北方干旱地區(qū)水庫突發(fā)污染事件應急模擬分析

孫凱迪，徐明德，安 靜

(太原理工大學環(huán)境科學與工程學院，太原 030024)

我國北方干旱地區(qū)缺水問題嚴重，水庫是很多城市的主要供水水源，汾河水庫呈峽谷形、是一座具有調節(jié)徑流、防汛、灌溉、城市供水等多項功能的北方水庫，水庫控制流域大，承擔著工業(yè)、農業(yè)及城市生活用水的任務，是山西省內最大的集中式飲用水源地[1,2]，其水質好壞與太原市超過400 萬人口的飲水安全息息相關。一旦突發(fā)污染事件將嚴重影響水質，對供水終端水處理技術提出了更高的要求，增加了處理成本，威脅供水區(qū)域居民飲水安全，因此對其進行突發(fā)污染事件研究具有重要意義。

國內外關于突發(fā)污染事件的研究起步較晚[3,4]，已有研究主要針對海域及河流[5-7]，水域突發(fā)污染事件數(shù)值模擬研究重點關注海上溢油事件，針對干旱地區(qū)中小型水庫的研究相對較少[8]，研究所使用的模型從簡單的回歸分析、營養(yǎng)物平衡模塊發(fā)展到生態(tài)動力學水質模型[9,10]。鑒于此，本文以汾河水庫為研究載體，識別其移動風險源，結合水動力及物質輸移擴散模型，設置不同情景，模擬水庫突發(fā)環(huán)境事件時污染物的遷移擴散規(guī)律。

1 研究區(qū)域概況

1.1 水庫概況

汾河水庫南北長15 km，東西寬5 km，最大回水面積32.0 km2，水庫庫容7.22 億m3，但經過多年的淤積，截止到2008年，汾河水庫的庫容已經減少為3.6 億m3。近10 a，年均來水量2.14 億m3，年均供水1.79 億m3，入庫河流主要為水庫北部的汾河和西部的澗河。水庫地理位置見圖1。

圖1 汾河水庫地理位置Fig.1 The location map of Fenhe Reservoir

1.2 風險源

研究區(qū)域內固定風險源主要位于汾河水庫上游區(qū)域，各工業(yè)企業(yè)水處理措施比較完善，故本研究主要考慮移動風險源引起的污染事件。如果汾河水庫周邊道路運輸有毒有害危險物質的車輛發(fā)生交通事故造成泄露物進入汾河水庫，將對水庫水源地構成嚴重威脅。交通風險路段包括：

(1)省道252(嵐古線)，處于水庫庫區(qū)東邊，車流量為450～750 輛/d。

(2)省道217(嵐馬線)，處于水庫庫區(qū)西邊，車流量為300～550 輛/d。

危險物質包括汽油、柴油、粗苯、液氨等污染物。

2 模型建立

2.1 水動力模型

汾河水庫是典型的干旱地區(qū)中型水庫，水深較淺，濃度、流速、水深等水力參數(shù)在垂直方向變化較小，故水庫水動力模擬研究建立淺水流動的二維水動力-水質耦合模型[11]：

連續(xù)性方程：

(1)

x方向的動量方程：

(2)

y方向的動量方程：

(3)

式中：ζ為自由水面水位；H為水深，H=h+ζ；u、v為x、y方向上的速度分量；f為科氏力系數(shù)；fw為風阻力系數(shù)；g為重力加速度；μ為黏性系數(shù)；Wx、Wy為風速在x、y方向上的速度分量；t為時間；p為靜壓強。

2.2 水質模型

(4)

2.3 模擬范圍確定

模擬區(qū)域為水庫全部水域范圍，考察水庫實際地形，基于DEM模型、遙感影像資料及GPS實測信息，分析確定水庫邊緣點位坐標，利用GIS地理信息系統(tǒng)對其進行數(shù)字化處理，生成汾河水庫水陸邊界。采用三角網格系統(tǒng)，將汾河水庫庫區(qū)概化約3 160個三角形網格[12,13]。

