河流突發(fā)水污染事件峰值模擬及預(yù)警研究

李艷 秦澤 楊光 劉彩影

（沈陽(yáng)理工大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110159）

1 引言

近年來(lái)，各種突發(fā)的水環(huán)境事件，對(duì)人民生活和生態(tài)環(huán)境造成了極大的影響［1-3］。突發(fā)水污染事件具有形式多樣性、突發(fā)性、危害嚴(yán)重性和處置艱難性等特點(diǎn)［4］。為了最大程度地降低突發(fā)水污染事件的損失，采取數(shù)值模擬的方法獲得突發(fā)水污染事件后污染物的時(shí)空變化規(guī)律，可為突發(fā)事件的應(yīng)急處置提供指導(dǎo)。

2 研究區(qū)概況

太子河流域位于遼寧省東部，是大遼河的主要支流。太子河流域源于兩條支流，分別為南太子河和北太子河，兩支流匯于北甸［5］。太子河主要流經(jīng)鞍山市、遼陽(yáng)市、本溪市后至海城市三岔河注入大遼河，最后流入渤海［6］。

太子河流域是遼寧省的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地［7］。近年來(lái)，太子河流域水質(zhì)污染問(wèn)題日趨突出［8］。太子河流經(jīng)重工業(yè)城市本溪市［9］，太子河本溪段沿岸分布著許多金屬礦采選廠、化工廠等重污染企業(yè)，大量的無(wú)機(jī)鹽、有機(jī)物、重金屬等污染物若未經(jīng)處理排入水中，會(huì)造成水體污染［10］。

本文研究太子河本溪干流段，以觀音閣水庫(kù)壩下為起點(diǎn)，流經(jīng)老官砬子斷面、興安斷面，至葠窩水庫(kù)入口處，全長(zhǎng)89.6 km，主要支流有小湯河、五道河、小夾河、臥龍河、南沙河、火連寨河等，本研究中將這些支流全部概化成點(diǎn)源匯入河道中。

3 研究方法

3.1 一維水動(dòng)力模型

本文選取MIKE11 水動(dòng)力模型模擬研究區(qū)的水動(dòng)力情況。模型通過(guò)六點(diǎn)有限差分法求解圣維南方程組來(lái)模擬河流或河口的水流狀態(tài)，六點(diǎn)分別為：河道上下游位置處、支流匯入處、斷面插入位置、人為設(shè)定的最大空間步長(zhǎng)來(lái)自動(dòng)插入的計(jì)算水位點(diǎn)、水工建筑物處和每?jī)蓚€(gè)水位點(diǎn)之間。圣維南方程組為：

式中，A 為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e；Q 為流量；x 為距離坐標(biāo)；t為時(shí)間坐標(biāo)；q 為旁側(cè)入流量；g 為重力加速度；h 為水位；R 為水力半徑；C 為謝才系數(shù)。

3.2 一維水質(zhì)模型

MIKE11 AD 模型的基礎(chǔ)是MIKE11 HD 模型，MIKE11 對(duì)流擴(kuò)散模型主要用于模擬物質(zhì)在水體中的傳輸擴(kuò)散過(guò)程。

計(jì)算一維河流水質(zhì)模型的基本方程為：

式中，C 為模擬物質(zhì)的濃度；u 為河流平均流速；Ex為對(duì)流擴(kuò)散系數(shù)；K 為模擬物質(zhì)的一級(jí)衰減系數(shù)。

3.3 模型誤差驗(yàn)證方法

本研究水動(dòng)力模型的誤差驗(yàn)證指標(biāo)選擇納什效率系數(shù)（NSE）、可決系數(shù)（R2）進(jìn)行驗(yàn)證。NSE 一般用來(lái)驗(yàn)證水文模型模擬結(jié)果質(zhì)量，NSE 值越接近1，表示模型質(zhì)量越好，可信度越高。R2表現(xiàn)模型的模擬值和實(shí)測(cè)值之間線性回歸關(guān)系，其值越接近1，說(shuō)明模型擬合度越好。

