基于MIKE11的突發(fā)性水污染事故模擬及應(yīng)急機(jī)制研究

余歆睿，劉 蔚

（1. 蘇州市水利工程管理處，江蘇 蘇州　215151；2. 河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京　210098）

近年來，我國突發(fā)性水污染事故的發(fā)生頻次逐漸增高[1]，嚴(yán)重威脅了國民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的穩(wěn)定發(fā)展。而蘇州市作為我國著名的水鄉(xiāng)，其高度活躍的經(jīng)濟(jì)態(tài)勢(shì)以及繁茂交錯(cuò)的河網(wǎng)水系，使其面臨著更大的暴露威脅。因此在河道的規(guī)劃及管理過程中，亟需對(duì)突發(fā)性水污染事故進(jìn)行模擬研究，針對(duì)不同污染源擴(kuò)散輸移規(guī)律構(gòu)建預(yù)警應(yīng)急體系[2]，以最大限度地降低事故危害，保障區(qū)域的健康發(fā)展。

1　研究區(qū)概況

西塘河地處于蘇州城區(qū)西北角，屬平原河網(wǎng)水系，北起望虞河琳橋港，途徑裴家圩、三角咀湖蕩區(qū)，入十字洋河，穿滬寧高速公路、312國道、滬寧鐵路，于錢萬里橋東側(cè)進(jìn)入蘇州環(huán)城河，全長約17.87 km（見圖1）。河道布置水質(zhì)監(jiān)測(cè)站3處，監(jiān)測(cè)大斷面10處（見圖1、圖2），基礎(chǔ)資料較完備。沿線兩側(cè)有大小支河72條，“蘇州市西塘河引水工程”實(shí)施后沿線支流全部建涵閘控制或封堵，河道自身生態(tài)防護(hù)、自凈功能薄弱。沿線跨河新建橋梁23座，多條交通要道橫穿而過，環(huán)境暴露性較高，且周邊用地類型含括電子機(jī)械工業(yè)園、農(nóng)田等，存在多種可能導(dǎo)致水質(zhì)不達(dá)標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)源。

圖1　西塘河水系及監(jiān)測(cè)斷面概化圖

2　研究方法

2.1　突發(fā)性水污染事故風(fēng)險(xiǎn)模型

河流水質(zhì)模型是對(duì)河道水體中可溶性污染物隨空間和時(shí)間遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的數(shù)學(xué)描述[3]，MIKE11模型在水質(zhì)模擬方面的科學(xué)性已經(jīng)得到學(xué)術(shù)界公認(rèn)。故以MIKE11軟件為基礎(chǔ)，根據(jù)其HD和AD模塊，耦合水量水質(zhì)模型[4]，建立西塘河突發(fā)性水污染事故風(fēng)險(xiǎn)模型。

（1）水動(dòng)力（HD）模塊

水動(dòng)力模塊中描述一維非恒定水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律的控制方程組為圣維南方程組，由質(zhì)量守恒的連續(xù)性方程和能量守恒的動(dòng)量方程組成[5]：

式中：

Q—流量；

x—沿水流方向空間坐標(biāo)；

Bw—調(diào)蓄寬度，指包括灘地在內(nèi)的全部河寬；

Z—水位；

t—時(shí)間；

q—旁側(cè)入流流量（入流為正，出流為負(fù)）；

u—斷面平均流速；

g—重力加速度；

A—主槽過水?dāng)嗝婷娣e；

B—主流斷面寬度；

n—糙率；

R—水力半徑。

圖2　監(jiān)測(cè)斷面形態(tài)分布圖

西塘河水動(dòng)力模塊的構(gòu)建主要包括河網(wǎng)文件、斷面數(shù)據(jù)文件、邊界條件[6]和模型參數(shù)文件，由于西塘河兩側(cè)閘站均已截流，因此概化時(shí)僅考慮西塘河一條河道。①河網(wǎng)文件：河段長17.87km，節(jié)點(diǎn)18個(gè)；②斷面文件：根據(jù)實(shí)測(cè)CS1-CS10的10個(gè)斷面屬性錄入生成，具體斷面分布及參數(shù)統(tǒng)計(jì)情況見表1、圖2；③邊界文件：設(shè)置上邊界為CS1（琳橋閘），下邊界為CS10，由于西塘河兩側(cè)閘站截流，兩側(cè)無出、入流，故無內(nèi)部邊界條件；④參數(shù)文件：主要包括初始數(shù)據(jù)和糙率n。

