余歆睿，劉 蔚

（1. 蘇州市水利工程管理處，江蘇 蘇州　215151；2. 河海大學水文水資源學院，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]，嚴重威脅了國民經濟與社會的穩(wěn)定發(fā)展。而蘇州市作為我國著名的水鄉(xiāng)，其高度活躍的經濟態(tài)勢以及繁茂交錯的河網水系，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，亟需對突發(fā)性水污染事故進行模擬研究，針對不同污染源擴散輸移規(guī)律構建預警應急體系[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，于錢萬里橋東側進入蘇州環(huán)城河，全長約17.87 km（見圖1）。河道布置水質監(jiān)測站3處，監(jiān)測大斷面10處（見圖1、圖2），基礎資料較完備。沿線兩側有大小支河72條，“蘇州市西塘河引水工程”實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、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械工業(yè)園、農田等，存在多種可能導致水質不達標的風險源。

圖1　西塘河水系及監(jiān)測斷面概化圖

2　研究方法

2.1　突發(fā)性水污染事故風險模型

河流水質模型是對河道水體中可溶性污染物隨空間和時間遷移轉化規(guī)律的數(shù)學描述[3]，MIKE11模型在水質模擬方面的科學性已經得到學術界公認。故以MIKE11軟件為基礎，根據(jù)其HD和AD模塊，耦合水量水質模型[4]，建立西塘河突發(fā)性水污染事故風險模型。

（1）水動力（HD）模塊

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

式中：

Q—流量；

x—沿水流方向空間坐標；

Bw—調蓄寬度，指包括灘地在內的全部河寬；

Z—水位；

t—時間；

q—旁側入流流量（入流為正，出流為負）；

u—斷面平均流速；

g—重力加速度；

A—主槽過水斷面面積；

B—主流斷面寬度；

n—糙率；

R—水力半徑。

圖2　監(jiān)測斷面形態(tài)分布圖

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

2.2　污染物時間—遷移距離曲線

表1　大斷面參數(shù)統(tǒng)計表

（2）對流擴散（AD）模塊

AD模塊的構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模塊進行耦合，在HD模塊邊界的基礎上加上水質邊界，選用的模擬水質組分為CODMn、NH3-N，濃度數(shù)據(jù)根據(jù)相應的時間序列文件獲??；由于西塘河兩側完全截污，故無其他內邊界條件；②參數(shù)文件：擴散系數(shù)根據(jù)經驗確定D=10 m2/s，CODMn及NH3-N的衰減系數(shù)根據(jù)經驗賦初值。

（3）模型率定與驗證

模型率定驗證時，時間序列的選取原則為：①西塘河從望虞河連續(xù)引水的時間段；②實測數(shù)據(jù)（包括水量和水質數(shù)據(jù)）連續(xù)的時間段。

根據(jù)式（2）、式（3），對實測值和模擬值進行對比分析，檢驗兩者相對誤差δ是否滿足＜10%，Pearson相關系數(shù)r是否滿足＞90%，以保證模擬結果的正確性。最終率定并驗證得西塘河糙率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，分析計算事故發(fā)生后的緩沖時間是十分必要的。危險化學品的種類各種各樣，物理化學性質也不盡相同，對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)在模型率定驗證的基礎上，模擬計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）的污染物時間—遷移距離曲線（見圖3），進而對突發(fā)性水污染事故的應急提供指導。

圖3　正常引水條件下西塘河污染物時間—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）車輛側翻事件時有發(fā)生。因此，假定2016年9月15日上午10時裝有可溶性高?；瘜W品A的車輛于S9蘇紹高速發(fā)生側翻，在20 min的時間內，共有2000 L的化學品A泄流進入西塘河。假設A是純物質，可溶于水，衰減系數(shù)為0，相對于水的密度為1，則濃度為1 kg/L=1000000 mg/L，排放流量為1.67 L/s（或者設濃度為1000 mg/L，流量1.67 m3/s亦相同）。

3.2　水溶性高?；瘜W品A泄漏污染事故模擬

將工況設定帶入水量水質耦合模型，增加內部邊界條件。在河道正常引水情況下，模擬泄漏事件發(fā)生后7個不同監(jiān)測斷面化學品A的濃度隨時間的變化（見圖4），以及同一時刻7個不同監(jiān)測斷面化學品A的濃度變化情況，根據(jù)模型模擬結果，化學品A 的監(jiān)測統(tǒng)計見表2。

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

4　突發(fā)性水污染事故應急機制

4.1　建立應急組織機構

圖4　不同監(jiān)測斷面水溶性高?；瘜W品A濃度隨時間變化圖

表2　化學品A監(jiān)測統(tǒng)計表

為使應急救援工作高效、精準、有序地開展，必須建立西塘河突發(fā)性水污染事故“應急救援組織機構”[7]以協(xié)調各方的工作。儲備人員必須進行定期培訓和演習，掌握應急防治設備器材的操作使用。西塘河突發(fā)性水污染事故的應急組織機構應包括圖5所示的4個方面。

