北方干旱地區水庫突發污染事件應急模擬分析

孫凱迪，徐明德，安 靜

(太原理工大學環境科學與工程學院，太原 030024)

我國北方干旱地區缺水問題嚴重，水庫是很多城市的主要供水水源，汾河水庫呈峽谷形、是一座具有調節徑流、防汛、灌溉、城市供水等多項功能的北方水庫，水庫控制流域大，承擔著工業、農業及城市生活用水的任務，是山西省內最大的集中式飲用水源地[1,2]，其水質好壞與太原市超過400 萬人口的飲水安全息息相關。一旦突發污染事件將嚴重影響水質，對供水終端水處理技術提出了更高的要求，增加了處理成本，威脅供水區域居民飲水安全，因此對其進行突發污染事件研究具有重要意義。

國內外關于突發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]，水域突發污染事件數值模擬研究重點關注海上溢油事件，針對干旱地區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、營養物平衡模塊發展到生態動力學水質模型[9,10]。鑒于此，本文以汾河水庫為研究載體，識別其移動風險源，結合水動力及物質輸移擴散模型，設置不同情景，模擬水庫突發環境事件時污染物的遷移擴散規律。

1 研究區域概況

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，但經過多年的淤積，截止到2008年，汾河水庫的庫容已經減少為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 風險源

研究區域內固定風險源主要位于汾河水庫上游區域，各工業企業水處理措施比較完善，故本研究主要考慮移動風險源引起的污染事件。如果汾河水庫周邊道路運輸有毒有害危險物質的車輛發生交通事故造成泄露物進入汾河水庫，將對水庫水源地構成嚴重威脅。交通風險路段包括：

(1)省道252(嵐古線)，處于水庫庫區東邊，車流量為450～750 輛/d。

(2)省道217(嵐馬線)，處于水庫庫區西邊，車流量為300～550 輛/d。

危險物質包括汽油、柴油、粗苯、液氨等污染物。

2 模型建立

2.1 水動力模型

汾河水庫是典型的干旱地區中型水庫，水深較淺，濃度、流速、水深等水力參數在垂直方向變化較小，故水庫水動力模擬研究建立淺水流動的二維水動力-水質耦合模型[11]：

連續性方程：

(1)

x方向的動量方程：

(2)

y方向的動量方程：

(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；fw為風阻力系數；g為重力加速度；μ為黏性系數；Wx、Wy為風速在x、y方向上的速度分量；t為時間；p為靜壓強。

2.2 水質模型

(4)

2.3 模擬范圍確定

模擬區域為水庫全部水域范圍，考察水庫實際地形，基于DEM模型、遙感影像資料及GPS實測信息，分析確定水庫邊緣點位坐標，利用GIS地理信息系統對其進行數字化處理，生成汾河水庫水陸邊界。采用三角網格系統，將汾河水庫庫區概化約3 160個三角形網格[12,13]。

2.4 參數及定解條件

(1)模擬時間步長。根據CFL條件取模擬時間步長Δt=1 800 s。

(2)渦黏系數。采用Smagorinsky公式[14]，渦黏系數取0.4。

(3)底床阻力。根據曼寧系數(Manning)，底床阻力取32 m1/3/s。

(4)摩擦力。根據Wu[15](1980)的經驗公式，取風場摩擦力ca=1.255×10-3；底床摩擦力選取曼寧系數32 m1/3/s。

(5)降雨量與蒸發量。根據氣象部門相關資料生成對應的降雨和蒸發時間序列文件。

(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出水口作為水庫源匯項。各源匯項生成對應的時間序列文件。

(7)初始條件。假設模擬開始前水庫處于靜止狀態，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，取法線方向為不可入條件。開邊界為北部、西部進水口和南部出水口，為避免過強的淺水效應[16]，采用了“干濕點判別法”，即增水時，水深大于0.1 m，視為水域處理；退水時，水深小于0.005 m，不作為水域處理。

