李亞峰，伍建伯，程 浩

(沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168)

水是人類生產(chǎn)生活過程中的重要物質(zhì)，預(yù)防水源地危險(xiǎn)事件發(fā)生，才能保護(hù)水生態(tài)環(huán)境，保證居民飲水安全。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2012—2017年國內(nèi)突發(fā)性水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)事件共發(fā)生561起[1]。在風(fēng)險(xiǎn)事故中大量有害物質(zhì)進(jìn)入水體，對水環(huán)境影響極大。水庫作為水源保護(hù)地是城市居民飲用水安全的重要保障，同時(shí)更是水環(huán)境安全管理的重要環(huán)節(jié)。賈海峰等[2]假定污染事故，并基于EFDC模型完成情景分析，計(jì)算柴河水庫納污負(fù)荷。楊倩[3]應(yīng)用EFDC模型模擬密云水庫水環(huán)境，并證明應(yīng)用該模型對模擬突發(fā)性水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)事件具有可行性。楊志峰等[4]基于EFDC模型探究丹江口水庫富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)，并對藻類的潛在危害進(jìn)行預(yù)測。J.M. Ahn等[5]根據(jù)EFDC模型模擬韓國城津河受鹽分侵入影響，為生活及生產(chǎn)用水安全提供保障。

筆者以湯河水庫為研究對象，基于EFDC模型建立庫區(qū)水動力水質(zhì)模型，模擬污染物質(zhì)對湯河水庫的影響。以氨氮、總磷作為模擬指標(biāo)，判斷常規(guī)污染物在進(jìn)入水庫區(qū)域后的污染情況。模擬突發(fā)性風(fēng)險(xiǎn)事故造成污染對水庫地區(qū)的影響，預(yù)測污染物質(zhì)擴(kuò)散情況，研究成果可以為湯河水庫發(fā)生污染事故后的應(yīng)急處理提供科學(xué)依據(jù)。

1 湯河水庫水源地概況

湯河水庫是遼寧中部地區(qū)重要的水源地之一，承擔(dān)著遼陽、鞍山兩市120余萬人的供水。水庫總?cè)萘?.23億m3，多年調(diào)節(jié)水量2.46億m3，庫區(qū)面積5 334 hm2，包含取水筑物、大壩、水電站等構(gòu)筑物[6]。湯河水庫入庫河主要包括二道河、下達(dá)河及蘭河。筆者在湯河水庫中共設(shè)置6個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位，分別位于水庫壩前；水庫中心；東、西叉頭及東、西叉頭中部地區(qū)。具體位置如圖1所示。

圖1 湯河水庫地形及監(jiān)測斷面分布圖Fig.1 Topography and monitoring section distribution map of Tanghe Reservoir

2 湯河水庫水環(huán)境模型建立及驗(yàn)證

2.1 湯河水庫網(wǎng)格劃分

水體邊界存在的不規(guī)則邊界會導(dǎo)致劃分的網(wǎng)格時(shí)出現(xiàn)鋸齒網(wǎng)格,影響模擬精度，通常采用坐標(biāo)擬合法將鋸齒網(wǎng)格轉(zhuǎn)化為規(guī)則圖形，提升模擬精度。研究區(qū)域網(wǎng)格劃分的正交性和平滑性也會影響模擬結(jié)果，正常情況下研究區(qū)域網(wǎng)格劃分的節(jié)點(diǎn)夾角余弦值小于0.02，在邊界處可適當(dāng)增加；平滑性受長寬比影響應(yīng)在1～2[7]。

筆者選擇湯河水庫及上游18 km處的3條支流作為研究區(qū)域?；贒elft3D軟件中的Grid模塊對研究區(qū)域進(jìn)行劃分，依據(jù)要求共劃分網(wǎng)格1 771個(gè)(見圖2)，橫向網(wǎng)格分辨率分別為36.0～347.9 m、縱向網(wǎng)格分辨率為24.2～324.8 m，正交性及平滑性較好(見圖3)

