黃龍灘水庫飲用水源流動(dòng)源污染風(fēng)險(xiǎn)分析

熊燕娜　付　青　王山軍

(1.中國環(huán)境科學(xué)研究院國家環(huán)境保護(hù)飲用水水源地保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100012；2.環(huán)境保護(hù)部固體廢物與化學(xué)品管理技術(shù)中心，北京　100029)

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黃龍灘水庫飲用水源流動(dòng)源污染風(fēng)險(xiǎn)分析

熊燕娜1，2付青1王山軍1

(1.中國環(huán)境科學(xué)研究院國家環(huán)境保護(hù)飲用水水源地保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100012；2.環(huán)境保護(hù)部固體廢物與化學(xué)品管理技術(shù)中心，北京100029)

科學(xué)評價(jià)飲用水水源地船舶運(yùn)輸可能造成的流動(dòng)源污染風(fēng)險(xiǎn)，可為船舶運(yùn)輸管理、降低污染風(fēng)險(xiǎn)、確保水質(zhì)安全提供依據(jù)。本文運(yùn)用EFDC水質(zhì)耦合模型，以湖北省黃龍灘水庫為研究區(qū)，研究不同水文條件下、船舶行駛至不同位置發(fā)生突發(fā)性泄露時(shí)，污染物到達(dá)取水口時(shí)間、濃度及持續(xù)污染時(shí)間，分析取水口可能遭受的污染水平。結(jié)果表明，取水口的污染水平與水文條件和污染物的泄露位置有關(guān)，在河道中間發(fā)生突發(fā)性泄露事故時(shí)對取水口的污染水平最高。并據(jù)此提出了黃龍灘水庫水源日常管理對策和風(fēng)險(xiǎn)防控措施，為飲用水源地流動(dòng)源污染風(fēng)險(xiǎn)管理提供參考和借鑒。

飲用水源地；流動(dòng)源；EFDC模型；風(fēng)險(xiǎn)分析

1　引　言

隨著經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展，飲用水源地遭受污染的風(fēng)險(xiǎn)也隨之升高[1]。部分山區(qū)由于受水源地所處的地理位置、地形條件等多方面因素的限制，水上運(yùn)輸仍然是庫區(qū)居民出行和日常生產(chǎn)生活物資運(yùn)輸?shù)闹饕绞?，由此帶來的流?dòng)風(fēng)險(xiǎn)源污染，如船舶溢油泄漏、貨物傾翻等成為威脅地表水水源地水質(zhì)安全的主要風(fēng)險(xiǎn)事件。因此，在識別風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)上，提出針對性地流動(dòng)源風(fēng)險(xiǎn)控制和管理方案，是解決該問題的有效途徑。

