黃龍灘水庫飲用水源流動源污染風險分析

熊燕娜　付　青　王山軍

(1.中國環境科學研究院國家環境保護飲用水水源地保護重點實驗室，北京　100012；2.環境保護部固體廢物與化學品管理技術中心，北京　100029)

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黃龍灘水庫飲用水源流動源污染風險分析

熊燕娜1，2付青1王山軍1

(1.中國環境科學研究院國家環境保護飲用水水源地保護重點實驗室，北京100012；2.環境保護部固體廢物與化學品管理技術中心，北京100029)

科學評價飲用水水源地船舶運輸可能造成的流動源污染風險，可為船舶運輸管理、降低污染風險、確保水質安全提供依據。本文運用EFDC水質耦合模型，以湖北省黃龍灘水庫為研究區，研究不同水文條件下、船舶行駛至不同位置發生突發性泄露時，污染物到達取水口時間、濃度及持續污染時間，分析取水口可能遭受的污染水平。結果表明，取水口的污染水平與水文條件和污染物的泄露位置有關，在河道中間發生突發性泄露事故時對取水口的污染水平最高。并據此提出了黃龍灘水庫水源日常管理對策和風險防控措施，為飲用水源地流動源污染風險管理提供參考和借鑒。

飲用水源地；流動源；EFDC模型；風險分析

1　引　言

隨著經濟社會的不斷發展，飲用水源地遭受污染的風險也隨之升高[1]。部分山區由于受水源地所處的地理位置、地形條件等多方面因素的限制，水上運輸仍然是庫區居民出行和日常生產生活物資運輸的主要方式，由此帶來的流動風險源污染，如船舶溢油泄漏、貨物傾翻等成為威脅地表水水源地水質安全的主要風險事件。因此，在識別風險的基礎上，提出針對性地流動源風險控制和管理方案，是解決該問題的有效途徑。

水質污染風險包括突發性水質風險和非突發性水質風險，突發性和污染源在達標排放的非突發情況下均有可能導致水質超標[2]。流動源污染風險是突發性水質污染事故風險中的一種，是相對于固定源污染事故而言的，具有事故發生的時間、位置隨機，危害廣泛，應急滯后，控制難度大等特點[3]。隨水質污染的日趨嚴重，水污染風險問題也引起國內外學者的重視，研究范圍包括河流、湖庫等地表水體及地下水。目前評價方法主要有跌置指數法、統計方法、過程模擬法。跌置指數法評價水源地污染風險，方法簡單，操作方便，但是指標選取和權重確定受人為影響較大[4，5]；統計方法多數是基于隨機理論、或隨機理論與其他不確定性理論相結合、灰色系統理論和模糊理論等統計理論基礎上，評估風險發生的可能性，評價結果精度較高，但所需數據量較大[6-8]。有學者通過實際調查統計，在確定流動源屬性、數量，污染類型、污染負荷量等數據基礎上，采用概率統計法計算事故發生概率大小[9]，結果未能體現污染物遷移擴散范圍及水質可能被污染的程度；模擬法主要是在識別出主要風險源基礎上，采用水力-水質模型，根據水源地水文條件，污染物排放特征，對地表水體中污染物遷移模擬過程進行模擬，得出污染物到達取水口的濃度、時間和持續污染時間等，可以為環境管理及水源地保護區的劃分提供技術支持[10，11]，不足之處在于所需大量的數據，適用小較范圍，但相比于跌置指數法和數理統計法，模型模擬的結果更能直觀反映水源地風險的大小，克服了風險相對論的弊端，模擬結果具有實際意義，對管理部門的指導意義更大。以往研究表明，突發性污染事故對水源地取水口等敏感目標的影響及風險分析多用模擬法[12，13]。

本文以黃龍灘水庫飲用水源為例，在調查保護區流動源現狀、主要污染源類型及負荷量的基礎上，選取模擬法對黃龍灘水庫飲用水源保護區流動源污染風險進行定量分析。具體采用EFDC模型，選擇氨氮作為事故可能泄漏的主要污染物，設計了船舶在不同位置發生事故的多種情景，對不同水文條件下污染物到達取水口的時間及濃度進行模擬，并討論了事故對取水口的影響水平，可為加強水源地流動源管理確保水質安全提供技術依據。

2　研究區概況

黃龍灘水庫位于湖北省十堰市張灣區黃龍鎮漢江支流堵河下游，距十堰市區約20km，是十堰市最大的飲用水源地。主要入庫河流為堵河，年平均入黃龍灘水庫水量56.4億m3。水庫兼有水利發電、城市供水、工業供水、農業灌溉、改善航運、漁業養殖等功能。十堰市城區約55%左右的生產生活用水來自黃龍灘水庫，水庫的年供水量占全市供水總量的70%以上，服務時間33年。庫區范圍為堵河竹山至黃龍灘水庫大壩段，全長約90km，沿線主要涉7個鄉鎮、73個村，2萬余人(圖1)。庫區位于大山深處、陸路交通不便，水路是鄉鎮居民的主要出行方式。

