錢塘江河口突發(fā)污染物的輸移規(guī)律研究

李若華，侯石華，程文龍

(1．浙江省水利河口研究院，浙江　杭州　310020；2．浙江省河口海岸重點(diǎn)實(shí)驗室，浙江　杭州　310020)

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錢塘江河口突發(fā)污染物的輸移規(guī)律研究

李若華1,2，侯石華1,2，程文龍1,2

(1．浙江省水利河口研究院，浙江杭州310020；2．浙江省河口海岸重點(diǎn)實(shí)驗室，浙江杭州310020)

摘要：為了解錢塘江河口突發(fā)污染物的輸移規(guī)律，采用垂向平均的平面二維潮流水質(zhì)模型，模擬了突發(fā)溶解性污染物在輸移過程中的時空變化，研究了在不同徑流量、潮汐、江道地形、事發(fā)地點(diǎn)、源強(qiáng)等情況下的污染物輸移規(guī)律，得到了突發(fā)事故對取水口水質(zhì)的影響程度，包括影響持續(xù)時間，最大濃度等，其成果可為決策部門制定應(yīng)急對策、編制應(yīng)急預(yù)案等提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：突發(fā)性水污染；遷移擴(kuò)散；數(shù)值模擬；錢塘江河口

1問題的提出

隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域、規(guī)模的日益擴(kuò)大，各種化學(xué)品和危險品的生產(chǎn)、貯存、運(yùn)輸、使用等大量增加，使近年來水污染事故頻發(fā)，多次威脅到人類用水安全[1]。如2004年松花江苯污染、2010年大連市輸油管道爆炸漏油污染、2012年廣西省龍江河鎘污染等。錢塘江河口是重要的飲用水源保護(hù)區(qū)，杭州市主城區(qū)的85%以及下屬區(qū)縣(桐廬、富陽、蕭山等地)大部分的飲用水均取自錢塘江河口，由于供水水源單一，錢塘江突發(fā)水污染事故將嚴(yán)重威脅杭州市正常用水，如2011年6月錢塘江發(fā)生的苯酚污染事故使杭州市約55萬居民的用水受到影響。

模擬突發(fā)污染物進(jìn)入水體后的遷移擴(kuò)散過程及時空變化規(guī)律，對于指導(dǎo)決策部門制定應(yīng)急措施、保護(hù)水體使用功能及生態(tài)安全具有重要意義[2-5]。因河口為典型非恒定流，潮流水質(zhì)數(shù)學(xué)模型一直是研究污染物在河口遷移擴(kuò)散的主要工具，趙棣華[6]采用潮流水質(zhì)模型模擬了長江江蘇省感潮河段COD的濃度分布；李若華[7]、許丹[8]采用潮流水質(zhì)模型模擬了錢塘江河口定點(diǎn)連續(xù)排污對水環(huán)境的污染面貌；鄔越民[9]、陳冬云[10]采用潮流水質(zhì)模型研究了徑流量對錢塘江河口突發(fā)污染物遷移擴(kuò)散的作用。錢塘江河口由于其獨(dú)特的地位位置、水文情勢等，污染物輸移規(guī)律受徑流、潮汐、江道地形等多種因素影響，本文采用平面二維潮流水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，側(cè)重于研究各因素對突發(fā)污染物遷移擴(kuò)散的影響、污染物的時空變化規(guī)律，評估突發(fā)污染對取水口的影響程度，為決策部門制定應(yīng)急措施、編制應(yīng)急預(yù)案提供技術(shù)支撐。

2錢塘江河口概述

錢塘江是浙江省第一大河，長668.0 km，流域面積55 558 km2，富春江電站以下至杭州灣灣口282.0 km為感潮河段，稱為錢塘江河口，可劃分為3段：富春江電站至聞家堰75.0 km為近口段，水動力以徑流作用為主，河床由礫石、粗砂組成，沖淤幅度較?。宦劶已咭韵轮龄髌?22.0 km為河口段，受徑流、潮汐共同作用，河寬水淺，沖淤頻繁劇烈，主槽游蕩嚴(yán)重[11]；澉浦以下至杭州灣灣口85.0 km為口外海濱段，以潮流作用為主，河床相對穩(wěn)定。