水質(zhì)污染風(fēng)險(xiǎn)包括突發(fā)性水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)和非突發(fā)性水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，突發(fā)性和污染源在達(dá)標(biāo)排放的非突發(fā)情況下均有可能導(dǎo)致水質(zhì)超標(biāo)[2]。流動(dòng)源污染風(fēng)險(xiǎn)是突發(fā)性水質(zhì)污染事故風(fēng)險(xiǎn)中的一種，是相對于固定源污染事故而言的，具有事故發(fā)生的時(shí)間、位置隨機(jī)，危害廣泛，應(yīng)急滯后，控制難度大等特點(diǎn)[3]。隨水質(zhì)污染的日趨嚴(yán)重，水污染風(fēng)險(xiǎn)問題也引起國內(nèi)外學(xué)者的重視，研究范圍包括河流、湖庫等地表水體及地下水。目前評價(jià)方法主要有跌置指數(shù)法、統(tǒng)計(jì)方法、過程模擬法。跌置指數(shù)法評價(jià)水源地污染風(fēng)險(xiǎn)，方法簡單，操作方便，但是指標(biāo)選取和權(quán)重確定受人為影響較大[4，5]；統(tǒng)計(jì)方法多數(shù)是基于隨機(jī)理論、或隨機(jī)理論與其他不確定性理論相結(jié)合、灰色系統(tǒng)理論和模糊理論等統(tǒng)計(jì)理論基礎(chǔ)上，評估風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性，評價(jià)結(jié)果精度較高，但所需數(shù)據(jù)量較大[6-8]。有學(xué)者通過實(shí)際調(diào)查統(tǒng)計(jì)，在確定流動(dòng)源屬性、數(shù)量，污染類型、污染負(fù)荷量等數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，采用概率統(tǒng)計(jì)法計(jì)算事故發(fā)生概率大小[9]，結(jié)果未能體現(xiàn)污染物遷移擴(kuò)散范圍及水質(zhì)可能被污染的程度；模擬法主要是在識別出主要風(fēng)險(xiǎn)源基礎(chǔ)上，采用水力-水質(zhì)模型，根據(jù)水源地水文條件，污染物排放特征，對地表水體中污染物遷移模擬過程進(jìn)行模擬，得出污染物到達(dá)取水口的濃度、時(shí)間和持續(xù)污染時(shí)間等，可以為環(huán)境管理及水源地保護(hù)區(qū)的劃分提供技術(shù)支持[10，11]，不足之處在于所需大量的數(shù)據(jù)，適用小較范圍，但相比于跌置指數(shù)法和數(shù)理統(tǒng)計(jì)法，模型模擬的結(jié)果更能直觀反映水源地風(fēng)險(xiǎn)的大小，克服了風(fēng)險(xiǎn)相對論的弊端，模擬結(jié)果具有實(shí)際意義，對管理部門的指導(dǎo)意義更大。以往研究表明，突發(fā)性污染事故對水源地取水口等敏感目標(biāo)的影響及風(fēng)險(xiǎn)分析多用模擬法[12，13]。

本文以黃龍灘水庫飲用水源為例，在調(diào)查保護(hù)區(qū)流動(dòng)源現(xiàn)狀、主要污染源類型及負(fù)荷量的基礎(chǔ)上，選取模擬法對黃龍灘水庫飲用水源保護(hù)區(qū)流動(dòng)源污染風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量分析。具體采用EFDC模型，選擇氨氮作為事故可能泄漏的主要污染物，設(shè)計(jì)了船舶在不同位置發(fā)生事故的多種情景，對不同水文條件下污染物到達(dá)取水口的時(shí)間及濃度進(jìn)行模擬，并討論了事故對取水口的影響水平，可為加強(qiáng)水源地流動(dòng)源管理確保水質(zhì)安全提供技術(shù)依據(jù)。

2　研究區(qū)概況

黃龍灘水庫位于湖北省十堰市張灣區(qū)黃龍鎮(zhèn)漢江支流堵河下游，距十堰市區(qū)約20km，是十堰市最大的飲用水源地。主要入庫河流為堵河，年平均入黃龍灘水庫水量56.4億m3。水庫兼有水利發(fā)電、城市供水、工業(yè)供水、農(nóng)業(yè)灌溉、改善航運(yùn)、漁業(yè)養(yǎng)殖等功能。十堰市城區(qū)約55%左右的生產(chǎn)生活用水來自黃龍灘水庫，水庫的年供水量占全市供水總量的70%以上，服務(wù)時(shí)間33年。庫區(qū)范圍為堵河竹山至黃龍灘水庫大壩段，全長約90km，沿線主要涉7個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、73個(gè)村，2萬余人(圖1)。庫區(qū)位于大山深處、陸路交通不便，水路是鄉(xiāng)鎮(zhèn)居民的主要出行方式。