2.4 參數(shù)及定解條件

(1)模擬時間步長。根據CFL條件取模擬時間步長Δt=1 800 s。

(2)渦黏系數(shù)。采用Smagorinsky公式[14]，渦黏系數(shù)取0.4。

(3)底床阻力。根據曼寧系數(shù)(Manning)，底床阻力取32 m1/3/s。

(4)摩擦力。根據Wu[15](1980)的經驗公式，取風場摩擦力ca=1.255×10-3；底床摩擦力選取曼寧系數(shù)32 m1/3/s。

(5)降雨量與蒸發(fā)量。根據氣象部門相關資料生成對應的降雨和蒸發(fā)時間序列文件。

(6)源與匯。將西部澗河入庫口、北部上游入庫口及南部壩址處的進出水口作為水庫源匯項。各源匯項生成對應的時間序列文件。

(7)初始條件。假設模擬開始前水庫處于靜止狀態(tài)，x、y方向上的速度分量均為0，水庫水位初始條件定為邊界水位平均值，取1 126.2 m。

(8)邊界條件。閉邊界采取岸壁法，取法線方向為不可入條件。開邊界為北部、西部進水口和南部出水口，為避免過強的淺水效應[16]，采用了“干濕點判別法”，即增水時，水深大于0.1 m，視為水域處理；退水時，水深小于0.005 m，不作為水域處理。

(9)擴散系數(shù)。根據Smagorinsky公式，擴散系數(shù)與渦黏系數(shù)之間的比例系數(shù)取0.1，即擴散系數(shù)取0.04。

(10)降解系數(shù)。出于安全性，降解系數(shù)取0。

2.5 模型率定與驗證

在水庫西北部和東南部布設A、B2個監(jiān)測點，見圖2。采用2016年4月5日至2016年8月5日實測A、B點的溶解氧濃度值進行率定和驗證，A、B點的溶解氧濃度值見表1。

圖2 汾河水庫水質監(jiān)測點位Fig.2 The monitor position map of Fenhe reservoir

(1)參數(shù)率定。反復調整模型參數(shù)使模擬結果與A點實測數(shù)據相吻合，設置模型最終計算參數(shù)，率定結果見圖3。

(2)模型驗證。在已確定模型參數(shù)的基礎上，用B點實測數(shù)據重新計算，模擬值接近實測值，兩者擬合程度較好，驗證結果見圖4。根據偏差統(tǒng)計法，最大絕對值偏差為0.2 mg/l,相對誤差2.1%，滿足精度要求，因此本文所構建的模型是有效的。

圖3 參數(shù)率定Fig.3 The parameter calibration

圖4 模型驗證Fig.4 The model validation

3 水質模擬

3.1 情景設置

本次研究以苯胺泄漏為例，考慮移動污染源下排放入口、風等因素對污染物的擴散情況及濃度分布規(guī)律產生的影響，主要設置了10種情景進行模擬。若汾河水庫周邊道路上運輸苯胺的車輛突發(fā)交通事故，造成苯胺泄漏，考慮從水庫上游北部進水口、西部進水口和東側排放口不同入口流入水庫，具體情景設置見表2。

表2 突發(fā)事件情景設置Tab.2 Classifications of scenarios for emergencies

3.2 水質模擬結果分析

3.2.1 模擬結果

水庫突發(fā)污染事件48 h后，各情景下污染物的擴散面積及濃度分布情況見圖5。

圖5 苯胺的濃度分布Fig.5 Concentration distribution of Aniline

由情景1的模擬結果可以看出，苯胺從上游北部進水口進入水庫，由于西南風的作用，苯胺從上游北部進水口順著水庫東岸自西北向東南不斷擴散，48 h擴散了16.07 km2(苯胺濃度大于0的庫區(qū)面積)，平均擴散速率約93 m2/s，超標面積為3.43 km2(苯胺濃度大于0.1 mg/L的庫區(qū)面積)；48 h后距離入口1 300 m區(qū)域苯胺濃度最大，濃度值21.5 mg/L，污染物超標215倍。

