孫凱迪，徐明德，安 靜

(太原理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024)

我國北方干旱地區(qū)缺水問題嚴(yán)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(diào)節(jié)徑流、防汛、灌溉、城市供水等多項(xiàng)功能的北方水庫，水庫控制流域大，承擔(dān)著工業(yè)、農(nóng)業(yè)及城市生活用水的任務(wù)，是山西省內(nèi)最大的集中式飲用水源地[1,2]，其水質(zhì)好壞與太原市超過400 萬人口的飲水安全息息相關(guān)。一旦突發(fā)污染事件將嚴(yán)重影響水質(zhì)，對供水終端水處理技術(shù)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(jìn)行突發(fā)污染事件研究具有重要意義。

國內(nèi)外關(guān)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(diǎn)關(guān)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(dòng)力學(xué)水質(zhì)模型[9,10]。鑒于此，本文以汾河水庫為研究載體，識(shí)別其移動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)源，結(jié)合水動(dòng)力及物質(zhì)輸移擴(kuò)散模型，設(shè)置不同情景，模擬水庫突發(fā)環(huán)境事件時(shí)污染物的遷移擴(kuò)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(jīng)過多年的淤積，截止到2008年，汾河水庫的庫容已經(jīng)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(fēng)險(xiǎn)源

研究區(qū)域內(nèi)固定風(fēng)險(xiǎn)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(dòng)風(fēng)險(xiǎn)源引起的污染事件。如果汾河水庫周邊道路運(yùn)輸有毒有害危險(xiǎn)物質(zhì)的車輛發(fā)生交通事故造成泄露物進(jìn)入汾河水庫，將對水庫水源地構(gòu)成嚴(yán)重威脅。交通風(fēng)險(xiǎn)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(xiǎn)物質(zhì)包括汽油、柴油、粗苯、液氨等污染物。

2 模型建立

2.1 水動(dòng)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(dòng)力模擬研究建立淺水流動(dòng)的二維水動(dòng)力-水質(zhì)耦合模型[11]：

連續(xù)性方程：

(1)

x方向的動(dòng)量方程：

(2)

y方向的動(dòng)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(fēng)阻力系數(shù)；g為重力加速度；μ為黏性系數(shù)；Wx、Wy為風(fēng)速在x、y方向上的速度分量；t為時(shí)間；p為靜壓強(qiáng)。

2.2 水質(zhì)模型

(4)

2.3 模擬范圍確定

模擬區(qū)域?yàn)樗畮烊克蚍秶?，考察水庫?shí)際地形，基于DEM模型、遙感影像資料及GPS實(shí)測信息，分析確定水庫邊緣點(diǎn)位坐標(biāo)，利用GIS地理信息系統(tǒng)對其進(jìn)行數(shù)字化處理，生成汾河水庫水陸邊界。采用三角網(wǎng)格系統(tǒng)，將汾河水庫庫區(qū)概化約3 160個(gè)三角形網(wǎng)格[12,13]。

2.4 參數(shù)及定解條件

(1)模擬時(shí)間步長。根據(jù)CFL條件取模擬時(shí)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(jù)曼寧系數(shù)(Manning)，底床阻力取32 m1/3/s。

(4)摩擦力。根據(jù)Wu[15](1980)的經(jīng)驗(yàn)公式，取風(fēng)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(jù)氣象部門相關(guān)資料生成對應(yīng)的降雨和蒸發(fā)時(shí)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(jìn)出水口作為水庫源匯項(xiàng)。各源匯項(xiàng)生成對應(yīng)的時(shí)間序列文件。

(7)初始條件。假設(shè)模擬開始前水庫處于靜止?fàn)顟B(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?yàn)椴豢扇霔l件。開邊界為北部、西部進(jìn)水口和南部出水口，為避免過強(qiáng)的淺水效應(yīng)[16]，采用了“干濕點(diǎn)判別法”，即增水時(shí)，水深大于0.1 m，視為水域處理；退水時(shí)，水深小于0.005 m，不作為水域處理。

