董瑞瑞，陳和春，王繼保，辛小康

(1.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002;2.長江水資源保護科學(xué)研究所，湖北 武漢 430051)

0 引言

長江流域幅員遼闊，河流眾多，經(jīng)濟發(fā)達，隨之而來的突發(fā)水污染事故［1］發(fā)生頻率較高。據(jù)不完全統(tǒng)計，1990年以來，長江流域共發(fā)生水污染事故30余起。2014年4月，漢江武漢段發(fā)生氨氮超標水污染事故，導(dǎo)致漢陽片區(qū)水廠原水告急，30余萬人用水受到影響，突出反映出當前突發(fā)水污染事故應(yīng)急管理的重要性和緊迫性。而在水資源保護日常管理中，需要運用數(shù)學(xué)模型對突發(fā)水污染事故風(fēng)險進行識別與預(yù)判，利用模型分析污染物的遷移狀況和污染物濃度的時空變化規(guī)律，確定污染物變化趨勢及速度，以便能及時采取有效的應(yīng)急措施，將事故危害降到最低，以保證生命財產(chǎn)和環(huán)境的安全。

漢江作為長江中下游的第一大支流，分布著湖北省的重要產(chǎn)糧基地和工業(yè)基地，人口聚集，潛在風(fēng)險源較多。本文利用MIKE11［2］建立漢江中下游水動力水質(zhì)模型［3］，模擬突發(fā)水污染事故，分析污染物的時空變化規(guī)律，計算污染物到達下游目標的時間和污染物的濃度分布，明確污染影響范圍和程度，為突發(fā)水污染事故的應(yīng)急處理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域概化

本次建模范圍為漢江干流黃家港至龍王廟總長652 km的河段，模型以黃家港和龍王廟為邊界條件，并考慮南河、唐白河、蠻河、東荊河等支流的匯入與流出，支流全部當作點源處理。邊界處同時加入漢江中下游干流沿岸入河共60個排污口調(diào)查實測數(shù)據(jù)，以保證模型的準確性。因河寬與水深相對河長小得多，污染物的傳播主要靠縱向的混摻作用來實現(xiàn)，故采用MIKE11軟件進行一維的概化模擬。本文基于圣維南方程組和對流擴散方程，采用合適的離散方法和數(shù)值計算模式，建立了漢江中下游一維水動力水質(zhì)預(yù)警應(yīng)急模型。漢江中下游流域范圍及各水文站點的分布見圖1。

1.2 一維水動力模型

MIKE11水動力模型［4］采用隱式有限差分格式離散方程模擬河流的非穩(wěn)定水流運動，能自適應(yīng)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，本文選取MIKE11水動力模型模擬研究區(qū)域的水動力過程。模型構(gòu)建收集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括河網(wǎng)資料、河道地形數(shù)據(jù)、實測水位流量數(shù)據(jù)、水文測站位置信息、邊界條件等。河道非恒定流通常采用由連續(xù)性方程和動量方程組成的一維圣維南方程組描述。

1.3 一維水質(zhì)模型

MIKE11一維水質(zhì)模型［5］的基礎(chǔ)是一維水動力模型，MIKE11對流擴散模型主要用于模擬物質(zhì)在水體中的傳輸擴散過程，利用水動力模型計算得到的水動力條件，采用對流擴散方程進行計算。

