東莊水庫突發(fā)水污染事故下有機物的時空分布研究

賀翠玲,郭 英,蔡丹丹,劉少斌,李國棟*

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,陜西 西安 710065;2.西安理工大學西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室,陜西 西安 710048;3.陜西省水利電力勘測設計研究院,陜西 西安 710048)

隨著城市持續(xù)擴張、工業(yè)不斷發(fā)展,導致突發(fā)水污染事故頻繁發(fā)生,嚴重影響著生態(tài)環(huán)境安全與人們的生命安全,如2005年北江鎘污染事故、2006年湖南岳陽砷污染事件、2013年云南的東川小江水體污染事故等等[1]。為避免突發(fā)水污染事故帶來的嚴重后果,為防止水污染危險擴大,需要準確預測突發(fā)水污染事故爆發(fā)后有機物在水體中的時空分布,傳統(tǒng)物理模型方法過程繁瑣、耗時耗力,而數(shù)值模擬方法恰好相反且具有強大的數(shù)據(jù)處理功能。因此,采用不同數(shù)值模擬方法[2-6]對突發(fā)性水污染事故進行模擬成為國內(nèi)外各機構(gòu)的研究熱點。目前,用于模擬河流、湖泊、水庫等水質(zhì)問題的模型有EFDC、WASP、SMS、MIKE、SWAT等[7],其中,由丹麥水力研究所開發(fā)的MIKE系列軟件,在國際上得到廣泛應用并且在工程中得到很好的驗證[8],MIKE11一維水動力能夠自適應河道內(nèi)在時間和空間水流條件的數(shù)值計算方案,很好地描述河流的各種水流環(huán)境[9]。而ECO lab水質(zhì)模型充分考慮了有機物進入水體后在擴散衰減的同時發(fā)生降解、懸浮、沉降等過程,創(chuàng)造一個與實際水體相似的水環(huán)境模型,更準確地模擬水質(zhì)問題。

東莊水庫是陜西省涇河流域上一座在建的大(1)型水利樞紐工程,主要以防洪減淤為主,兼顧供水、發(fā)電及改善生態(tài)等功能。其兩岸分布有大量的城鎮(zhèn)、居民以及工業(yè)企業(yè),庫區(qū)水質(zhì)的質(zhì)量對居民的生產(chǎn)生活影響較大。目前,由于東莊水庫正在建設中,已有關于東莊水庫的研究多針對預測其對生態(tài)、供水、防洪減淤的影響[10-12],針對東莊水庫突發(fā)水污染事故分析很少。因此,對東莊水庫的突發(fā)性水污染事故進行模擬研究具有非常重要的價值和現(xiàn)實意義。

本研究以MIKE軟件一維水動力模型為基礎耦合ECO lab水質(zhì)模型,建立了東莊水庫突發(fā)水污染事故預警模型,研究有機物濃度隨時間的衰減擴散過程,分析不同情景下有機物的時空分布規(guī)律,為東莊水庫突發(fā)水污染事故應急調(diào)控策略及方案的制定提供一定的理論支撐與數(shù)據(jù)參考。

1 研究區(qū)域概況

東莊水利樞紐工程位于涇河流域干流最后一個峽谷段出口(張家山水文站)以上29 km,見圖1。東莊水庫總庫容30.1億m3,庫水位高程650～780 m,長期調(diào)蓄庫容10億m3,壩址控制流域面積4.31萬km2,占涇河流域面積的95%,是陜西關中地區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城鄉(xiāng)生活重要水源。東莊水庫為145萬畝涇惠灌區(qū)提供農(nóng)業(yè)供水量4.34億m3,灌溉保證率由40%提高到60%以上,為西咸新區(qū)(涇河、秦漢、空港新城)、銅川新區(qū)、富平縣城及工業(yè)園區(qū)和三原縣城等工業(yè)及城鎮(zhèn)生活供水1.44億m3,保證率可達95%。由此可知,東莊水庫在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和工業(yè)及城鄉(xiāng)供水方面發(fā)揮著重要作用,有利于關中經(jīng)濟區(qū)及渭北“旱腰帶”經(jīng)濟大發(fā)展。