錢塘江河口年均徑流約952 m3/s，3—6月為洪汛期，徑流量占全年60%以上；7—10月為平水大潮期；11月至次年2月為枯水小潮期，枯水期徑流一般為300～500 m3/s。徑流不僅年內(nèi)變化大，年際變化也很大，年最大徑流量可達(dá)年最小徑流量的4倍以上。錢塘江河口為典型的強(qiáng)潮河口，潮汐為非正規(guī)半日淺海潮，一日兩漲兩落,潮汐強(qiáng)時潮波可抵達(dá)富春江電站，大潮時富陽市可出現(xiàn)1.0～2.0 h的反向流；受江道中沙坎的影響，外海傳入的潮波劇烈變形，致使?jié)q潮歷時縮短，落潮歷時延長，七堡站平均漲潮歷時約1.6 h，平均落潮歷時約10.8 h。錢塘江河口泥沙含量高，以粉砂為主，主要為外海來沙，流域來沙較少。

富春江電站—七堡大部分河段為飲用水源保護(hù)區(qū)，自上而下布置了多個大型生活取水口，如桐廬、富陽、蕭山、九溪、南星橋取水口等(見圖1)，杭州市主城區(qū)及蕭山區(qū)的生活用水主要取自錢江五橋—七堡河段，是重點(diǎn)研究河段。錢塘江河口各取水口離富春江電站的距離見表1。

3研究方法

3.1平面二維潮流水質(zhì)數(shù)學(xué)模型

錢塘江河口為寬淺型河道，溶解性污染物進(jìn)入水體后，很快在垂向上混合均勻，一定距離后才能在橫向上均勻混合，因此可采用垂向平均的平面二維潮流水質(zhì)數(shù)學(xué)模型模擬污染物輸移。因污染物種類繁多，物理及生化特性差異較大，本文僅對溶解性污染物進(jìn)行模擬，并假定其為持久性污染物，不考慮其沉淀、懸浮、降解等特性。數(shù)學(xué)模型由水動力模型和輸運(yùn)模型組成，水動力模型包括1個連續(xù)性方程和2個動量方程，輸運(yùn)模型采用對流擴(kuò)散方程，用矩陣形勢描述為：

(1)

(2)

(3)

式(1)、(2)、(3)中：h為水深，m；t為時間，s；u、v為x、y方向上的流速分量，m/s；g為重力加速度，g=9.8m/s2；b為河床高程，m；Sfx、Sfy為x、y方向上的摩擦力系數(shù)；CS為源匯項；C為水質(zhì)濃度，mg/L；Ex、Ey為x、y方向上的擴(kuò)散系數(shù)，m/s2。

數(shù)值求解的控制體選用不規(guī)則三角形單元，以準(zhǔn)確擬合實(shí)際河道的不規(guī)則岸邊界。計算變量置于三角形形心，對控制方程進(jìn)行空間積分，并用格林公式得到離散方程。采用基于近似黎曼解的Roe格式，計算控制體界面法向數(shù)值對流通量，擴(kuò)散通量采用中心差分格式，其中一階導(dǎo)數(shù)采用格林—高斯定理計算，并用類似MUSCL方法將空間一階精度提高到二階。動邊界的處理采用限制水深方法，即將網(wǎng)格分為干、濕及半干單元3類。

3.2計算水域概化及模型驗證

計算范圍的選取主要考慮2個因素：一是計算水邊界應(yīng)取在容易給定邊界條件的地方；二是計算水邊界應(yīng)距離研究區(qū)域足夠遠(yuǎn)。根據(jù)上述原則，本次計算上邊界選富春江電站，下邊界取澉浦—西山斷面，計算水域面積790 km2。采用2007年10月實(shí)測水文測驗資料進(jìn)行潮位、流速的驗證，采用同期的鹽度資料進(jìn)行水質(zhì)驗證，部分驗證結(jié)果見圖2，驗證結(jié)果較好，可用于錢塘江河口的潮流場及水質(zhì)模擬。

4突發(fā)污染物的輸移規(guī)律研究

4.1徑流量對污染物輸移的影響

假定富春江電站發(fā)生事故，30 t溶解性污染物在2.0 h內(nèi)自江心排入錢塘江，排江后污染物的初始濃度為12.00 mg/L，在向下游的輸移擴(kuò)散過程中濃度不斷降低，徑流量為500 m3/s時污染物經(jīng)過桐廬、東梓、富陽、蕭山、九溪、南星橋取水口的最大濃度分別為2.40，1.00，0.50，0.22，0.18，0.14 mg/L，南星橋取水口的污染物濃度僅為初始濃度的1%左右。

