重金属、油类、化学品等污染物迁移转化模拟技术

季海萍，汪 涛，高程程，高丽莎

(1. 太湖流域管理局水文局<信息中心>，上海 200434；2. 上海碧波水务设计研发中心，上海 200233)

1 研究背景

长期以来，水污染问题始终是国内外城市水源地安全的重要威胁[1]。水污染既包括生产生活污(废)水等常规污染，也包括恐怖主义、船舶化学品和石油泄漏、工业事故排放、暴雨径流污染等突发性水污染[2]。突发水污染事件具有突发性、偶然性，易在短时间内造成附近水域水质快速恶化，影响水生态环境，成为城市供水系统安全运营的重大风险[3]。

黄浦江上游水源地金泽水库于2016年12月底正式投入使用，供水规模为351万m3/d，服务于上海市西南五区670万人口。金泽水库相对原黄浦江上游水源水质有明显改善，但作为供水水源地仍面临一定挑战：其所位于的太浦河不仅为下游水源地提供原水，大水期间还是流域内重要排洪通道，也是Ⅳ级航道，是开放式、流动性的多功能水域，且由于太浦河沿线周边区域化工、纺织、印染企业众多，近年来太浦河干支流已有挥发性有机物污染、锑浓度异常等数起突发水污染事件发生[4]，作为金泽水库取用水水源地，取水安全受到严重威胁；太浦河水质受太浦闸(泵)开闭等流域调度影响明显。同时，金泽水库为典型人工浅水水库，库区水力停留时间短(2～3 d)，依靠水库自身调蓄能力无法明显净化水质，原水水质提升仍要依靠上游来水，依靠太浦闸(泵)等调度措施。

针对太浦河可能发生的突发水污染事件，本课题开展了基于重金属、油类、化学品等污染物的迁移转化模拟技术研究，可为太浦河金泽水源地突发水污染事故的预报预警提供技术支撑，持续保障金泽水库水源地安全取水。

2 研究内容

重金属、溢油、化学品泄漏等污染模拟技术在国内外已有应用，本研究主要是针对太浦河-金泽水库-松浦大桥取水口沿线构建基于重金属、油类、化学品等污染物的迁移转化模拟技术，能够在太浦河重金属、油类、化学品类突发水污染事件发生后，第一时间开展实况水雨情条件下太浦河内污染物迁移模拟，通过调控太浦闸(泵)下泄流量，分析不同工况下污染物对金泽水源地的影响程度、影响时长等，为应对突发水污染事件提供技术支撑。

3 关键技术

3.1 平原河网水动力模型

基于重金属、油类、化学品等的污染物迁移转化模拟技术的基础是平原河网水动力学模型[5-7]，可提供重金属、油类和化学品类污染物迁移转化模拟所需的流场。平原河网水动力学模型主要通过NetCDF接口与突发水污染事件调控模型耦合，实现了太浦河突发事件模拟业务化、快捷化的突破。

3.1.1 水动力模型基本方程

水动力模型基本方程采用Saint-Venant方程组，数值离散方程采用成熟的Preismann四点隐式差分格式进行离散，联立方程求解。

一维明渠非恒定流Saint-Venant 方程组如式(1)。

(1)

其中：t——时间坐标，s；

x——空间坐标，m；

Q——流量，m3/s；

Z——水位，m；

u——断面平均流速，m/s；

n——糙率系数；

C——谢才(Chezy)系数；

A——过流断面积，m2；

B——主流断面宽度，m；

R——水力半径，m；

q——旁侧入流流量，m2/s；

Bw——水面宽度(包括主流宽度B及起调蓄作用的附加水面宽度)，m。

3.1.2 模型中水利工程调度模拟

水利工程对河网水流在时间、空间上有着重要影响，其调度模拟是水动力学模型的重要组成部分。根据太浦河-黄浦江流域的河网特征，结合流域内洪水与水量调度方案、水量分配方案，以及水利工程运行管理的实践经验，水利工程遵循防洪期间按照防洪安全要求、保供水期间按照供水安全要求的原则进行调度，通过关联不同时间段的河网水位实现水利工程的精细模拟[8]。

