重金屬、油類、化學品等污染物遷移轉化模擬技術

季海萍，汪 濤，高程程，高麗莎

(1. 太湖流域管理局水文局<信息中心>，上海 200434；2. 上海碧波水務設計研發中心，上海 200233)

1 研究背景

長期以來，水污染問題始終是國內外城市水源地安全的重要威脅[1]。水污染既包括生產生活污(廢)水等常規污染，也包括恐怖主義、船舶化學品和石油泄漏、工業事故排放、暴雨徑流污染等突發性水污染[2]。突發水污染事件具有突發性、偶然性，易在短時間內造成附近水域水質快速惡化，影響水生態環境，成為城市供水系統安全運營的重大風險[3]。

黃浦江上游水源地金澤水庫于2016年12月底正式投入使用，供水規模為351萬m3/d，服務于上海市西南五區670萬人口。金澤水庫相對原黃浦江上游水源水質有明顯改善，但作為供水水源地仍面臨一定挑戰：其所位于的太浦河不僅為下游水源地提供原水，大水期間還是流域內重要排洪通道，也是Ⅳ級航道，是開放式、流動性的多功能水域，且由于太浦河沿線周邊區域化工、紡織、印染企業眾多，近年來太浦河干支流已有揮發性有機物污染、銻濃度異常等數起突發水污染事件發生[4]，作為金澤水庫取用水水源地，取水安全受到嚴重威脅；太浦河水質受太浦閘(泵)開閉等流域調度影響明顯。同時，金澤水庫為典型人工淺水水庫，庫區水力停留時間短(2～3 d)，依靠水庫自身調蓄能力無法明顯凈化水質，原水水質提升仍要依靠上游來水，依靠太浦閘(泵)等調度措施。

針對太浦河可能發生的突發水污染事件，本課題開展了基于重金屬、油類、化學品等污染物的遷移轉化模擬技術研究，可為太浦河金澤水源地突發水污染事故的預報預警提供技術支撐，持續保障金澤水庫水源地安全取水。

2 研究內容

重金屬、溢油、化學品泄漏等污染模擬技術在國內外已有應用，本研究主要是針對太浦河-金澤水庫-松浦大橋取水口沿線構建基于重金屬、油類、化學品等污染物的遷移轉化模擬技術，能夠在太浦河重金屬、油類、化學品類突發水污染事件發生后，第一時間開展實況水雨情條件下太浦河內污染物遷移模擬，通過調控太浦閘(泵)下泄流量，分析不同工況下污染物對金澤水源地的影響程度、影響時長等，為應對突發水污染事件提供技術支撐。

3 關鍵技術

3.1 平原河網水動力模型

基于重金屬、油類、化學品等的污染物遷移轉化模擬技術的基礎是平原河網水動力學模型[5-7]，可提供重金屬、油類和化學品類污染物遷移轉化模擬所需的流場。平原河網水動力學模型主要通過NetCDF接口與突發水污染事件調控模型耦合，實現了太浦河突發事件模擬業務化、快捷化的突破。

3.1.1 水動力模型基本方程

水動力模型基本方程采用Saint-Venant方程組，數值離散方程采用成熟的Preismann四點隱式差分格式進行離散，聯立方程求解。

一維明渠非恒定流Saint-Venant 方程組如式(1)。

(1)

其中：t——時間坐標，s；

x——空間坐標，m；

Q——流量，m3/s；

Z——水位，m；

u——斷面平均流速，m/s；

n——糙率系數；

C——謝才(Chezy)系數；

A——過流斷面積，m2；

B——主流斷面寬度，m；

R——水力半徑，m；

q——旁側入流流量，m2/s；

Bw——水面寬度(包括主流寬度B及起調蓄作用的附加水面寬度)，m。

3.1.2 模型中水利工程調度模擬

水利工程對河網水流在時間、空間上有著重要影響，其調度模擬是水動力學模型的重要組成部分。根據太浦河-黃浦江流域的河網特征，結合流域內洪水與水量調度方案、水量分配方案，以及水利工程運行管理的實踐經驗，水利工程遵循防洪期間按照防洪安全要求、保供水期間按照供水安全要求的原則進行調度，通過關聯不同時間段的河網水位實現水利工程的精細模擬[8]。

3.1.3 降雨徑流模擬

不同的下墊面條件具有不同的降雨入滲和產流規律，模型將太浦河-黃浦江區域下墊面主要分為水面(包括河道、湖泊)、水田、旱地、綠地、房屋和城鎮道路6種下墊面，依據各個類型下墊面的蒸發量、入滲系數和徑流系數，并按照水文學的原理和方法分別計算相應下墊面的產匯流[8]。

3.2 重金屬類突發水污染事件模擬

太浦河主要重金屬類污染物質為銻(Sb)，以固態金屬顆粒及離子形態分布在水體中。不同于一般的突發水污染事件，銻一直存在于太浦河中，干流主要斷面平均濃度在1.5～2.6 μg/L[《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)規定地表水水源銻濃度標準限值為5.0 μg/L]，當區域遭遇強降水造成支流污水大量匯入而太浦閘(泵)關閉無法向下游供清水時，太浦河干流銻濃度極易超標。

