城市供水河道抵御突發(fā)性水污染事故水利調(diào)控措施

任朋　武永新　蔣書(shū)偉

摘要：城市建設(shè)的過(guò)程中，要加強(qiáng)供水河道抵御突發(fā)性污染事故的能力。以南渡江下游的?？谑泄┧拥罏槔?，建立突發(fā)性水污染事故的水動(dòng)力水質(zhì)模型，分析污染物到達(dá)龍?zhí)寥∷诘臅r(shí)間及影響歷時(shí)。提出在龍?zhí)寥∷谏嫌谓⒐?jié)制閘和應(yīng)急渠道，將上游突發(fā)水污染事故產(chǎn)生的污染物云團(tuán)引排到應(yīng)急渠道中的措施。水動(dòng)力水質(zhì)模擬結(jié)果表明，該措施可以有效減少南渡江河流中的污染物總量，使突發(fā)性水污染事故不會(huì)對(duì)供水河道的供水產(chǎn)生影響。

關(guān)鍵詞：城市供水河道；突發(fā)性污染事故；水動(dòng)力模型；水質(zhì)模型；水利調(diào)控措施

中圖分類號(hào)：X522 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-1683（2017）02-0122-05

近年來(lái)，我國(guó)城市供水河道水源地突發(fā)性水污染事件日益增加，嚴(yán)重威脅到城市供水系統(tǒng)的安全。河道突發(fā)性水污染事故作為破壞河道生態(tài)的一種潛在威脅，其具有不確定性，高頻性以及極強(qiáng)的破壞性。故在城市建設(shè)過(guò)程中，需要對(duì)城市供水河道突發(fā)性水污染事故進(jìn)行研究。對(duì)此，許多學(xué)者針對(duì)水污染事故發(fā)生狀況進(jìn)行大量的模擬研究，于磊等利用M IKE21FM模型，對(duì)位于交通節(jié)點(diǎn)附近的大寧水庫(kù)庫(kù)尾進(jìn)行突發(fā)性水污染事故模擬，并研究了在不同情境下污染物的擴(kuò)散規(guī)律；張波等以2006年松花江發(fā)生的水事故為例，運(yùn)用一維河流水質(zhì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)特征污染物硝基苯濃度的時(shí)空變化進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真模擬；王浩等為加強(qiáng)南水北調(diào)中線工程突發(fā)性水污染事故的應(yīng)急防治與管理，建立“數(shù)值模擬-評(píng)價(jià)診斷-溯源預(yù)測(cè)-應(yīng)急調(diào)控-污染處理五大環(huán)節(jié)于一體的突發(fā)水污染應(yīng)急調(diào)控與處理技術(shù)。在應(yīng)對(duì)水污染突發(fā)事故的措施研究中，陶亞等通過(guò)對(duì)設(shè)定的一起模擬事故采取不同應(yīng)急措施進(jìn)行定量模擬與討論，得出各種措施的影響效果：活性炭吸附>聚合氯化鋁絮凝沉淀>引水沖污；吳輝明等針對(duì)淮河干流段突發(fā)水污染事故應(yīng)急措施進(jìn)行模擬分析，認(rèn)為利用引水對(duì)污染物進(jìn)行稀釋的方法加快了污染云團(tuán)向下游移動(dòng)的速度，在初始時(shí)刻也加大污染物縱向離散長(zhǎng)度，留給下游敏感區(qū)域的應(yīng)急時(shí)間將減少；同樣，馬小雪等模擬了鹽城蟒蛇河突發(fā)性水污染事故中不同調(diào)水方案下的污染物運(yùn)移過(guò)程，定量模擬了突發(fā)性水污染事故發(fā)生后，不同引排水流量對(duì)污染物下移的影響。