2.1庫區水質現狀

根據近10年水質數據，黃龍灘水庫除總氮外，其余指標均無超標現象，重金屬、有毒有害物質均未檢出，但個別指標在2007年后有逐年增長的趨勢，其中包括高錳酸鹽指數、五日生化需氧量、氨氮、石油類和糞大腸桿菌群。總體上黃龍灘水庫水質檢測指標中總氮超標趨勢最明顯，最高達2.16倍，富營養化水平升高趨勢明顯。

2.2污染源分析

經調查黃龍灘水庫保護區內及上游主要污染源類型為點源、面源、流動源三大類。庫區主要點源為一級保護區內的港口綜合樓、裝卸運輸公司搬運站，準保護區的4個農家樂以及上游竹山縣天新醫藥化工有限責任公司；面源主要為庫區農業種植、畜禽養殖及農家樂及庫區居民生活產生的污水和垃圾；流動源為庫區內的客運、貨運和旅游船只，這些船只均停靠位于黃龍灘大壩上游左岸約450米處的黃龍碼頭。經調查分析，庫區最大的污染源隱患是碼頭帶來的流動源污染，如客運、貨運及旅游船只的突發性漏油、壓艙水、清洗廢水排放等，較為嚴重的污染事故為裝載化肥等農用物資的船只突發翻船，化肥等農用物資瞬時以點源方式排入水體。

3　 模型選取與模擬計算

3.1模型選取與邊界條件設置

選取EFDC模型二維水動力模型，確定模擬范圍為二級保護區邊界到大壩的所有水域，網格化處理后得到789個網格。對已有的高程橫斷面進行差值，得出斷面數據，導入EFDC Explorer，進行插值，得出高程文件，地形處理文件見圖2。據調查，庫區現狀貨運船只最大載貨量為10噸。故模型中假設一艘運載10噸尿素的貨船分別于碼頭、河道中間、二級保護區邊界位置發生突發性翻船事故，全部尿素以點源方式瞬時排入庫區，以氨氮為特征污染物，換算出25℃條件下，10噸尿素瞬時傾倒入庫區，瞬時溶解后氨氮的濃度為545.067g/L。在此基礎上開展多情景水質模擬，采用dye模塊模擬情景中污染物的遷移過程，分析討論污染物對取水口的影響程度。

圖1　研究區范圍示意圖

圖2　地形網格剖分及地形處理示意圖

3.2多情景設置與模擬

庫區客運物資以化肥為主，因此，選取氨氮作為典型污染物，設計不同水文條件、不同污染物泄漏地點進行情景模擬，模擬過程中均不考慮風場、降雨蒸發等對流場和污染物遷移的影響，若氨氮到達取水口時間超過1天時，設計不同降解系數條件(K=0.01d-1、K=0.2d-1)[21-23]，補充污染物的遷移模擬。具體情景假設及模型設置見表1。由于各情景下污染物的遷移過程類似，故以最常見水文條件(即最常見流量)為例，輸出污染物遷移過程，見圖3～圖5。

3.3結果分析

不同水文條件下，不同泄露位置進行模擬的結果表明，不同水文條件和不同污染物泄漏位置，對取水口水質安全影響不同；隨徑流量的增大，污染物運移速度明顯加快，超標總歷時明顯縮短，最大濃度也有所降低。

最大流量條件下，三種情景下污染物(氨氮)到達取水口時間較短(均不足1天)，到達取水口的污染物濃度均未超過《地表水環境質量標準》II類水質標準0.5mg/L，此時取水口受到污染影響相對較小。最小流量和最常見流量條件下，庫區不同位置發生突發性翻船事故，對取水口構成污染影響的情景包括：(1)最小流量條件下，事故發生位置在碼頭附近時，污染物在3.1天后到達取水口，第11.6天時污染物濃度超過II類水質標準0.5mg/L，第13.3天時，濃度達到最大值(0.644mg/L)，超標時間共持續3天；事故發生位置在河道中間時，污染物在1.2天后到達取水口，第6.2天時濃度超過II類水質標準，第9.9天時污染物濃度達到最大值(2.50mg/L)，超標時間共持續8.1天；事故發生位置在在二級保護區邊界時，污染物在37.6 天后到達取水口，第62.7天時取水口污染物濃度超過II類水質標準0.5mg/L，第69.2天時取水口污染物濃度達到最大值(0.943mg/L)，超標時間共持續11.5天；(2)最常見流量條件下，事故發生位置在碼頭附近時，污染物在0.82天后到達取水口，第1.49天時污染物濃度達到最大值(0.000089mg/L))，該值遠低于II類水質標準；事故發生位置為河道中間時，污染物第0.36天后到達取水口，第0.71天時濃度超過II類水質標準，第0.86天時取水口污染物濃度達到最大值(0.649mg/L)，超標時間共持續0.31天；事故發生位置在二級保護區邊界時，污染物在第4.76天到達取水口，第11.1天時取水口污染物濃度超過II類水質標準，第12.2天時取水口污染物濃度達到最大值(0.551mg/L)，超標時間共持續2.32天。綜上，對取水口水質安全影響最大的情景為：在最小流量下，事故發生位置為河道中間時，對取水口造成超標最大濃度為2.50 mg/l，超過《地表水環境質量標準》III類水質標準1 mg/L，超標時間長達8.1天。各情景模擬結果見表2、表3。

