基于水庫調度的河流突發水污染應急處置

王家彪　雷曉輝　王浩

摘要：天然河流水污染事件頻發，如何運用水庫應急調度降低污染損失具有重要意義。以突發水污染事件應急處置為目標，分別構建了水污染溯源、濃度預測和水庫應急調度模型，并通過數值模擬的方式對水庫調度方案進行優選，最終建立了一套完善的水庫應急調度技術體系。將技術運用于賀江2013年水污染事件應急處置分析，結果表明，模型重構的監測斷面污染物濃度過程與實測過程較為接近，優選的水庫調度方案及其處置效果也與實際情況基本吻合。結果說明本文建立的水庫應急調度關鍵技術體系可運用于指導河流突發水污染事件應急處置。

關鍵詞：突發水污染；水庫調度；應急；溯源

中圖分類號：X522文獻標志碼：A文章編號：

16721683（2018）02000106

Abstract：

Water pollution incidents occur frequently in the natural river systems.How to operate the reservoirs on rivers to minimize the pollution loss is surely of great significance to the emergency disposal.In this paper，we established several corresponding models for the sequential processes of source identification，prediction of contaminant concentration，and reservoir operation.Using numerical simulation method，we optimized the reservoir operation scheme.Eventually，we proposed a relatively complete technical system for emergency disposal and then applied it to the case of Hejiang pollution incident in 2013.Results showed that the simulated time series of contaminant concentration were similar to the measured series.The optimized scheme and its disposal result generally fit the actual situation.The results indicated that the proposed technical system of emergency disposal with reservoir operation is feasible and efficient for real sudden water pollution incidents in natural rivers.

Key words：sudden water pollution；reservoir operation；emergency；source identification

突發水污染事件具有不確定性、擴散性、危害性、處理艱巨性和影響長期性等特點，且難以從根本上杜絕，其污染物排放也無固定途徑[13]。對于突發水污染的應急處置通常可分為工程性措施和非工程性措施兩大類[4]。在天然河流中，若采用工程措施進行處置（吸附、混凝等），不僅投入成本大，而且一[JP2]些化學藥物的運用還存在負面影響。而通過水庫應急調度的方式不僅能稀釋河流污染物濃度，還可加快污染團的運移、弱化擴散作用，有[JP]效縮減水污染影響范圍。如2005年廣東北江鎘污染事件中采用了“加大上游水庫排量以稀釋水體污染物、利用人工小洪峰加快污染物運移到下游處置區”的應急措施有效地控制了污染事故的惡化。2012年廣西龍江發生的鎘污染事件中，通過調度柳江上游大埔、麻石等水庫水量進行沖污稀釋，保證了下游柳州市供水安全。

關于水庫應急調度的研究一直是流域管理的熱點和難點。蘇友華[5]研究了崇左市各縣區突發水污染時如何利用上游水庫進行應急調度的調水方案與實施辦法。辛小康等[6]探討了三峽水庫應急調度措施對長江宜昌段水污染事故處置的有效性和可行性，研究表明水庫調度對瞬排型水污染事故的處置作用明顯。陶亞等[7]探討了包括工程應急調度、吸附攔截等在內的多種污染物應急處置措施其應用原理和處置效果。余真真等[8]研究了小浪底水庫應急調度對下游水污染事故的處置情況，結果表明水庫應急調度降低了下游一定范圍內的污染程度。

盡管如此，運用水庫調度進行河流突發水污染應急處置仍存在諸多問題[9]，包括水污染事件信息掌握不足、水庫調蓄功能發揮不充分、應急處置理論和技術不完善等。本文以天然河流突發水污染應急處置為目標，研究如何運用水庫進行合理調度以實現突發水污染的快速處置、最大可能降低污染損失，完善水庫應急調度理論和技術，并通過實例分析水庫應急調度的可行性，以期為我國河流突發水污染應急處置提供理論指導和技術借鑒。