通過(guò)對(duì)以往的研究總結(jié)可知：引水沖污措施只是加快污染物云團(tuán)向下游的移動(dòng)，縮短了對(duì)下游取水口的影響歷時(shí)，也稀釋了污染物，當(dāng)下游存在水利樞紐時(shí)，需進(jìn)行排水換水，造成大量水體流失；對(duì)于一些物理化學(xué)措施，往往會(huì)對(duì)水體產(chǎn)生二次污染。為實(shí)現(xiàn)城市供水河道在發(fā)生突發(fā)性污染事故時(shí)其供水不受影響，本文根據(jù)南渡江下游河道基礎(chǔ)資料，建立水動(dòng)力水質(zhì)模型，預(yù)測(cè)污染物云團(tuán)在南渡江河道的傳輸規(guī)律以及到達(dá)龍?zhí)寥∷诘臅r(shí)間，并根據(jù)水動(dòng)力水質(zhì)模型預(yù)測(cè)的污染物云團(tuán)的傳輸規(guī)律確定合理的閘門(mén)啟閉時(shí)間。

1研究地域概況

南渡江主干流長(zhǎng)334 km，是海南島第一大河流，其中在?？谑芯硟?nèi)長(zhǎng)約75 km。河道平均坡降0.72‰，總落差703 m，流域形態(tài)呈狹長(zhǎng)形，平均寬度21 km。龍?zhí)了麡屑~位于南渡江下游段，距離入?？?6 km，是?？谑兄匾墓┧畼屑~，每日的供水量為4 7×10⁵t。近年來(lái)，隨著城市的發(fā)展，從永發(fā)鎮(zhèn)公路橋到龍?zhí)了麡屑~之間，南渡江兩岸建立起許多工廠，且兩岸存在永發(fā)鎮(zhèn)鎮(zhèn)政府排污口和安定縣污水處理廠排污口兩大排污口（見(jiàn)圖1），存在發(fā)生突發(fā)性水污染事故的潛在隱患。

2模型原理

2.1水動(dòng)力方程

河道非恒定流的基本控制方程采用圣·維南（Saint-Venant）方程組，描述如下：

（1）

（2）式中：A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e（m²）；Q為流量（m³/s）；x為距離坐標(biāo)（m）；t為時(shí)間坐標(biāo)（s）；z為水位（m）；g為旁側(cè)入流流量（m²/s）；C為謝才系數(shù)；n為河床糙率系數(shù)：R為水力半徑（m）；g為重力加速度（m/s²）。

2.2水質(zhì)方程

水質(zhì)方程采用對(duì)流擴(kuò)散方程，其基本方程為：

（3）式中：x為空間坐標(biāo)（m）；t為時(shí)間坐標(biāo)（s）；C為物質(zhì)濃度（mg/L）；D為縱向擴(kuò)散系數(shù)（m²/s）；A為橫斷面面積（m²）；K為線性衰減系數(shù)（d^-1）；C₂為源/匯濃度（mg/L）；g為河道單位長(zhǎng)度上的源或匯流量（m²/s）。

3模型運(yùn)用

3.1模型率定與驗(yàn)證

本次的模型計(jì)算運(yùn)用MIKE11軟件的HD模塊和AD模塊進(jìn)行耦合求解。水動(dòng)力方程采用了六點(diǎn)隱式差分格式求解，數(shù)值計(jì)算采用傳統(tǒng)的追趕法，即雙掃算法。同樣水質(zhì)模型方程也采用隱式差分法進(jìn)行離散求解。

本次模型概化以南渡江干流來(lái)水為主，區(qū)間的最大支流龍洲河，概化為點(diǎn)源匯流處理。本模型上游為永發(fā)鎮(zhèn)公路橋，海口市水務(wù)局曾統(tǒng)計(jì)了2008年、2010年某次洪水實(shí)測(cè)洪峰流量，分別為4 800m³/s、6 190 m³/s，龍洲河對(duì)應(yīng)的匯流流量為900m³/s、1 150 m³/s，并在永發(fā)鎮(zhèn)公路橋到龍?zhí)了麡屑~這區(qū)間內(nèi)，對(duì)洪峰流量所對(duì)應(yīng)的水位進(jìn)行多斷面測(cè)量。下游邊界為龍?zhí)了~，該處有龍?zhí)了恼荆Ｐ筒捎糜善鋵?shí)測(cè)的水位作為下邊界條件。

