城市供水河道抵御突發性水污染事故水利調控措施

任朋　武永新　蔣書偉

摘要：城市建設的過程中，要加強供水河道抵御突發性污染事故的能力。以南渡江下游的?？谑泄┧拥罏槔⑼话l性水污染事故的水動力水質模型，分析污染物到達龍塘取水口的時間及影響歷時。提出在龍塘取水口上游建立節制閘和應急渠道，將上游突發水污染事故產生的污染物云團引排到應急渠道中的措施。水動力水質模擬結果表明，該措施可以有效減少南渡江河流中的污染物總量，使突發性水污染事故不會對供水河道的供水產生影響。

關鍵詞：城市供水河道；突發性污染事故；水動力模型；水質模型；水利調控措施

中圖分類號：X522 文獻標識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）02-0122-05

近年來，我國城市供水河道水源地突發性水污染事件日益增加，嚴重威脅到城市供水系統的安全。河道突發性水污染事故作為破壞河道生態的一種潛在威脅，其具有不確定性，高頻性以及極強的破壞性。故在城市建設過程中，需要對城市供水河道突發性水污染事故進行研究。對此，許多學者針對水污染事故發生狀況進行大量的模擬研究，于磊等利用M IKE21FM模型，對位于交通節點附近的大寧水庫庫尾進行突發性水污染事故模擬，并研究了在不同情境下污染物的擴散規律；張波等以2006年松花江發生的水事故為例，運用一維河流水質系統動力學模型對特征污染物硝基苯濃度的時空變化進行了動態仿真模擬；王浩等為加強南水北調中線工程突發性水污染事故的應急防治與管理，建立“數值模擬-評價診斷-溯源預測-應急調控-污染處理五大環節于一體的突發水污染應急調控與處理技術。在應對水污染突發事故的措施研究中，陶亞等通過對設定的一起模擬事故采取不同應急措施進行定量模擬與討論，得出各種措施的影響效果：活性炭吸附>聚合氯化鋁絮凝沉淀>引水沖污；吳輝明等針對淮河干流段突發水污染事故應急措施進行模擬分析，認為利用引水對污染物進行稀釋的方法加快了污染云團向下游移動的速度，在初始時刻也加大污染物縱向離散長度，留給下游敏感區域的應急時間將減少；同樣，馬小雪等模擬了鹽城蟒蛇河突發性水污染事故中不同調水方案下的污染物運移過程，定量模擬了突發性水污染事故發生后，不同引排水流量對污染物下移的影響。

通過對以往的研究總結可知：引水沖污措施只是加快污染物云團向下游的移動，縮短了對下游取水口的影響歷時，也稀釋了污染物，當下游存在水利樞紐時，需進行排水換水，造成大量水體流失；對于一些物理化學措施，往往會對水體產生二次污染。為實現城市供水河道在發生突發性污染事故時其供水不受影響，本文根據南渡江下游河道基礎資料，建立水動力水質模型，預測污染物云團在南渡江河道的傳輸規律以及到達龍塘取水口的時間，并根據水動力水質模型預測的污染物云團的傳輸規律確定合理的閘門啟閉時間。

1研究地域概況

南渡江主干流長334 km，是海南島第一大河流，其中在?？谑芯硟乳L約75 km。河道平均坡降0.72‰，總落差703 m，流域形態呈狹長形，平均寬度21 km。龍塘水利樞紐位于南渡江下游段，距離入?？?6 km，是?？谑兄匾墓┧畼屑~，每日的供水量為4 7×10⁵t。近年來，隨著城市的發展，從永發鎮公路橋到龍塘水利樞紐之間，南渡江兩岸建立起許多工廠，且兩岸存在永發鎮鎮政府排污口和安定縣污水處理廠排污口兩大排污口（見圖1），存在發生突發性水污染事故的潛在隱患。

2模型原理

2.1水動力方程

河道非恒定流的基本控制方程采用圣·維南（Saint-Venant）方程組，描述如下：

（1）

（2）式中：A為過水斷面面積（m²）；Q為流量（m³/s）；x為距離坐標（m）；t為時間坐標（s）；z為水位（m）；g為旁側入流流量（m²/s）；C為謝才系數；n為河床糙率系數：R為水力半徑（m）；g為重力加速度（m/s²）。

2.2水質方程

水質方程采用對流擴散方程，其基本方程為：

（3）式中：x為空間坐標（m）；t為時間坐標（s）；C為物質濃度（mg/L）；D為縱向擴散系數（m²/s）；A為橫斷面面積（m²）；K為線性衰減系數（d^-1）；C₂為源/匯濃度（mg/L）；g為河道單位長度上的源或匯流量（m²/s）。

3模型運用

3.1模型率定與驗證

本次的模型計算運用MIKE11軟件的HD模塊和AD模塊進行耦合求解。水動力方程采用了六點隱式差分格式求解，數值計算采用傳統的追趕法，即雙掃算法。同樣水質模型方程也采用隱式差分法進行離散求解。

本次模型概化以南渡江干流來水為主，區間的最大支流龍洲河，概化為點源匯流處理。本模型上游為永發鎮公路橋，?？谑兴畡站衷y計了2008年、2010年某次洪水實測洪峰流量，分別為4 800m³/s、6 190 m³/s，龍洲河對應的匯流流量為900m³/s、1 150 m³/s，并在永發鎮公路橋到龍塘水利樞紐這區間內，對洪峰流量所對應的水位進行多斷面測量。下游邊界為龍塘水利紐，該處有龍塘水文站，模型采用由其實測的水位作為下邊界條件。

