北疆供水工程主干渠突發(fā)水污染事故污染物運(yùn)移擴(kuò)散研究

王 曦，崔婭茹，甘治國，徐 丹，王雙銀，齊佳碩

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院， 陜西 楊凌 712100;2.楊陵區(qū)水務(wù)局, 陜西 楊凌 712100;3.中國水利水電科學(xué)研究院， 北京 100044)

北疆供水工程位于新疆北部，由水源工程、輸水工程和反調(diào)節(jié)水庫三部分組成。 該工程從“635”水庫引水，經(jīng)約140 km的總干渠后分南干渠和西干渠分別向克拉瑪依市和烏魯木齊市供水，沿線地質(zhì)條件復(fù)雜多變[1]。總干渠屬于開敞式長距離輸水渠道，由于其裸露在外的水體和沿線復(fù)雜的環(huán)境，很容易發(fā)生水污染事故[2]。因此，為了保證渠道安全供水，開展對渠道水質(zhì)問題的研究便具有重要意義。已有研究對北疆供水工程總干渠突發(fā)水污染事故的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析，認(rèn)為人為投毒投藥、翻車致污染物入渠、雨洪入渠和農(nóng)藥化肥滲透入渠是四類最可能突發(fā)的水污染事故[3]?？偢汕ㄓ惺畮鬃窐颍非徊娼ㄖ锉姸?，出現(xiàn)交通事故引發(fā)突發(fā)水污染事件的隱患極大，一旦車輛翻入干渠造成有毒有害物質(zhì)泄漏，將嚴(yán)重影響總干渠下游水質(zhì)安全。

突發(fā)水污染事件一般具有不確定的突發(fā)性, 影響范圍的廣泛性和危害的嚴(yán)重性等特點(diǎn)[4]，此類事件的研究重點(diǎn)則是事故發(fā)生后污染物在渠道水體中的運(yùn)移擴(kuò)散規(guī)律[5]。國內(nèi)外學(xué)者針對這方面做了許多研究，如Qiao等[6]通過水污染模擬，構(gòu)建了長距離引水工程在突發(fā)水污染事故下的應(yīng)急控制決策支持框架，確定閘門的控制方式；Long等[7]提出了污染物遷移擴(kuò)散特征參數(shù)和復(fù)雜閘門控制條件下污染物擴(kuò)散的快速預(yù)測，根據(jù)模擬結(jié)果，建立了突發(fā)水污染事故特征參數(shù)的快速預(yù)測公式；王浩等[8]針對突發(fā)水污染事故防治與管理的各環(huán)節(jié),建立“數(shù)值模擬-評價診斷-溯源預(yù)測-應(yīng)急調(diào)控-污染處置”5 大環(huán)節(jié)于一體的突發(fā)水污染應(yīng)急調(diào)控與處置技術(shù)體系，為突發(fā)水污染事故的防治和管理提供技術(shù)支撐；胡琳等[9]基于MIKE 11構(gòu)建了浙江省東苕溪流域水動力和水質(zhì)耦合模型，通過對污染物擴(kuò)散規(guī)律的研究，建立了預(yù)警模型；郭丹陽等[10]基于EFDC模型，構(gòu)建了珠江三角洲水資源配置工程取水口所在河道的NH3-N模型與溢油模型，并采用模型對設(shè)置的6種突發(fā)水污染事件情景進(jìn)行了模擬。上述研究都針對突發(fā)水污染事故中污染物在水體中的運(yùn)移擴(kuò)散過程，但針對北疆供水工程總干渠翻車致污染物入渠從而引發(fā)突發(fā)水污染事故的相關(guān)模擬分析還存在空缺。

在比較常用的幾個水質(zhì)模型中, MIKE模型在水質(zhì)模擬方面的科學(xué)性已經(jīng)得到學(xué)界認(rèn)可[11-13]。本文以北疆供水工程主干渠00+000—57+300段為例，針對危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸事故風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)用MIKE 11 模型軟件建立了北疆供水工程總干渠突發(fā)水污染事故的污染物運(yùn)移擴(kuò)散模型，模擬污染物在渠道內(nèi)的運(yùn)移擴(kuò)散情況。闡明突發(fā)水污染事故后污染團(tuán)的時空分布規(guī)律，對突發(fā)水污染事故的嚴(yán)重程度、擴(kuò)散范圍、運(yùn)移時間做出預(yù)報(bào)，為北疆供水工程主干渠的水質(zhì)提供重要保障，并為突發(fā)水污染事故的應(yīng)急預(yù)案提供指導(dǎo)，有效降低此類事件所造成的損失。