水動(dòng)力模型計(jì)算中，本文依據(jù)南渡江2008年實(shí)測(cè)洪峰流量水面線，采用試錯(cuò)法率定河槽和岸灘糙率。率定結(jié)果為：人工護(hù)砌段河道主槽糙率為0.015～0.025，天然河道主槽糙率為0.025～0.045；人工護(hù)砌段河道灘地糙率為0.01 5～0.040，天然灘地糙率為0.040-0.065。采用2010年實(shí)測(cè)洪峰流量水面線進(jìn)行驗(yàn)證，模擬水位與實(shí)測(cè)值吻合較好，能很好地反映研究水域的流場(chǎng)特征，可為水質(zhì)計(jì)算提供流場(chǎng)條件。率定水面線和實(shí)測(cè)水面線對(duì)比見(jiàn)圖2。

水質(zhì)模型計(jì)算中根據(jù)《海南省水資源保護(hù)規(guī)劃》，NH₃-N的衰減系數(shù)取為0.15d^-1。對(duì)于河道縱向離散系數(shù)，采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算：

上游采用定安水文站對(duì)水質(zhì)的監(jiān)測(cè)值作為上游的水質(zhì)邊界條件，將沿岸的排污口作為點(diǎn)源處理，污水排放量根據(jù)污水處理廠2013年的具體統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行確定。利用龍?zhí)琳?013年2月份實(shí)測(cè)NH₃-N數(shù)值資料，在相應(yīng)的水動(dòng)力邊界條件下，進(jìn)行驗(yàn)證所取的衰減系數(shù)與河道縱向擴(kuò)散系數(shù)的合理性。水中NH₃-N濃度的模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖（見(jiàn)圖3）。據(jù)圖3可知，模擬值的最大誤差為11%，整體效果較好。

3.2突發(fā)性水污染事故設(shè)定及應(yīng)急措施模擬

假設(shè)在枯水期來(lái)流流量狀態(tài)下，南渡江上永發(fā)鎮(zhèn)公路橋斷面附近發(fā)生一起嚴(yán)重的污染物泄漏事故，持續(xù)泄漏某類濃度為500 mg/L的不可降解污染物（NOX）6 h。上文所建立的水動(dòng)力水質(zhì)模型對(duì)于不可降解污染物（NOX）同樣適用，只是衰減系數(shù)取為0即可。

本文采用如下方法模擬南渡江龍?zhí)了麡屑~上游段突發(fā)水污染事故后污染物遷移過(guò)程。

（1）啟動(dòng)上文所建立的枯水期水動(dòng)力水質(zhì)模擬系統(tǒng)，模擬永發(fā)鎮(zhèn)公路橋斷面一定規(guī)模污染物NOX泄漏事故，按照設(shè)定的上、下游邊界條件，計(jì)算出河段內(nèi)污染物NOX濃度沿里程的變化情況。

（2）根據(jù)計(jì)算結(jié)果，分析污染物到達(dá)距離龍?zhí)寥∷谏嫌? km斷面處及龍?zhí)寥∷谔幍臅r(shí)刻，并確定污染云團(tuán)對(duì)龍?zhí)寥∷诘挠绊憵v時(shí)和距離取水口上游5 km斷面的影響歷時(shí)。

（3）假設(shè)在距離龍?zhí)寥∷谏嫌? km斷面處存在節(jié)制閘和應(yīng)急渠道，根據(jù)污染物到達(dá)距離龍?zhí)寥∷谏嫌? km斷面處的時(shí)刻及對(duì)其影響歷時(shí)，采取關(guān)閉節(jié)制閘門(mén)，開(kāi)啟應(yīng)急渠道閘門(mén)，將攜帶污染物云團(tuán)的水引排到應(yīng)急渠道中，水閘的運(yùn)行調(diào)控歷時(shí)為污染物云團(tuán)對(duì)此斷面的影響歷時(shí)，然后再恢復(fù)到原狀態(tài)的措施進(jìn)行模擬。分析在此措施下，龍?zhí)寥∷谔幬廴疚颪OX濃度變化值。以事故發(fā)生時(shí)刻為起始時(shí)間0點(diǎn)。