水動力模型計算中，本文依據南渡江2008年實測洪峰流量水面線，采用試錯法率定河槽和岸灘糙率。率定結果為：人工護砌段河道主槽糙率為0.015～0.025，天然河道主槽糙率為0.025～0.045；人工護砌段河道灘地糙率為0.01 5～0.040，天然灘地糙率為0.040-0.065。采用2010年實測洪峰流量水面線進行驗證，模擬水位與實測值吻合較好，能很好地反映研究水域的流場特征，可為水質計算提供流場條件。率定水面線和實測水面線對比見圖2。

水質模型計算中根據《海南省水資源保護規劃》，NH₃-N的衰減系數取為0.15d^-1。對于河道縱向離散系數，采用經驗公式進行估算：

上游采用定安水文站對水質的監測值作為上游的水質邊界條件，將沿岸的排污口作為點源處理，污水排放量根據污水處理廠2013年的具體統計量進行確定。利用龍塘站2013年2月份實測NH₃-N數值資料，在相應的水動力邊界條件下，進行驗證所取的衰減系數與河道縱向擴散系數的合理性。水中NH₃-N濃度的模擬值與實測值對比圖（見圖3）。據圖3可知，模擬值的最大誤差為11%，整體效果較好。

3.2突發性水污染事故設定及應急措施模擬

假設在枯水期來流流量狀態下，南渡江上永發鎮公路橋斷面附近發生一起嚴重的污染物泄漏事故，持續泄漏某類濃度為500 mg/L的不可降解污染物（NOX）6 h。上文所建立的水動力水質模型對于不可降解污染物（NOX）同樣適用，只是衰減系數取為0即可。

本文采用如下方法模擬南渡江龍塘水利樞紐上游段突發水污染事故后污染物遷移過程。

（1）啟動上文所建立的枯水期水動力水質模擬系統，模擬永發鎮公路橋斷面一定規模污染物NOX泄漏事故，按照設定的上、下游邊界條件，計算出河段內污染物NOX濃度沿里程的變化情況。

（2）根據計算結果，分析污染物到達距離龍塘取水口上游5 km斷面處及龍塘取水口處的時刻，并確定污染云團對龍塘取水口的影響歷時和距離取水口上游5 km斷面的影響歷時。

（3）假設在距離龍塘取水口上游5 km斷面處存在節制閘和應急渠道，根據污染物到達距離龍塘取水口上游5 km斷面處的時刻及對其影響歷時，采取關閉節制閘門，開啟應急渠道閘門，將攜帶污染物云團的水引排到應急渠道中，水閘的運行調控歷時為污染物云團對此斷面的影響歷時，然后再恢復到原狀態的措施進行模擬。分析在此措施下，龍塘取水口處污染物NOX濃度變化值。以事故發生時刻為起始時間0點。

3.3結果分析

當上游發生污染事故之后，根據已有的水動力水質模型進行定量模擬，通過分析具體結果可得f具體結果見圖4-圖6）：

（1）在枯水期時，當永發鎮公路橋發生水污染事故，污染物云團到達距龍塘取水口上游5 km處的時間為3.9 d，在此斷面停留1.5 d；污染物云團到達龍塘取水口的時間為5 d，在此斷面停留1.7 d。通過對比距龍塘取水口上游5 km斷面處和龍塘取水口斷面處的污染物濃度變化，可見隨著時間的推移，污染物整體濃度降低，污染云團影響時間變長。

（2）當采取應急調控措施時，污染物被導流到應急渠道中。河流中的污染物總量減少，到達下游取水口處的濃度變小，對取水口取水不會產生影響。在取水口處，出現兩個污染物濃度高峰，第一個高峰是由于在節制閘關閉之前，有小部分污染物已流到下游；第二個高峰是因為節制閘開啟之后，水中仍有存留的小部分污染物造成的。并且采取措施后的第二個污染物濃度峰值相對于沒有采取措施的污染物濃度變化，出現時間延遲現象，這是由于在關閉開啟節制閘的過程中，河道下泄流量變小，從而使第二個污染物濃度峰值出現的時間延遲。但是其濃度峰值的很小，故不會對龍塘取水口取水產生影響。

（3）對比龍塘取水口在突發污染物狀況下和采取應急措施狀況下污染物的濃度，可得出在應急措施狀況下，污染物濃度很小，將不會對龍塘取水口取水產生影響。

4結論

本文所建立的?？谑心隙山執了麡屑~上游段的水動力水質模型可模擬污染物的運移、擴散過程，并可用于預測突發水污染事故發生后，南渡江下游不同地點處污染物到達的時間和影響歷時。因此，提出在取水口上游建立節制閘和應急渠道的水利調控應急措施，并根據污染物到達斷面的時間和影響歷時，確定閘門的啟閉時間，應對上游突發水污染事故。之后，運用水動力水質模型進行定量模擬此項應急措施的應急效果，證明其可有效保護龍塘水利樞紐的水體。這一應急措施為城市供水河道抵御突發性水污染事故提供一種新思路，可廣泛運用于城市供水河道及河道水利樞紐水體的保護建設中。