賀翠玲,郭 英,蔡丹丹,劉少斌,李國(guó)棟*

(1.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西 西安 710065;2.西安理工大學(xué)西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710048;3.陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安 710048)

隨著城市持續(xù)擴(kuò)張、工業(yè)不斷發(fā)展,導(dǎo)致突發(fā)水污染事故頻繁發(fā)生,嚴(yán)重影響著生態(tài)環(huán)境安全與人們的生命安全,如2005年北江鎘污染事故、2006年湖南岳陽(yáng)砷污染事件、2013年云南的東川小江水體污染事故等等[1]。為避免突發(fā)水污染事故帶來(lái)的嚴(yán)重后果,為防止水污染危險(xiǎn)擴(kuò)大,需要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)突發(fā)水污染事故爆發(fā)后有機(jī)物在水體中的時(shí)空分布,傳統(tǒng)物理模型方法過(guò)程繁瑣、耗時(shí)耗力,而數(shù)值模擬方法恰好相反且具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能。因此,采用不同數(shù)值模擬方法[2-6]對(duì)突發(fā)性水污染事故進(jìn)行模擬成為國(guó)內(nèi)外各機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)。目前,用于模擬河流、湖泊、水庫(kù)等水質(zhì)問(wèn)題的模型有EFDC、WASP、SMS、MIKE、SWAT等[7],其中,由丹麥水力研究所開(kāi)發(fā)的MIKE系列軟件,在國(guó)際上得到廣泛應(yīng)用并且在工程中得到很好的驗(yàn)證[8],MIKE11一維水動(dòng)力能夠自適應(yīng)河道內(nèi)在時(shí)間和空間水流條件的數(shù)值計(jì)算方案,很好地描述河流的各種水流環(huán)境[9]。而ECO lab水質(zhì)模型充分考慮了有機(jī)物進(jìn)入水體后在擴(kuò)散衰減的同時(shí)發(fā)生降解、懸浮、沉降等過(guò)程,創(chuàng)造一個(gè)與實(shí)際水體相似的水環(huán)境模型,更準(zhǔn)確地模擬水質(zhì)問(wèn)題。

東莊水庫(kù)是陜西省涇河流域上一座在建的大(1)型水利樞紐工程,主要以防洪減淤為主,兼顧供水、發(fā)電及改善生態(tài)等功能。其兩岸分布有大量的城鎮(zhèn)、居民以及工業(yè)企業(yè),庫(kù)區(qū)水質(zhì)的質(zhì)量對(duì)居民的生產(chǎn)生活影響較大。目前,由于東莊水庫(kù)正在建設(shè)中,已有關(guān)于東莊水庫(kù)的研究多針對(duì)預(yù)測(cè)其對(duì)生態(tài)、供水、防洪減淤的影響[10-12],針對(duì)東莊水庫(kù)突發(fā)水污染事故分析很少。因此,對(duì)東莊水庫(kù)的突發(fā)性水污染事故進(jìn)行模擬研究具有非常重要的價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

本研究以MIKE軟件一維水動(dòng)力模型為基礎(chǔ)耦合ECO lab水質(zhì)模型,建立了東莊水庫(kù)突發(fā)水污染事故預(yù)警模型,研究有機(jī)物濃度隨時(shí)間的衰減擴(kuò)散過(guò)程,分析不同情景下有機(jī)物的時(shí)空分布規(guī)律,為東莊水庫(kù)突發(fā)水污染事故應(yīng)急調(diào)控策略及方案的制定提供一定的理論支撐與數(shù)據(jù)參考。