1 材料與方法

1.1 模擬段介紹

根據(jù)資料的完整程度和建筑物分布情況，考慮模型建立所需數(shù)據(jù)，本文選取主干渠0+000—57+300段進(jìn)行突發(fā)水污染模擬研究。選取的模擬渠段共57 km，該渠段內(nèi)包括三種斷面形式的明渠段，隧洞段，三處分水口及兩處節(jié)制閘。隧洞為單孔圓形隧洞，直徑6.9 m，長1 792 m，坡比為1/1 000；兩處節(jié)制閘，均為2孔閘門，寬4 m，運(yùn)行期間全開，開度為6.7 m，其余部分均為梯形斷面的開敞式明渠，斷面資料見表1。

表1 模擬渠段斷面設(shè)計(jì)資料

為了分析突發(fā)水污染不同位置的影響，模擬事故位置有2個：一是在模擬渠段上游15+000斷面處；二是模擬渠段中游35+000斷面處，距離模擬起始斷面分別為15 km和35 km。本文針對翻車致污染物入渠事故風(fēng)險(xiǎn)，模擬事故情況下污染物輸移狀況，以及污染物濃度峰值的沿程變化。

對于翻車致污染物入渠導(dǎo)致的突發(fā)水污染而言，主要考慮不同時段被污染渠道內(nèi)污染物濃度峰值的變化情況?；贛IKE 11模擬污染物擴(kuò)散情況時，需利用HD和AD模塊建立水動力模型和對流擴(kuò)散模型。

1.2 水動力模型的建立

對于模擬渠段，渠道寬約3 m，正常運(yùn)行情況下最大水深約5 m，僅相當(dāng)于渠長的萬分之一，則干渠內(nèi)水的流動可以看作一維流動[14]。據(jù)此，本文利用MIKE 11水動力模塊(HD)模擬北疆供水工程主干渠0+000—57+300段的水位和流量，模擬結(jié)果作為對流擴(kuò)散模塊(AD)后續(xù)模擬的基礎(chǔ)。

(1) 數(shù)據(jù)文件。MIKE 11建立水動力模型所需的數(shù)據(jù)文件包括河網(wǎng)文件(.nwk11)、斷面文件(.xns11)、邊界文件(.bnd11)和模型參數(shù)文件(.hd11)。所有斷面數(shù)據(jù)均由工程設(shè)計(jì)資料提供，設(shè)置上游邊界條件為流量，下游邊界條件為水位，將2015年的流量、水位實(shí)測數(shù)據(jù)作為模型的邊界文件。

(2) 參數(shù)率定。模型的參數(shù)率定主要為確定渠道糙率，采用2015年逐日實(shí)測水位和流量資料，通過糙率分段取值的方法，對糙率進(jìn)行率定，不斷調(diào)整模擬值，使實(shí)測水位值和模擬值比較吻合。渠道各段糙率率定值見表2。

表2 模擬渠段參數(shù)率定

(3) 水動力模型的驗(yàn)證。采用2016年的實(shí)測數(shù)據(jù)對率定的模型結(jié)果做進(jìn)一步的驗(yàn)證，通過計(jì)算兩個斷面的平均絕對百分誤差MAPE和相關(guān)系數(shù)R評價模型的精度。在2+990斷面的水位模擬誤差中，MAPE為1.01%，R為0.995；在49+320斷面的水位模擬誤差中，MAPE為0.99%，R為0.980，因此HD模型總體上符合要求，可以作為后續(xù)MIKE 11 AD模塊的基礎(chǔ)。

1.3 對流擴(kuò)散模型的建立

MIKE 11 的對流擴(kuò)散模型(AD)是一種均相混合模型，用來模擬均相中污染物的運(yùn)移過程。對于突發(fā)水污染事故，當(dāng)污染物進(jìn)入渠道后，能很快在渠道的橫向和垂向上達(dá)到一個比較均勻混合的狀態(tài)，則MIKE 11 AD模塊可以滿足模擬污染物運(yùn)移擴(kuò)散過程要求[15]。MIKE 11 AD描述物質(zhì)在水體中運(yùn)移的一維對流擴(kuò)散方程為：

(1)