2 模型建立及驗證

2.1 模型建立

圖1 漢江中下游流域范圍示意

以漢江中下游干流為研究對象，以高錳酸鹽指數(shù)和氨氮(NH3-N)為代表污染物，建立衰減型污染物河流水動力水質(zhì)模型。根據(jù)河道形態(tài)和地形數(shù)據(jù)，漢江中下游652 km的河段被劃分為275個斷面，平均斷面間距2.5 km。根據(jù)研究區(qū)域的GIS數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)建立河網(wǎng)文件和大斷面文件。本次建模水位、流量按模擬開始時刻的水動力條件進行取值;水質(zhì)模型初始條件采用高錳酸鹽指數(shù)和氨氮(NH3-N)2010年1月濃度的平均值，漢江中下游一維水動力模型上游邊界采用黃家港水文站2010年1月1日～2011年12月31日共計2年的逐日流量過程，下游邊界采用龍王廟水位站2010年1月1日～2011年12月31日逐日水位過程?？紤]主要河流南河、唐白河、蠻河等支流的入?yún)R以及東荊河的分流，模型在各個邊界處設(shè)有水質(zhì)組分的濃度變化情況，并與水動力模型初始條件的設(shè)定保持一致;水質(zhì)模型上游邊界采用白家灣斷面2010年1月～2011年12月逐月高錳酸鹽指數(shù)和氨氮(NH3-N)實測數(shù)據(jù)，水質(zhì)模型下游邊界采用相同年限宗關(guān)斷面逐月高錳酸鹽指數(shù)和氨氮(NH3-N)實測濃度數(shù)據(jù)?？紤]主要點源的入?yún)R，邊界處同時加入漢江中下游沿岸入河排污口調(diào)查實測數(shù)據(jù)，以保證模型的準確性?？紤]到模型的穩(wěn)定性與計算時間，時間步長定為1 min。

2.2 模型率定及驗證

2.2.1 水動力模型

水動力模型率定主要是調(diào)整河床糙率。從黃家港水文站至武漢江段，漢江干流依次布有黃家港、皇莊、沙洋、潛江、仙桃、漢口水文站，利用2010年～2011年2年的皇莊、沙洋、仙桃斷面的逐日實測水位與流量數(shù)據(jù)對參數(shù)進行率定，參照相關(guān)成果，并根據(jù)計算值與實測值的校正，漢江中下游河段糙率采取分段取值的方法［6］，各段糙率取值為:漢江丹江口 ～襄陽段 0.018～0.028，襄陽 ～沙洋段0.016～0.022，皇莊～沙洋段0.015 2～0.020，漢江岳口～仙桃段0.015 4～0.024，漢江漢川～龍王廟段0.016～0.025，并將漢江中游皇莊、下游沙洋和仙桃水文站的實測流量值和水位值與模型計算值相比較，模型的計算精度采用如下公式

各斷面水位驗證結(jié)果見圖2。流量驗證結(jié)果見圖3。從圖2、3可以看出，水動力模型的計算結(jié)果與實測結(jié)果較吻合，3個驗證斷面流量計算值與實測值平均相對誤差為11.38%，水位計算值與實測值平均相對誤差為3.13%。該模型具有較高的可靠性。

2.2.2 水質(zhì)模型

水質(zhì)模型上游邊界采用白家灣斷面2010年1月～2011年12月逐月高錳酸鹽指數(shù)和氨氮(NH3-N)實測數(shù)據(jù)，水質(zhì)模型下游邊界采用宗關(guān)斷面逐月高錳酸鹽指數(shù)和氨氮(NH3-N)實測數(shù)據(jù)。考慮主要點源匯入情況，高錳酸鹽指數(shù)綜合衰減系數(shù)取0.045/d，NH3-N綜合衰減系數(shù)取0.025/d。模型選擇仙人渡、皇莊、仙桃3個監(jiān)測斷面作為驗證斷面，以其2010年～2011年2年的實測數(shù)據(jù)對模型進行驗證，采用式(1)計算出3個斷面高錳酸鹽指數(shù)的平均相對誤差為14.5%，NH3-N的平均相對誤差為20.19%。NH3-N驗證結(jié)果見圖4，高錳酸鹽指數(shù)驗證結(jié)果見圖5。由于水質(zhì)模型對實測水質(zhì)數(shù)據(jù)、對應(yīng)的污染源調(diào)查數(shù)據(jù)要求較高，本研究仍然只對水質(zhì)和污染源數(shù)據(jù)進行了大致摸底，因此濃度計算值與實測值具有一定的誤差，但是總體上能夠反映污染物的分布規(guī)律和變化趨勢，具有一定的精度，可應(yīng)用于突發(fā)水污染事故應(yīng)急預(yù)警模擬，以反映突發(fā)水污染事故發(fā)生后污染物的傳輸、降解規(guī)律。