圖1 東莊水庫地理位置

2 研究方法

2.1 MIKE11模型基本原理

MIKE11水動力模型是以一維恒定圣維南方程為控制方程,模擬水流的水動力要素,一維恒定圣維南方程的表達式[13]為:

(1)

(2)

2.2 ECO lab模型基本原理

ECO lab模型中的每一個狀態(tài)變量都有一個相對應的微分方程描述其發(fā)生的過程,過程微分方程的通式[13]為:

(3)

式中c——狀態(tài)變量的濃度;n——狀態(tài)涉及的過程數(shù);processi——狀態(tài)的過程。

對流擴散方程為:

(4)

ECO lab模型與一維對流擴散模型耦合后的水質(zhì)傳輸方程為:

(5)

式中Dχ——χ方向擴散系數(shù);Sc——源匯項;Pc——ECO lab水質(zhì)模型中的過程表達式。

2.3 模型構(gòu)建

2.3.1一維水動力模型構(gòu)建

將東莊水庫的 CAD 地形圖處理后,得到東莊水庫的河道走勢圖,導入MIKE11中,定義河網(wǎng)名稱、走向和連接關系及河道長度信息,得到東莊水庫河網(wǎng)文件,東莊水庫河段總長度為99.7 km,見圖2。通過ArcGIS軟件自帶斷面提取功能處理得到東莊水庫的橫斷面數(shù)據(jù)資料,在斷面截取時,平均1 km截取一個斷面,在河道彎曲程度較大處,橫斷面進行局部加密。包括進口和出口斷面共截取94個斷面,見圖3—5。由于東莊水庫還未建成,具體實測資料無法獲得,根據(jù)建庫前水深資料,修正后得到河道糙率n=0.025[14]。在保證水庫正常蓄水位的條件下,設置上下游邊界條件,即月平均徑流量作為上游進口邊界條件,月平均下游水位為下游出口邊界條件。

圖2 一維水動力模型河網(wǎng)

圖3 典型斷面(壩址上游1 km處)

圖4 典型斷面(壩址上游33 km處)

圖5 典型斷面(壩址上游65 km處)

2.3.2ECO lab水質(zhì)模型構(gòu)建

突發(fā)水污染事故中的主要有機物類型有化學需氧量(CODMn)、氨氮、總磷、總氮等,通過對東莊水庫污染源的調(diào)查,將污染源所產(chǎn)生的有機物種類和排放量進行整理、分析,結(jié)果表明化學需氧量(CODMn)是排放量最大的有機物,一年排放量為30 258.24 t。因此本研究以化學需氧量(CODMn)為例,在對流擴散方程的基礎上,計算ECO lab水質(zhì)模型中Pc的對流擴散過程表達式。

ECO lab水質(zhì)模塊中CODMn的質(zhì)量守恒式[15]為:

(6)

(7)

CODMn沉降:Sedimentation=ks·CODMns/H

(8)

CODMn再懸浮:

Resuspension=S1·CODMnb/H

(9)

式中k3——20 ℃下CODMn降解速率;θ3——CODMn降解溫度系數(shù);T——任意溫度;DO——溶解氧含量;HS_CODMn——CODMn降解半飽和氧濃度;ks——CODMns沉降速率;CODMns——懸浮性CODMn;H——水深;S1——CODMnb再懸浮速率;CODMnb——沉降CODMn。

根據(jù)區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展及陜西省污染治理相關規(guī)劃,至2030年工程運行時,涇河陜西段河道水質(zhì)應滿足相應水功能區(qū)水質(zhì)要求(Ⅲ類)。故各有機物的初始濃度(即本底濃度)設置為Ⅲ類水標準上限值,即CODMn初始濃度為6 mg/L。由于東莊水庫還未建成,無實測數(shù)據(jù),東莊水庫擴散系數(shù)根據(jù)相關經(jīng)驗取值D=15 m2/s[13],CODMn降解系數(shù)通過參考同類型水庫文獻[8]實驗可得0.000 625/h。預測入庫水質(zhì)按照Ⅲ類水質(zhì)標準上限值作為上游恒定水質(zhì)邊界。下游的水質(zhì)邊界設置為open transport,即下游水質(zhì)邊界條件由上游水質(zhì)運輸確定。