2.2　污染物時(shí)間—遷移距離曲線

表1　大斷面參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

（2）對(duì)流擴(kuò)散（AD）模塊

AD模塊的構(gòu)建包括邊界條件和模型參數(shù)文件。①邊界條件：將AD模塊與HD模塊進(jìn)行耦合，在HD模塊邊界的基礎(chǔ)上加上水質(zhì)邊界，選用的模擬水質(zhì)組分為CODMn、NH3-N，濃度數(shù)據(jù)根據(jù)相應(yīng)的時(shí)間序列文件獲?。挥捎谖魈梁觾蓚?cè)完全截污，故無其他內(nèi)邊界條件；②參數(shù)文件：擴(kuò)散系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定D=10 m2/s，CODMn及NH3-N的衰減系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)賦初值。

（3）模型率定與驗(yàn)證

模型率定驗(yàn)證時(shí)，時(shí)間序列的選取原則為：①西塘河從望虞河連續(xù)引水的時(shí)間段；②實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（包括水量和水質(zhì)數(shù)據(jù)）連續(xù)的時(shí)間段。

根據(jù)式（2）、式（3），對(duì)實(shí)測(cè)值和模擬值進(jìn)行對(duì)比分析，檢驗(yàn)兩者相對(duì)誤差δ是否滿足＜10%，Pearson相關(guān)系數(shù)r是否滿足＞90%，以保證模擬結(jié)果的正確性。最終率定并驗(yàn)證得西塘河糙率n=0.025、CODMn的衰減系數(shù)為0.12/d、NH3-N的衰減系數(shù)為0.060/d。

了解污染物的遷移規(guī)律，分析計(jì)算事故發(fā)生后的緩沖時(shí)間是十分必要的。危險(xiǎn)化學(xué)品的種類各種各樣，物理化學(xué)性質(zhì)也不盡相同，對(duì)于西塘河淺窄型河道，影響污染物遷移的主要因素為流速和河道本身規(guī)模。本節(jié)在模型率定驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，模擬計(jì)算西塘河在正常引水條件下（從望虞河引水流量Q=25 m3/s左右）的污染物時(shí)間—遷移距離曲線（見圖3），進(jìn)而對(duì)突發(fā)性水污染事故的應(yīng)急提供指導(dǎo)。

圖3　正常引水條件下西塘河污染物時(shí)間—遷移距離曲線

3　突發(fā)性水污染事故模擬

3.1　模型工況設(shè)定

西塘河沿線道路密集，多條交通要道橫穿而過，其中S9蘇紹高速（距離琳橋閘1.64 km）車輛側(cè)翻事件時(shí)有發(fā)生。因此，假定2016年9月15日上午10時(shí)裝有可溶性高?；瘜W(xué)品A的車輛于S9蘇紹高速發(fā)生側(cè)翻，在20 min的時(shí)間內(nèi)，共有2000 L的化學(xué)品A泄流進(jìn)入西塘河。假設(shè)A是純物質(zhì)，可溶于水，衰減系數(shù)為0，相對(duì)于水的密度為1，則濃度為1 kg/L=1000000 mg/L，排放流量為1.67 L/s（或者設(shè)濃度為1000 mg/L，流量1.67 m3/s亦相同）。

3.2　水溶性高?；瘜W(xué)品A泄漏污染事故模擬

將工況設(shè)定帶入水量水質(zhì)耦合模型，增加內(nèi)部邊界條件。在河道正常引水情況下，模擬泄漏事件發(fā)生后7個(gè)不同監(jiān)測(cè)斷面化學(xué)品A的濃度隨時(shí)間的變化（見圖4），以及同一時(shí)刻7個(gè)不同監(jiān)測(cè)斷面化學(xué)品A的濃度變化情況，根據(jù)模型模擬結(jié)果，化學(xué)品A 的監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)見表2。

