lái)流條件，選定污染程度為輕度污染、中度污染、重度污染3種類(lèi)別，參考GB 8978——1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》、GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》、實(shí)地調(diào)研確定輸入污染。點(diǎn)源污染日排放量設(shè)定見(jiàn)表1。排放時(shí)間設(shè)定7 d和30 d，共54種工況。工況設(shè)定見(jiàn)表2。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂缍葹?.6 m+2.6 m，主梁選用鋁合金材料，箱型截面，分節(jié)段栓接而成；主塔選用I字鋼，杠桿加載系統(tǒng)由門(mén)架、杠桿組織和過(guò)梁系統(tǒng)三部分組成。斜拉索全橋共9組，每組4根，共計(jì)36根，選用高強(qiáng)鋼絲。試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。

表1 點(diǎn)源污染日排放量設(shè)定 t/d

表2 工況設(shè)定

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 典型工況結(jié)果輸移特征

以特枯期閩江來(lái)流輸入7 d輕度污染水體工況為例進(jìn)行展示，氨氮空間變化過(guò)程見(jiàn)圖5。從圖5可以看出氨氮輸移基本特征如下：

圖5 氨氮空間變化過(guò)程

(1)時(shí)間特征。污染事件發(fā)生后，閩江竹岐取水口處氨氮濃度逐漸開(kāi)始上升。污染事件發(fā)生后，185 h取水口達(dá)到峰值濃度1.30 mg/L后，由于受到潮汐作用，開(kāi)始在1.26～1.30 mg/L之間周期性波動(dòng)；396 h開(kāi)始遞減，在1.25～1.28 mg/L之間周期性波動(dòng)；污染事件發(fā)生2個(gè)月后，仍在此區(qū)間內(nèi)周期波動(dòng)。

(2)流速特征。取水口處流速能達(dá)到-0.4～0.3 m/s。整體來(lái)看，中部及下游部分流速較上游快，上游部分流速約0.02 m/s，下游部分流速為0.3～0.4 m/s。

(3)污染物整體分布特征。因水體中初始含有一定氨氮，當(dāng)含有氨氮水體匯入水庫(kù)中時(shí)，由于水庫(kù)流速較緩，導(dǎo)致取水口附近氨氮大量聚集，率先達(dá)到較高濃度，上游來(lái)流輸入氨氮濃度相對(duì)水庫(kù)中氨氮濃度較低，在空間上呈現(xiàn)分布不均的現(xiàn)象?？傮w分布特征為上游水口電站氨氮濃度低、下游取水泵站及文山里氨氮濃度高，又因受到潮汐作用，文山里的氨氮濃度隨時(shí)間周期性波動(dòng)。在潮汐的影響下，污染事件發(fā)生2個(gè)月后，水庫(kù)中氨氮濃度仍高于III類(lèi)水指標(biāo)限值。

(4)取、輸水口處污染物分布特征。總體來(lái)看，取水口附近氨氮濃度分布比較均勻。污染輸入開(kāi)始后，水庫(kù)中氨氮濃度逐漸提升，185 h后取水口氨氮達(dá)到峰值1.30 mg/L；396 h開(kāi)始遞減，在1.25～1.28 mg/L周期性波動(dòng)，沿河岸兩側(cè)橫向分布均勻，沿流向方向其縱向分布呈現(xiàn)階梯分布趨勢(shì)。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析

各工況氨氮濃度特征值對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可知，取水口氨氮濃度受來(lái)流量、排放時(shí)間、污染程度3個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素的影響。

表3 各工況氨氮濃度特征值對(duì)比結(jié)果

(1)峰值時(shí)間。相較于不同排放時(shí)間及不同污染程度，不同來(lái)流量對(duì)峰值時(shí)間影響較大。隨著來(lái)流量的增加，峰值出現(xiàn)時(shí)間逐漸提前，表明來(lái)流量越大，水體置換速率越快，相同污染程度輸入條件下，取水口處氨氮能更快達(dá)到峰值；長(zhǎng)期排放、短期排放與峰值濃度出現(xiàn)時(shí)間無(wú)關(guān)，不同污染程度對(duì)峰值時(shí)間影響較小。

(2)峰值濃度。不同來(lái)流量對(duì)取水口氨氮峰值濃度的影響較大。隨著來(lái)流量的增加，取水口氨氮峰值濃度趨于降低；排放時(shí)間對(duì)取水口峰值濃度的影響較小，短期排放(7 d)和長(zhǎng)期排放(30 d)相比，取水口濃度變化不大；不同污染程度對(duì)取水口峰值濃度影響較大，排放污水污染等級(jí)越高對(duì)取水口影響越大，取水口峰值濃度越高。

(3)波動(dòng)范圍。通過(guò)對(duì)所示結(jié)果對(duì)比分析可知，排放時(shí)間與污染程度對(duì)于2個(gè)月后取水口氨氮濃度的波動(dòng)范圍影響不大；來(lái)流量對(duì)穩(wěn)定波動(dòng)范圍影響較大，隨著來(lái)流量的增加，取水口氨氮濃度值波動(dòng)幅度變化不大，波動(dòng)范圍逐漸減小。結(jié)果表明，來(lái)流量增加能加速水體置換速率，減少區(qū)域內(nèi)氨氮聚集，有利于減小取水口處氨氮濃度的波動(dòng)范圍。

