閩江竹岐水源地農業生活風險評估及應急策略

陳鈺林，李家樂，姚 燁，陳宏景，黃智剛，許仁星

(1.福州市水務投資發展有限公司，福建 福州 350001；2.天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300350；3.福州水務平潭引水開發有限公司，福建 福州 350001；4.福州城建設計研究院有限公司，福建 福州 350001)

0 引 言

目前，我國對水源地風險評估研究主要集中在風險評估方法[6-9]以及風險評價指標[10-11]上，但在精準辨識風險因子基礎上，利用平面二維模型進行風險評估，并根據研究結果提出應急策略的研究較少。為此，本文根據水源地踏勘調研資料，通過專家分析法開展污染因子調查，采用風險矩陣LS法對污染因子進行評價，然后建立平面二維水動力水質模型對突發水污染事件進行評估，以期為閩江竹岐補水水源地的安全運行與安全管理提供方法和思路，為水源地污染評價體系建立和污染預防措施制定提供參考依據。

1 風險識別及評價

1.1 風險識別步驟

閩江竹岐水源的風險源辨識從以下幾個方面開展：①查閱文獻數據，結合實地調研，按照污染來源對閩江竹岐泵站范圍內的周邊生產、生活和交通運輸的突發污染風險進行分析并概化。②固定源風險調查。對流域內生產單位的生產工藝、廠區儲運、危險化學品管理、廢水收集、處理、排放等重點環節的事故隱患情況逐一排查。③流動源風險調查。調查內容包括通過公路、鐵路、水路運輸可能影響水源地的危險化學品和危險廢物等的種類和數量，沿線已采取的污染防控措施情況。污染風險源定位見圖1。

圖1 污染風險源定位

1.2 風險識別結果

閩江流域近年偶發水質污染突發事件，結合實地調研及有關部門內部統計，采用專家分析法開展污染源識別和評價。評價結果為閩江上游入流污染物(突發)、沿線生活污染源(排口污染物)等級較高。為進一步定量評估，擬建立二維水動力水質模型進行數值仿真分析。

2 二維水動力水質模型建立及工況設定

2.1 水動力水質模型

2.1.1 模型建立

本文參考2005年實測水底高程資料，模擬總時長為100 h，渦粘系數為0.28，建立了閩江竹岐段(水口水電站至文山里約55 km的河段)的河道模型，閩江竹岐網格劃分見圖2。網格模型數9 415個，節點數5 297個，采用2020年5月7日12∶00～5月8日12∶00，間隔1 h的閩江竹岐潮位數據進行驗證，結果見圖3。依據實測竹岐、候官2個監測點的潮位過程、水質過程對該模型進行率定和驗證，根據平均絕對誤差(MAE)和均方根誤差(RMSE)進行誤差判定。各水質指標率定結果見圖4。結果顯示，該模型率定誤差較小，可用于水質計算。

圖2 閩江竹岐網格劃分

圖3 閩江竹岐潮位驗證

圖4 閩江竹岐水質率定結果

2.1.2 邊界條件

為使模型更加接近閩江竹岐實際水動力情況，通過實際測定下游邊界侯官泵站的水位條件(監測時間為2 d，監測頻率為1 h/次)作為數據基礎，將其進行數據前處理后作為模型下游邊界的邊界條件。根據閩江竹岐流域竹岐水文測站測定的逐年月平均流量成果，選取竹岐流域各年平均流量作為入流邊界條件。同時，通過對實際數據進行分析可得，下游邊界處受到閩江潮水回溯作用影響，水位呈現較為明顯的周期性變化。

2.2 工況設定

根據實測調研及相關風險分析，針對3個不同風險點，選取特枯年、平水年、豐水年3種典型代表年作為來流條件，選定污染程度為輕度污染、中度污染、重度污染3種類別，參考GB 8978——1996《污水綜合排放標準》、GB 3838—2002《地表水環境質量標準》、實地調研確定輸入污染。點源污染日排放量設定見表1。排放時間設定7 d和30 d，共54種工況。工況設定見表2。