表1　情景設計及模型設置

圖3　情景1—氨氮遷移過程示意圖(最常見流量)

圖4　情景2—氨氮遷移過程示意圖(最常見流量)

圖5　情景3—氨氮遷移過程示意圖(最常見流量)

情景最大流量(k=0d-1)tstmaxcmmax最小流量k=0d-1k=0.01d-1k=0.2d-1tstmaxcmaxtstmaxcmaxtstmaxcmax情景127.36m41.76m1.63×10-53.05d13.28d0.6443.06d13.18d0.5666.22d12.14d0.0481情景212.96m43.20m0.0171.22d9.85d2.4961.22d9.82d2.2681.25d9.07d0.355情景32.40h3.70h0.048737.59d69.20d0.94337.99d68.76d0.48155.5260.39d1.47×10-6

表3　最常見水文條件下多情景模擬結果對比

注：k代表降解系數、ts代表污染物(氨氮)到達取水口的時間，其中d為天，h為小時，m為分鐘。本報告中將濃度為10-6mg/L時認為污染物到達取水口；tmax代表污染物(氨氮)在取水口達到最大濃度時所需的時間，其中d為天，h為小時，m為分鐘，cmax代表污染物(氨氮)在取水口達到的最大濃度，單位mg/L。

4　對策建議

研究表明，庫區船只一旦發生翻船事故，將對取水口水質安全產生威脅。因此，黃龍灘水庫應加強水上運輸管理，確保流動源風險降至最低。日常管理措施有：規范通航船只運營和安全管理；嚴格控制化肥、農藥等貨物的運輸量；風險管控措施有：配備油污處置設施、建立船舶維護制度、制定流動源責任制、加強現場監督執法、劃分運輸風險級別等。同時，針對不同預警條件制定完善預警和控制方案，通過污染物遷移過程的可視化平臺建設、為流域內流動風險源防范與應急能力提供技術支持，最大程度降低水上運輸的污染風險隱患。此外，本著“從根本上杜絕水源污染隱患”的原則，應盡快選擇新的路上交通路線，解決居民出行問題。

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Analysis of Mobile Sources Pollution Risk in Huanglongtan Reservoir Drinking Water Sources

XIONG Yanna1，2FU Qing1WANG Shanjun1

(1.State Environmental Protection Key Laboratory of Source Water Protection of Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China；2.Solid Waste and Chemicals Management Center of Ministry of Environmental Protection，Beijing 100029，China)

Scientific evaluation of mobile sources pollution risk caused by drinking water sources shipping would provide basis for shipping management，reducing pollution risk and ensuring water quality safety. This paper takes Huanglongtan reservoir drinking water source located in Hunan province as the study area. It adopts EFDC water quality coupling model to simulate and calculate the concentrate and the time when the flow source leakages suddenly，the pollutions arrive at the water intake and the time of persistent pollutions under different hydrogeological conditions. Based on the results，the possible pollution level of water intake will be analyzed. Results show that pollution level of water intake is related to the hydrological conditions and pollutant leaking positions. It is in the middle of the river where sudden leakage accident occurs，the pollution level to water intake is the highest. The research also puts forward the ordinary management and risk prevention and control strategies of Huanglongtan reservoir water source，providing a reference for the management of drinking water sources mobile sources pollution risk.

drinking water sources；mobile sources；EFDC water quality coupling model；risk analysis

熊燕娜，博士生，工程師，主要從事飲用水水源地環境保護理論與技術研究

付青，研究員，主要從事飲用水水源地環境保護理論與技術研究

X21

A

1673-288X(2016)05-0146-04

項目資助：環境保護部2013年水污染防治專項飲用水水源環境監管項目

引用文獻格式：熊燕娜等.黃龍灘水庫飲用水源流動源污染風險分析[J].環境與可持續發展，2016，41(5)：146-149.