由圖表可知，在正常引水情下，化學(xué)品A從發(fā)生泄漏到裴家圩站監(jiān)測(cè)到異常，歷時(shí)Δt=5 h，可為及時(shí)處理泄漏提供預(yù)警；從泄漏斷面到下邊界（環(huán)城河）監(jiān)測(cè)到異常，歷時(shí)Δt=27 h，即有27 h的時(shí)間采取應(yīng)急措施。高危化學(xué)品A的濃度于9月15日11時(shí)達(dá)到最大值15.7 mg/L，雖經(jīng)過長距離、長時(shí)間的稀釋，但下邊界的最高濃度仍有1.74 mg/L，需采取必要的應(yīng)急處理措施。

4　突發(fā)性水污染事故應(yīng)急機(jī)制

4.1　建立應(yīng)急組織機(jī)構(gòu)

圖4　不同監(jiān)測(cè)斷面水溶性高?；瘜W(xué)品A濃度隨時(shí)間變化圖

表2　化學(xué)品A監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)表

為使應(yīng)急救援工作高效、精準(zhǔn)、有序地開展，必須建立西塘河突發(fā)性水污染事故“應(yīng)急救援組織機(jī)構(gòu)”[7]以協(xié)調(diào)各方的工作。儲(chǔ)備人員必須進(jìn)行定期培訓(xùn)和演習(xí)，掌握應(yīng)急防治設(shè)備器材的操作使用。西塘河突發(fā)性水污染事故的應(yīng)急組織機(jī)構(gòu)應(yīng)包括圖5所示的4個(gè)方面。

圖5　西塘河突發(fā)性水污染事故應(yīng)急救援組織機(jī)構(gòu)圖

4.2　啟動(dòng)應(yīng)急程序

西塘河突發(fā)性水污染事故的應(yīng)急程序應(yīng)包含“事故報(bào)警、事故評(píng)估、應(yīng)急行動(dòng)、恢復(fù)/重新進(jìn)入”4大步驟：

（1）事故報(bào)警

報(bào)警途徑分為人員報(bào)警與監(jiān)測(cè)報(bào)警2種[8]。人員報(bào)警即事故第一發(fā)現(xiàn)者直接報(bào)警或告知相關(guān)單位，該途徑要求接警人員詳細(xì)快速得詢問事故發(fā)生時(shí)間、地點(diǎn)、性質(zhì)、人員聯(lián)系方式等；監(jiān)測(cè)報(bào)警即通過西塘河沿線3處水質(zhì)監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)到水質(zhì)異常，這種方式要求當(dāng)值人員迅速上報(bào)西塘河“應(yīng)急指揮機(jī)構(gòu)”，并保留原始水質(zhì)記錄，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)初步分析與跟蹤監(jiān)測(cè)[9]。

（2）事故評(píng)估

西塘河“應(yīng)急指揮機(jī)構(gòu)”接報(bào)后，應(yīng)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)污染事故的污染范圍和程度做出評(píng)估。

①若事故發(fā)生點(diǎn)與水體保持一定距離或僅很少部分進(jìn)入水體且危害程度不大，則可由西塘河“應(yīng)急指揮機(jī)構(gòu)”直接進(jìn)行事故評(píng)估，并上報(bào)西塘河“現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急指揮機(jī)構(gòu)”。

②若污染物已部分進(jìn)入水體且初判其危害較大，則應(yīng)迅速上報(bào)“現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急指揮機(jī)構(gòu)”與“現(xiàn)場(chǎng)保障機(jī)構(gòu)”，迅速組建專家團(tuán)隊(duì)，借助專業(yè)軟件、儀器設(shè)備進(jìn)行事故評(píng)估。

③若到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后發(fā)現(xiàn)污染物為劇毒且已大量進(jìn)入水體，發(fā)生擴(kuò)散，則應(yīng)立即關(guān)閉下游控制閘，并緊急上報(bào)區(qū)政府、“現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急指揮機(jī)構(gòu)”、“現(xiàn)場(chǎng)保障機(jī)構(gòu)”與新聞機(jī)構(gòu)，快速建立專家團(tuán)隊(duì)進(jìn)行事故評(píng)估。

