南水北調中線京石段突發性水污染事故污染物運移擴散研究

王興偉，陳家軍，鄭海亮

(1.北京師范大學環境學院水沙科學教育部重點實驗室,北京 100875；2.中國科學院高能物理研究所,北京 100049)

南水北調中線京石段突發性水污染事故污染物運移擴散研究

王興偉1，陳家軍1，鄭海亮2

(1.北京師范大學環境學院水沙科學教育部重點實驗室,北京 100875；2.中國科學院高能物理研究所,北京 100049)

基于MIKE11模型的水動力模塊、對流擴散模塊建立了南水北調中線京石段的水質模擬模型,通過對模型的率定和驗證,表明該模型具有較理想的模擬效果。在此基礎上構建模擬段突發性水污染事故污染物運移擴散模型,模擬了典型跨渠公路橋上發生危險貨物運輸傾翻事故后污染團的遷移擴散過程,以及污染團到達下一個分水口和退水閘的時間和濃度,旨在為制定京石段干渠突發性水環境污染事故應急方案提供依據。

南水北調中線；京石段；突發水污染；危險貨物；運輸事故；污染物運移擴散模型；水質模擬模型；模型率定；模型驗證

南水北調中線總干渠輸水線路較長,沿線自然社會經濟條件復雜,工程運行將受到很多不確定性因素的影響,如氣候、洪水、地震、滑坡、建筑物損害、人為失誤和交通事故等[1]。因此,對總干渠各種不確定性因素帶來的風險進行分析和預警預報已成為目前工程管理的熱點和難點。已有研究對南水北調中線工程河北段的環境風險進行了分析,認為地表水污染風險、大氣沉降污染風險、地下水滲透污染風險和突發性環境污染事故風險是影響總干渠水質安全的潛在環境風險,而突發水污染事故風險對總干渠水質造成的危害比其他類型的環境風險更為嚴重[2],因為總干渠輸水工程沿線的控制建筑物和交叉建筑物眾多,出現交通事故的隱患較大,一旦載有污染物質的車輛翻入干渠形成突發性水污染事故,將嚴重危及總干渠水質安全[3-4]。

圖1 京石段干渠模擬段沿線各構筑物示意圖

水污染事故發生突然,污染危害較大,難以控制[5]。研究水污染事故的關鍵,在于研究事故發生后,水流的特性以及污染物在水體中的輸移擴散過程[6-7]。在突發水污染事故污染物遷移模擬預測方面,國內外學者針對不同的地表水體、不同種類污染物等進行了諸多模型研究。如Galabov等[8]采用數值模型MOTHY評估了石油泄漏事故對布爾加斯港口水環境風險的影響,并確定了危險區域和其出現的條件；Manel等[9]通過數學模型模擬并分析了西班牙Barcelona港在近岸潮流的影響下發生水污染事故后不同水域受影響的程度；張晨等[10-11]運用數值模型對引黃濟津河道和于橋水庫下游渠道段在突發水污染事件下的水動力和水質模擬進行了分析；房彥梅等[12]利用一維水力學和水質數值模型方法對南水北調中線工程典型渠段突發性水污染事故應急控制策略進行模擬分析。上述研究都針對突發性污染事故情況下污染物在水體中的輸移擴散過程,但已有關于南水北調工程的風險研究多針對交叉建筑物的失效及防洪風險分析[13-14],針對南水北調總干渠跨渠橋梁上危險貨物運輸發生傾翻事故從而引發干渠突發水污染事故的相關模擬分析很少。

本文以南水北調中線工程京石段為例,針對該段跨渠橋梁上危險貨物運輸事故風險,建立了南水北調中線京石段干渠突發性水污染事故的污染物輸移擴散模型,應用MIKE水質模型軟件對污染物在干渠內的污染擴散情況進行模擬。對突發事故的影響范圍、程度、時間做出定量預報,揭示突發事故發生后,節制閘未參與調控情況下的污染物輸移擴散規律,為京石段干渠突發性水環境污染事故的應急方案的優選提供依據。