圖2 湯河水庫區(qū)域網(wǎng)格劃分Fig.2 Regional grid generation of Tanghe Reservoir

圖3 網(wǎng)格劃分結(jié)果驗(yàn)證Fig.3 Verification of meshing

2.2 水動力模型率定及驗(yàn)證

基于湯河水庫2009～2016年水文資料，設(shè)定湯河水庫水動力模型邊界條件，并設(shè)定初始模擬水位為107.42 m，流速為0 m/s。湯河水庫底部糙率取值為0.025[8-9]。為保障模型穩(wěn)定運(yùn)行， 防止負(fù)水深影響模擬結(jié)果，將時(shí)間步長設(shè)定為5 s。模擬時(shí)間為2009-01-01～2016-12-31，去除統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不足日期共計(jì)2 911 d。為防止初期模擬效果不佳，對模型進(jìn)行預(yù)熱，使其在2009-01-01前保持穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。模擬結(jié)果如圖4所示。

由圖4(a)可知，庫容在水位85～112.5 m時(shí)擬合效果極好，在該范圍外時(shí)有一定誤差，但水文資料顯示湯河水庫水位在模擬期間內(nèi)均低于112.5 m ，且高于85 m，所以擬合效果較好。圖4(b)可知，水位模擬結(jié)果與實(shí)際趨勢相符，且誤差均低于5%，因此證明模型運(yùn)行正常，且模擬效果較好。

圖4 實(shí)際與模擬對比圖Fig.4 Comparison of actual and simulation value

2.3 水質(zhì)模型率定及驗(yàn)證

水質(zhì)模型邊界條件，由于入庫水質(zhì)數(shù)據(jù)缺乏，僅選擇2016年部分?jǐn)?shù)據(jù)作為水質(zhì)條件構(gòu)建水質(zhì)模型。水質(zhì)模型率定及驗(yàn)證的變量包括氨氮及總磷，初始質(zhì)量濃度選擇庫區(qū)年均濃度，預(yù)熱穩(wěn)定后再進(jìn)行模擬，為使得水質(zhì)模擬可以快速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，設(shè)置初始水質(zhì)為庫區(qū)年均濃度?？紤]到水體有自凈功能，總磷及氨氮的降解過程應(yīng)滿足一級動力學(xué)模型[10]。

由于壩前、水庫中部及水庫東、西叉頭中部的監(jiān)測點(diǎn)位的水齡長，且部分?jǐn)?shù)據(jù)短缺的，為保證模擬效果，僅選用西叉頭和東叉頭兩個(gè)距入庫點(diǎn)較近的監(jiān)測點(diǎn)位進(jìn)行水質(zhì)參數(shù)的率定(見圖5)。

圖5 實(shí)測與模擬NH3-N 與TP對比圖Fig.5 Comparison of measured data and simulated value of NH3-N and TP

受檢測條件限制，TP和NH3-N的檢出質(zhì)量濃度分別為0.01 mg/L和0.025 mg/L，檢測結(jié)果較低，誤差較小，因此率定過程應(yīng)以趨勢判斷為主。從圖5可知，預(yù)測結(jié)果與實(shí)際變化趨勢基本相似，確定TP衰減系數(shù)為0.001 d-1，NH3-N的衰減系數(shù)為0.003 d-1，與其他北方水庫研究結(jié)果相似[11]，因此模型模擬結(jié)果可以有效反映實(shí)際水質(zhì)情況。

3 污染物擴(kuò)散及質(zhì)量濃度變化模擬分析

3.1 典型年水質(zhì)狀況模擬分析

水庫地區(qū)水體流速較低，易造成營養(yǎng)物質(zhì)的累積，在富營養(yǎng)化方面，筆者主要模擬水庫進(jìn)水過程中氮磷超標(biāo)情況。由于二道河和下達(dá)河是直接入庫，當(dāng)入庫水質(zhì)發(fā)生污染時(shí)難以防控；蘭河是由隧道引入湯河水庫，可通過關(guān)閉隧道控制污染。所以筆者僅模擬二道河和下達(dá)河在最不利條件下的豐水年、平水年及枯水年TP和NH3-N的質(zhì)量濃度變化。

模型設(shè)置流量邊界為各典型年的平均流量，水質(zhì)邊界設(shè)為典型年最不利TP和NH3-N的質(zhì)量濃度。具體模型邊界條件如表1所示。

采用表1的邊界條件，模擬TP和NH3-N的在不同典型年下的質(zhì)量濃度變化情況，模擬時(shí)長設(shè)為6個(gè)月，模擬結(jié)果如圖6所示。

