楊柳俊，丁宏偉，張 云，徐振山，陳永平

（1.江蘇省水文水資源勘測(cè)局南通分局，江蘇 南通 226000；2.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210024）

與常規(guī)水污染事件相比，突發(fā)性水污染事件具有不確定突發(fā)性、影響范圍廣泛性和危害嚴(yán)重性等特點(diǎn)［1］，可能在短時(shí)間內(nèi)造成水源地嚴(yán)重污染。

長江南通河段作為長江江蘇五段河段之一，是《長江中下游干流河道治理規(guī)劃報(bào)告》確定的14個(gè)重點(diǎn)治理河段之一。該區(qū)域上起江陰鵝鼻咀，下至徐六涇，全長96.8 km［2］。受徑流和潮汐雙重作用，南通河段具有河道寬闊彎曲、漢道眾多、水沙動(dòng)力條件復(fù)雜、河道沖淤多變等特點(diǎn)［3］。位于南通河段主槽的狼山水源地和長青沙水源地是江蘇南通地區(qū)最重要的集中式飲用水源地，日供水規(guī)模達(dá)200萬t，承擔(dān)著南通市幾百萬人口的飲用水供給。而長江南通河段上下游沿岸碼頭較多，航運(yùn)發(fā)達(dá)，部分碼頭具有危險(xiǎn)化學(xué)品轉(zhuǎn)運(yùn)資質(zhì)，因此狼山和長青沙兩大水源地始終面臨較大安全風(fēng)險(xiǎn)。近年來上游發(fā)生的幾次重大污染物泄漏事故對(duì)南通地區(qū)水源地供水安全均造成了影響［4］，所以，加強(qiáng)長江南通河段對(duì)突發(fā)性水污染事件的預(yù)警響應(yīng)研究就顯得十分重要。

本文采用Delft3D軟件建立水動(dòng)力-水質(zhì)模型，通過研究不同區(qū)域發(fā)生的突發(fā)性水污染事件對(duì)長青沙和狼山水源地的影響途徑和時(shí)間，選址確定應(yīng)對(duì)突發(fā)性水污染事件的兩大水源地預(yù)警站位置，從而保證事故期間水源地取水口有充足的應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間。

1 突發(fā)水污染事件設(shè)計(jì)

長江南通段潛在的重大突發(fā)性污染源主要來自危險(xiǎn)化學(xué)品的水上運(yùn)輸，其中尤以港口碼頭裝卸作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)最大。長江南通段兩大水源地上下游共有鎮(zhèn)江港、揚(yáng)州港、泰州港、江陰港、靖江港、中興港、九龍港、如皋港、南通港和匯豐港等10個(gè)港口作業(yè)區(qū)。根據(jù)這些港口碼頭裝卸作業(yè)物品以及與水源地距離等情況，選取4處區(qū)域作為代表，設(shè)定作為突發(fā)性水污染源發(fā)生位置。2012年2月在長江鎮(zhèn)江段李長榮化工碼頭發(fā)生苯酚大量泄露事故，期間共計(jì)約46t苯酚排入江中，對(duì)下游的水源地造成了一定程度的影響。本文將該事件污染源強(qiáng)設(shè)定為不同區(qū)域位置的污染源強(qiáng)。

2 水動(dòng)力水質(zhì)模型

2.1 數(shù)學(xué)模型

連續(xù)方程為

運(yùn)動(dòng)方程為

式中：ζ為水位；H為水深；u、v為分別是x、y方向的流速分量；C為謝才系數(shù)；t為時(shí)間；Ax、Ay分別為x、y向流速紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)；g為重力加速度。

污染物擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方程為

式中：P為為污染物濃度；S為源項(xiàng)；Kx、Ky分別是x、y方向的水流紊動(dòng)系數(shù)。

式中，K為降解系數(shù)，根據(jù)EPI Suite軟件查詢，苯酚降解系數(shù)取0.04/d。

2.2 模型計(jì)算范圍

采用Delft3D水動(dòng)力水質(zhì)計(jì)算軟件，建立長江下游大通斷面至外海的水動(dòng)力水質(zhì)數(shù)學(xué)模型。在地形水深設(shè)置上，采用貼體正交曲線網(wǎng)格覆蓋長江地形，網(wǎng)格尺度30～3 000 m。其中南通河段沿河寬網(wǎng)格尺度平均約200 m，擬定為污染源位置的港口碼頭前沿區(qū)域及江面狹窄處網(wǎng)格為50 m，見圖1。