1基本原理與模型構建

運用水庫調度進行突發水污染應急處置主要通過污染物溯源、濃度預測和水庫調度方案優選三個關鍵技術環節來實現。本文對這三個環節分別構建相應的數值計算模型。

[BT3]1.1河道水流計算模型

河道中污染物濃度預測離不開水流的計算。在重力、水壓力、沿程阻力和慣性力作用下，由動量守恒原理推導水流運動方程見式（1），并在不可壓縮假定下得到水流連續性方程見式（2），方程組可采用四點偏心隱格式（Preimann格式）差分方法求解[10]。

[SX（]A[]t[SX）]+[SX（]Q[]x[SX）]=q[JY]（1）

[SX（]Q[]t[SX）]+[SX（][]x[SX）][JB（（][SX（]Q2[]A[SX）][JB））]+gA[SX（]Z[]x[SX）]+g[SX（]n2|u|[]R4/3[SX）]Q=0[JY]（2）

式中：x為沿河道距離（m）；t為時間（s）；A為斷面過流面積（m2）；Q為斷面過流流量（m3/s）；u為斷面平均流速（m/s）；q為支流入流流量（出流為負） （m3/（s·m）；Z為河道水位（m）；g為重力加速度（m/s2）；n為曼寧糙率系數；R為水力半徑（m）。

[BT3]1.2污染物濃度預測模型

河道中污染物的遷移擴散是三維非穩態問題，其過程不僅與水流變化有關，還受水溫、風速等因素影響。實際計算中，模擬水質全過程并不可行，因此在構建水質模型時可對問題進行適當簡化。當河道中污染物沿水平和垂向混合時間短、能快速混合至橫向均勻時，近似認為污染物只隨水流沿縱向發生對流擴散。考慮一級反應下的污染物對流擴散方程見式（3）。

[SX（]AC（x，t）[]t[SX）]+[SX（]QC（x，t）[]x[SX）]=[SX（][]x[SX）][JB（（]DA[SX（]C（x，t）[]x[SX）][JB））]-[WTB1X]k[WTBX]AC（x，t）+∑S[JY]（3）

[JP3]式中：C（x，t）為所計算的斷面時刻污染物濃度（mg/L）；[JP+1]D為包括彌散作用在內的縱向擴散系數[JP]（m2/s）；[WTB1X]k[WTBZ]為反應速率常數（s1）；[JP]S為源匯項（g/（m·s），當河道中有污染物匯入時，此項不為0；其余同式（1）和（2）。

在水流計算基礎上，方程（3）采用差分方法進行求解。特別的，在均勻紊流條件下可求得方程（3）解析解[11]，見式（4）。

C（x，t）=[SX（]M0[]A[KF（]4πDt[KF）][SX）]exp[JB（（]-[SX（]（x-ut）2[]4Dt[SX）]-[WTB1X]k[WTBX]t[JB））][JY]（4）

式中：u為斷面平均流速（m/s）；m0為進入水體污染物強度（kg）。

[JP3]在水污染應急調度過程中，可根據式（4）對不同調水方案下的河道污染物濃度變化情況進行快速預測。[JP]

[BT3]1.3污染物溯源模型

突發水污染溯源技術通過研究污染物在河渠中遷移轉化規律，依據所觀測的污染物濃度過程推測出污染物排放位置、排放時間以及排放強度。作為污染物濃度預測的反問題[12]，污染物溯源具有非線性和不適定性的特征[13]，計算內容更為復雜。本次研究考慮了一種基于概率密度函數的溯源方法，方法通過對污染物逆向位置概率密度與正向濃度之間關系進行回歸分析，構建一個以污染物排放位置、排放時間和排放強度為參數的優化模型。

[JP3]由∫[DD（][]x[DD）]C（x，t）dx=M0，可對C（x，t）歸一化，見下式：[JP]

c（x，t）=C（x，t）/M0[JY]（5）

式中：c（x，t）為對應于C（x，t）的單位質量污染物濃度值，具有m1的量綱，表示了污染物質t時刻出現在x斷面的概率。

[JP2]在河道中，以P（x，t′）表示由觀測斷面xd判定的t′時刻污染源在xs處的概率（即污染物質由xs斷面經時間td-t′輸運到xd斷面的概率），則P（xs，t′）滿足對流擴散方程（3）的伴隨狀態方程以及歸一化條件[12]（P（x，t′）也具有m-1的量綱），見式（6）和式（7）[JP]。