2.1庫區(qū)水質(zhì)現(xiàn)狀

根據(jù)近10年水質(zhì)數(shù)據(jù)，黃龍灘水庫除總氮外，其余指標(biāo)均無超標(biāo)現(xiàn)象，重金屬、有毒有害物質(zhì)均未檢出，但個(gè)別指標(biāo)在2007年后有逐年增長的趨勢，其中包括高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、氨氮、石油類和糞大腸桿菌群。總體上黃龍灘水庫水質(zhì)檢測指標(biāo)中總氮超標(biāo)趨勢最明顯，最高達(dá)2.16倍，富營養(yǎng)化水平升高趨勢明顯。

2.2污染源分析

經(jīng)調(diào)查黃龍灘水庫保護(hù)區(qū)內(nèi)及上游主要污染源類型為點(diǎn)源、面源、流動(dòng)源三大類。庫區(qū)主要點(diǎn)源為一級保護(hù)區(qū)內(nèi)的港口綜合樓、裝卸運(yùn)輸公司搬運(yùn)站，準(zhǔn)保護(hù)區(qū)的4個(gè)農(nóng)家樂以及上游竹山縣天新醫(yī)藥化工有限責(zé)任公司；面源主要為庫區(qū)農(nóng)業(yè)種植、畜禽養(yǎng)殖及農(nóng)家樂及庫區(qū)居民生活產(chǎn)生的污水和垃圾；流動(dòng)源為庫區(qū)內(nèi)的客運(yùn)、貨運(yùn)和旅游船只，這些船只均停靠位于黃龍灘大壩上游左岸約450米處的黃龍碼頭。經(jīng)調(diào)查分析，庫區(qū)最大的污染源隱患是碼頭帶來的流動(dòng)源污染，如客運(yùn)、貨運(yùn)及旅游船只的突發(fā)性漏油、壓艙水、清洗廢水排放等，較為嚴(yán)重的污染事故為裝載化肥等農(nóng)用物資的船只突發(fā)翻船，化肥等農(nóng)用物資瞬時(shí)以點(diǎn)源方式排入水體。

3　 模型選取與模擬計(jì)算

3.1模型選取與邊界條件設(shè)置

選取EFDC模型二維水動(dòng)力模型，確定模擬范圍為二級保護(hù)區(qū)邊界到大壩的所有水域，網(wǎng)格化處理后得到789個(gè)網(wǎng)格。對已有的高程橫斷面進(jìn)行差值，得出斷面數(shù)據(jù)，導(dǎo)入EFDC Explorer，進(jìn)行插值，得出高程文件，地形處理文件見圖2。據(jù)調(diào)查，庫區(qū)現(xiàn)狀貨運(yùn)船只最大載貨量為10噸。故模型中假設(shè)一艘運(yùn)載10噸尿素的貨船分別于碼頭、河道中間、二級保護(hù)區(qū)邊界位置發(fā)生突發(fā)性翻船事故，全部尿素以點(diǎn)源方式瞬時(shí)排入庫區(qū)，以氨氮為特征污染物，換算出25℃條件下，10噸尿素瞬時(shí)傾倒入庫區(qū)，瞬時(shí)溶解后氨氮的濃度為545.067g/L。在此基礎(chǔ)上開展多情景水質(zhì)模擬，采用dye模塊模擬情景中污染物的遷移過程，分析討論污染物對取水口的影響程度。

圖1　研究區(qū)范圍示意圖

圖2　地形網(wǎng)格剖分及地形處理示意圖

3.2多情景設(shè)置與模擬

庫區(qū)客運(yùn)物資以化肥為主，因此，選取氨氮作為典型污染物，設(shè)計(jì)不同水文條件、不同污染物泄漏地點(diǎn)進(jìn)行情景模擬，模擬過程中均不考慮風(fēng)場、降雨蒸發(fā)等對流場和污染物遷移的影響，若氨氮到達(dá)取水口時(shí)間超過1天時(shí)，設(shè)計(jì)不同降解系數(shù)條件(K=0.01d-1、K=0.2d-1)[21-23]，補(bǔ)充污染物的遷移模擬。具體情景假設(shè)及模型設(shè)置見表1。由于各情景下污染物的遷移過程類似，故以最常見水文條件(即最常見流量)為例，輸出污染物遷移過程，見圖3～圖5。