1 研究區(qū)域概況

東莊水利樞紐工程位于涇河流域干流最后一個(gè)峽谷段出口(張家山水文站)以上29 km,見(jiàn)圖1。東莊水庫(kù)總庫(kù)容30.1億m3,庫(kù)水位高程650～780 m,長(zhǎng)期調(diào)蓄庫(kù)容10億m3,壩址控制流域面積4.31萬(wàn)km2,占涇河流域面積的95%,是陜西關(guān)中地區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城鄉(xiāng)生活重要水源。東莊水庫(kù)為145萬(wàn)畝涇惠灌區(qū)提供農(nóng)業(yè)供水量4.34億m3,灌溉保證率由40%提高到60%以上,為西咸新區(qū)(涇河、秦漢、空港新城)、銅川新區(qū)、富平縣城及工業(yè)園區(qū)和三原縣城等工業(yè)及城鎮(zhèn)生活供水1.44億m3,保證率可達(dá)95%。由此可知,東莊水庫(kù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和工業(yè)及城鄉(xiāng)供水方面發(fā)揮著重要作用,有利于關(guān)中經(jīng)濟(jì)區(qū)及渭北“旱腰帶”經(jīng)濟(jì)大發(fā)展。

圖1 東莊水庫(kù)地理位置

2 研究方法

2.1 MIKE11模型基本原理

MIKE11水動(dòng)力模型是以一維恒定圣維南方程為控制方程,模擬水流的水動(dòng)力要素,一維恒定圣維南方程的表達(dá)式[13]為:

(1)

(2)

2.2 ECO lab模型基本原理

ECO lab模型中的每一個(gè)狀態(tài)變量都有一個(gè)相對(duì)應(yīng)的微分方程描述其發(fā)生的過(guò)程,過(guò)程微分方程的通式[13]為:

(3)

式中c——狀態(tài)變量的濃度;n——狀態(tài)涉及的過(guò)程數(shù);processi——狀態(tài)的過(guò)程。

對(duì)流擴(kuò)散方程為:

(4)

ECO lab模型與一維對(duì)流擴(kuò)散模型耦合后的水質(zhì)傳輸方程為:

(5)

式中Dχ——χ方向擴(kuò)散系數(shù);Sc——源匯項(xiàng);Pc——ECO lab水質(zhì)模型中的過(guò)程表達(dá)式。

2.3 模型構(gòu)建

2.3.1一維水動(dòng)力模型構(gòu)建

將東莊水庫(kù)的 CAD 地形圖處理后,得到東莊水庫(kù)的河道走勢(shì)圖,導(dǎo)入MIKE11中,定義河網(wǎng)名稱、走向和連接關(guān)系及河道長(zhǎng)度信息,得到東莊水庫(kù)河網(wǎng)文件,東莊水庫(kù)河段總長(zhǎng)度為99.7 km,見(jiàn)圖2。通過(guò)ArcGIS軟件自帶斷面提取功能處理得到東莊水庫(kù)的橫斷面數(shù)據(jù)資料,在斷面截取時(shí),平均1 km截取一個(gè)斷面,在河道彎曲程度較大處,橫斷面進(jìn)行局部加密。包括進(jìn)口和出口斷面共截取94個(gè)斷面,見(jiàn)圖3—5。由于東莊水庫(kù)還未建成,具體實(shí)測(cè)資料無(wú)法獲得,根據(jù)建庫(kù)前水深資料,修正后得到河道糙率n=0.025[14]。在保證水庫(kù)正常蓄水位的條件下,設(shè)置上下游邊界條件,即月平均徑流量作為上游進(jìn)口邊界條件,月平均下游水位為下游出口邊界條件。

圖2 一維水動(dòng)力模型河網(wǎng)

圖3 典型斷面(壩址上游1 km處)

圖4 典型斷面(壩址上游33 km處)

圖5 典型斷面(壩址上游65 km處)