隨著電站下泄徑流量的不同，污染物到達(dá)各取水口的時間和濃度也大不相同。在不同徑流量(500，1 000 m3/s)下，污染物經(jīng)過各取水口的濃度過程見圖3。以事故發(fā)生時間為0時刻開始計算，統(tǒng)計了污染物經(jīng)過各取水口的演進(jìn)過程，包括到達(dá)時間、影響時間、最大濃度及最大濃度到達(dá)的時間等指標(biāo)(見表2)。

表2不同徑流量時電站發(fā)生事故后污染物到達(dá)各取水口的指標(biāo)統(tǒng)計表

注：表中上標(biāo)為1的數(shù)據(jù)是徑流量為500 m3/s時的數(shù)據(jù)，上標(biāo)為2的數(shù)據(jù)是徑流量為1 000 m3/s時的數(shù)據(jù)。

由圖3、表2可知，隨著徑流量的增大，污染物下移的速度明顯加快，當(dāng)電站下泄徑流量為500 m3/s時，污染物到達(dá)桐廬口、富陽、蕭山取水口的時間依次為2.0，72.0，134.0 h，而徑流量增大至1 000 m3/s時，時間縮短至1.5，42.0 ，70.0 h，到達(dá)蕭山取水口的時間縮短了近1/2。

污染物在輸移過程中，峰值濃度逐漸降低，但在富陽取水口以下河段出現(xiàn)了徑流量大時污染物濃度反而高的現(xiàn)象，以蕭山取水口為例，徑流量為500，1 000 m3/s時污染物最大濃度分別為0.22，0.43 mg/L。徑流量小時污染物到達(dá)取水口的時間長，污染物在輸移過程中稀釋擴(kuò)散的時間也長，擴(kuò)散作用導(dǎo)致污染河段的長度增加，因此污染物對取水口的影響時間也增加，徑流量為500，1 000 m3/s時對蕭山取水口的影響時間分別為132.0，98.0 h。由圖3可知，徑流量為1 000 m3/s時污染物經(jīng)過蕭山取水口的濃度過程僅出現(xiàn)2個峰值，而在徑流量500 m3/s時則出現(xiàn)了多峰值，這是因為徑流量小時潮汐作用增強(qiáng)，污染物在潮汐影響河段來回震蕩，逗留時間長。因此，徑流量小、潮汐作用強(qiáng)導(dǎo)致污染物輸移速度減慢，污染河段長度增加是出現(xiàn)徑流量小而污染物濃度低的原因。

4.2潮汐對污染物輸移的影響

為分析大、小潮汛對污染物輸移的影響，事故發(fā)生時段分別選擇在大潮期、小潮期，下泄徑流量為1 000 m3/s,富春江電站發(fā)生事故時污染物影響到各取水口的時間統(tǒng)計見表3。由表3可知，大潮汛時，潮汐動力強(qiáng)，潮流的頂托能力強(qiáng)，污染物下移的速度相對較慢，在富陽取水口就受到了明顯影響，到達(dá)富陽取水口的時間為47.0 h，而小潮汛僅需42.0 h。因七堡以上河段的水動力仍以徑流作用為主，總體來說，潮汐對污染物輸移時間的影響不大。

表3不同潮汛條件下污染物到達(dá)各取水口的時間表

4.3江道地形對污染物輸移的影響

錢塘江河口段河床沖淤多變，年內(nèi)、年際變化均較大。河床地形不同，水流流速、漲潮量及潮汐特征也隨之改變。為分析河床地形對污染物輸移的影響，對河口段分別選用沖刷、平均和淤積3種代表地形進(jìn)行計算，假定富春江電站發(fā)生事故，下泄徑流量為1 000 m3/s,污染物到達(dá)各取水口的時間統(tǒng)計見表4。

表4不同江道地形條件下污染物到達(dá)各取水口的時間表

由表4可知，當(dāng)河口段江道容積較大時，沿程潮位較低，落潮流速較大，污染物輸移速度較快，徑流量為1 000 m3/s時，在沖刷、平均、淤積3種河床地形條件下，污染物到達(dá)蕭山取水口的時間分別為64.0，70.0，77.0 h。因地形變化主要發(fā)生在閘口河段以下，總體上地形對污染物輸移時間的影響不大。