3.3結(jié)果分析

不同水文條件下，不同泄露位置進(jìn)行模擬的結(jié)果表明，不同水文條件和不同污染物泄漏位置，對取水口水質(zhì)安全影響不同；隨徑流量的增大，污染物運(yùn)移速度明顯加快，超標(biāo)總歷時(shí)明顯縮短，最大濃度也有所降低。

最大流量條件下，三種情景下污染物(氨氮)到達(dá)取水口時(shí)間較短(均不足1天)，到達(dá)取水口的污染物濃度均未超過《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》II類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)0.5mg/L，此時(shí)取水口受到污染影響相對較小。最小流量和最常見流量條件下，庫區(qū)不同位置發(fā)生突發(fā)性翻船事故，對取水口構(gòu)成污染影響的情景包括：(1)最小流量條件下，事故發(fā)生位置在碼頭附近時(shí)，污染物在3.1天后到達(dá)取水口，第11.6天時(shí)污染物濃度超過II類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)0.5mg/L，第13.3天時(shí)，濃度達(dá)到最大值(0.644mg/L)，超標(biāo)時(shí)間共持續(xù)3天；事故發(fā)生位置在河道中間時(shí)，污染物在1.2天后到達(dá)取水口，第6.2天時(shí)濃度超過II類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，第9.9天時(shí)污染物濃度達(dá)到最大值(2.50mg/L)，超標(biāo)時(shí)間共持續(xù)8.1天；事故發(fā)生位置在在二級保護(hù)區(qū)邊界時(shí)，污染物在37.6 天后到達(dá)取水口，第62.7天時(shí)取水口污染物濃度超過II類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)0.5mg/L，第69.2天時(shí)取水口污染物濃度達(dá)到最大值(0.943mg/L)，超標(biāo)時(shí)間共持續(xù)11.5天；(2)最常見流量條件下，事故發(fā)生位置在碼頭附近時(shí)，污染物在0.82天后到達(dá)取水口，第1.49天時(shí)污染物濃度達(dá)到最大值(0.000089mg/L))，該值遠(yuǎn)低于II類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；事故發(fā)生位置為河道中間時(shí)，污染物第0.36天后到達(dá)取水口，第0.71天時(shí)濃度超過II類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，第0.86天時(shí)取水口污染物濃度達(dá)到最大值(0.649mg/L)，超標(biāo)時(shí)間共持續(xù)0.31天；事故發(fā)生位置在二級保護(hù)區(qū)邊界時(shí)，污染物在第4.76天到達(dá)取水口，第11.1天時(shí)取水口污染物濃度超過II類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，第12.2天時(shí)取水口污染物濃度達(dá)到最大值(0.551mg/L)，超標(biāo)時(shí)間共持續(xù)2.32天。綜上，對取水口水質(zhì)安全影響最大的情景為：在最小流量下，事故發(fā)生位置為河道中間時(shí)，對取水口造成超標(biāo)最大濃度為2.50 mg/l，超過《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)1 mg/L，超標(biāo)時(shí)間長達(dá)8.1天。各情景模擬結(jié)果見表2、表3。

表1　情景設(shè)計(jì)及模型設(shè)置

圖3　情景1—氨氮遷移過程示意圖(最常見流量)

圖4　情景2—氨氮遷移過程示意圖(最常見流量)

圖5　情景3—氨氮遷移過程示意圖(最常見流量)

情景最大流量(k=0d-1)tstmaxcmmax最小流量k=0d-1k=0.01d-1k=0.2d-1tstmaxcmaxtstmaxcmaxtstmaxcmax情景127.36m41.76m1.63×10-53.05d13.28d0.6443.06d13.18d0.5666.22d12.14d0.0481情景212.96m43.20m0.0171.22d9.85d2.4961.22d9.82d2.2681.25d9.07d0.355情景32.40h3.70h0.048737.59d69.20d0.94337.99d68.76d0.48155.5260.39d1.47×10-6