2.3.2ECO lab水質(zhì)模型構(gòu)建

突發(fā)水污染事故中的主要有機(jī)物類型有化學(xué)需氧量(CODMn)、氨氮、總磷、總氮等,通過(guò)對(duì)東莊水庫(kù)污染源的調(diào)查,將污染源所產(chǎn)生的有機(jī)物種類和排放量進(jìn)行整理、分析,結(jié)果表明化學(xué)需氧量(CODMn)是排放量最大的有機(jī)物,一年排放量為30 258.24 t。因此本研究以化學(xué)需氧量(CODMn)為例,在對(duì)流擴(kuò)散方程的基礎(chǔ)上,計(jì)算ECO lab水質(zhì)模型中Pc的對(duì)流擴(kuò)散過(guò)程表達(dá)式。

ECO lab水質(zhì)模塊中CODMn的質(zhì)量守恒式[15]為:

(6)

(7)

CODMn沉降:Sedimentation=ks·CODMns/H

(8)

CODMn再懸浮:

Resuspension=S1·CODMnb/H

(9)

式中k3——20 ℃下CODMn降解速率;θ3——CODMn降解溫度系數(shù);T——任意溫度;DO——溶解氧含量;HS_CODMn——CODMn降解半飽和氧濃度;ks——CODMns沉降速率;CODMns——懸浮性CODMn;H——水深;S1——CODMnb再懸浮速率;CODMnb——沉降CODMn。

根據(jù)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展及陜西省污染治理相關(guān)規(guī)劃,至2030年工程運(yùn)行時(shí),涇河陜西段河道水質(zhì)應(yīng)滿足相應(yīng)水功能區(qū)水質(zhì)要求(Ⅲ類)。故各有機(jī)物的初始濃度(即本底濃度)設(shè)置為Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)上限值,即CODMn初始濃度為6 mg/L。由于東莊水庫(kù)還未建成,無(wú)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),東莊水庫(kù)擴(kuò)散系數(shù)根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)取值D=15 m2/s[13],CODMn降解系數(shù)通過(guò)參考同類型水庫(kù)文獻(xiàn)[8]實(shí)驗(yàn)可得0.000 625/h。預(yù)測(cè)入庫(kù)水質(zhì)按照Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)上限值作為上游恒定水質(zhì)邊界。下游的水質(zhì)邊界設(shè)置為open transport,即下游水質(zhì)邊界條件由上游水質(zhì)運(yùn)輸確定。

3 情景設(shè)置

東莊水庫(kù)周圍存在彬縣、旬邑縣、永壽縣、禮泉縣、淳化縣,具體位置見(jiàn)圖6。

圖6 排污口位置

縣城中存在許多工業(yè)企業(yè)以及高速公路,增加了突發(fā)事件發(fā)生的可能性,比如工業(yè)企業(yè)發(fā)生突發(fā)事件導(dǎo)致超標(biāo)的污水泄漏或者發(fā)生交通事故導(dǎo)致滿載?；返钠嚨羧霂?kù)區(qū)。因此,對(duì)比分析東莊水庫(kù)各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源,由于旬邑縣周邊分布大量的工業(yè)企業(yè)且CODMn排放量達(dá)到18 630.89 t/a,故將旬邑縣作為突發(fā)水污染事故發(fā)生點(diǎn),其他四縣均按常規(guī)排放。由于東莊水庫(kù)還未建成,有機(jī)物排放數(shù)據(jù)來(lái)源于2014年陜西省污染源普查數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)表明水庫(kù)污染因子有總氮、總磷、CODMn等,由于CODMn是排放最多的有機(jī)物,所以本研究以CODMn為研究對(duì)象,設(shè)置4種不同情景,具體情景見(jiàn)表1。根據(jù)上游來(lái)流量(豐水期為176.6 m3/s、枯水期為16.1 m3/s),有機(jī)物排放流量(突發(fā)水污染事故排放的有機(jī)物流量一般較小)、排放時(shí)間的不同,研究4種不同情景下有機(jī)物爆發(fā)后在水庫(kù)庫(kù)區(qū)中的時(shí)空分布規(guī)律及濃度變化特征。

