楊柳俊，丁宏偉，張 云，徐振山，陳永平

（1.江蘇省水文水資源勘測局南通分局，江蘇 南通 226000；2.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210024）

與常規(guī)水污染事件相比，突發(fā)性水污染事件具有不確定突發(fā)性、影響范圍廣泛性和危害嚴(yán)重性等特點［1］，可能在短時間內(nèi)造成水源地嚴(yán)重污染。

長江南通河段作為長江江蘇五段河段之一，是《長江中下游干流河道治理規(guī)劃報告》確定的14個重點治理河段之一。該區(qū)域上起江陰鵝鼻咀，下至徐六涇，全長96.8 km［2］。受徑流和潮汐雙重作用，南通河段具有河道寬闊彎曲、漢道眾多、水沙動力條件復(fù)雜、河道沖淤多變等特點［3］。位于南通河段主槽的狼山水源地和長青沙水源地是江蘇南通地區(qū)最重要的集中式飲用水源地，日供水規(guī)模達200萬t，承擔(dān)著南通市幾百萬人口的飲用水供給。而長江南通河段上下游沿岸碼頭較多，航運發(fā)達，部分碼頭具有危險化學(xué)品轉(zhuǎn)運資質(zhì)，因此狼山和長青沙兩大水源地始終面臨較大安全風(fēng)險。近年來上游發(fā)生的幾次重大污染物泄漏事故對南通地區(qū)水源地供水安全均造成了影響［4］，所以，加強長江南通河段對突發(fā)性水污染事件的預(yù)警響應(yīng)研究就顯得十分重要。

本文采用Delft3D軟件建立水動力-水質(zhì)模型，通過研究不同區(qū)域發(fā)生的突發(fā)性水污染事件對長青沙和狼山水源地的影響途徑和時間，選址確定應(yīng)對突發(fā)性水污染事件的兩大水源地預(yù)警站位置，從而保證事故期間水源地取水口有充足的應(yīng)急響應(yīng)時間。

1 突發(fā)水污染事件設(shè)計

長江南通段潛在的重大突發(fā)性污染源主要來自危險化學(xué)品的水上運輸，其中尤以港口碼頭裝卸作業(yè)風(fēng)險最大。長江南通段兩大水源地上下游共有鎮(zhèn)江港、揚州港、泰州港、江陰港、靖江港、中興港、九龍港、如皋港、南通港和匯豐港等10個港口作業(yè)區(qū)。根據(jù)這些港口碼頭裝卸作業(yè)物品以及與水源地距離等情況，選取4處區(qū)域作為代表，設(shè)定作為突發(fā)性水污染源發(fā)生位置。2012年2月在長江鎮(zhèn)江段李長榮化工碼頭發(fā)生苯酚大量泄露事故，期間共計約46t苯酚排入江中，對下游的水源地造成了一定程度的影響。本文將該事件污染源強設(shè)定為不同區(qū)域位置的污染源強。

2 水動力水質(zhì)模型

2.1 數(shù)學(xué)模型

連續(xù)方程為

運動方程為

式中：ζ為水位；H為水深；u、v為分別是x、y方向的流速分量；C為謝才系數(shù)；t為時間；Ax、Ay分別為x、y向流速紊動擴散系數(shù)；g為重力加速度。

污染物擴散運動方程為

式中：P為為污染物濃度；S為源項；Kx、Ky分別是x、y方向的水流紊動系數(shù)。

式中，K為降解系數(shù)，根據(jù)EPI Suite軟件查詢，苯酚降解系數(shù)取0.04/d。

2.2 模型計算范圍

采用Delft3D水動力水質(zhì)計算軟件，建立長江下游大通斷面至外海的水動力水質(zhì)數(shù)學(xué)模型。在地形水深設(shè)置上，采用貼體正交曲線網(wǎng)格覆蓋長江地形，網(wǎng)格尺度30～3 000 m。其中南通河段沿河寬網(wǎng)格尺度平均約200 m，擬定為污染源位置的港口碼頭前沿區(qū)域及江面狹窄處網(wǎng)格為50 m，見圖1。

圖1 計算區(qū)域網(wǎng)格劃分

在邊界處理上，考慮到側(cè)壁邊界對長江內(nèi)水體運動影響較小，因此模型的陸地邊界均采用無滑移模式。上游開邊界給定大通站日均實測流量，下游開邊界采用東中國海模型，考慮了東中國海八大主要分潮，給定各點的潮位數(shù)據(jù)作為邊界條件，點與點之間插值補充。

在突發(fā)性水污染事件發(fā)生期間，受影響區(qū)域污染物濃度要遠(yuǎn)高于其他區(qū)域，因此模型設(shè)置中將除了泄露點以外的區(qū)域初始濃度均設(shè)置為0。

2.3 模型驗證

本文采用2012年、2017年長江評價段主要潮位站以及水文測驗站點的流速、流向和相關(guān)潮位對模型進行了驗證。驗潮站及流速流向測點位置見圖2。潮位、流速和流向驗證情況見圖3～6。

圖2 長江評價段潮位、流速、流向驗證站點分布

圖3 主要潮位站（徐六徑、江陰）洪、枯季潮位驗證

對比驗證的潮位計算結(jié)果看，潮位驗證較好，其潮位誤差平均小于10 cm，誤差在5%以內(nèi)。從流速、流向驗證圖上看，實測與驗證的結(jié)果比較一致，平均流速驗證誤差在0.20 m/s以內(nèi)，流向驗證誤差在10°以內(nèi)，整體誤差在15%以內(nèi)，符合相關(guān)規(guī)范的要求。