圖2 水位驗證結(jié)果

3 突發(fā)水污染事故情景模擬

圖3 流量驗證結(jié)果

漢江是襄陽城市飲用水的唯一水源。根據(jù)排污口調(diào)查情況，漢江襄陽段內(nèi)排污企業(yè)多，排污大戶多，并直接排入漢江，加大了水污染事故發(fā)生的風(fēng)險，而且一旦發(fā)生，后果嚴重。漢川、武漢江段布有多個水廠以及食品加工企業(yè)，排污口眾多，本身水質(zhì)較差，如果距離它較近的仙桃發(fā)生水污染事故，將會對武漢的飲用水產(chǎn)生影響。突發(fā)水污染事故瞬間排入河流的污染物濃度較大，利用所建立的一維水質(zhì)預(yù)警預(yù)報模型可實現(xiàn)對污染物運移過程的模擬。現(xiàn)擬定2種工況，應(yīng)用2011年數(shù)據(jù)，分別模擬襄陽、仙桃境內(nèi)某污水處理廠在枯水期1月3日早8點發(fā)生的水污染事故，污染物就近流入漢江，高錳酸鹽指數(shù)濃度為10 000 mg/L，排放流量1.0 m3/s，衰減系數(shù)K采用模型率定后的值0.045/d。在事故河段加入1個突發(fā)水污染事故的點源，該處1月3日污染物濃度為10 000 mg/L，事故持續(xù)排放時間為1 d。

圖4 NH3-N驗證結(jié)果

(1)襄陽段1月突發(fā)水污染事故情景模擬。圖6為發(fā)生水污染事故后1月3日～15日污染物沿程濃度變化。從圖6可看出，發(fā)生水污染事故時，污水與漢江水混合后，襄陽段高錳酸鹽指數(shù)濃度達到14 mg/L，為V類水質(zhì)，由于水流的稀釋與沖刷，污染物濃度逐漸降低，峰值也呈現(xiàn)下降趨勢，但隨后幾天濃度峰值基本都維持在6～8 mg/L，為IV類水質(zhì)。隨著污染物的運移，在1月6日、9日和11日依次傳播到皇莊、潛江、仙桃，而在1月15日，污染物到達漢江河口流出漢江，全過程歷時12 d，此時的高錳酸鹽指數(shù)降至2.43 mg/L，滿足III類水標準，即15日之后水質(zhì)恢復(fù)正常。

圖5 高錳酸鹽指數(shù)驗證結(jié)果

(2)仙桃段1月突發(fā)水污染事故情景模擬。圖7為1月3日發(fā)生事故后污染物沿程濃度變化。從圖7可看出，污染團歷時4 d后于1月6日移出漢江。污染團峰值濃度分別于1月3日、4日、5日和6日達到丹江口大壩下游497 012、505 065、593 126 m和642 323 m斷面處。發(fā)生水污染事故后，仙桃斷面高錳酸鹽指數(shù)峰值為13.5 mg/L，隨著時間的推移，污染團向下游遷移，由于彌散作用和沿程流量入?yún)R作用，污染團峰值濃度有所降低，但也均超過了12 mg/L。

圖6 襄陽段2011年1月高錳酸鹽指數(shù)沿程變化

圖7 仙桃段2011年1月高錳酸鹽指數(shù)沿程變化

4 結(jié)語

本文通過MIKE11建立了漢江中下游一維水動力水質(zhì)預(yù)警預(yù)報模型，利用實測水位、流量、水質(zhì)數(shù)據(jù)對模型進行了率定與驗證。結(jié)果顯示，漢江中下游一維水動力水質(zhì)預(yù)警預(yù)報模型能較好地模擬漢江中下游江段發(fā)生突發(fā)水污染事故時污染物的影響程度，以及污染物到達不同監(jiān)測斷面處的時間和濃度值。該模型能較為準確地反映漢江中下游流域的水動力和水質(zhì)情況，為漢江中下游突發(fā)水污染事故的應(yīng)急處理提供科學(xué)依據(jù)，減少突發(fā)水污染事故帶來的危害。

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