1 模擬段介紹

選定的模擬段從河北省保定市曲陽縣孟良河至河北省保定市涿州市北拒馬渠段,全長157km,總水頭10.172m,該渠段含有中線干渠所有的水工構筑物類型,以及地下水內排段(即地下水水位高于渠底段及地下水水位高于設計水位段),具有很強的代表性。沿途分水口、閘門及水工構筑物見圖1。選取兩座典型跨渠橋梁唐縣西環路橋(一級橋梁)和店北公路橋(二級橋梁),距離模擬起始地段分別為26070m和121972m。這兩座典型跨渠橋梁所跨干渠段的水力參數見表1。本研究針對兩座典型跨渠橋梁危險貨物運輸事故風險,模擬風險事故情況下污染物遷移狀況,以及污染團到達跨渠橋梁下高昌分水口(距離模擬起始段29994m)和下車亭分水口(距離模擬起始段126 344m)及曲逆河中支退水閘(距離模擬起始段41 367m)和水北溝退水閘(距離模擬起始段144546m)的時間及濃度。

表1 典型公路橋所跨干渠段的水力參數

對于跨渠橋梁上危險貨物運輸事故導致的干渠突發水污染而言,事故泄漏的污染物濃度較大,瞬時排入河流中的量也較多,對事故后果的估算主要關心泄漏后不同時段內被污染渠道的長度及污染物的濃度變化情況。在運用MIKE 11水質模型模擬跨渠橋梁上危險貨物運輸事故情景下污染擴散情況前,需建立水動力模型及對流擴散模型。

2 水動力模型的建立

對于模擬段,因為干渠深度和寬度相對于模擬段的長度較小,則干渠內水的流動可以看成一維流動。MIKE 11水動力模型(HD)是一維水動力模型,主要用于洪水預報及調度措施、河渠/灌溉系統的設計調度及河口風暴潮的研究。應用MIKE 11 HD模塊模擬京石段干渠的水位和流量,水動力的模擬結果可作為后續對流擴散模擬的基礎。

a.水動力模型的數據文件。MIKE 11水動力模型主要包括的數據文件有:河網文件(.nwk11)、斷面文件(.xns11)、邊界條件(.bnd11)、模型參數文件(.hd11)。所有斷面數據均來自設計資料,邊界條件采用模擬段上游流量、下游水位邊界,將收集到的2009年的實測數據輸入到邊界文件中。

b.水動力模型的率定。水動力模型的率定主要是調整河床糙率,率定年為2009年,河床糙率初始值取0.015(設計值)。由率定結果可以得出,糙率為0.012時,監測斷面的實測流量值和模擬值比較吻合。

c.水動力模型的驗證,采用2009年率定的模型結果,用2010年的數據做進一步的模型驗證,模擬的流量與水位均與實測值比較吻合,誤差均控制在15%以內。因此HD模型總體上符合要求,可以作為后續水質模型的基礎。

3 對流擴散模型建立

MIKE 11的對流擴散模型(AD)是一種均相混合模型,用來模擬均相中污染物的運移過程。對于突發性水污染事故,由于污染物的濃度較大,瞬間排入干渠的污染物量較多,如考慮排入干渠的污染物量相比于干渠流量小得多,則MIKE 11的對流擴散模型可以滿足模擬污染物的運移過程要求,實現突發性水污染事故的場景分析。MIKE 11 AD采用的一維河流水質模型基本方程為

式中:ρ為模擬物質的質量濃度；u為河流平均流速；Ex為對流擴散系數；K為模擬物質的一級衰減系數；x為空間坐標；t為時間坐標。

對流擴散模型是在水動力模型的基礎上建立的,在水動力模型邊界的基礎上加上突發性污染物泄漏的一個時間序列作為內部邊界,其他邊界處該污染物的濃度設置為0。本研究揭示事故發生后節制閘未參與調控情況下的污染物輸移擴散規律。

在突發水污染事故研究中,研究對象大多是難降解的有機有毒物質,且研究要求在短時間內得知污染物的濃度分散情況,因此污染物的對流擴散對污染物的遷移起著重要作用。由于實際條件限制,無法進行實際測算,對流擴散系數E須借助于經驗公式或者理論分析的方法來確定。朱德軍[15]針對京石明渠段的突發水污染事故進行了模擬分析,并采用回歸方法得到了對稱梯形斷面明渠中縱向離散系數E的計算公式如下:

式中:M為突發污染物泄漏量,g；βi為反映側壁對流速分布影響的主要參數,βi越大,側壁對斷面流速分布的影響越大,反之亦然；B為干渠底寬,m；u-為渠道平均流速,m/s；α為粗糙系數,取0.015；h為渠道中水深,m；υ*為渠道剪切流速,m/s。對流擴散系數E取值范圍為15～20m2/s。

4 污染物運移過程動態模擬

根據《國家危險廢物名錄》、GB 18218—2000《重大危險源辨識》、GB 50844—85《職業性接觸毒物危害程度分級》的相關規定,本研究以有毒有害物質氰化鈉為泄漏物質來分析事故危害后果。由南水北調中線工程總干渠供水水質要求可知,干渠內水質應執行GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅱ類標準,按地表水Ⅱ類標準保護,因此達到水質標準要求的氰化鈉質量濃度應不大于0.005mg/L。

據相關研究,唐縣西環路橋和店北公路橋發生危險貨物運輸車輛事故的概率分別為3.25×10-4和8.64×10-6,事故發生的概率風險很小,但并不為零,表明危險貨物在跨渠橋梁上運輸對干渠水體的安全威脅仍然存在[16],因此,有必要對跨渠橋梁上危險貨物運輸事故導致的干渠突發性水污染進行模擬分析,從而為京石段干渠突發性水環境污染事故應急方案的制定提供科學、可行的依據。

本研究假定一輛裝有氰化鈉的儲罐貨車在京石段跨渠橋梁上發生翻車事故,并造成罐內的氰化鈉泄入干渠。在0.5h時間里共有9 t污染物流到干渠,該污染物的質量濃度為1000mg/L(流量為5m3/s)。

4.1 唐縣西環路橋突發性危險貨物運輸事故動態模擬

4.1.1 污染團的遷移擴散模擬

圖2顯示了唐縣西環路橋突發性危險貨物運輸事故發生后各斷面最大污染物質量濃度分布情況。由圖2可知,在唐縣西環路橋發生突發性危險貨物運輸事故后,在斷面26.4 km處(即唐縣西環路橋下游330m處),最大污染物質量濃度為1.03mg/L,之后隨著污染物不斷地被稀釋擴散,污染物質量濃度在下游各斷面呈下降趨勢,在斷面146.7 km處(即唐縣西環路橋下游120.7 km處)污染物質量濃度已下降為0.004mg/L,低于氰化鈉Ⅱ類水質標準要求,這說明當唐縣西環路橋發生突發性危險貨物運輸事故后,如若不進行任何應急措施,由于水量的稀釋擴散作用,在其下游120 km處,污染物質量濃度依然能達到Ⅱ類水質標準要求。

圖2 事故發生后各斷面最大污染物質量濃度分布情況(唐縣西環路橋情景)

從污染物運移時間上來看,在唐縣西環路橋發生突發性危險貨物運輸事故,1 h后,污染物質量濃度達到最大,為1.03mg/L,此后隨著時間的推移,污染物質量濃度逐漸下降；30 h后,污染峰遷移至斷面28.5 km處,最大污染物質量濃度為0.29mg/L,相比事故剛發生時的最大污染物質量濃度下降了71.8%；59 h后,污染峰遷移至斷面31 km處,最大污染物質量濃度為0.19mg/L,相比事故剛發生后最大污染物質量濃度下降了81.6%,但此時污染物質量濃度仍遠遠大于0.005mg/L,水質污染嚴重。