表3　最常見水文條件下多情景模擬結(jié)果對比

注：k代表降解系數(shù)、ts代表污染物(氨氮)到達(dá)取水口的時(shí)間，其中d為天，h為小時(shí)，m為分鐘。本報(bào)告中將濃度為10-6mg/L時(shí)認(rèn)為污染物到達(dá)取水口；tmax代表污染物(氨氮)在取水口達(dá)到最大濃度時(shí)所需的時(shí)間，其中d為天，h為小時(shí)，m為分鐘，cmax代表污染物(氨氮)在取水口達(dá)到的最大濃度，單位mg/L。

4　對策建議

研究表明，庫區(qū)船只一旦發(fā)生翻船事故，將對取水口水質(zhì)安全產(chǎn)生威脅。因此，黃龍灘水庫應(yīng)加強(qiáng)水上運(yùn)輸管理，確保流動(dòng)源風(fēng)險(xiǎn)降至最低。日常管理措施有：規(guī)范通航船只運(yùn)營和安全管理；嚴(yán)格控制化肥、農(nóng)藥等貨物的運(yùn)輸量；風(fēng)險(xiǎn)管控措施有：配備油污處置設(shè)施、建立船舶維護(hù)制度、制定流動(dòng)源責(zé)任制、加強(qiáng)現(xiàn)場監(jiān)督執(zhí)法、劃分運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)級別等。同時(shí)，針對不同預(yù)警條件制定完善預(yù)警和控制方案，通過污染物遷移過程的可視化平臺建設(shè)、為流域內(nèi)流動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)源防范與應(yīng)急能力提供技術(shù)支持，最大程度降低水上運(yùn)輸?shù)奈廴撅L(fēng)險(xiǎn)隱患。此外，本著“從根本上杜絕水源污染隱患”的原則，應(yīng)盡快選擇新的路上交通路線，解決居民出行問題。

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Analysis of Mobile Sources Pollution Risk in Huanglongtan Reservoir Drinking Water Sources

XIONG Yanna1，2FU Qing1WANG Shanjun1

(1.State Environmental Protection Key Laboratory of Source Water Protection of Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China；2.Solid Waste and Chemicals Management Center of Ministry of Environmental Protection，Beijing 100029，China)

Scientific evaluation of mobile sources pollution risk caused by drinking water sources shipping would provide basis for shipping management，reducing pollution risk and ensuring water quality safety. This paper takes Huanglongtan reservoir drinking water source located in Hunan province as the study area. It adopts EFDC water quality coupling model to simulate and calculate the concentrate and the time when the flow source leakages suddenly，the pollutions arrive at the water intake and the time of persistent pollutions under different hydrogeological conditions. Based on the results，the possible pollution level of water intake will be analyzed. Results show that pollution level of water intake is related to the hydrological conditions and pollutant leaking positions. It is in the middle of the river where sudden leakage accident occurs，the pollution level to water intake is the highest. The research also puts forward the ordinary management and risk prevention and control strategies of Huanglongtan reservoir water source，providing a reference for the management of drinking water sources mobile sources pollution risk.

drinking water sources；mobile sources；EFDC water quality coupling model；risk analysis

熊燕娜，博士生，工程師，主要從事飲用水水源地環(huán)境保護(hù)理論與技術(shù)研究

付青，研究員，主要從事飲用水水源地環(huán)境保護(hù)理論與技術(shù)研究

X21

A

1673-288X(2016)05-0146-04

項(xiàng)目資助：環(huán)境保護(hù)部2013年水污染防治專項(xiàng)飲用水水源環(huán)境監(jiān)管項(xiàng)目

引用文獻(xiàn)格式：熊燕娜等.黃龍灘水庫飲用水源流動(dòng)源污染風(fēng)險(xiǎn)分析[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2016，41(5)：146-149.