式中：A為斷面面積；C為污染物濃度；Q為流量；x為距離坐標(biāo)；t為時間坐標(biāo)；D為對流擴(kuò)散系數(shù)；K為綜合衰減系數(shù)。

水動力模型是構(gòu)建對流擴(kuò)散模型的基礎(chǔ)，在其邊界文件的基礎(chǔ)上添加污染物泄漏的時間序列文件(.dfs0)作為對流擴(kuò)散模型的內(nèi)部邊界文件。由于實(shí)際條件的限制很難測算對流擴(kuò)散系數(shù)D，需借助經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或理論公式來確定。基于以往學(xué)者對擴(kuò)散系數(shù)的研究，將對流擴(kuò)散系數(shù)D設(shè)置為10 m2/s。

2 結(jié)果與分析

根據(jù)《國家危險(xiǎn)廢物名錄》[16](2016年版)和《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源辨識》[17](GB 18218—2018)的有關(guān)規(guī)定，本文以有毒有害物質(zhì)苯酚為泄漏物質(zhì)來分析事故危害后果。北疆供水工程2016年正常運(yùn)行期間實(shí)測資料表明，依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[18](GB 3838—2002)，總干渠水質(zhì)五六月為Ⅱ類水質(zhì)，七八月為Ⅲ類水質(zhì)，故將模擬污染物苯酚的初始濃度設(shè)置為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)的上限值0.005 mg/L。

苯酚主要是靠槽罐車進(jìn)行運(yùn)輸，如果在運(yùn)輸至供水工程段時發(fā)生交通事故，很可能引起苯酚泄漏，致使苯酚流入輸水河道，造成水體污染。因此有必要對貨運(yùn)車輛發(fā)生交通事故導(dǎo)致的突發(fā)水污染進(jìn)行模擬分析，從而為北疆供水工程總干渠突發(fā)水污染事件的應(yīng)急救援提供數(shù)據(jù)支持。

本文假定2016年5月12日0 h一輛裝有苯酚的槽罐車在模擬渠段上游15+000斷面處或是模擬渠段中游35+000斷面處發(fā)生翻車事故，造成裝載的苯酚泄入干渠。設(shè)置濃度為1 000 mg/L的污染物伴隨1 m3/s的污染流量進(jìn)入干渠并持續(xù)20 min，共計(jì)1.2 t污染物流入渠道。參考相關(guān)文獻(xiàn)[19]，苯酚的衰減系數(shù)設(shè)置為0.1 d-1。

根據(jù)工程設(shè)計(jì)報(bào)告，北疆供水工程總干渠設(shè)計(jì)流量為120 m3/s，由2016年140天的工程運(yùn)行資料可知，實(shí)際運(yùn)行中超過80 d的運(yùn)行流量處于60 m3/s以上，其中最高輸水流量達(dá)到92 m3/s。故根據(jù)設(shè)計(jì)流量和實(shí)測流量，上游水動力條件分別設(shè)置為60%設(shè)計(jì)流量(72 m3/s)和100%設(shè)計(jì)流量(120 m3/s)。

2.1 60%設(shè)計(jì)流量時渠段上游突發(fā)翻車致污染物入渠事故動態(tài)模擬

圖1顯示了60%設(shè)計(jì)流量時渠道上游斷面15+000處突發(fā)翻車致污染物入渠事故后各斷面峰值濃度分布情況。由圖1可知，污染物進(jìn)入斷面前的濃度為初始濃度0.005 mg/L，經(jīng)過污染斷面時濃度峰值增長為12.20 mg/L，模擬段內(nèi)最高濃度出現(xiàn)在18+209斷面，為13.67 mg/L。之后污染物濃度峰值在下游沿程斷面呈現(xiàn)下降趨勢，但衰減程度較小。

圖1 60%設(shè)計(jì)流量時上游突發(fā)事故后各斷面污染物濃度峰值沿程變化

從污染物運(yùn)移時間上來看，事故發(fā)生1 h后，污染物濃度達(dá)到最大，為13.67 mg/L，此后污染物濃度逐漸下降；5 h后，污染峰遷移至斷面36+106處，最大污染物濃度為12.91 mg/L，相比0 h的最大污染物濃度下降了5.6%；9 h后,污染峰遷移至斷面53+000處，最大污染物濃度為11.93 mg/L，相比0 h的最大污染物濃度下降了12.8%，此時污染物濃度峰值還大于0.005 mg/L，應(yīng)采取調(diào)控措施，改善水質(zhì)。