3 情景設置

東莊水庫周圍存在彬縣、旬邑縣、永壽縣、禮泉縣、淳化縣,具體位置見圖6。

圖6 排污口位置

縣城中存在許多工業(yè)企業(yè)以及高速公路,增加了突發(fā)事件發(fā)生的可能性,比如工業(yè)企業(yè)發(fā)生突發(fā)事件導致超標的污水泄漏或者發(fā)生交通事故導致滿載?；返钠嚨羧霂靺^(qū)。因此,對比分析東莊水庫各個風險源,由于旬邑縣周邊分布大量的工業(yè)企業(yè)且CODMn排放量達到18 630.89 t/a,故將旬邑縣作為突發(fā)水污染事故發(fā)生點,其他四縣均按常規(guī)排放。由于東莊水庫還未建成,有機物排放數(shù)據(jù)來源于2014年陜西省污染源普查數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)表明水庫污染因子有總氮、總磷、CODMn等,由于CODMn是排放最多的有機物,所以本研究以CODMn為研究對象,設置4種不同情景,具體情景見表1。根據(jù)上游來流量(豐水期為176.6 m3/s、枯水期為16.1 m3/s),有機物排放流量(突發(fā)水污染事故排放的有機物流量一般較小)、排放時間的不同,研究4種不同情景下有機物爆發(fā)后在水庫庫區(qū)中的時空分布規(guī)律及濃度變化特征。

表1 CODMn突發(fā)水污染情景設置

4 結(jié)果分析

4.1 情景一結(jié)果分析

化學需氧量CODMn濃度變化見圖7、8,其濃度沿程出現(xiàn)了正弦波衰減規(guī)律,隨著時間的推移峰值濃度出現(xiàn)的位置向下游移動,數(shù)值沿程不斷衰減。有機物在向下游傳播過程中有機物濃度逐漸衰減,由圖8可知前13.5 km有機物峰值濃度較大,沿程下降幅度較小,峰值濃度為10.7～11.9 mg/L;在距離事故發(fā)生地14 km處,CODMn峰值濃度呈現(xiàn)直線下降趨勢,傳播到下游15 km處時衰減至8.8 mg/L,用時11.8 h,該斷面達到Ⅲ類水標準所需時間為11.2 h,消減了26.1%,下文中影響時間代表該斷面達到Ⅲ類水標準上限值所需時間;至17.5 km處,濃度為7.6 mg/L,用時19.7 h,消減了36.1%;直至下游28 km處峰值濃度衰減至6.1 mg/L,消減了48.7%,但此時有機物濃度接近CODMnⅢ類水標準上限值6 mg/L。

圖7 事故發(fā)生后不同位置CODMn濃度隨時間的變化曲線

圖8 事故發(fā)生后CODMn峰值濃度包絡線

4.2 情景二結(jié)果分析

由圖10可得,情景一與情景二有機物峰值濃度包絡線規(guī)律相同。事故發(fā)生后,前13.5 km有機物峰值濃度均較大,下降幅度較小,峰值范圍為8.4～8.9 mg/L,13.5 km之后有機物濃度呈現(xiàn)直線下降趨勢。由圖9可見,相比于情景一,情景二的不同之處在于有機物排放量減半。因此情景二中的有機物隨時間的分布規(guī)律與情景一相同,僅數(shù)值不同。CODMn濃度峰值出現(xiàn)的位置隨著時間的推移往下游推移,CODMn濃度峰值隨著時間的推移呈現(xiàn)不斷衰減狀態(tài)。距離事故發(fā)生地5 km處,CODMn最大峰值濃度由情景一的11.9 mg/L減小到8.9 mg/L;距事故發(fā)生點15 km處衰減至7.4 mg/L,消減16.9%,用時11.8 h,影響時長11.2 h;距事故發(fā)生點17.5 km時,衰減至6.7 mg/L,消減24.7%,用時21.5 h,影響時長16.2 h。