由情景2的模擬結果可以看出，苯胺從西部澗河進水口進入水庫，由于西南風的影響，苯胺順著水庫北岸自西南向東北擴散，48 h擴散了15.98 km2，平均擴散速率約92.48 m2/s，超標面積為0.60 km2；48 h后距離入口西北部300 m區(qū)域苯胺濃度最大，濃度值3.65 mg/L，污染物超標36.5倍。

由情景3的模擬結果可以看出，苯胺從東側排放口進入水庫，由于西南風的影響，苯胺從進水口處逐步向外擴散，48 h擴散了25.79 km2，平均擴散速率約149.25 m2/s，超標面積為0.55 km2；48 h后東側排放口周圍區(qū)域苯胺濃度最大，濃度值1.21 mg/L，污染物超標12.1倍。

由情景4的模擬結果可以看出，苯胺從上游北部進水口進入水庫，由于西南風的影響，苯胺順著水庫南岸自西南向東北擴散，48 h擴散了為31.74 km2，平均擴散速率約183.68 m2/s，超標面積為7.86 m2；48 h后距離北部進水口東部1 800 m區(qū)域苯胺濃度最大，濃度值8.2 mg/L，污染物超標82倍。

由情景5的模擬結果可以看出，苯胺從上游北部進水口進入水庫，由于西北風的影響，苯胺從北部進水口順著庫區(qū)西岸自西北向東南擴散，48 h擴散了17.36 km2，平均擴散速率約100.46 m2/s，超標面積為3.69 km2；48 h后在入口東南部1 500 m區(qū)域苯胺濃度最大，濃度值22.2 mg/L，污染物超標222倍。

由情景6的模擬結果可以看出，苯胺從上游北部進水口進入水庫，由于西北風的影響，苯胺從進水口順著庫區(qū)西岸自西北向東南擴散，48 h擴散了29.89 km2，平均擴散速率約105.6 m2/s，超標面積為7.26 km2；48 h后距入口南部1 000 m區(qū)域苯胺濃度最大，濃度值9.53 mg/L，污染物超標95.3倍。

由情景7的模擬結果可以看出，苯胺從西部澗河進水口進入水庫，由于西北風的影響，苯胺順著庫區(qū)南岸自西南向東北擴散，48 h擴散了16.44 km2，平均擴散速率約95.14 m2/s，超標面積為0.61 km2；48 h后距入口西南側500 m區(qū)域苯胺濃度最大，濃度值1.55 mg/L，污染物超標15.5倍。

由情景8的模擬結果可以看出，苯胺從北部進水口進入水庫，沿著水庫中心區(qū)域由西北向東南逐步擴散，48 h擴散了12.79 km2，平均擴散速率約74 m2/s，超標面積為3.92 km2；48 h后入口東南部1 500 m區(qū)域苯胺濃度最大，濃度值25.2 mg/L，污染物超標252倍。

由情景9的模擬結果可以看出，苯胺從西部澗河進水口進入水庫，從進水口自西南向東北擴散，48 h擴散了6.99 km2，平均擴散速率約40.39 m2/s，超標面積為0.46 km2；48 h后在排放入口泄漏點周邊區(qū)域苯胺濃度最大，濃度值3.7 mg/L，污染物超標37倍。

由情景10的模擬結果可以看出，苯胺從東側排放口進入水庫，從東北向西南不斷遷移，48 h擴散了13.81 km2，平均擴散速率約79.91 m2/s，超標面積為0.62 km2；48 h入口處鄰近區(qū)域苯胺濃度最大，濃度值2.82 mg/L，污染物超標28.2倍。