4.1.2 高昌分水口斷面污染物質量濃度變化

圖3為唐縣西環路橋突發性危險貨物運輸事故發生后高昌分水口斷面污染物質量濃度變化情況。從圖3中可以看出,在事故發生后37.2 h,污染物已經遷移到此斷面處,質量濃度為0.001mg/L,而在40.8 h后,污染物質量濃度已經增大到0.006mg/L,此時污染物質量濃度已經超過氰化鈉Ⅱ類標準,表明此時水質已被污染。在110.4 h后,該分水口斷面處污染物質量濃度達到最大值0.134mg/L,此時水質被嚴重污染,此后由于稀釋擴散降解作用,污染物質量濃度在逐漸降低,在328.8 h后,污染物質量濃度降到0.004mg/L,已經低于氰化鈉Ⅱ類標準,表明此時水質已恢復正常。由模擬結果可知,在事故發生后40.8～328.8 h時間段內,由高昌分水口分水(分水流量3.0m3/s)的水質已被污染(氰化鈉質量濃度已經超過GB3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅱ類標準),對此段時間內由該分水口所分的水量應采取適當的措施處理后,方可進行使用。

圖3 高昌分水口斷面污染物質量濃度變化情況

圖4 曲逆河中支退水閘斷面污染物質量濃度變化情況

4.1.3 曲逆河中支退水閘斷面污染物濃度變化

圖4為唐縣西環路橋突發性危險貨物運輸事故發生后曲逆河中支退水閘斷面污染物質量濃度變化情況。從圖4中可以看出,事故發生后96 h,污染物已經遷移到此斷面處,質量濃度為0.001mg/L,而在109.2 h,污染物質量濃度已經增大到0.005mg/L,已經超過氰化鈉Ⅱ類標準,表明此時水質已被污染。事故發生后235.2 h,該分水口斷面處污染物質量濃度達到最大值0.086mg/L,此時水質被嚴重污染。此后由于稀釋擴散降解作用,污染物質量濃度逐漸降低,事故發生后517.2 h時,污染物質量濃度降到0.004mg/L,已經低于氰化鈉Ⅱ類標準,此時水質已恢復正常。由模擬結果可知,事故發生后109.2～517.2 h時間段內,曲逆河中支退水閘斷面處水質已被污染,氰化鈉質量濃度已經超過GB3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅱ類標準,此時需開啟退水閘,將受污染水排出。

4.2 店北公路橋突發性危險貨物運輸事故動態模擬

4.2.1 污染團的遷移擴散模擬

圖5顯示了店北公路橋突發性危險貨物運輸事故發生后各斷面最大污染物質量濃度分布情況。由圖5可知,在唐縣西環路橋突發性危險貨物運輸事故發生后,污染物質量濃度在斷面122.136 km處(即店北公路橋下游164m處)為1.17mg/L,之后隨著污染物不斷地被稀釋擴散,最大污染物質量濃度在下游各斷面呈現下降趨勢,在斷面157 km處(即店北公路橋下游34 km處),模擬段終點位置,最大污染物質量濃度下降為0.024mg/L,但仍高于氰化鈉Ⅱ類水質標準要求。

圖5 事故發生后各斷面最大污染物質量濃度分布情況(店北公路橋情景)

從污染物運移時間上來看,在事故發生后1 h污染物質量濃度達到最大,為1.17mg/L,此后隨著污染物不斷地被稀釋擴散,污染物質量濃度在逐漸降低。45 h后,污染峰遷移至斷面124.592 km處,最大污染物質量濃度為0.21mg/L,相比事故發生后下降了82.1%；在122 h后,污染峰遷移至斷面127.472m處,最大污染物質量濃度為0.15 mg/L,相比事故發生后下降了87.2%,但此時污染物濃度仍遠遠大于0.005mg/L,水質污染嚴重。

4.2.2 下車亭分水口斷面污染物質量濃度變化情況

圖6為店北公路橋突發性危險貨物運輸事故發生后下車亭分水口斷面污染物質量濃度變化情況。從圖6可以看出,事故發生后154.8 h,污染物已經遷移到此斷面處,質量濃度為0.001 mg/L,而在202.8h時污染物質量濃度已經增大到0.005mg/L,超過氰化鈉Ⅱ類標準,表明此時水質已被污染。476.4 h時,該分水口斷面處污染物質量濃度達到最大值0.082mg/L,此時水質被嚴重污染,此后由于稀釋擴散降解作用,污染物質量濃度在逐漸降低,事故發生后1185.6h時,污染物質量濃度降到0.004mg/L,已經低于氰化鈉Ⅱ類標準,表明此時水質已恢復正常。由模擬結果可知,在事故發生后202.8～1185.6h時間段內,由下車亭分水口(分水量:3.0m3/s)分水水質已被污染(氰化鈉質量濃度已經超過GB3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅱ類標準),對此段時間內由該分水口所分的水量,應采取適當的措施處理方可進行使用。4.2.3 水北溝退水閘斷面污染物質量濃度變化情況