(9)擴散系數。根據Smagorinsky公式，擴散系數與渦黏系數之間的比例系數取0.1，即擴散系數取0.04。

(10)降解系數。出于安全性，降解系數取0。

2.5 模型率定與驗證

在水庫西北部和東南部布設A、B2個監測點，見圖2。采用2016年4月5日至2016年8月5日實測A、B點的溶解氧濃度值進行率定和驗證，A、B點的溶解氧濃度值見表1。

圖2 汾河水庫水質監測點位Fig.2 The monitor position map of Fenhe reservoir

(1)參數率定。反復調整模型參數使模擬結果與A點實測數據相吻合，設置模型最終計算參數，率定結果見圖3。

(2)模型驗證。在已確定模型參數的基礎上，用B點實測數據重新計算，模擬值接近實測值，兩者擬合程度較好，驗證結果見圖4。根據偏差統計法，最大絕對值偏差為0.2 mg/l,相對誤差2.1%，滿足精度要求，因此本文所構建的模型是有效的。

圖3 參數率定Fig.3 The parameter calibration

圖4 模型驗證Fig.4 The model validation

3 水質模擬

3.1 情景設置

本次研究以苯胺泄漏為例，考慮移動污染源下排放入口、風等因素對污染物的擴散情況及濃度分布規律產生的影響，主要設置了10種情景進行模擬。若汾河水庫周邊道路上運輸苯胺的車輛突發交通事故，造成苯胺泄漏，考慮從水庫上游北部進水口、西部進水口和東側排放口不同入口流入水庫，具體情景設置見表2。

表2 突發事件情景設置Tab.2 Classifications of scenarios for emergencies

3.2 水質模擬結果分析

3.2.1 模擬結果

水庫突發污染事件48 h后，各情景下污染物的擴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的模擬結果可以看出，苯胺從上游北部進水口進入水庫，由于西南風的作用，苯胺從上游北部進水口順著水庫東岸自西北向東南不斷擴散，48 h擴散了16.07 km2(苯胺濃度大于0的庫區面積)，平均擴散速率約93 m2/s，超標面積為3.43 km2(苯胺濃度大于0.1 mg/L的庫區面積)；48 h后距離入口1 300 m區域苯胺濃度最大，濃度值21.5 mg/L，污染物超標215倍。

由情景2的模擬結果可以看出，苯胺從西部澗河進水口進入水庫，由于西南風的影響，苯胺順著水庫北岸自西南向東北擴散，48 h擴散了15.98 km2，平均擴散速率約92.48 m2/s，超標面積為0.60 km2；48 h后距離入口西北部300 m區域苯胺濃度最大，濃度值3.65 mg/L，污染物超標36.5倍。

由情景3的模擬結果可以看出，苯胺從東側排放口進入水庫，由于西南風的影響，苯胺從進水口處逐步向外擴散，48 h擴散了25.79 km2，平均擴散速率約149.25 m2/s，超標面積為0.55 km2；48 h后東側排放口周圍區域苯胺濃度最大，濃度值1.21 mg/L，污染物超標12.1倍。

由情景4的模擬結果可以看出，苯胺從上游北部進水口進入水庫，由于西南風的影響，苯胺順著水庫南岸自西南向東北擴散，48 h擴散了為31.74 km2，平均擴散速率約183.68 m2/s，超標面積為7.86 m2；48 h后距離北部進水口東部1 800 m區域苯胺濃度最大，濃度值8.2 mg/L，污染物超標82倍。

由情景5的模擬結果可以看出，苯胺從上游北部進水口進入水庫，由于西北風的影響，苯胺從北部進水口順著庫區西岸自西北向東南擴散，48 h擴散了17.36 km2，平均擴散速率約100.46 m2/s，超標面積為3.69 km2；48 h后在入口東南部1 500 m區域苯胺濃度最大，濃度值22.2 mg/L，污染物超標222倍。