(9)擴(kuò)散系數(shù)。根據(jù)Smagorinsky公式，擴(kuò)散系數(shù)與渦黏系數(shù)之間的比例系數(shù)取0.1，即擴(kuò)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(yàn)證

在水庫西北部和東南部布設(shè)A、B2個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，見圖2。采用2016年4月5日至2016年8月5日實(shí)測A、B點(diǎn)的溶解氧濃度值進(jìn)行率定和驗(yàn)證，A、B點(diǎn)的溶解氧濃度值見表1。

圖2 汾河水庫水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)位Fig.2 The monitor position map of Fenhe reservoir

(1)參數(shù)率定。反復(fù)調(diào)整模型參數(shù)使模擬結(jié)果與A點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)相吻合，設(shè)置模型最終計(jì)算參數(shù)，率定結(jié)果見圖3。

(2)模型驗(yàn)證。在已確定模型參數(shù)的基礎(chǔ)上，用B點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)重新計(jì)算，模擬值接近實(shí)測值，兩者擬合程度較好，驗(yàn)證結(jié)果見圖4。根據(jù)偏差統(tǒng)計(jì)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(gòu)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(yàn)證Fig.4 The model validation

3 水質(zhì)模擬

3.1 情景設(shè)置

本次研究以苯胺泄漏為例，考慮移動(dòng)污染源下排放入口、風(fēng)等因素對污染物的擴(kuò)散情況及濃度分布規(guī)律產(chǎn)生的影響，主要設(shè)置了10種情景進(jìn)行模擬。若汾河水庫周邊道路上運(yùn)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(jìn)水口、西部進(jìn)水口和東側(cè)排放口不同入口流入水庫，具體情景設(shè)置見表2。

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

3.2 水質(zhì)模擬結(jié)果分析

3.2.1 模擬結(jié)果

水庫突發(fā)污染事件48 h后，各情景下污染物的擴(kuò)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(jié)果可以看出，苯胺從上游北部進(jìn)水口進(jìn)入水庫，由于西南風(fēng)的作用，苯胺從上游北部進(jìn)水口順著水庫東岸自西北向東南不斷擴(kuò)散，48 h擴(kuò)散了16.07 km2(苯胺濃度大于0的庫區(qū)面積)，平均擴(kuò)散速率約93 m2/s，超標(biāo)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(biāo)215倍。

由情景2的模擬結(jié)果可以看出，苯胺從西部澗河進(jìn)水口進(jìn)入水庫，由于西南風(fēng)的影響，苯胺順著水庫北岸自西南向東北擴(kuò)散，48 h擴(kuò)散了15.98 km2，平均擴(kuò)散速率約92.48 m2/s，超標(biāo)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(biāo)36.5倍。

由情景3的模擬結(jié)果可以看出，苯胺從東側(cè)排放口進(jìn)入水庫，由于西南風(fēng)的影響，苯胺從進(jìn)水口處逐步向外擴(kuò)散，48 h擴(kuò)散了25.79 km2，平均擴(kuò)散速率約149.25 m2/s，超標(biāo)面積為0.55 km2；48 h后東側(cè)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(biāo)12.1倍。

由情景4的模擬結(jié)果可以看出，苯胺從上游北部進(jìn)水口進(jìn)入水庫，由于西南風(fēng)的影響，苯胺順著水庫南岸自西南向東北擴(kuò)散，48 h擴(kuò)散了為31.74 km2，平均擴(kuò)散速率約183.68 m2/s，超標(biāo)面積為7.86 m2；48 h后距離北部進(jìn)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(biāo)82倍。

由情景5的模擬結(jié)果可以看出，苯胺從上游北部進(jìn)水口進(jìn)入水庫，由于西北風(fēng)的影響，苯胺從北部進(jìn)水口順著庫區(qū)西岸自西北向東南擴(kuò)散，48 h擴(kuò)散了17.36 km2，平均擴(kuò)散速率約100.46 m2/s，超標(biāo)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(biāo)222倍。

由情景6的模擬結(jié)果可以看出，苯胺從上游北部進(jìn)水口進(jìn)入水庫，由于西北風(fēng)的影響，苯胺從進(jìn)水口順著庫區(qū)西岸自西北向東南擴(kuò)散，48 h擴(kuò)散了29.89 km2，平均擴(kuò)散速率約105.6 m2/s，超標(biāo)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(biāo)95.3倍。