圖9 事故發(fā)生后不同位置CODMn濃度隨時間的變化曲線

圖10 事故發(fā)生后CODMn峰值濃度包絡線

4.3 情景三結(jié)果分析

情景三上游來水量僅為16.1 m3/s,相比于情景一和情景二的上游來水量下降了90%。因此,不同斷面上CODMn濃度隨時間的變化規(guī)律及峰值濃度包絡線圖曲線形狀發(fā)生較大變化。由圖11可見,CODMn最大峰值濃度由情景二的8.9 mg/L增加到16.2 mg/L,上游來水量減小,有機物隨水流向下游擴散速度降低,有機物濃度快速累積。與此同時,CODMn影響范圍變小,影響時間變長。事故發(fā)生后,有機物持續(xù)排放了3 h后濃度達到最大,而后呈現(xiàn)迅速降低的趨勢。由圖12可見,距事故發(fā)生點0.5 km處,CODMn峰值濃度達到11.1 mg/L,用時4.3 h,影響時間為38.2 h;有機物傳播至2 km處時峰值濃度衰減至7.8 mg/L,消減51.9%,用時16.8 h,影響時間為56.0 h;傳播至4.0 km處衰減至6.5 mg/L,消減60%,用時42.5 h,影響時間為79.5 h。

圖11 事故發(fā)生后不同位置CODMn濃度隨時間的變化曲線

圖12 事故發(fā)生后CODMn峰值濃度包絡線

4.4 情景四結(jié)果分析

與情景三相比,情景四有機物排放時間減少。由圖13、14可知,不同斷面上CODMn濃度隨時間變化及峰值濃度包絡線曲線變化規(guī)律一致,僅在數(shù)值上有所不同。在事故發(fā)生地,CODMn最大峰值濃度為14.0 mg/L,有機物傳播至斷面0.5 km時,峰值濃度衰減至9.5 mg/L,衰減56.2%,用時1.2 h,影響時間3.2 h;傳播至1 km處衰減至8.0 mg/L,消減75.0%,用時5.8 h,影響時間為7.8 h;至5 km處衰減至6.1 mg/L,消減98.8%。

圖13 事故發(fā)生后不同位置CODMn濃度隨時間的變化曲線

圖14 事故發(fā)生后CODMn峰值濃度包絡線

4.5 各情景有機物濃度特征值

各情景有機物濃度特征值見表2。

表2 各情景有機物濃度特征值

5 結(jié)論

a)利用MIKE 11水動力-ECO lab水質(zhì)模型模擬預測了東莊水庫突發(fā)水污染事故后有機物在庫區(qū)的時空分布規(guī)律。結(jié)果表明:該模型可用于預測突發(fā)水污染事故發(fā)生后有機物的時空分布規(guī)律,為東莊水庫水質(zhì)安全問題提供方法及參考。

b)通過模擬結(jié)果可以看出,上游來水量的多少決定了污染物在庫區(qū)的時空分布規(guī)律曲線。在污染物排放初期,上游來水量較大時,在水流攜帶作用下,污染物在累積的同時向下游快速傳播;上游來水量較小時,水流攜帶作用明顯減弱,污染物濃度快速累積。排放結(jié)束后,污染物濃度隨時間推移沿程開始衰減。當污染物濃度相同時,上游來水流量較小時,事故發(fā)生后污染物在庫區(qū)的影響時間、在水體中的峰值濃度值及峰現(xiàn)時間明顯大于上游較大來水量,而影響距離小于上游較大來水量,可見上游來水量較小不利于污染物的稀釋擴散,水體的自凈能力較弱。當上游來水量相同時,改變污染物濃度僅改變峰值濃度數(shù)值。

c)給出了突發(fā)水污染事故后各斷面有機物的時空分布規(guī)律,有關部門可根據(jù)不同斷面的污染程度及下游受體的敏感程度有針對性地制定相應的應急調(diào)控方案,即根據(jù)斷面濃度大小、影響時間及影響范圍制定恰當?shù)膽闭{(diào)控措施,減小突發(fā)水污染發(fā)生后對當?shù)亟?jīng)濟、人民生活等的巨大危害。