3.3結(jié)果分析

當(dāng)上游發(fā)生污染事故之后，根據(jù)已有的水動(dòng)力水質(zhì)模型進(jìn)行定量模擬，通過(guò)分析具體結(jié)果可得f具體結(jié)果見(jiàn)圖4-圖6）：

（1）在枯水期時(shí)，當(dāng)永發(fā)鎮(zhèn)公路橋發(fā)生水污染事故，污染物云團(tuán)到達(dá)距龍?zhí)寥∷谏嫌? km處的時(shí)間為3.9 d，在此斷面停留1.5 d；污染物云團(tuán)到達(dá)龍?zhí)寥∷诘臅r(shí)間為5 d，在此斷面停留1.7 d。通過(guò)對(duì)比距龍?zhí)寥∷谏嫌? km斷面處和龍?zhí)寥∷跀嗝嫣幍奈廴疚餄舛茸兓?，可?jiàn)隨著時(shí)間的推移，污染物整體濃度降低，污染云團(tuán)影響時(shí)間變長(zhǎng)。

（2）當(dāng)采取應(yīng)急調(diào)控措施時(shí)，污染物被導(dǎo)流到應(yīng)急渠道中。河流中的污染物總量減少，到達(dá)下游取水口處的濃度變小，對(duì)取水口取水不會(huì)產(chǎn)生影響。在取水口處，出現(xiàn)兩個(gè)污染物濃度高峰，第一個(gè)高峰是由于在節(jié)制閘關(guān)閉之前，有小部分污染物已流到下游；第二個(gè)高峰是因?yàn)楣?jié)制閘開(kāi)啟之后，水中仍有存留的小部分污染物造成的。并且采取措施后的第二個(gè)污染物濃度峰值相對(duì)于沒(méi)有采取措施的污染物濃度變化，出現(xiàn)時(shí)間延遲現(xiàn)象，這是由于在關(guān)閉開(kāi)啟節(jié)制閘的過(guò)程中，河道下泄流量變小，從而使第二個(gè)污染物濃度峰值出現(xiàn)的時(shí)間延遲。但是其濃度峰值的很小，故不會(huì)對(duì)龍?zhí)寥∷谌∷a(chǎn)生影響。

（3）對(duì)比龍?zhí)寥∷谠谕话l(fā)污染物狀況下和采取應(yīng)急措施狀況下污染物的濃度，可得出在應(yīng)急措施狀況下，污染物濃度很小，將不會(huì)對(duì)龍?zhí)寥∷谌∷a(chǎn)生影響。

4結(jié)論

本文所建立的?？谑心隙山?zhí)了麡屑~上游段的水動(dòng)力水質(zhì)模型可模擬污染物的運(yùn)移、擴(kuò)散過(guò)程，并可用于預(yù)測(cè)突發(fā)水污染事故發(fā)生后，南渡江下游不同地點(diǎn)處污染物到達(dá)的時(shí)間和影響歷時(shí)。因此，提出在取水口上游建立節(jié)制閘和應(yīng)急渠道的水利調(diào)控應(yīng)急措施，并根據(jù)污染物到達(dá)斷面的時(shí)間和影響歷時(shí)，確定閘門(mén)的啟閉時(shí)間，應(yīng)對(duì)上游突發(fā)水污染事故。之后，運(yùn)用水動(dòng)力水質(zhì)模型進(jìn)行定量模擬此項(xiàng)應(yīng)急措施的應(yīng)急效果，證明其可有效保護(hù)龍?zhí)了麡屑~的水體。這一應(yīng)急措施為城市供水河道抵御突發(fā)性水污染事故提供一種新思路，可廣泛運(yùn)用于城市供水河道及河道水利樞紐水體的保護(hù)建設(shè)中。