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

由情景8的模擬結(jié)果可以看出，苯胺從北部進(jìn)水口進(jìn)入水庫，沿著水庫中心區(qū)域由西北向東南逐步擴(kuò)散，48 h擴(kuò)散了12.79 km2，平均擴(kuò)散速率約74 m2/s，超標(biāo)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(biāo)252倍。

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

由情景10的模擬結(jié)果可以看出，苯胺從東側(cè)排放口進(jìn)入水庫，從東北向西南不斷遷移，48 h擴(kuò)散了13.81 km2，平均擴(kuò)散速率約79.91 m2/s，超標(biāo)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(biāo)28.2倍。

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

對比情景1、2、3，情景8、9、10污染物的擴(kuò)散情況可知，當(dāng)事件源、初始濃度、風(fēng)力條件相同時(shí)，東側(cè)排放口污染物的擴(kuò)散范圍最大，北部上游干流入口擴(kuò)散面積大于西部澗河入口。汾河水庫東側(cè)入口的水面明顯較北部和西側(cè)澗河進(jìn)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(kuò)散的重要因素。

對比情景3和4、情景5和6污染物的擴(kuò)散情況可知，若初

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

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

圖6 污染物擴(kuò)散及超標(biāo)情況Fig.6 The proliferation of pollutants and excessive situation

3.2.2 應(yīng)急預(yù)估

汾河水庫突發(fā)污染事件時(shí)，為了能及時(shí)準(zhǔn)確地確定污染物的擴(kuò)散情況及濃度分布規(guī)律，結(jié)合汾河水庫實(shí)際地形，以DEM模型、遙感影像資料、GPS實(shí)測信息及GIS地理信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)，模擬輸出了不同時(shí)間點(diǎn)汾河水庫突發(fā)污染事件時(shí)的污染物濃度分布與遷移擴(kuò)散規(guī)律，模擬結(jié)果與實(shí)際相符，建立應(yīng)急預(yù)估表(見表3)，可準(zhǔn)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(yīng)急預(yù)估具有一定的可靠性。

表3 汾河水庫突發(fā)污染事件時(shí)污染物擴(kuò)散預(yù)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(shí)污染物擴(kuò)散預(yù)估表

注：移動(dòng)源，初始濃度1 000 mg/L。

4 結(jié) 論

(1)當(dāng)排放入口、事件源及初始濃度相同時(shí)，風(fēng)向決定污染物的擴(kuò)散路徑，風(fēng)速?zèng)Q定污染物的擴(kuò)散速率。靜風(fēng)條件下污染物以泄露點(diǎn)為中心逐步向外擴(kuò)散，有風(fēng)時(shí)污染物擴(kuò)散路徑隨風(fēng)向改變，擴(kuò)散速率增加，污染物擴(kuò)散面積、超標(biāo)面積與風(fēng)速近似服從線性關(guān)系；風(fēng)速相同時(shí)，污染物的擴(kuò)散速率西北風(fēng)>西南風(fēng)；排放入口污染物擴(kuò)散面積大小為東側(cè)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(fēng)為5.6 m/s時(shí)，污染物擴(kuò)散48 h的擴(kuò)散面積和平均擴(kuò)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(cè)澗河，靜風(fēng)條件下48 h的擴(kuò)散面積和平均擴(kuò)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(shí)別其移動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)源，構(gòu)建水動(dòng)力及物質(zhì)輸移擴(kuò)散耦合模型對不同情景汾河水庫突發(fā)環(huán)境事件進(jìn)行模擬分析，建立水庫突發(fā)環(huán)境事件應(yīng)急預(yù)估表，一旦污染事故真正發(fā)生時(shí)，可快速確定污染物的擴(kuò)散路徑、擴(kuò)散范圍以及濃度分布情況，為合理進(jìn)行應(yīng)急監(jiān)測，制定應(yīng)急處置方案提供數(shù)據(jù)支持，從而及時(shí)采取應(yīng)急防范措施。

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