圖1 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分

在邊界處理上，考慮到側(cè)壁邊界對(duì)長江內(nèi)水體運(yùn)動(dòng)影響較小，因此模型的陸地邊界均采用無滑移模式。上游開邊界給定大通站日均實(shí)測(cè)流量，下游開邊界采用東中國海模型，考慮了東中國海八大主要分潮，給定各點(diǎn)的潮位數(shù)據(jù)作為邊界條件，點(diǎn)與點(diǎn)之間插值補(bǔ)充。

在突發(fā)性水污染事件發(fā)生期間，受影響區(qū)域污染物濃度要遠(yuǎn)高于其他區(qū)域，因此模型設(shè)置中將除了泄露點(diǎn)以外的區(qū)域初始濃度均設(shè)置為0。

2.3 模型驗(yàn)證

本文采用2012年、2017年長江評(píng)價(jià)段主要潮位站以及水文測(cè)驗(yàn)站點(diǎn)的流速、流向和相關(guān)潮位對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。驗(yàn)潮站及流速流向測(cè)點(diǎn)位置見圖2。潮位、流速和流向驗(yàn)證情況見圖3～6。

圖2 長江評(píng)價(jià)段潮位、流速、流向驗(yàn)證站點(diǎn)分布

圖3 主要潮位站（徐六徑、江陰）洪、枯季潮位驗(yàn)證

對(duì)比驗(yàn)證的潮位計(jì)算結(jié)果看，潮位驗(yàn)證較好，其潮位誤差平均小于10 cm，誤差在5%以內(nèi)。從流速、流向驗(yàn)證圖上看，實(shí)測(cè)與驗(yàn)證的結(jié)果比較一致，平均流速驗(yàn)證誤差在0.20 m/s以內(nèi)，流向驗(yàn)證誤差在10°以內(nèi)，整體誤差在15%以內(nèi)，符合相關(guān)規(guī)范的要求。

3 水污染物時(shí)空影響分析

枯季發(fā)生的突發(fā)性水污染事件對(duì)水源地的影響更持久，因此典型突發(fā)性事件設(shè)定在枯季、長江不同港口地點(diǎn)突發(fā)苯酚泄露事故，事故源強(qiáng)與水文條件參照2012年2月長江鎮(zhèn)江段李長榮化工碼頭苯酚泄露事故事件。采用模型分別計(jì)算出在長江不同地點(diǎn)泄露的苯酚的時(shí)空分布情況，重點(diǎn)分析對(duì)長江南通段長青沙水源地和狼山水源地的影響途徑和時(shí)間。

根據(jù)長江評(píng)價(jià)段不同區(qū)域碼頭泄露污染物時(shí)空分布分析。表明在枯季小潮期間，如果揚(yáng)州港區(qū)一旦發(fā)生突發(fā)性污染事件，由于距離南通長江水源地較遠(yuǎn)，預(yù)計(jì)96 h左右污染團(tuán)擴(kuò)散遷移到達(dá)長青沙水源地，120 h左右污染團(tuán)擴(kuò)散遷移到達(dá)狼山水源地；位于長青沙水源地上游左岸的靖江港區(qū)碼頭一旦發(fā)生苯酚泄露，則污染團(tuán)不到12 h就可以到達(dá)長青沙水源地，36 h后影響至狼山水源地；位于上游右岸的中興港區(qū)碼頭區(qū)域若發(fā)生苯酚泄漏事故，由于初始污染團(tuán)靠近右岸，只有在漲潮期間，污染團(tuán)才會(huì)影響到長青沙水源地，對(duì)于長青沙水廠取水口的影響較小，而狼山水源地取水口水域受影響明顯，預(yù)計(jì)48 h后污染團(tuán)就到達(dá)狼山水源地；位于瀏河沙水道的九龍港碼頭區(qū)域一旦突發(fā)苯酚泄露，污染團(tuán)在落潮流的作用下被迅速帶往下游，長青沙水源地幾乎未受污染，但狼山水源地受影響較大，預(yù)計(jì)污染團(tuán)24 h就能到達(dá)狼山水廠取水口。

4 預(yù)警站選址

4.1 擬定預(yù)警站位置

圖4 水文測(cè)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)（fz1500）洪季大、小潮期間流速、流向驗(yàn)證