表1 CODMn突發(fā)水污染情景設(shè)置

4 結(jié)果分析

4.1 情景一結(jié)果分析

化學(xué)需氧量CODMn濃度變化見(jiàn)圖7、8,其濃度沿程出現(xiàn)了正弦波衰減規(guī)律,隨著時(shí)間的推移峰值濃度出現(xiàn)的位置向下游移動(dòng),數(shù)值沿程不斷衰減。有機(jī)物在向下游傳播過(guò)程中有機(jī)物濃度逐漸衰減,由圖8可知前13.5 km有機(jī)物峰值濃度較大,沿程下降幅度較小,峰值濃度為10.7～11.9 mg/L;在距離事故發(fā)生地14 km處,CODMn峰值濃度呈現(xiàn)直線下降趨勢(shì),傳播到下游15 km處時(shí)衰減至8.8 mg/L,用時(shí)11.8 h,該斷面達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)所需時(shí)間為11.2 h,消減了26.1%,下文中影響時(shí)間代表該斷面達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)上限值所需時(shí)間;至17.5 km處,濃度為7.6 mg/L,用時(shí)19.7 h,消減了36.1%;直至下游28 km處峰值濃度衰減至6.1 mg/L,消減了48.7%,但此時(shí)有機(jī)物濃度接近CODMnⅢ類水標(biāo)準(zhǔn)上限值6 mg/L。

圖7 事故發(fā)生后不同位置CODMn濃度隨時(shí)間的變化曲線

圖8 事故發(fā)生后CODMn峰值濃度包絡(luò)線

4.2 情景二結(jié)果分析

由圖10可得,情景一與情景二有機(jī)物峰值濃度包絡(luò)線規(guī)律相同。事故發(fā)生后,前13.5 km有機(jī)物峰值濃度均較大,下降幅度較小,峰值范圍為8.4～8.9 mg/L,13.5 km之后有機(jī)物濃度呈現(xiàn)直線下降趨勢(shì)。由圖9可見(jiàn),相比于情景一,情景二的不同之處在于有機(jī)物排放量減半。因此情景二中的有機(jī)物隨時(shí)間的分布規(guī)律與情景一相同,僅數(shù)值不同。CODMn濃度峰值出現(xiàn)的位置隨著時(shí)間的推移往下游推移,CODMn濃度峰值隨著時(shí)間的推移呈現(xiàn)不斷衰減狀態(tài)。距離事故發(fā)生地5 km處,CODMn最大峰值濃度由情景一的11.9 mg/L減小到8.9 mg/L;距事故發(fā)生點(diǎn)15 km處衰減至7.4 mg/L,消減16.9%,用時(shí)11.8 h,影響時(shí)長(zhǎng)11.2 h;距事故發(fā)生點(diǎn)17.5 km時(shí),衰減至6.7 mg/L,消減24.7%,用時(shí)21.5 h,影響時(shí)長(zhǎng)16.2 h。

圖9 事故發(fā)生后不同位置CODMn濃度隨時(shí)間的變化曲線

圖10 事故發(fā)生后CODMn峰值濃度包絡(luò)線

4.3 情景三結(jié)果分析

情景三上游來(lái)水量?jī)H為16.1 m3/s,相比于情景一和情景二的上游來(lái)水量下降了90%。因此,不同斷面上CODMn濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律及峰值濃度包絡(luò)線圖曲線形狀發(fā)生較大變化。由圖11可見(jiàn),CODMn最大峰值濃度由情景二的8.9 mg/L增加到16.2 mg/L,上游來(lái)水量減小,有機(jī)物隨水流向下游擴(kuò)散速度降低,有機(jī)物濃度快速累積。與此同時(shí),CODMn影響范圍變小,影響時(shí)間變長(zhǎng)。事故發(fā)生后,有機(jī)物持續(xù)排放了3 h后濃度達(dá)到最大,而后呈現(xiàn)迅速降低的趨勢(shì)。由圖12可見(jiàn),距事故發(fā)生點(diǎn)0.5 km處,CODMn峰值濃度達(dá)到11.1 mg/L,用時(shí)4.3 h,影響時(shí)間為38.2 h;有機(jī)物傳播至2 km處時(shí)峰值濃度衰減至7.8 mg/L,消減51.9%,用時(shí)16.8 h,影響時(shí)間為56.0 h;傳播至4.0 km處衰減至6.5 mg/L,消減60%,用時(shí)42.5 h,影響時(shí)間為79.5 h。