各工況模型計(jì)算結(jié)果及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估見(jiàn)圖6。從圖6可以看出，隨著來(lái)流量的增加，峰值時(shí)間逐漸提前，峰值逐漸降低，波動(dòng)范圍逐漸降低；隨著排放時(shí)間的增加，對(duì)各個(gè)特征值的影響并不顯著；隨著輸入污染程度的增加，峰值時(shí)間略有增加，峰值逐漸增大，波動(dòng)范圍幾乎不變；不同排污地點(diǎn)對(duì)各特征值影響顯著，越靠近排污口發(fā)生排污事件的影響程度越大。白沙鎮(zhèn)排口突發(fā)水污染排放時(shí)，取水口污染物峰值時(shí)間出現(xiàn)最早，閩江來(lái)流突發(fā)水污染排放時(shí)，取水口污染物峰值濃度較高；水質(zhì)指標(biāo)方面，取水口處總磷最容易超過(guò)高風(fēng)險(xiǎn)限值；CODMn均在低風(fēng)險(xiǎn)限值以下；氨氮在特枯年、污染程度輸入較高的情況下也會(huì)出現(xiàn)高風(fēng)險(xiǎn)，在運(yùn)行管理過(guò)程中需引起重視。

圖6 各工況模型計(jì)算結(jié)果及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

4 應(yīng)急調(diào)控措施

參考GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，結(jié)合取水口氨氮、總磷和CODMn峰值濃度，對(duì)各工況進(jìn)行突發(fā)水污染事件風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分，并制定污染應(yīng)急調(diào)控標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表4。按照表4所述，在各污染工況下，取污染程度最高的水質(zhì)指標(biāo)確定該工況最終風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分結(jié)果。詳細(xì)應(yīng)急調(diào)控步驟如下：

表4 污染應(yīng)急調(diào)控標(biāo)準(zhǔn)

(1)得知發(fā)生突發(fā)水污染事件后，迅速到達(dá)污染現(xiàn)場(chǎng)，在控制污染源繼續(xù)釋放的同時(shí)，確定污染源位置，測(cè)量污染源濃度和污染擴(kuò)散范圍，估算已發(fā)生時(shí)間，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況判定污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，形成應(yīng)急調(diào)控預(yù)案。污染物濃度風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)若為低風(fēng)險(xiǎn)，視情況選取應(yīng)急調(diào)控措施并正常輸水；風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為中、高風(fēng)險(xiǎn)則需閉閘調(diào)控，必要時(shí)采取局部處理措施。

(2)結(jié)合應(yīng)急調(diào)控預(yù)案，預(yù)估污染事件發(fā)生趨勢(shì)，確定污染峰值濃度和對(duì)應(yīng)的預(yù)警時(shí)間；然后通過(guò)綜合考慮風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)及預(yù)警時(shí)間，確定污染事件的緊迫性及及時(shí)處理的可能性；閉閘調(diào)控時(shí)，考慮水庫(kù)實(shí)際情況，對(duì)泵站取水口進(jìn)行調(diào)控。確定污染源位置、各水質(zhì)指標(biāo)峰值時(shí)間、峰值濃度及其在潮汐作用下最終的波動(dòng)范圍，根據(jù)調(diào)控目標(biāo)對(duì)泵站取水口進(jìn)行調(diào)控。

(3)根據(jù)處置后的水質(zhì)是否達(dá)標(biāo)考慮是否啟閘。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)專家分析法，對(duì)閩江流域竹岐段水源地可能存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)，采用矩陣LS法對(duì)辨識(shí)結(jié)果進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估，建立平面二維水質(zhì)水動(dòng)力模型，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高的竹岐水源地突發(fā)水環(huán)境污染進(jìn)行結(jié)果預(yù)測(cè)和分析，得出以下結(jié)論：

(1)相較于不同排放時(shí)間及不同污染程度，不同來(lái)流量對(duì)峰值時(shí)間、峰值濃度、波動(dòng)范圍影響較大。隨著來(lái)流量的增加，峰值出現(xiàn)時(shí)間逐漸提前，最早為58 h；不同來(lái)流量對(duì)取水口氨氮峰值濃度的影響較大，最高為1.40 mg/L；來(lái)流量的增加能加速水體置換速率，減少區(qū)域內(nèi)氨氮聚集，有利于減小取水口處氨氮濃度的波動(dòng)幅值，最小為0.01 mg/L。

(2)排口位置對(duì)取水口影響顯著。白沙鎮(zhèn)排口水污染排放時(shí)，取水口峰值時(shí)間出現(xiàn)最早，相應(yīng)預(yù)警時(shí)間最少；相同條件下，閩江來(lái)流突發(fā)水污染排放，取水口峰值濃度較高。此2種情況應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注。在潮汐作用下，西海岸排口對(duì)取水口會(huì)造成一定影響。

針對(duì)閩江竹岐水源地突發(fā)水污染事件，需結(jié)合應(yīng)急調(diào)控預(yù)案預(yù)估污染事件發(fā)生趨勢(shì)、確定污染事件造成峰值濃度、允許采取措施的預(yù)警時(shí)間及其在潮汐作用下最終的波動(dòng)范圍，綜合考慮風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)及預(yù)警時(shí)間確定污染事件的緊迫性及及時(shí)處理的可能性，根據(jù)調(diào)控目標(biāo)對(duì)泵站取水口進(jìn)行調(diào)控，及時(shí)有效地處理水源地突發(fā)水污染事件。