重金屬銻的遷移模擬技術基于平原河網水動力學模型，對河湖水體中污染物隨空間和時間遷移轉化規律進行數學描述(圖1)。模型中污染負荷模塊是模擬太浦河銻污染物的產生量、入河量、排放位置及空間分布等信息的模塊，作為銻污染模擬模型的前置項，為水質模擬提供污染負荷邊界。銻排放點源的廢污水量、污染物量及排放位置根據實際調查資料得到，以取排水形式概化入河網。通過河網水動力學模型計算河道水位、流量等水文要素，以污染負荷模塊估算的污染負荷為源項，依據質量守恒原理，采用物質輸移的對流擴散方程，模擬各時段河道內銻指標的濃度變化。

圖1 重金屬(銻)突發水污染事件模擬過程圖Fig.1 Simulation Process of Water Pollution Emergency Event for Heavy Metal (Sb)

2019年8月9—10日，受第9號臺風“利奇馬”影響，太湖流域杭嘉湖地區遭遇強降雨，太浦河周邊河網水位快速上漲，太浦閘于8月9日16時45分關閘。8月11日水質監測結果顯示，太浦河干流平望大橋、黎里東大橋斷面銻濃度異常，均達到5.2 μg/L，超出5.0 μg/L的標準限值。本次研究利用黃浦江上游地區銻的遷移模擬模型，模擬了太浦河泵站8月12日開啟1臺機組(50 m3/s)應急供水后金澤水庫斷面銻濃度變化，預測峰值約在3.9 μg/L左右，出現時間為8月12日13時左右，金澤水庫自動站監測數據顯示銻濃度峰值為4.1 μg/L，出現時間為8月12日8時左右，模擬結果與實測數據接近，由圖2可知，銻指標的濃度模擬結果與實測值均較為接近，變化趨勢一致。因此，該模型可應用于太浦河銻濃度異常事件的調度模擬，為保障供水安全提供技術支撐。

圖2 太浦河2019年8月中旬金澤水庫斷面銻濃度模擬與實測對比圖Fig.2 Comparison of Simulated and Measured Antimony Concentration in Jinze Reservoir Section of Taipu River in Middle August 2019

3.3 油類突發水污染事件模擬

基于美國ASA公司的OilMap模型[9-10]，構建了黃浦江上游金澤水源地溢油模擬模型，其核心模塊是溢油軌跡計算，在物質平衡的基礎上預測泄漏的油品在水體表面的運動軌跡。泄漏的油類污染物在模型中由一系列的溢油點代表，溢油點可模擬不同物理化學屬性的油品泄漏后在水體表面擴展，以及在岸邊線、風和水流的多重作用下拉長、分散等現象，其中包括了蒸發、擴散、進入水體、乳化以及吸附等過程。

詳實的油類污染物類型以及相應物理化學性質參數是開展模擬的必要條件，也是提高溢油模型模擬精度和效率的重要因素。本次研究針對黃浦江上游地區存儲和運輸的油品，開發建立了包含1 450余種油品以及多項理化關鍵參數的油品數據庫，包括油品名稱、密度、黏度、表面張力、最大含水率、最小油膜厚度、閃點、沸點及蒸發常數等關鍵參數；同時還兼顧了數據庫的可擴展性，可方便地新增油品類型和理化性質數據。

圖3 油類突發水污染事件模擬過程圖Fig.3 Simulation Process of Water Pollution Emergency Event for Oil

通過調整太浦閘(泵)的工況，形成太浦河不同工況下的流場數據，利用油類污染物遷移轉化模擬模型，可獲得多工況下的調度結果，同時結合實時水雨情，以最短時間內恢復金澤水庫供水為目的，形成應對油類污染物突發水污染事件的最佳調度策略。

3.4 化學品類突發水污染事件模擬

基于美國ASA公司的ChemMap模型[11]，構建了黃浦江上游金澤水源地化學品泄漏模擬模型，通過輸入相關環境數據和泄漏化學品的物理化學性質數據，考慮化學品在水體中的蒸發、溶解、吸附、沉降和降解等過程，模擬其遷移轉化過程。

化學品類污染物類型以及相應物理化學性質參數是開展模擬的必要條件，本研究針對黃浦江上游地區存儲和運輸的化學品，開發建立了包含400余種常見化學品以及多項理化關鍵參數的化學品數據庫，包括了化學文摘號、中英文化學名、辛醇-水分配系數、密度、溶解度、在水、空氣和沉積物中的降解速率、最小污染物層厚度等關鍵參數。

圖4 化學品類突發水污染事件模擬過程圖Fig.4 Simulation Process of Water Pollution Emergency Event for Chemicals

通過調整太浦閘(泵)的工況，形成太浦河不同工況下的流場數據，利用化學品污染物遷移轉化模擬模型，可獲得多工況下的調度結果，同時結合實時水雨情，以最短時間內恢復金澤水庫供水為目的，形成應對化學品污染物突發水污染事件的最佳調度策略。

4 總結與展望

本次研究首次構建了金澤水庫所在河道太浦河重金屬、油類、化學品類突發水污染事件模擬模型，并與太浦河河網水動力學模型實現了無縫耦合，創新性地研究提出了平原河網污染事件突發、發生地點隨機等特點的聯合調控技術，實現了太浦河突發事件模擬業務化、快捷化的突破。該項關鍵技術已應用于金澤水源水質水量監測與預警業務化示范平臺，能有效將模型預報作業時間由6～8 h縮短至3 h。

相較于其他成熟的商用軟件，本次構建的黃浦江上游地區突發水污染事件調控模型操作流程較為復雜，后期在提高模擬精度基礎上將進一步優化人機互動界面，實現程序自動化功能。