漢江中下游突發性水污染事故預測模型研究

董瑞瑞，陳和春，王繼保，辛小康

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

0 引言

長江流域幅員遼闊，河流眾多，經濟發達，隨之而來的突發水污染事故［1］發生頻率較高。據不完全統計，1990年以來，長江流域共發生水污染事故30余起。2014年4月，漢江武漢段發生氨氮超標水污染事故，導致漢陽片區水廠原水告急，30余萬人用水受到影響，突出反映出當前突發水污染事故應急管理的重要性和緊迫性。而在水資源保護日常管理中，需要運用數學模型對突發水污染事故風險進行識別與預判，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律，確定污染物變化趨勢及速度，以便能及時采取有效的應急措施，將事故危害降到最低，以保證生命財產和環境的安全。

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糧基地和工業基地，人口聚集，潛在風險源較多。本文利用MIKE11［2］建立漢江中下游水動力水質模型［3］，模擬突發水污染事故，分析污染物的時空變化規律，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，為突發水污染事故的應急處理提供科學依據。

1 研究方法

1.1 研究區域概化

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個排污口調查實測數據，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，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值計算模式，建立了漢江中下游一維水動力水質預警應急模型。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定水流運動，能自適應河道內在時間和空間水流條件的數值計算方案，很好地描述河流的各種水流環境，本文選取MIKE11水動力模型模擬研究區域的水動力過程。模型構建收集的基礎數據包括河網資料、河道地形數據、實測水位流量數據、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 一維水質模型

MIKE11一維水質模型［5］的基礎是一維水動力模型，MIKE11對流擴散模型主要用于模擬物質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模型。根據河道形態和地形數據，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。根據研究區域的GIS數據和DEM數據建立河網文件和大斷面文件。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;水質模型初始條件采用高錳酸鹽指數和氨氮(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。考慮主要河流南河、唐白河、蠻河等支流的入匯以及東荊河的分流，模型在各個邊界處設有水質組分的濃度變化情況，并與水動力模型初始條件的設定保持一致;水質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和氨氮(NH3-N)實測數據，水質模型下游邊界采用相同年限宗關斷面逐月高錳酸鹽指數和氨氮(NH3-N)實測濃度數據。考慮主要點源的入匯，邊界處同時加入漢江中下游沿岸入河排污口調查實測數據，以保證模型的準確性。考慮到模型的穩定性與計算時間，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據對參數進行率定，參照相關成果，并根據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

各斷面水位驗證結果見圖2。流量驗證結果見圖3。從圖2、3可以看出，水動力模型的計算結果與實測結果較吻合，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 水質模型

水質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和氨氮(NH3-N)實測數據，水質模型下游邊界采用宗關斷面逐月高錳酸鹽指數和氨氮(NH3-N)實測數據。考慮主要點源匯入情況，高錳酸鹽指數綜合衰減系數取0.045/d，NH3-N綜合衰減系數取0.025/d。模型選擇仙人渡、皇莊、仙桃3個監測斷面作為驗證斷面，以其2010年～2011年2年的實測數據對模型進行驗證，采用式(1)計算出3個斷面高錳酸鹽指數的平均相對誤差為14.5%，NH3-N的平均相對誤差為20.19%。NH3-N驗證結果見圖4，高錳酸鹽指數驗證結果見圖5。由于水質模型對實測水質數據、對應的污染源調查數據要求較高，本研究仍然只對水質和污染源數據進行了大致摸底，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律和變化趨勢，具有一定的精度，可應用于突發水污染事故應急預警模擬，以反映突發水污染事故發生后污染物的傳輸、降解規律。

圖2 水位驗證結果

3 突發水污染事故情景模擬

圖3 流量驗證結果

漢江是襄陽城市飲用水的唯一水源。根據排污口調查情況，漢江襄陽段內排污企業多，排污大戶多，并直接排入漢江，加大了水污染事故發生的風險，而且一旦發生，后果嚴重。漢川、武漢江段布有多個水廠以及食品加工企業，排污口眾多，本身水質較差，如果距離它較近的仙桃發生水污染事故，將會對武漢的飲用水產生影響。突發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預警預報模型可實現對污染物運移過程的模擬。現擬定2種工況，應用2011年數據，分別模擬襄陽、仙桃境內某污水處理廠在枯水期1月3日早8點發生的水污染事故，污染物就近流入漢江，高錳酸鹽指數濃度為10 000 mg/L，排放流量1.0 m3/s，衰減系數K采用模型率定后的值0.045/d。在事故河段加入1個突發水污染事故的點源，該處1月3日污染物濃度為10 000 mg/L，事故持續排放時間為1 d。

圖4 NH3-N驗證結果

(1)襄陽段1月突發水污染事故情景模擬。圖6為發生水污染事故后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濃度達到14 mg/L，為V類水質，由于水流的稀釋與沖刷，污染物濃度逐漸降低，峰值也呈現下降趨勢，但隨后幾天濃度峰值基本都維持在6～8 mg/L，為IV類水質。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降至2.43 mg/L，滿足III類水標準，即15日之后水質恢復正常。

圖5 高錳酸鹽指數驗證結果

(2)仙桃段1月突發水污染事故情景模擬。圖7為1月3日發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。發生水污染事故后，仙桃斷面高錳酸鹽指數峰值為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匯作用，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月高錳酸鹽指數沿程變化

圖7 仙桃段2011年1月高錳酸鹽指數沿程變化

4 結語

本文通過MIKE11建立了漢江中下游一維水動力水質預警預報模型，利用實測水位、流量、水質數據對模型進行了率定與驗證。結果顯示，漢江中下游一維水動力水質預警預報模型能較好地模擬漢江中下游江段發生突發水污染事故時污染物的影響程度，以及污染物到達不同監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情況，為漢江中下游突發水污染事故的應急處理提供科學依據，減少突發水污染事故帶來的危害。

［1］韓曉剛，黃延林．我國突發性水污染事件統計分析［J］．水資源保護，2010，26(1):84-86．

［2］吳天蛟，楊漢波，李哲，等．基于MIKE11的三峽庫區洪水演進模擬［J］．水力發電學報，2014，33(2):51-57．

［3］王慶改，趙曉宏，吳文軍，等．漢江中下游突發性水污染事故污染物運移擴散模型［J］．水科學進展，2008，4(4):500-504．

［4］王領元．丹麥MIKE11水動力模塊在河網模擬計算中的應用研究［J］．中國水運:學術版，2007，7(2):106-107．

［5］朱茂森．基于MIKE11的遼河流域一維水質模型［J］．水資源保護，2013，29(3):6-9．

［6］陳君．南水北調中線工程對漢江中下游的水質影響［D］．武漢:武漢大學，2005．