為具體分析各時段峰值情況，選取2016年5月12日0 h、2 h，3 h和4 h污染物沿程擴(kuò)散數(shù)據(jù)，分析表明，污染物濃度除在初始時刻瞬時增加外，在其它時間都是呈現(xiàn)一定斜率上升后達(dá)到峰值，且在一段距離內(nèi)都處于峰值濃度。0 h的污染物濃度變化經(jīng)歷1.96 km；2 h的污染物濃度從升高到降為初始濃度經(jīng)歷了4.49 km，峰值濃度持續(xù)了1.3 km；3 h的污染物濃度從升高到降為初始濃度經(jīng)歷了4.47 km，峰值濃度持續(xù)了1.3 km；4 h的污染物濃度從升高到降為初始濃度經(jīng)歷了4.65 km，峰值濃度持續(xù)了1.4 km。

2.2 60%設(shè)計(jì)流量時渠段中游突發(fā)翻車致污染物入渠事故動態(tài)模擬

圖2顯示了60%設(shè)計(jì)流量時渠道中游斷面35+000處突發(fā)翻車致污染物入渠事故后各斷面峰值濃度分布情況。由圖2可知，污染物進(jìn)入斷面前的濃度為初始濃度0.005 mg/L，經(jīng)過污染斷面時濃度峰值增長為12.45 mg/L，模擬段內(nèi)最高濃度出現(xiàn)在38+000斷面，為13.94 mg/L。

圖2 60%設(shè)計(jì)流量時中游突發(fā)事故后各斷面污染物濃度峰值沿程變化

從污染物運(yùn)移時間上來看，事故發(fā)生1 h后，污染物濃度達(dá)到最大，為13.94 mg/L，此后隨著時間的推移，污染物濃度逐漸下降；5 h后，污染峰遷移至模擬段終點(diǎn)57+300斷面，最大污染物濃度為13.03 mg/L，相比0 h的最大污染物濃度下降了6.5%，但此時污染物濃度還大于0.005 mg/L，應(yīng)采取調(diào)控措施，改善水質(zhì)。

選取2016年5月12日0 h、2 h，3 h和4 h污染物沿程擴(kuò)散數(shù)據(jù)分析表明與前例相似，污染物濃度除在初始時刻瞬時增加外，在其它時間都是呈現(xiàn)一定斜率上升最終達(dá)到峰值，且在一段距離內(nèi)都處于峰值濃度(相似規(guī)律在下文中不再贅述)。0 h的污染物濃度變化經(jīng)歷1.69 km；2 h的污染物濃度從升高到降為初始濃度經(jīng)歷了4.41 km，峰值濃度持續(xù)了1.2 km；3 h的污染物濃度從升高到降為初始濃度經(jīng)歷了4.45 km，峰值濃度持續(xù)了1.17 km；4 h的污染物濃度從升高到降為初始濃度經(jīng)歷了4.60 km，峰值濃度持續(xù)了1.2 km。

2.3 100%設(shè)計(jì)流量時渠段上游突發(fā)翻車致污染物入渠事故動態(tài)模擬

圖3顯示了100%設(shè)計(jì)流量時渠道上游斷面15+000處突發(fā)翻車致污染物入渠事故后各斷面峰值濃度分布情況。由圖3可知，污染物進(jìn)入斷面前的濃度為初始濃度0.005 mg/L，經(jīng)過污染斷面時濃度峰值增長為7.35 mg/L，模擬段內(nèi)最高濃度出現(xiàn)在18+560斷面，為8.23 mg/L。

從污染物運(yùn)移時間上來看，事故發(fā)生1 h后，污染物濃度達(dá)到最大，為8.23 mg/L，此后污染物濃度逐漸下降；5 h后，污染峰遷移至斷面40+000處，最大污染物濃度為7.54 mg/L，相比0 h的最大污染物濃度下降了8.4%；8 h后,污染峰遷移至模擬段終點(diǎn)57+300斷面處，最大污染物濃度為7.13 mg/L，相比0 h的最大污染物濃度下降了13.4%，此時污染物濃度仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0.005 mg/L，水質(zhì)污染嚴(yán)重，應(yīng)采取調(diào)控措施。