本研究水質(zhì)模型誤差驗(yàn)證指標(biāo)除了上述兩種驗(yàn)證方法外，還可以利用均值絕對(duì)誤差（MAE）、均方根誤差（RMSE）來(lái)驗(yàn)證水質(zhì)模擬的準(zhǔn)確性。MAE 用來(lái)描述模型的平均預(yù)測(cè)誤差大小，MAE 值越接近0，表示模型的預(yù)測(cè)精度越高。RMSE 的取值范圍從0 到正無(wú)窮，RMSE 值越小，表示模型的預(yù)測(cè)精度越高。

4 模型構(gòu)建及參數(shù)率定

4.1 水動(dòng)力模型構(gòu)建

利用ArcMap 制作太子河流域本溪干流段的矢量地圖文件，通過(guò)河網(wǎng)文件生成太子河本溪干流段的河網(wǎng)概化圖。本溪（五）站同時(shí)是水文站，存在實(shí)測(cè)大斷面數(shù)據(jù)，相應(yīng)地輸入本溪（五）站的斷面信息。并根據(jù)地圖高程和河流坡降插入斷面，在河流彎曲處額外插入了多個(gè)斷面，以保證模型的穩(wěn)定性。

邊界條件的設(shè)置是以觀音閣水庫(kù)壩下站作為模型的上邊界，邊界類型為開(kāi)邊界，輸入觀音閣水庫(kù)壩下站實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)時(shí)間序列文件；以葠窩水庫(kù)入口處作為下邊界，邊界類型為開(kāi)邊界，輸入實(shí)測(cè)水位時(shí)間序列文件。將支流作為模型的點(diǎn)源邊界，輸入各支流的實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)時(shí)間序列文件。

另外，將污染物濃度時(shí)間序列文件按照上述水動(dòng)力邊界條件輸入邊界文件中。

4.2 對(duì)流擴(kuò)散模型構(gòu)建

對(duì)流擴(kuò)散模型是建立在水動(dòng)力模型的基礎(chǔ)上，對(duì)對(duì)流擴(kuò)散模型的參數(shù)文件進(jìn)行設(shè)定。主要設(shè)定的參數(shù)有模擬水質(zhì)的組分、污染物擴(kuò)散系數(shù)、初始條件、衰減系數(shù)等，可以在初始狀態(tài)頁(yè)中輸入河流各組分的背景濃度并選擇全局值或局域值，使模型剛開(kāi)始計(jì)算時(shí)更加穩(wěn)定。

4.3 參數(shù)率定

4.3.1 水動(dòng)力參數(shù)率定

以2019 年本溪（五）站的流量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行率定。通過(guò)2019 年本溪（五）站模擬流量與實(shí)測(cè)流量的對(duì)比，率定得到水動(dòng)力參數(shù)曼寧系數(shù)（n）為0.09。

2019 年本溪（五）站模擬流量與實(shí)測(cè)流量對(duì)比見(jiàn)圖1。

圖1 2019 年本溪（五）站模擬流量與實(shí)測(cè)流量對(duì)比

4.3.2 對(duì)流擴(kuò)散參數(shù)率定

選擇2019 年國(guó)控?cái)嗝嬷械呐d安斷面作為率定斷面，對(duì)比氨氮、揮發(fā)酚模擬濃度與實(shí)測(cè)濃度，率定出對(duì)流擴(kuò)散模型的擴(kuò)散系數(shù)與衰減系數(shù)。2019 年興安斷面氨氮及揮發(fā)酚模擬與實(shí)測(cè)對(duì)比見(jiàn)圖2。

圖2 2019 年興安斷面氨氮及揮發(fā)酚模擬與實(shí)測(cè)對(duì)比

根據(jù)率定結(jié)果，擴(kuò)散系數(shù)取值為10 m2/s。衰減系數(shù)的率定結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 衰減系數(shù)