圖6 下車亭分水口斷面污染物質量濃度變化情況

圖7 水北溝退水閘斷面污染物質量濃度變化情況

圖7為店北公路橋突發性危險貨物運輸事故發生后水北溝退水閘斷面污染物質量濃度變化情況。從圖7可以看出,事故發生后214.8 h,污染物已經遷移到此斷面處,質量濃度為0.001 mg/L,而在276 h時,污染物質量濃度已經增大到0.005mg/L,已經超過氰化鈉Ⅱ類標準,表明此時水質已被污染。在588 h時,該分水口斷面處污染物質量濃度達到0.073mg/L,此時水質被嚴重污染。此后由于稀釋擴散降解作用,污染物質量濃度逐漸降低,在1347.6 h時,污染物質量濃度降到0.004mg/L,已經低于氰化鈉Ⅱ類標準,表明此時水質已恢復正常。由模擬結果可知,在事故發生后276～1347.6 h時間段內,水北溝退水閘斷面處水質已被污染(氰化鈉質量濃度已經超過GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅱ類標準),此時需開啟退水閘,將受污染水排出。

5 結 語

建立了基于突發性水污染事故的南水北調中線京石段污染物運移擴散模型,應用MIKE 11的水動力模塊和對流擴散模塊模擬了典型跨渠公路橋唐縣西環路橋和店北公路橋發生危險貨物運輸傾翻事故后污染物運移擴散過程。采用本研究建立的模型,

可模擬污染團的運移、擴散過程,預報傾翻事故發生后,污染團達到下一個分水口及退水閘的時間及質量濃度,結合GB3838—2002《地表水環境質量標準》,對污染物進行調控,通過開啟退水閘,將污染物進行外排處理,可保證供水水質安全。本研究可為京石段干渠突發性水環境污染事故應急方案的優選提供依據。

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Research on pollutantm igration and diffusion in sudden water pollution
accident in Beijing-Shijiazhuang Section of
M iddle Route of South-to-North W ater Transfer Project

W ANG Xingwei1,CHEN Jiajun1,ZHENG Hailiang2
(1.Key Laboratory ofWater and Sediment Sciences,Ministry of Education,School of Environment, Beijing Normal University,Beijing 100875,China；2.Institute ofHigh Energy Physics Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

Based on the Hydrodynamic model of MIKE11,the water quality simulation model in the Beijing-Shijiazhuang Section of the Middle Route of South-to-NorthWater Transfer Projectwas established.The coefficients calibration andmodel verification indicated that the establishedmodel had a good simulation result.Based on that, models of pollutant migration and diffusion during sudden water pollution accident were established.The model simulated themigration and diffusion of pollutant in the open channel of the Middle Route after dangerous goods transportation accident on the bridge happening.Furthermore,the arrival time and concentration of pollutant in the next turnouts and water discharge gatewere also simulated.The obtained results could provide scientific and useful information for emergency plan of sudden water pollution in the Beijing-Shijiazhuang Section of the Middle Route of South-to-North Water Transfer Project.

Middle Route of South-to-North Water Transfer Project；Beijing-Shijiazhuang Section；sudden water pollution；dangerous goods；transportation accident；pollutant migration and diffusion model；water quality simulationmodel；model calibration；model testify

TV122

：A

：1004 6933(2015)06 0103 06

10.3880/j.issn.1004 6933.2015.06.017

2015 01 08 編輯:彭桃英)

國家科技支撐計劃課題(2011BAC12AB02)；國家自然基金(11005119)

王興偉(1986—),男,博士,主要研究方向為水質模擬及風險分析。E-mail:wangxingwei0812@gmail.com通信作者:陳家軍,教授。E-mail:chenjiajun@bnu.edu.cn