（3）應(yīng)急行動(dòng)

突發(fā)性水污染事故的應(yīng)急行動(dòng)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，由現(xiàn)場(chǎng)指揮部、專家組、監(jiān)測(cè)組、救援組、醫(yī)護(hù)組、后勤組、宣傳組構(gòu)成。其中，“現(xiàn)場(chǎng)指揮部”由“現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急指揮機(jī)構(gòu)”下派，其余小組均由“現(xiàn)場(chǎng)指揮部”聯(lián)系組建。

①現(xiàn)場(chǎng)指揮部：負(fù)責(zé)統(tǒng)籌安排人員物資的調(diào)度，并協(xié)調(diào)、監(jiān)督各個(gè)小組間的任務(wù)安排；

②專家組：應(yīng)包含水文、水工、化學(xué)等各領(lǐng)域?qū)＜?，?fù)責(zé)對(duì)污染程度與范圍進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查，并提供現(xiàn)場(chǎng)處置指導(dǎo)；

③監(jiān)測(cè)組：負(fù)責(zé)對(duì)污染物擴(kuò)散程度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)直接反饋給其他各小組；

④救援組：應(yīng)包含水利、公安、水上救援等專業(yè)人員，負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施具體處置方案；

⑤后勤組：負(fù)責(zé)儲(chǔ)配應(yīng)急物資，并聯(lián)系安排交通工具；

⑥宣傳組：負(fù)責(zé)對(duì)外接觸新聞媒體，處理一切與媒體采訪、新聞發(fā)布相關(guān)工作。

（4）恢復(fù)/重新進(jìn)入

應(yīng)急行動(dòng)完成后，由監(jiān)測(cè)組對(duì)河道水質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)監(jiān)測(cè)，若最終確認(rèn)突發(fā)事故已得到有效控制且危害消除，則由“現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急指揮機(jī)構(gòu)”負(fù)責(zé)宣布進(jìn)入恢復(fù)/重新進(jìn)入狀態(tài)[10]。

4.3　污染物應(yīng)急處置方式

依據(jù)本文第4章對(duì)水溶性高?；瘜W(xué)品A泄漏事故的模擬結(jié)果，在正常引水情況下，從泄漏斷面到裴家圩站斷面，歷時(shí)Δt=5 h，從泄漏斷面到下邊界（環(huán)城河），歷時(shí)Δt=27 h。對(duì)于化學(xué)品A，由于監(jiān)測(cè)站不一定具有完備的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，因此要對(duì)路況信息進(jìn)行及時(shí)了解。水溶性有毒液體物質(zhì)中有一部分，如酸性、堿性、有毒液體物質(zhì)[11]在水體中污染可以用中和劑處理。但由于這些物質(zhì)在水中擴(kuò)散迅速，因此在開闊的水域環(huán)境中，用中和劑進(jìn)行處理的效果微乎其微；在一些狹窄、敏感的水域中大的泄漏可以用中和劑處理，處理過程要與當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境、生態(tài)專家進(jìn)行磋商，盡可能快地進(jìn)行，處理過程要用pH監(jiān)測(cè)器監(jiān)控。酸的處理劑可用碳酸鈉；而堿的處理劑可采用磷酸二氫鈉。

5　結(jié)語

本文以蘇州市西塘河為研究區(qū)，利用MIKE11模型構(gòu)建了西塘河突發(fā)性水污染事故風(fēng)險(xiǎn)模型，并針對(duì)高危水溶性污染物A進(jìn)行假定工況模擬，獲得沿程不同斷面污染物到達(dá)的時(shí)問和影響歷時(shí)，確定了事故響應(yīng)時(shí)間?；诖?，從組織機(jī)構(gòu)、應(yīng)急程序等方面構(gòu)建了西塘河突發(fā)性水污染事故應(yīng)急機(jī)制，明確了應(yīng)急隊(duì)伍建設(shè)與處置流程，并確定了模擬污染物的處置方式，力求最大限度降低事故危害。這一“模擬—應(yīng)急”機(jī)制為河道抵御突發(fā)性水污染事故提供一種新思路，可廣泛運(yùn)用于河道及河道水利樞紐水體的保護(hù)建設(shè)中。

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