圖11 事故發(fā)生后不同位置CODMn濃度隨時(shí)間的變化曲線

圖12 事故發(fā)生后CODMn峰值濃度包絡(luò)線

4.4 情景四結(jié)果分析

與情景三相比,情景四有機(jī)物排放時(shí)間減少。由圖13、14可知,不同斷面上CODMn濃度隨時(shí)間變化及峰值濃度包絡(luò)線曲線變化規(guī)律一致,僅在數(shù)值上有所不同。在事故發(fā)生地,CODMn最大峰值濃度為14.0 mg/L,有機(jī)物傳播至斷面0.5 km時(shí),峰值濃度衰減至9.5 mg/L,衰減56.2%,用時(shí)1.2 h,影響時(shí)間3.2 h;傳播至1 km處衰減至8.0 mg/L,消減75.0%,用時(shí)5.8 h,影響時(shí)間為7.8 h;至5 km處衰減至6.1 mg/L,消減98.8%。

圖13 事故發(fā)生后不同位置CODMn濃度隨時(shí)間的變化曲線

圖14 事故發(fā)生后CODMn峰值濃度包絡(luò)線

4.5 各情景有機(jī)物濃度特征值

各情景有機(jī)物濃度特征值見(jiàn)表2。

表2 各情景有機(jī)物濃度特征值

5 結(jié)論

a)利用MIKE 11水動(dòng)力-ECO lab水質(zhì)模型模擬預(yù)測(cè)了東莊水庫(kù)突發(fā)水污染事故后有機(jī)物在庫(kù)區(qū)的時(shí)空分布規(guī)律。結(jié)果表明:該模型可用于預(yù)測(cè)突發(fā)水污染事故發(fā)生后有機(jī)物的時(shí)空分布規(guī)律,為東莊水庫(kù)水質(zhì)安全問(wèn)題提供方法及參考。

b)通過(guò)模擬結(jié)果可以看出,上游來(lái)水量的多少?zèng)Q定了污染物在庫(kù)區(qū)的時(shí)空分布規(guī)律曲線。在污染物排放初期,上游來(lái)水量較大時(shí),在水流攜帶作用下,污染物在累積的同時(shí)向下游快速傳播;上游來(lái)水量較小時(shí),水流攜帶作用明顯減弱,污染物濃度快速累積。排放結(jié)束后,污染物濃度隨時(shí)間推移沿程開(kāi)始衰減。當(dāng)污染物濃度相同時(shí),上游來(lái)水流量較小時(shí),事故發(fā)生后污染物在庫(kù)區(qū)的影響時(shí)間、在水體中的峰值濃度值及峰現(xiàn)時(shí)間明顯大于上游較大來(lái)水量,而影響距離小于上游較大來(lái)水量,可見(jiàn)上游來(lái)水量較小不利于污染物的稀釋擴(kuò)散,水體的自凈能力較弱。當(dāng)上游來(lái)水量相同時(shí),改變污染物濃度僅改變峰值濃度數(shù)值。

c)給出了突發(fā)水污染事故后各斷面有機(jī)物的時(shí)空分布規(guī)律,有關(guān)部門可根據(jù)不同斷面的污染程度及下游受體的敏感程度有針對(duì)性地制定相應(yīng)的應(yīng)急調(diào)控方案,即根據(jù)斷面濃度大小、影響時(shí)間及影響范圍制定恰當(dāng)?shù)膽?yīng)急調(diào)控措施,減小突發(fā)水污染發(fā)生后對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)、人民生活等的巨大危害。