圖3 100%設(shè)計(jì)流量時上游突發(fā)事故后各斷面污染物濃度峰值沿程變化

選取2016年5月12日0 h、2 h、3 h和4 h污染物沿程運(yùn)移擴(kuò)散數(shù)據(jù),分析表明0 h污染物濃度從升高到降為初始濃度經(jīng)歷了1.98 km；2 h的污染物濃度從升高到降為初始濃度經(jīng)歷了5.06 km，峰值濃度持續(xù)了1.69 km；3 h的污染物濃度從升高到降為初始濃度經(jīng)歷了5.38 km，峰值濃度持續(xù)了1.59 km；4 h的污染物濃度從升高到降為初始濃度經(jīng)歷5.25 km，峰值濃度持續(xù)了1.75 km。

2.4 100%設(shè)計(jì)流量時渠段中游突發(fā)翻車致污染物入渠事故動態(tài)模擬

圖4顯示了100%設(shè)計(jì)流量時渠道中游斷面35+000處突發(fā)翻車致污染物入渠事故后各斷面峰值濃度分布情況。由圖4可知，污染物進(jìn)入斷面前的濃度為初始濃度0.004 mg/L，經(jīng)過污染斷面時濃度峰值增長為7.42 mg/L，模擬段內(nèi)最高濃度出現(xiàn)在18+209斷面，為8.33 mg/L。

從污染物運(yùn)移時間上來看，事故發(fā)生1 h后，污染物濃度達(dá)到最大，為8.33 mg/L，此后污染物濃度逐漸下降；4 h后，污染峰遷移至斷面52+870處，最大污染物濃度為7.81 mg/L，相比0 h的最大污染物濃度下降了6.2%；此時污染物濃度仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0.005 mg/L，水質(zhì)污染嚴(yán)重，應(yīng)采取調(diào)控措施。

選取2016年5月12日0 h、2 h、3 h和4 h污染物沿程運(yùn)移擴(kuò)散數(shù)據(jù)，分析表明0 h污染物濃度從升高到降為初始濃度經(jīng)歷了1.95 km；2 h的污染物濃度從升高到降為初始濃度經(jīng)歷了5.13 km，峰值濃度持續(xù)了1.60 km；3 h的污染物濃度從升高到降為初始濃度經(jīng)歷5.12 km，峰值濃度持續(xù)了1.45 km；4 h的污染物濃度從升高到降為初始濃度經(jīng)歷5.60 km，峰值濃度持續(xù)了1.88 km。

圖4 100%設(shè)計(jì)流量時中游突發(fā)事故后各斷面污染物濃度峰值沿程變化

3 討 論

對受水對象而言, 供水安全涵蓋充足的水源、滿足要求的水質(zhì)、安全穩(wěn)定的供水渠道[20]，采用本研究建立的模型，可以預(yù)測翻車致污染物入渠事故發(fā)生后，污染物濃度峰值的沿程變化，并結(jié)合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)對污染物進(jìn)行調(diào)控，保障供水安全。馬曉嵩對南水北調(diào)工程京密引水渠段正向輸水得出污染物影響范圍與上下游位置無關(guān)的結(jié)論和任朋對城市供水河道突發(fā)水污染事故狀況下得到的污染物濃度峰值變化規(guī)律，與本文模擬結(jié)果基本一致，本文對長距離供水渠道的應(yīng)急管理具有一定的參考和利用價值。本文雖只針對模擬段閘門未參與調(diào)控下的污染物運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了探討，未進(jìn)一步研究閘門在突發(fā)水污染應(yīng)急調(diào)控與處置中的作用，但已為后續(xù)的研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4 結(jié) 論

(1) 突發(fā)水污染事故發(fā)生后的一個小時是應(yīng)急處置的關(guān)鍵時刻，污染物濃度逐漸達(dá)到最大值，污染物濃度最大值位置出現(xiàn)在距離污染物事故發(fā)生下游4 km～5 km斷面處。

(2) 當(dāng)大量污染物持續(xù)投入時，渠道沿程斷面出現(xiàn)污染物濃度峰值持續(xù)現(xiàn)象。

(3) 當(dāng)流量一定，污染物質(zhì)量一定時，其污染范圍相近，故污染物影響距離與污染事故發(fā)生位置無關(guān)。

(4) 當(dāng)污染事故發(fā)生位置一定，污染物質(zhì)量一定時，流量越大，污染物影響范圍越大，表明污染物影響范圍與流量有關(guān)。

(5) 分水口濃度在各類工況下均超出《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》三類標(biāo)準(zhǔn)0.005 mg/L，人工渠道自我凈化能力較弱。