圖5 水文測(cè)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)（tz3200）枯季大、小潮期間流速、流向驗(yàn)證

水源地上下游的預(yù)警監(jiān)測(cè)站必須設(shè)置在污染物遷移必經(jīng)之地，一旦長江發(fā)生突發(fā)性污染事件，通過自動(dòng)采樣或者人工連續(xù)采樣監(jiān)測(cè)能夠及時(shí)捕捉到污染信息。同時(shí)選址不宜過分遠(yuǎn)離岸邊和水源地，盡量設(shè)置于配套設(shè)施完善的港區(qū)附近，一方面便于監(jiān)測(cè)，另一方面也能夠保證預(yù)警信息及時(shí)發(fā)布。

圖6 水文測(cè)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)（天生港、B2）潮位、流速、流向驗(yàn)證

通過模擬長江評(píng)價(jià)段不同位置港區(qū)碼頭泄露污染物后遷移途徑及污染團(tuán)濃度時(shí)空分布情況，確定預(yù)警站擬定位置。其中長青沙水源地上游預(yù)警站設(shè)置于如皋港區(qū)（東經(jīng)120°31′30″，北緯32°4′10″）；下游預(yù)警站設(shè)置于長青沙與橫港沙之間（東經(jīng)120°36′53″，北緯32°0′41″）。狼山水源地上游預(yù)警站設(shè)置于南通港下游附近（東經(jīng)120°48′38″，北緯32°0′27″）；下游預(yù)警站設(shè)置于營船港區(qū)下游（東經(jīng)120°54′54″，北緯31°54′1″）。擬定預(yù)警站位置如圖7所示。

圖7 長江南通河段主要水源地上下游擬定預(yù)警站位置示意

4.2 預(yù)警監(jiān)測(cè)站響應(yīng)時(shí)間分析

水質(zhì)預(yù)警監(jiān)測(cè)站必須能夠在污染物到達(dá)水源地取水口之前及時(shí)檢測(cè)到水質(zhì)異常情況，使水源地管理部門有足夠的時(shí)間執(zhí)行事故應(yīng)急預(yù)案。表1列出了不同徑流條件下擬定預(yù)警監(jiān)測(cè)站對(duì)于上下游10個(gè)港區(qū)潛在突發(fā)污染事件可以給出的預(yù)警時(shí)間。

表1 南通河段水源地上下游預(yù)警站預(yù)警響應(yīng)時(shí)間研究分析

分析比較不同徑流情況下的預(yù)警時(shí)間變化，發(fā)現(xiàn)盡管預(yù)警站預(yù)警時(shí)間總體變化趨勢(shì)是隨著徑流強(qiáng)度的增加而逐步減小，但是受潮汐往復(fù)運(yùn)動(dòng)、水下地形等影響，在大流量條件下仍有較長的預(yù)警時(shí)間。在擬定的4個(gè)預(yù)警站地址開展預(yù)警監(jiān)測(cè)基本上均能給水源地取水口管理部門提供2 h的預(yù)警時(shí)間，說明在擬定地點(diǎn)建設(shè)預(yù)警監(jiān)測(cè)站可以有效提升應(yīng)急管理水平，保障水源地供水安全。

4 結(jié)論

長江南通段主要水源地均處于開放狀態(tài)，存在潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)。為保障供水安全，及時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案應(yīng)對(duì)突發(fā)性水污染事件，在狼山和長青沙水源地上下游建設(shè)水質(zhì)預(yù)警監(jiān)測(cè)站十分必要。

本文依托Delft3D軟件建立的長江南通段水動(dòng)力-水質(zhì)模型，較好地模擬分析了長江評(píng)價(jià)段不同港區(qū)位置突發(fā)典型水污染事件影響情況，在掌握長江評(píng)價(jià)段污染團(tuán)影響時(shí)空分布特點(diǎn)和對(duì)狼山水源地、長青沙水源地的影響途徑及時(shí)間的基礎(chǔ)上，為長江南通段兩大水源地預(yù)警監(jiān)測(cè)站擬定地址。

選址確定建設(shè)的2組水源地上下游水質(zhì)預(yù)警監(jiān)測(cè)站，通過預(yù)警監(jiān)測(cè)能夠?yàn)槿∷芾聿块T提供2h的預(yù)警響應(yīng)時(shí)間，為水源地管理部門應(yīng)急管理決策提供有力支撐。