試驗模型跨度為2.6 m+2.6 m，主梁選用鋁合金材料，箱型截面，分節段栓接而成；主塔選用I字鋼，杠桿加載系統由門架、杠桿組織和過梁系統三部分組成。斜拉索全橋共9組，每組4根，共計36根，選用高強鋼絲。試驗模型如圖1所示。

表1 點源污染日排放量設定 t/d

表2 工況設定

3 數值模擬結果分析

3.1 典型工況結果輸移特征

以特枯期閩江來流輸入7 d輕度污染水體工況為例進行展示，氨氮空間變化過程見圖5。從圖5可以看出氨氮輸移基本特征如下：

圖5 氨氮空間變化過程

(1)時間特征。污染事件發生后，閩江竹岐取水口處氨氮濃度逐漸開始上升。污染事件發生后，185 h取水口達到峰值濃度1.30 mg/L后，由于受到潮汐作用，開始在1.26～1.30 mg/L之間周期性波動；396 h開始遞減，在1.25～1.28 mg/L之間周期性波動；污染事件發生2個月后，仍在此區間內周期波動。

(2)流速特征。取水口處流速能達到-0.4～0.3 m/s。整體來看，中部及下游部分流速較上游快，上游部分流速約0.02 m/s，下游部分流速為0.3～0.4 m/s。

(3)污染物整體分布特征。因水體中初始含有一定氨氮，當含有氨氮水體匯入水庫中時，由于水庫流速較緩，導致取水口附近氨氮大量聚集，率先達到較高濃度，上游來流輸入氨氮濃度相對水庫中氨氮濃度較低，在空間上呈現分布不均的現象?？傮w分布特征為上游水口電站氨氮濃度低、下游取水泵站及文山里氨氮濃度高，又因受到潮汐作用，文山里的氨氮濃度隨時間周期性波動。在潮汐的影響下，污染事件發生2個月后，水庫中氨氮濃度仍高于III類水指標限值。

(4)取、輸水口處污染物分布特征?？傮w來看，取水口附近氨氮濃度分布比較均勻。污染輸入開始后，水庫中氨氮濃度逐漸提升，185 h后取水口氨氮達到峰值1.30 mg/L；396 h開始遞減，在1.25～1.28 mg/L周期性波動，沿河岸兩側橫向分布均勻，沿流向方向其縱向分布呈現階梯分布趨勢。

3.2 數值模擬結果對比分析

各工況氨氮濃度特征值對比結果見表3。從表3可知，取水口氨氮濃度受來流量、排放時間、污染程度3個風險因素的影響。

表3 各工況氨氮濃度特征值對比結果

(1)峰值時間。相較于不同排放時間及不同污染程度，不同來流量對峰值時間影響較大。隨著來流量的增加，峰值出現時間逐漸提前，表明來流量越大，水體置換速率越快，相同污染程度輸入條件下，取水口處氨氮能更快達到峰值；長期排放、短期排放與峰值濃度出現時間無關，不同污染程度對峰值時間影響較小。

(2)峰值濃度。不同來流量對取水口氨氮峰值濃度的影響較大。隨著來流量的增加，取水口氨氮峰值濃度趨于降低；排放時間對取水口峰值濃度的影響較小，短期排放(7 d)和長期排放(30 d)相比，取水口濃度變化不大；不同污染程度對取水口峰值濃度影響較大，排放污水污染等級越高對取水口影響越大，取水口峰值濃度越高。

(3)波動范圍。通過對所示結果對比分析可知，排放時間與污染程度對于2個月后取水口氨氮濃度的波動范圍影響不大；來流量對穩定波動范圍影響較大，隨著來流量的增加，取水口氨氮濃度值波動幅度變化不大，波動范圍逐漸減小。結果表明，來流量增加能加速水體置換速率，減少區域內氨氮聚集，有利于減小取水口處氨氮濃度的波動范圍。