3 水污染物時空影響分析

枯季發(fā)生的突發(fā)性水污染事件對水源地的影響更持久，因此典型突發(fā)性事件設(shè)定在枯季、長江不同港口地點突發(fā)苯酚泄露事故，事故源強與水文條件參照2012年2月長江鎮(zhèn)江段李長榮化工碼頭苯酚泄露事故事件。采用模型分別計算出在長江不同地點泄露的苯酚的時空分布情況，重點分析對長江南通段長青沙水源地和狼山水源地的影響途徑和時間。

根據(jù)長江評價段不同區(qū)域碼頭泄露污染物時空分布分析。表明在枯季小潮期間，如果揚州港區(qū)一旦發(fā)生突發(fā)性污染事件，由于距離南通長江水源地較遠(yuǎn)，預(yù)計96 h左右污染團擴散遷移到達長青沙水源地，120 h左右污染團擴散遷移到達狼山水源地；位于長青沙水源地上游左岸的靖江港區(qū)碼頭一旦發(fā)生苯酚泄露，則污染團不到12 h就可以到達長青沙水源地，36 h后影響至狼山水源地；位于上游右岸的中興港區(qū)碼頭區(qū)域若發(fā)生苯酚泄漏事故，由于初始污染團靠近右岸，只有在漲潮期間，污染團才會影響到長青沙水源地，對于長青沙水廠取水口的影響較小，而狼山水源地取水口水域受影響明顯，預(yù)計48 h后污染團就到達狼山水源地；位于瀏河沙水道的九龍港碼頭區(qū)域一旦突發(fā)苯酚泄露，污染團在落潮流的作用下被迅速帶往下游，長青沙水源地幾乎未受污染，但狼山水源地受影響較大，預(yù)計污染團24 h就能到達狼山水廠取水口。

4 預(yù)警站選址

4.1 擬定預(yù)警站位置

圖4 水文測驗測點（fz1500）洪季大、小潮期間流速、流向驗證

圖5 水文測驗測點（tz3200）枯季大、小潮期間流速、流向驗證

水源地上下游的預(yù)警監(jiān)測站必須設(shè)置在污染物遷移必經(jīng)之地，一旦長江發(fā)生突發(fā)性污染事件，通過自動采樣或者人工連續(xù)采樣監(jiān)測能夠及時捕捉到污染信息。同時選址不宜過分遠(yuǎn)離岸邊和水源地，盡量設(shè)置于配套設(shè)施完善的港區(qū)附近，一方面便于監(jiān)測，另一方面也能夠保證預(yù)警信息及時發(fā)布。

圖6 水文測驗測點（天生港、B2）潮位、流速、流向驗證

通過模擬長江評價段不同位置港區(qū)碼頭泄露污染物后遷移途徑及污染團濃度時空分布情況，確定預(yù)警站擬定位置。其中長青沙水源地上游預(yù)警站設(shè)置于如皋港區(qū)（東經(jīng)120°31′30″，北緯32°4′10″）；下游預(yù)警站設(shè)置于長青沙與橫港沙之間（東經(jīng)120°36′53″，北緯32°0′41″）。狼山水源地上游預(yù)警站設(shè)置于南通港下游附近（東經(jīng)120°48′38″，北緯32°0′27″）；下游預(yù)警站設(shè)置于營船港區(qū)下游（東經(jīng)120°54′54″，北緯31°54′1″）。擬定預(yù)警站位置如圖7所示。

圖7 長江南通河段主要水源地上下游擬定預(yù)警站位置示意

4.2 預(yù)警監(jiān)測站響應(yīng)時間分析

水質(zhì)預(yù)警監(jiān)測站必須能夠在污染物到達水源地取水口之前及時檢測到水質(zhì)異常情況，使水源地管理部門有足夠的時間執(zhí)行事故應(yīng)急預(yù)案。表1列出了不同徑流條件下擬定預(yù)警監(jiān)測站對于上下游10個港區(qū)潛在突發(fā)污染事件可以給出的預(yù)警時間。

表1 南通河段水源地上下游預(yù)警站預(yù)警響應(yīng)時間研究分析

分析比較不同徑流情況下的預(yù)警時間變化，發(fā)現(xiàn)盡管預(yù)警站預(yù)警時間總體變化趨勢是隨著徑流強度的增加而逐步減小，但是受潮汐往復(fù)運動、水下地形等影響，在大流量條件下仍有較長的預(yù)警時間。在擬定的4個預(yù)警站地址開展預(yù)警監(jiān)測基本上均能給水源地取水口管理部門提供2 h的預(yù)警時間，說明在擬定地點建設(shè)預(yù)警監(jiān)測站可以有效提升應(yīng)急管理水平，保障水源地供水安全。

4 結(jié)論

長江南通段主要水源地均處于開放狀態(tài)，存在潛在的安全風(fēng)險。為保障供水安全，及時啟動應(yīng)急預(yù)案應(yīng)對突發(fā)性水污染事件，在狼山和長青沙水源地上下游建設(shè)水質(zhì)預(yù)警監(jiān)測站十分必要。

本文依托Delft3D軟件建立的長江南通段水動力-水質(zhì)模型，較好地模擬分析了長江評價段不同港區(qū)位置突發(fā)典型水污染事件影響情況，在掌握長江評價段污染團影響時空分布特點和對狼山水源地、長青沙水源地的影響途徑及時間的基礎(chǔ)上，為長江南通段兩大水源地預(yù)警監(jiān)測站擬定地址。

選址確定建設(shè)的2組水源地上下游水質(zhì)預(yù)警監(jiān)測站，通過預(yù)警監(jiān)測能夠為取水管理部門提供2h的預(yù)警響應(yīng)時間，為水源地管理部門應(yīng)急管理決策提供有力支撐。