圖5　西塘河突發(fā)性水污染事故應急救援組織機構圖

4.2　啟動應急程序

西塘河突發(fā)性水污染事故的應急程序應包含“事故報警、事故評估、應急行動、恢復/重新進入”4大步驟：

（1）事故報警

報警途徑分為人員報警與監(jiān)測報警2種[8]。人員報警即事故第一發(fā)現(xiàn)者直接報警或告知相關單位，該途徑要求接警人員詳細快速得詢問事故發(fā)生時間、地點、性質、人員聯(lián)系方式等；監(jiān)測報警即通過西塘河沿線3處水質監(jiān)測站監(jiān)測到水質異常，這種方式要求當值人員迅速上報西塘河“應急指揮機構”，并保留原始水質記錄，同時進行數(shù)據(jù)初步分析與跟蹤監(jiān)測[9]。

（2）事故評估

西塘河“應急指揮機構”接報后，應到達現(xiàn)場對污染事故的污染范圍和程度做出評估。

①若事故發(fā)生點與水體保持一定距離或僅很少部分進入水體且危害程度不大，則可由西塘河“應急指揮機構”直接進行事故評估，并上報西塘河“現(xiàn)場應急指揮機構”。

②若污染物已部分進入水體且初判其危害較大，則應迅速上報“現(xiàn)場應急指揮機構”與“現(xiàn)場保障機構”，迅速組建專家團隊，借助專業(yè)軟件、儀器設備進行事故評估。

③若到達現(xiàn)場后發(fā)現(xiàn)污染物為劇毒且已大量進入水體，發(fā)生擴散，則應立即關閉下游控制閘，并緊急上報區(qū)政府、“現(xiàn)場應急指揮機構”、“現(xiàn)場保障機構”與新聞機構，快速建立專家團隊進行事故評估。

（3）應急行動

突發(fā)性水污染事故的應急行動是一項系統(tǒng)工程，由現(xiàn)場指揮部、專家組、監(jiān)測組、救援組、醫(yī)護組、后勤組、宣傳組構成。其中，“現(xiàn)場指揮部”由“現(xiàn)場應急指揮機構”下派，其余小組均由“現(xiàn)場指揮部”聯(lián)系組建。

①現(xiàn)場指揮部：負責統(tǒng)籌安排人員物資的調度，并協(xié)調、監(jiān)督各個小組間的任務安排；

②專家組：應包含水文、水工、化學等各領域專家，負責對污染程度與范圍進行現(xiàn)場勘查，并提供現(xiàn)場處置指導；

③監(jiān)測組：負責對污染物擴散程度的實時監(jiān)測，數(shù)據(jù)直接反饋給其他各小組；

④救援組：應包含水利、公安、水上救援等專業(yè)人員，負責現(xiàn)場實施具體處置方案；

⑤后勤組：負責儲配應急物資，并聯(lián)系安排交通工具；

⑥宣傳組：負責對外接觸新聞媒體，處理一切與媒體采訪、新聞發(fā)布相關工作。

（4）恢復/重新進入

應急行動完成后，由監(jiān)測組對河道水質進行詳細監(jiān)測，若最終確認突發(fā)事故已得到有效控制且危害消除，則由“現(xiàn)場應急指揮機構”負責宣布進入恢復/重新進入狀態(tài)[10]。

4.3　污染物應急處置方式

依據(jù)本文第4章對水溶性高危化學品A泄漏事故的模擬結果，在正常引水情況下，從泄漏斷面到裴家圩站斷面，歷時Δt=5 h，從泄漏斷面到下邊界（環(huán)城河），歷時Δt=27 h。對于化學品A，由于監(jiān)測站不一定具有完備的監(jiān)測項目，因此要對路況信息進行及時了解。水溶性有毒液體物質中有一部分，如酸性、堿性、有毒液體物質[11]在水體中污染可以用中和劑處理。但由于這些物質在水中擴散迅速，因此在開闊的水域環(huán)境中，用中和劑進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?shù)氐沫h(huán)境、生態(tài)專家進行磋商，盡可能快地進行，處理過程要用pH監(jiān)測器監(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　結語

本文以蘇州市西塘河為研究區(qū)，利用MIKE11模型構建了西塘河突發(fā)性水污染事故風險模型，并針對高危水溶性污染物A進行假定工況模擬，獲得沿程不同斷面污染物到達的時問和影響歷時，確定了事故響應時間。基于此，從組織機構、應急程序等方面構建了西塘河突發(fā)性水污染事故應急機制，明確了應急隊伍建設與處置流程，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—應急”機制為河道抵御突發(fā)性水污染事故提供一種新思路，可廣泛運用于河道及河道水利樞紐水體的保護建設中。

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