對比情景1和5，情景4和6污染物的擴散情況可知，當排放入口、初始濃度及風速相同時，西北風條件下污染物擴散速率比西南風快，汾河水庫呈峽谷形，進水情況為西北至東南走向，由此可得風向是影響污染物擴散的重要因素。

對比情景1、2、3，情景8、9、10污染物的擴散情況可知，當事件源、初始濃度、風力條件相同時，東側排放口污染物的擴散范圍最大，北部上游干流入口擴散面積大于西部澗河入口。汾河水庫東側入口的水面明顯較北部和西側澗河進水口寬廣，水體流量也大，由此可得排放入口也是影響污染物擴散的重要因素。

對比情景3和4、情景5和6污染物的擴散情況可知，若初

始濃度、排放入口及風向相同時，風速對污染物擴散規(guī)律影響較大，風速增加，污染物的擴散及超標面積隨之增加，當西北風風速由1.4 m/s增加到5.6 m/s時，苯胺擴散面積從17.36 km2變化至29.89 km2，苯胺超標面積從3.69 km2變化至7.26 km2，擴散面積增加了72%，超標面積增加了49%。

以此水質模型為基礎，對不同風速苯胺的濃度分布進行模擬，(濃度取常量1 000 mg/L)，將風速與污染物超標及擴散面積的模擬結果進行擬合，得到擴散面積及超標面積隨風速的變化曲線，給出西北風條件下不同風速西部澗河入口苯胺的濃度分布見圖6，此方法可以應用在水質控制管理上。

圖6 污染物擴散及超標情況Fig.6 The proliferation of pollutants and excessive situation

3.2.2 應急預估

汾河水庫突發(fā)污染事件時，為了能及時準確地確定污染物的擴散情況及濃度分布規(guī)律，結合汾河水庫實際地形，以DEM模型、遙感影像資料、GPS實測信息及GIS地理信息系統(tǒng)為基礎，模擬輸出了不同時間點汾河水庫突發(fā)污染事件時的污染物濃度分布與遷移擴散規(guī)律，模擬結果與實際相符，建立應急預估表(見表3)，可準確直觀的反映突發(fā)水污染事件的影響范圍及發(fā)展趨勢，應急預估具有一定的可靠性。

表3 汾河水庫突發(fā)污染事件時污染物擴散預估表Tab.3 The diffusion law of pollution emergencies in Fenhe reservoir

續(xù)表3 汾河水庫突發(fā)污染事件時污染物擴散預估表

注：移動源，初始濃度1 000 mg/L。

4 結 論

(1)當排放入口、事件源及初始濃度相同時，風向決定污染物的擴散路徑，風速決定污染物的擴散速率。靜風條件下污染物以泄露點為中心逐步向外擴散，有風時污染物擴散路徑隨風向改變，擴散速率增加，污染物擴散面積、超標面積與風速近似服從線性關系；風速相同時，污染物的擴散速率西北風>西南風；排放入口污染物擴散面積大小為東側排放口最大，北部上游干流入口大于西部澗河入口。

(2)情景4即污染物排放入口為北部上游干流入口，西北風為5.6 m/s時，污染物擴散48 h的擴散面積和平均擴散速率最大，面積為31.74 km2，速率為183.68 m2/s；情景9即排放入口為西側澗河，靜風條件下48 h的擴散面積和平均擴散速率最小，面積為6.99 km2，速率為40.39 m2/s。

(3)以汾河水庫為研究載體，識別其移動風險源，構建水動力及物質輸移擴散耦合模型對不同情景汾河水庫突發(fā)環(huán)境事件進行模擬分析，建立水庫突發(fā)環(huán)境事件應急預估表，一旦污染事故真正發(fā)生時，可快速確定污染物的擴散路徑、擴散范圍以及濃度分布情況，為合理進行應急監(jiān)測，制定應急處置方案提供數(shù)據支持，從而及時采取應急防范措施。

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