-[SX（]P（xs，t′）[]t[SX）]+[SX（]（QP（xs，t′）/A）[]x[SX）]+D[SX（]2P（xs，t′）[]2x[SX）]=0[JY]（6）

P（xd，td）=1[JY]（7）

式中：t′為逆向計算時間點；td為污染物濃度觀測時間點（s）；式（7）表示的是：污染物質未發生輸運（t′=td）而出現在觀測斷面時，污染源只能是在觀測斷面處。

類似于濃度預測，在均勻紊流條件下，可得到方程（6）解析解，如下：

P（x，t′）=[SX（]1[][KF（]4πD（td-t′）[KF）][SX）]·exp[JB（（]-[SX（]（xd-xs-u（td-t′））2[]4D（td-t′）[SX）][JB））][JY]（8）

結合式（5），分別比較式（3）和（6）與式（4）和（8）可看出，P（xs，t′）與c（x，t）形式完全一致。事實上，P（xs，t′）與c（x，t）兩者關系都可由圖1進行確定，圖中箭頭表示輸運（移流項）方向。

[JP2]圖1中，（a）和（b）表示初始時間t0和經過Δt時間后的污染物濃度分布，（c）和（d）表示初始監測時間td以及往前追溯Δt的位置概率密度分布。當t-t0=td-t′時，污染物質從源x0經時間t-t0運動到斷面xd處的概率c（xd，t），與觀測者位于斷面xd處判斷污染物由斷面x0[JP]經時間td-t′運動到斷面xd處的概率相等。即當t-t0=td-t′時，式（9）成立。

P（x0，t′）=c（xd，t）[JY]（9）

由圖1和式（9）可看出，正向濃度過程與逆向位置概率過程具有高度耦合性，兩者除了計算時間方向相反外，其余完全一致。因此可基于這種耦合關系由P（xs，t′）計算c（xd，t），構建優化模型實現溯源計算。

首先以計算濃度和觀測濃度誤差最小確定出模型目標函數如下[1416]：

min∑（M0·Pi（x0，t0）-Ci）2）[JY]（10）

式中：x0、t0和M0即為所求污染物排放位置、時間和強度三參數；Ci代表觀測系列濃度值（mg/L）。

約束條件x0、t0和M0的取值范圍由先驗信息給定，一般是現場調查或由已有資料分析得出，見式（11）和至（13）：

x0min≤x0≤x0min[JY]（11）

t0min≤t0≤t0min[JY]（12）

M0min≤M0≤M0min[JY]（13）

通過求解上述優化模型，可實現污染物的快速溯源。

[BT3]1.4水庫應急調度模型

基于水庫調度的突發水污染應急處置其本質上是水庫出庫流量的分配問題。若以水庫水資源量損失最小和處置歷時最短為目標進行調度，則目標函數如下：

G1=min[JB（{]∑[DD（]n[]i=1[DD）]QiT[JB）}][JY]（14）

G2=min[JB（{]T[JB）}][JY]（15）

式中：G1為目標調水量（m3）；G2為目標調水歷時（h）；n為參與應急調度的水庫數目；Qi為流域第i個水庫出庫流量（m3/s）；T為調水時間。

水庫調度過程中，不僅受水庫可用水量和河道水流演進的約束，還要求控制斷面處水質必須達標。

水庫供水量約束：QiT≤Vimax[JY]（16）

[JP4]水流水質聯動約束：C[WTB1X]k[WTBX]（t）=f（x0，t0，M，Q1，…，Qn）[JY]（17）[JP]