4.4事故發(fā)生地點(diǎn)對污染物輸移的影響

若富春江電站、窄溪大橋、富春江第一大橋、錢江五橋4個地點(diǎn)發(fā)生事故，下泄徑流量為1 000 m3/s時，污染物經(jīng)過蕭山、九溪及南星橋3個取水口的濃度過程線見圖4，到達(dá)各取水口的時間見表5。

表5不同地點(diǎn)發(fā)生事故后污染物到達(dá)各取水口的時間表

由圖4、表5可知，當(dāng)事故發(fā)生在富春江電站時，沿程各取水口都會受到影響，事發(fā)70.0 h后影響到蕭山取水口；事故發(fā)生在窄溪大橋時，事發(fā)54.0 h后影響到蕭山取水口；事故發(fā)生在富春江第一大橋時，小潮汛期不會影響到上游的富陽取水口，事發(fā)16.0 h后影響到蕭山取水口；事故發(fā)生在錢江五橋時，影響到蕭山、九溪及南星橋取水口的時間分別為1.0，5.0，9.0 h。

4.5源強(qiáng)大小對污染物輸移的影響

為分析源強(qiáng)大小對取水口水質(zhì)的影響，設(shè)置的計算方案為在富春江電站發(fā)生事故，源強(qiáng)分別為30，300 t，污染物在2.0 h內(nèi)排入富春江。統(tǒng)計污染物到達(dá)各取水口的時間和最大濃度(見表6)。

表6不同源強(qiáng)下富春江電站發(fā)生事故對各取水口的影響表

由表6可知，雖然源強(qiáng)相差9倍，但污染物影響到各取水口的時間基本接近，以九溪取水口為例，源強(qiáng)為30 t和300 t時到達(dá)的時間分別為83.0，81.0 h，相差2.0 h，最大濃度分別為0.40，4.01 mg/L，相差約9倍。說明源強(qiáng)不同對污染物的輸移速度影響不大，而經(jīng)過各取水口的最大濃度與源強(qiáng)大小基本成比例。

5結(jié)語

錢塘江河口橋梁眾多、水運(yùn)發(fā)達(dá)，同時又是杭州最重要的水源地，突發(fā)水污染事故將造成嚴(yán)重影響。本文結(jié)合錢塘江河口的非恒定流特性，針對溶解性污染物構(gòu)建了潮流水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，研究了徑流量、潮汐、河床地形、事發(fā)地點(diǎn)、源強(qiáng)等因素對污染物輸移的影響，評估了突發(fā)事故對取水口的影響程度，包括到達(dá)時間、影響持續(xù)時間、稀釋倍數(shù)等，其成果可為預(yù)報預(yù)警體系的建立、環(huán)境風(fēng)險的評估提供技術(shù)支撐，也可為事故發(fā)生期間應(yīng)急領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)的決策和指揮提供科學(xué)依據(jù)，以更有力地保障兩岸居民的用水安全，保護(hù)錢塘江水環(huán)境。

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(責(zé)任編輯張書花)

Study on the Transporting Law of Burst Pollutants in Qiantang River Estuary

LI Ruo-hua1,2,HOU Shi-hua1,2,CHENG Wen-long1,2

(1.Zhejiang Institute of Hydraulics & Estuary, Hangzhou 310020, Zhejiang, China;2.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Estuary and Coast, Hangzhou 310020, Zhejiang,China)

Key words:sudden water pollution; dispersal; numerical simulation; Qiantang River estuary

Abstract:In order to understand the transporting law of burst pollutants in Qiantang River estuary，using vertical average plane two-dimensional tidal current water quality model of Qiantang River estuary, this paper simulated the spatial and temporal variation of burst dissolved pollutants in the transport process. It studied pollutants’ transport rule in different conditions of runoff, tide, river channel topography, incident site, pollution intensity, etc., obtained the degree of sudden accident’s influence on the water quality of water intake, including the impact duration, maximum concentration, etc. The results can provide technical support for decision-making department to develop contingency measures, prepare contingency plans, etc.

收稿日期：2015-10-30

基金項目：水利部公益性行業(yè)科研專項(201401010)；浙江省科技計劃項目(2014F10036,2014F10007)。

作者簡介：李若華(1977-)，男，高級工程師，碩士，主要從事河口水動力及水環(huán)境研究。Email：liruohua2000@163.com

中圖分類號：X522

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-701X(2016)02-0012-04

DOI：10.13641/j.cnki.33-1162/tv.2016.02.004