4.4 模型驗(yàn)證

4.4.1 水動(dòng)力模型驗(yàn)證

以2020 年的本溪（五）站實(shí)測(cè)流量來(lái)進(jìn)行模型驗(yàn)證，見(jiàn)圖3。

圖3 2020 年本溪（五）站模擬流量與實(shí)測(cè)流量對(duì)比

通過(guò)對(duì)圖3 進(jìn)行分析，得到NSE 為0.944 9，R2為0.916 9，精確度比較準(zhǔn)確，說(shuō)明水動(dòng)力模型可用。

4.4.2 對(duì)流擴(kuò)散模型驗(yàn)證

選擇2020 年國(guó)控?cái)嗝嬷械呐d安斷面作為驗(yàn)證斷面，對(duì)比氨氮模擬濃度與氨氮實(shí)測(cè)濃度，進(jìn)行對(duì)流擴(kuò)散模型驗(yàn)證，見(jiàn)圖4。

圖4 2020 年興安斷面氨氮濃度模擬與實(shí)測(cè)對(duì)比

通過(guò)對(duì)圖4 進(jìn)行分析，得到R2為0.958 3，NSE為0.956 8，MAE 為0.030 9，RMSE 為0.119 7，說(shuō)明對(duì)流擴(kuò)散模型擬合較好，具有可行性。

5 突發(fā)水污染事件模擬分析

5.1 情景模擬

本研究以揮發(fā)酚為例，研究沿岸工廠超標(biāo)直排含揮發(fā)酚廢水到河道中。設(shè)置4 種排放情景。

情景一：排放地點(diǎn)在老官砬子斷面上游20 km處，排放時(shí)間在2020 年3 月4 日10：00 到14：00，持續(xù)時(shí)間為5 h，揮發(fā)酚排放強(qiáng)度為500 kg。

情景二：排放地點(diǎn)在老官砬子斷面上游20 km處，排放時(shí)間在2020 年3 月4 日10：00 到14：00，持續(xù)時(shí)間為5 h，揮發(fā)酚排放強(qiáng)度為1 000 kg。

情景三：排放地點(diǎn)在老官砬子斷面上游15 km處，排放時(shí)間在2020 年3 月4 日10：00 到14：00，持續(xù)時(shí)間為5 h，揮發(fā)酚排放強(qiáng)度為1 000 kg。

情景四：排放地點(diǎn)在老官砬子斷面上游15 km處，排放時(shí)間在2020 年3 月4 日10：00 到13：00，持續(xù)時(shí)間為4 h，揮發(fā)酚排放強(qiáng)度為1 000 kg。

5.2 模擬結(jié)果與分析

4 種不同含揮發(fā)酚廢水超標(biāo)排放情景的模擬結(jié)果如圖5 所示。

圖5 情景模擬結(jié)果

情景一結(jié)果顯示：污染物到達(dá)老官砬子斷面時(shí)間為2020 年3 月4 日22：00，污染物濃度達(dá)到峰值時(shí)間為2020 年3 月5 日09：00，從開(kāi)始超標(biāo)排放到斷面監(jiān)測(cè)到污染物經(jīng)歷時(shí)間為12 h，污染物達(dá)到峰值經(jīng)歷時(shí)間為23 h，揮發(fā)酚峰值濃度為0.419 mg/L，超出國(guó)家地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的84 倍。

情景二結(jié)果顯示：污染物到達(dá)老官砬子斷面時(shí)間為2020 年3 月4 日22：00，污染物濃度達(dá)到峰值時(shí)間為2020 年3 月5 日09：00，從開(kāi)始超標(biāo)排放到斷面監(jiān)測(cè)到污染物經(jīng)歷時(shí)間為12 h，污染物達(dá)到峰值經(jīng)歷時(shí)間為23 h，揮發(fā)酚峰值濃度為0.838 mg/L，超出國(guó)家地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的168 倍。

情景三結(jié)果顯示：污染物到達(dá)老官砬子斷面時(shí)間為2020 年3 月4 日19：00，污染物濃度達(dá)到峰值時(shí)間為2020 年3 月5 日07：00，從開(kāi)始超標(biāo)排放到斷面監(jiān)測(cè)到污染物經(jīng)歷時(shí)間為9 h，污染物達(dá)到峰值經(jīng)歷時(shí)間為21 h，揮發(fā)酚峰值濃度為0.846 mg/L，超出國(guó)家地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的170 倍。