控制斷面水質濃度約束：C[WTB1X]k[WTBX]（t）≤C[WTB1X]k[WTBZ]max[JY]（18）

式中：Vimax表示第i個水庫最大可供水量（m3）；[WTB1X]k[WTBX]為流域水質控制斷面編號，取值1，2，…；C[WTB1X]k[WTBX]（t）表示第[WTB1X]k[WTBZ]個控制斷面處污染物計算濃度值（mg/L）；f（x0，t0，M，Q1，…，Qn，t，[WTB1X]k[WTBX]）表示水流水質聯動約束下第[WTB1X]k[WTBX]個控制斷面處的濃度過程，是濃度值與污染源參數（x0，t0，M）及調度水量Q1，…，Qn和變量t、[WTB1X]k[WTBX]的一種抽象映射；C[WTB1X]k[WTBZ]max表示第[WTB1X]k[WTBZ]個控制斷面處允許的最大污染物濃度值（mg/L）。

由此建立的優化調度模型其約束條件都具有非線性，其中式（17）中水流水質聯動約束很難通過具體表達式進行簡化。因此，模型可采用遺傳算法（GA）或微分進化算法（DEA）進行求解[14，17]。盡管如此，流域多水庫調度時通常難以找出或無最優解，此時可通過多組方案比選的方式尋找滿意解[18]，實現水庫調度方案的優選。

[BT2]2關鍵技術體系

流域突發水污染后，需第一時間啟動應急監測方案，對污染事件進行診斷。在確定污染物超標河段后，根據監測濃度和初步診斷結果，對水污染進行快速追蹤溯源，并依據溯源結果到現場進行排查確認。然后，運用水污染快速預測模型預估污染可能波及的河段和控制斷面處污染濃物度變化過程，對整個污染事件進行重構。最后，根據水污染應急處置目標擬定多組水庫調度方案并進行模擬計算，對不同方案的處置效果進行對比分析。在分析調度方案合理性時，還需對方案的可能影響進行評價，如發電效益損失。另外，在水污染應急處置中，流域啟動水量調度時一般會配合以工程方法，如攔截吸附、混凝沉降等，在應急調度方案擬定時應予以考慮。

分別將所構建的計算模型運用于突發水污染應急處置各個環節，構建出一套完整的水庫應急調度技術體系，并確立基于水庫調度的突發水污染應急處置實現流程如圖2所示。由于應急調度需實時決策，因此實現流程中存在動態調整與反饋修正的閉環過程，即根據控制斷面處計算的濃度過程不斷調整應急調水方案，直到斷面處濃度達標。

3應用實例

2013年7月，廣西賀江流域發生鎘污染事件，賀江干流近110 km河段受到污染波及，干流上合面獅水庫整個庫區水體被污染，應急處理經費高達幾千萬元。本文以賀江2013年水污染事件為應用實例，分析如何應用所構建的水庫應急調度技術體系實現河流突發水污染的應急處置。

3.1污染物溯源分析

根據實測資料，2013年7月7日6時監測到賀江支流馬尾河河口處鎘濃度嚴重超標，同時在賀江干流廈島斷面處（馬尾河匯入口上游約2 km）并未檢出鎘超標情況。事發時具體監測斷面布設見圖3。

由圖4可看出，通過污染物溯源模型和濃度預測模型還原的馬尾河口污染物濃度過程與實際過程基本一致，無論是濃度峰值還是峰現時間都很接近。盡管計算的濃度過程未能反映出實測過程中的第二峰值，但兩者具有相同的變化趨勢。考慮到應急調度方案的擬定主要受峰值和峰現時間以及濃度變化趨勢影響，模型溯源結果可用于調度方案分析。

3.2應急調度方案優選

根據《賀江重金屬污染處置應急調水方案》，擬定合面獅水庫按300 m3/s的流量下泄污水，并通過聯合調用龜石水庫2.484億m3和爽島水庫1.173億m3有效庫容進行補水和稀釋，盡可能降低下游水體污染程度，控制下游信都超標2.5倍（標準0005 mg/L）以內，封開江口鎮（賀江河口）超標1.5倍以內。為此，需通過模型分析確定出滿足合面獅污水處置要求的龜石水庫和爽島水庫調水量及調水時長（圖5）。受篇幅限制，本文僅探討上游龜石水庫按180 m3/s的固定流量進行放水時下游爽島水庫的最優調水方案。