由情景6的模擬結果可以看出，苯胺從上游北部進水口進入水庫，由于西北風的影響，苯胺從進水口順著庫區西岸自西北向東南擴散，48 h擴散了29.89 km2，平均擴散速率約105.6 m2/s，超標面積為7.26 km2；48 h后距入口南部1 000 m區域苯胺濃度最大，濃度值9.53 mg/L，污染物超標95.3倍。

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

由情景8的模擬結果可以看出，苯胺從北部進水口進入水庫，沿著水庫中心區域由西北向東南逐步擴散，48 h擴散了12.79 km2，平均擴散速率約74 m2/s，超標面積為3.92 km2；48 h后入口東南部1 500 m區域苯胺濃度最大，濃度值25.2 mg/L，污染物超標252倍。

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

由情景10的模擬結果可以看出，苯胺從東側排放口進入水庫，從東北向西南不斷遷移，48 h擴散了13.81 km2，平均擴散速率約79.91 m2/s，超標面積為0.62 km2；48 h入口處鄰近區域苯胺濃度最大，濃度值2.82 mg/L，污染物超標28.2倍。

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

對比情景1、2、3，情景8、9、10污染物的擴散情況可知，當事件源、初始濃度、風力條件相同時，東側排放口污染物的擴散范圍最大，北部上游干流入口擴散面積大于西部澗河入口。汾河水庫東側入口的水面明顯較北部和西側澗河進水口寬廣，水體流量也大，由此可得排放入口也是影響污染物擴散的重要因素。

對比情景3和4、情景5和6污染物的擴散情況可知，若初

始濃度、排放入口及風向相同時，風速對污染物擴散規律影響較大，風速增加，污染物的擴散及超標面積隨之增加，當西北風風速由1.4 m/s增加到5.6 m/s時，苯胺擴散面積從17.36 km2變化至29.89 km2，苯胺超標面積從3.69 km2變化至7.26 km2，擴散面積增加了72%，超標面積增加了49%。

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

圖6 污染物擴散及超標情況Fig.6 The proliferation of pollutants and excessive situation

3.2.2 應急預估

汾河水庫突發污染事件時，為了能及時準確地確定污染物的擴散情況及濃度分布規律，結合汾河水庫實際地形，以DEM模型、遙感影像資料、GPS實測信息及GIS地理信息系統為基礎，模擬輸出了不同時間點汾河水庫突發污染事件時的污染物濃度分布與遷移擴散規律，模擬結果與實際相符，建立應急預估表(見表3)，可準確直觀的反映突發水污染事件的影響范圍及發展趨勢，應急預估具有一定的可靠性。

表3 汾河水庫突發污染事件時污染物擴散預估表Tab.3 The diffusion law of pollution emergencies in Fenhe reservoir

續表3 汾河水庫突發污染事件時污染物擴散預估表

注：移動源，初始濃度1 000 mg/L。

4 結 論

(1)當排放入口、事件源及初始濃度相同時，風向決定污染物的擴散路徑，風速決定污染物的擴散速率。靜風條件下污染物以泄露點為中心逐步向外擴散，有風時污染物擴散路徑隨風向改變，擴散速率增加，污染物擴散面積、超標面積與風速近似服從線性關系；風速相同時，污染物的擴散速率西北風>西南風；排放入口污染物擴散面積大小為東側排放口最大，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，西北風為5.6 m/s時，污染物擴散48 h的擴散面積和平均擴散速率最大，面積為31.74 km2，速率為183.68 m2/s；情景9即排放入口為西側澗河，靜風條件下48 h的擴散面積和平均擴散速率最小，面積為6.99 km2，速率為40.39 m2/s。

(3)以汾河水庫為研究載體，識別其移動風險源，構建水動力及物質輸移擴散耦合模型對不同情景汾河水庫突發環境事件進行模擬分析，建立水庫突發環境事件應急預估表，一旦污染事故真正發生時，可快速確定污染物的擴散路徑、擴散范圍以及濃度分布情況，為合理進行應急監測，制定應急處置方案提供數據支持，從而及時采取應急防范措施。

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