情景四結(jié)果顯示：污染物到達(dá)老官砬子斷面時(shí)間為2020 年3 月4 日19：00，污染物濃度達(dá)到峰值時(shí)間為2020 年3 月5 日07：00，從開(kāi)始超標(biāo)排放到斷面監(jiān)測(cè)到污染物經(jīng)歷時(shí)間為9 h，污染物達(dá)到峰值經(jīng)歷時(shí)間為21 h，揮發(fā)酚峰值濃度為1.056 mg/L，超出國(guó)家地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的211 倍。

對(duì)比情景一、二模擬結(jié)果可知，在模擬排放時(shí)間、排放地點(diǎn)相同的情況下，污染物峰值濃度與排放強(qiáng)度有關(guān)，排放強(qiáng)度越大，污染物峰值濃度越大。

對(duì)比情景二、三模擬結(jié)果可知，在模擬時(shí)間、模擬強(qiáng)度相同的情況下，污染物峰值濃度與排放地點(diǎn)有關(guān)，排放地點(diǎn)距離監(jiān)測(cè)斷面越近，污染物峰值濃度越高。

對(duì)比情景三、四模擬結(jié)果可知，在排放時(shí)間、排放地點(diǎn)、排放強(qiáng)度相同的情況下，在只有持續(xù)排放時(shí)間不同時(shí)，污染物的峰值濃度仍會(huì)出現(xiàn)差異；而在相同的排放強(qiáng)度條件下，持續(xù)排放時(shí)間不同，會(huì)導(dǎo)致瞬時(shí)排放量不同，且持續(xù)排放時(shí)間與瞬時(shí)排放量呈反比。根據(jù)情景三、四的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在持續(xù)時(shí)間較小、瞬時(shí)排放量較大時(shí)，污染物峰值濃度也會(huì)較大。說(shuō)明污染物峰值濃度與瞬時(shí)排放量有關(guān)，瞬時(shí)排放量越大，污染物峰值濃度越大。

對(duì)比4 種模擬結(jié)果可知，污染物在排放地點(diǎn)相同、排放量不同的情況下，到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面的時(shí)間及達(dá)到峰值濃度的時(shí)間是一致的，說(shuō)明其與污染物排放量無(wú)關(guān)，即污染物的遷移擴(kuò)散所需時(shí)間與污染物排放量無(wú)關(guān)。

6 結(jié)論

（1）利用MIKE11 水動(dòng)力—水質(zhì)耦合模型，對(duì)太子河流域本溪段進(jìn)行突發(fā)水污染事件模擬，所構(gòu)建的水動(dòng)力—水質(zhì)耦合模型經(jīng)過(guò)參數(shù)率定與模型驗(yàn)證，實(shí)測(cè)值與模擬值擬合較好，模型滿足精度要求，可以用來(lái)進(jìn)行相關(guān)模擬研究。

（2）設(shè)置4 種模擬情景進(jìn)行研究，結(jié)果顯示，污染物的峰值濃度與污染物的排放強(qiáng)度、瞬時(shí)排放量呈正相關(guān)；污染物的峰值濃度還與排放地點(diǎn)有關(guān)，排放地點(diǎn)距離監(jiān)測(cè)斷面越近，污染物的峰值濃度越大，并且排放量不會(huì)影響污染物的遷移擴(kuò)散所需時(shí)間。

（3）本文通過(guò)MIKE11 構(gòu)建太子河流域水動(dòng)力—水質(zhì)耦合模型，通過(guò)對(duì)不同情景下工廠超標(biāo)排放的模擬，可建立相關(guān)河流污染的模擬預(yù)警資料庫(kù)，為突發(fā)水污染事件的預(yù)測(cè)預(yù)警與應(yīng)急處置提供參考，以降低污染帶來(lái)的損失。