由于合面獅庫區為狹長型河道，水流和水質計算都可采用一維模型。假定應急處置前合面獅庫區污染物濃度已混合均勻。根據圖5中所示信息，計算出調水處置10 d（1旬）后合面獅庫區范圍內濃度變化見圖6。

從圖6可看出，實施應急處置10 d后水庫壩前（圖6中區域右邊界最上端）濃度已稀釋到0012 mg/L，超標約14倍，庫區范圍有一半以上河段濃度降到了0005 mg/L。可見上游水庫的補水有力稀釋了庫區污染水體，降低了出庫污水的濃度。

根據得到的出庫水流濃度過程，分別計算爽島水庫調水100 m3/s、150 m3/s、180 m3/s 以及250 m3/s、300 m3/s時合面獅下游信都和江口鎮10 d后對應濃度過程見圖7和圖8。其中，由于東安江匯入斷面在信都下游，因此信都斷面濃度過程不受爽島水庫調水量的影響。

從圖7和圖8中可看出，上游龜石水庫按180 m3/s的流量放水75 d后可滿足信都超標25倍以內的控制要求。而爽島水庫若按同樣流量進行調水，則大約需10 d的時間才能滿足江口超標1.5倍以內的控制要求，但在調水流量為250 m3/s時可將調水時間縮短到75 d。因此，初步確定調水方案為龜石水庫放水180 m3/s，爽島水庫對應調水250 m3/s，應急處置75 d后能滿足下游信都和江口斷面水質控制要求。

為進一步確定各水庫間調水關系，盡可能節約水資源，對爽島水庫不同調水流量下允許的調水時長和調水10 d后的江口水質進行分析，并計算出對應調水方案下所需的處置時間和耗水量，結果見表1

從表1中可看出，在爽島調水流量為300 m3/s時，應急處置所需時間和有效庫容允許的調水時間最為接近，但此時允許調水時間只有45 d，而根據圖7，在龜石水庫補水180 m3/s情況下信都斷面至少要75 d才能滿足水質控制要求，加之流量過大有可能帶來洪水問題，300 m3/s的調水方案并不可行。相比而言，在爽島調水流量為180 m3/s時，雖然應急處置所需時間比有效庫容允許的調水時間多23 d，但分析圖8可發現，在合面獅污水開始下排的64 h以內江口濃度并沒有超控制線，而這64 h的時長正好與調水180 m3/s方案超出的允許調水時長接近，這說明如果爽島水庫在起調時間上適當滯后的話，采用180 m3/s調水方案是可行的。事實上可給出一種可行方案：控制爽島水庫起調后的出庫水流剛好滯后合面獅開始排污后25 d流入賀江干流，按180 m3/s的方案調度爽島水庫有效庫容用完后可結束合面獅水庫應急處置任務。

另外，根據水利廳下發的《賀江重金屬污染處置應急調水方案》，事發后擬定的調水方案之一是：合面獅按300 m3/s下泄污水，龜石按180 m3/s放水，而爽島水庫調則按181 m3/s調水。根據水利廳《信息簡報》第8期，截止7月14日18時賀江流域鎘指標全線達標。從資料中可看出，本文研究的調度方案和處置效果都與實際情況較為吻合。

4結論

本文從我國日益嚴峻的河流水污染問題出發，研究了基于水庫調度的河流突發水污染應急處置問題。論文首先構建了污染物溯源、預測和水庫調度模型，建立了一套較為完善的水庫應急調度技術體系。將技術運用于2013年賀江水污染事件中合面獅水庫的污水應急處置，經分析得出了在“合面獅水庫按300 m3/s流量下泄污水、龜石水庫按180 m3/s下放清水” 情況下的爽島水庫調水方案：控制爽島起調后的出庫水流剛好滯后合面獅開始排污后25 d流入賀江干流，按180 m3/s調度爽島水庫1173億m3有效庫容用完。所得出的調度方案和處置效果與實際情況較為吻合。通過實例應用，一方面論證了天然河流運用水庫調度進行突發水污染處置的可行性，另一方面也說明本文研究的技術體系可用于指導實際突發水污染事件的應急處置。

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