各工況模型計算結果及風險評估見圖6。從圖6可以看出，隨著來流量的增加，峰值時間逐漸提前，峰值逐漸降低，波動范圍逐漸降低；隨著排放時間的增加，對各個特征值的影響并不顯著；隨著輸入污染程度的增加，峰值時間略有增加，峰值逐漸增大，波動范圍幾乎不變；不同排污地點對各特征值影響顯著，越靠近排污口發生排污事件的影響程度越大。白沙鎮排口突發水污染排放時，取水口污染物峰值時間出現最早，閩江來流突發水污染排放時，取水口污染物峰值濃度較高；水質指標方面，取水口處總磷最容易超過高風險限值；CODMn均在低風險限值以下；氨氮在特枯年、污染程度輸入較高的情況下也會出現高風險，在運行管理過程中需引起重視。

圖6 各工況模型計算結果及風險評估

4 應急調控措施

參考GB 3838—2002《地表水環境質量標準》，結合取水口氨氮、總磷和CODMn峰值濃度，對各工況進行突發水污染事件風險等級劃分，并制定污染應急調控標準，見表4。按照表4所述，在各污染工況下，取污染程度最高的水質指標確定該工況最終風險等級劃分結果。詳細應急調控步驟如下：

表4 污染應急調控標準

(1)得知發生突發水污染事件后，迅速到達污染現場，在控制污染源繼續釋放的同時，確定污染源位置，測量污染源濃度和污染擴散范圍，估算已發生時間，根據現場情況判定污染風險等級，形成應急調控預案。污染物濃度風險等級若為低風險，視情況選取應急調控措施并正常輸水；風險等級為中、高風險則需閉閘調控，必要時采取局部處理措施。

(2)結合應急調控預案，預估污染事件發生趨勢，確定污染峰值濃度和對應的預警時間；然后通過綜合考慮風險等級及預警時間，確定污染事件的緊迫性及及時處理的可能性；閉閘調控時，考慮水庫實際情況，對泵站取水口進行調控。確定污染源位置、各水質指標峰值時間、峰值濃度及其在潮汐作用下最終的波動范圍，根據調控目標對泵站取水口進行調控。

(3)根據處置后的水質是否達標考慮是否啟閘。

5 結 語

本文通過專家分析法，對閩江流域竹岐段水源地可能存在的風險進行風險辨識，采用矩陣LS法對辨識結果進行風險等級評估，建立平面二維水質水動力模型，對風險等級較高的竹岐水源地突發水環境污染進行結果預測和分析，得出以下結論：

(1)相較于不同排放時間及不同污染程度，不同來流量對峰值時間、峰值濃度、波動范圍影響較大。隨著來流量的增加，峰值出現時間逐漸提前，最早為58 h；不同來流量對取水口氨氮峰值濃度的影響較大，最高為1.40 mg/L；來流量的增加能加速水體置換速率，減少區域內氨氮聚集，有利于減小取水口處氨氮濃度的波動幅值，最小為0.01 mg/L。

(2)排口位置對取水口影響顯著。白沙鎮排口水污染排放時，取水口峰值時間出現最早，相應預警時間最少；相同條件下，閩江來流突發水污染排放，取水口峰值濃度較高。此2種情況應予以重點關注。在潮汐作用下，西海岸排口對取水口會造成一定影響。

針對閩江竹岐水源地突發水污染事件，需結合應急調控預案預估污染事件發生趨勢、確定污染事件造成峰值濃度、允許采取措施的預警時間及其在潮汐作用下最終的波動范圍，綜合考慮風險等級及預警時間確定污染事件的緊迫性及及時處理的可能性，根據調控目標對泵站取水口進行調控，及時有效地處理水源地突發水污染事件。