表1 入庫河流邊界條件Table 1 Boundary conditions of inflow river

從圖6可以看出，TP和NH3-N經(jīng)6個(gè)月的擴(kuò)散后豐水年所受影響最大，出水口處TP質(zhì)量濃度為0.12 mg/L、NH3-N質(zhì)量濃度為0.59 mg/L，超過Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。平水年東部庫區(qū)受到污染影響，TP和NH3-N超標(biāo)水質(zhì)距離水庫出水口分別為1 700 m和3 850 m?？菟暧绊戄^小，但依舊超過Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，TP和NH3-N超標(biāo)水質(zhì)離水庫出水口分別為6 960 m和7 600 m。

圖6 典型年NH3-N和TP質(zhì)量濃度分布圖Fig.6 The concentration of NH3-N and TP in typical years

由此看出，當(dāng)入庫水受到污染時(shí)，水質(zhì)超標(biāo)問題會較長一段時(shí)間存在于水庫中，同時(shí)豐水年受影響最大，為避免污染物質(zhì)超標(biāo)影響出庫水質(zhì)，需要及時(shí)控制污染物質(zhì)擴(kuò)散，降低污染物質(zhì)影響。

3.2 突發(fā)風(fēng)險(xiǎn)事故影響

豐水年受到影響最大，因此當(dāng)在豐水年時(shí)發(fā)生突發(fā)性風(fēng)險(xiǎn)事故時(shí)造成的影響也會隨之增強(qiáng)，所以筆者將豐水年條件作為最不利條件，模擬突發(fā)性交通事故造成的影響。以S316草鞍線公路通過下達(dá)河及二道河兩入庫支流的橋梁作為事故發(fā)生地，具體地點(diǎn)如圖7所示。

圖7 突發(fā)性水污染事故點(diǎn)位圖Fig.7 The map of sudden water pollution accident points

設(shè)定污染物質(zhì)為10 t保守污染物，入庫流量設(shè)為2 m3/s，污染物質(zhì)量濃度設(shè)置為100 mg/L，泄漏持續(xù)2 h?；谠O(shè)置后的EFDC模型模擬事故發(fā)生后的污染擴(kuò)散情況見圖8。

從圖8可以看出，事故發(fā)生初期，物質(zhì)擴(kuò)散速度較快，在2 d后遷移速度逐漸下降，5 d后污染物遷移600 m，當(dāng)突發(fā)性風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生94 d時(shí)，污染物擴(kuò)散至出水口，并對水質(zhì)影響持續(xù)360 d左右，但出庫水質(zhì)最高污染質(zhì)量濃度低于0.000 3 mg/L。因此應(yīng)在事故發(fā)生后的5 d內(nèi)及時(shí)處理污染物質(zhì)造成的影響，并在94 d內(nèi)徹底處理水體中的污染物質(zhì)，避免對城市供水產(chǎn)生影響。

圖8 特征污染物遷移過程Fig.8 Migration process of characteristic pollutants

4 結(jié) 論

(1)建立EFDC模型模擬湯河水庫的水環(huán)境，并對污染物質(zhì)擴(kuò)散情況進(jìn)行模擬。采用2009～2016年水文數(shù)據(jù)對水動力模型進(jìn)行驗(yàn)證。基于2016年水質(zhì)數(shù)據(jù)對水質(zhì)動力模型進(jìn)行模擬驗(yàn)證，EFDC模型可有效模擬湯河水庫的環(huán)境狀態(tài)。

(2)對TP和NH3-N擴(kuò)散情況進(jìn)行6個(gè)月模擬，實(shí)測值與模擬值趨勢相近。豐水年對出水水質(zhì)影響較大，會造成出庫水水質(zhì)超過地表水Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)；枯水年對出水水質(zhì)影響較小，6個(gè)月后TP和NH3-N超標(biāo)水質(zhì)距離水庫出水口分別為6 960 m和7 600 m；平水年6個(gè)月后TP和NH3-N超標(biāo)水質(zhì)距離水庫出水口分別為1 700 m和3 850 m。

(3)模擬湯河水庫豐水年突發(fā)性風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生后造成污染物質(zhì)泄漏，預(yù)測污染物質(zhì)在水庫中的擴(kuò)散，定量給出出水口受污染的時(shí)間。事故發(fā)生0.25 d污染物擴(kuò)散極快，在2 d后遷移速度逐漸下降，5 d后污染物遷移600 m，當(dāng)突發(fā)性風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生94 d時(shí)，擴(kuò)散至水庫出水口，但最高污染物質(zhì)量濃度低于0.000 3 mg/L。