3.1.3 降雨径流模拟

不同的下垫面条件具有不同的降雨入渗和产流规律，模型将太浦河-黄浦江区域下垫面主要分为水面(包括河道、湖泊)、水田、旱地、绿地、房屋和城镇道路6种下垫面，依据各个类型下垫面的蒸发量、入渗系数和径流系数，并按照水文学的原理和方法分别计算相应下垫面的产汇流[8]。

3.2 重金属类突发水污染事件模拟

太浦河主要重金属类污染物质为锑(Sb)，以固态金属颗粒及离子形态分布在水体中。不同于一般的突发水污染事件，锑一直存在于太浦河中，干流主要断面平均浓度在1.5～2.6 μg/L[《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)规定地表水水源锑浓度标准限值为5.0 μg/L]，当区域遭遇强降水造成支流污水大量汇入而太浦闸(泵)关闭无法向下游供清水时，太浦河干流锑浓度极易超标。

重金属锑的迁移模拟技术基于平原河网水动力学模型，对河湖水体中污染物随空间和时间迁移转化规律进行数学描述(图1)。模型中污染负荷模块是模拟太浦河锑污染物的产生量、入河量、排放位置及空间分布等信息的模块，作为锑污染模拟模型的前置项，为水质模拟提供污染负荷边界。锑排放点源的废污水量、污染物量及排放位置根据实际调查资料得到，以取排水形式概化入河网。通过河网水动力学模型计算河道水位、流量等水文要素，以污染负荷模块估算的污染负荷为源项，依据质量守恒原理，采用物质输移的对流扩散方程，模拟各时段河道内锑指标的浓度变化。

图1 重金属(锑)突发水污染事件模拟过程图Fig.1 Simulation Process of Water Pollution Emergency Event for Heavy Metal (Sb)

2019年8月9—10日，受第9号台风“利奇马”影响，太湖流域杭嘉湖地区遭遇强降雨，太浦河周边河网水位快速上涨，太浦闸于8月9日16时45分关闸。8月11日水质监测结果显示，太浦河干流平望大桥、黎里东大桥断面锑浓度异常，均达到5.2 μg/L，超出5.0 μg/L的标准限值。本次研究利用黄浦江上游地区锑的迁移模拟模型，模拟了太浦河泵站8月12日开启1台机组(50 m3/s)应急供水后金泽水库断面锑浓度变化，预测峰值约在3.9 μg/L左右，出现时间为8月12日13时左右，金泽水库自动站监测数据显示锑浓度峰值为4.1 μg/L，出现时间为8月12日8时左右，模拟结果与实测数据接近，由图2可知，锑指标的浓度模拟结果与实测值均较为接近，变化趋势一致。因此，该模型可应用于太浦河锑浓度异常事件的调度模拟，为保障供水安全提供技术支撑。

图2 太浦河2019年8月中旬金泽水库断面锑浓度模拟与实测对比图Fig.2 Comparison of Simulated and Measured Antimony Concentration in Jinze Reservoir Section of Taipu River in Middle August 2019

3.3 油类突发水污染事件模拟

基于美国ASA公司的OilMap模型[9-10]，构建了黄浦江上游金泽水源地溢油模拟模型，其核心模块是溢油轨迹计算，在物质平衡的基础上预测泄漏的油品在水体表面的运动轨迹。泄漏的油类污染物在模型中由一系列的溢油点代表，溢油点可模拟不同物理化学属性的油品泄漏后在水体表面扩展，以及在岸边线、风和水流的多重作用下拉长、分散等现象，其中包括了蒸发、扩散、进入水体、乳化以及吸附等过程。

详实的油类污染物类型以及相应物理化学性质参数是开展模拟的必要条件，也是提高溢油模型模拟精度和效率的重要因素。本次研究针对黄浦江上游地区存储和运输的油品，开发建立了包含1 450余种油品以及多项理化关键参数的油品数据库，包括油品名称、密度、黏度、表面张力、最大含水率、最小油膜厚度、闪点、沸点及蒸发常数等关键参数；同时还兼顾了数据库的可扩展性，可方便地新增油品类型和理化性质数据。

图3 油类突发水污染事件模拟过程图Fig.3 Simulation Process of Water Pollution Emergency Event for Oil

通过调整太浦闸(泵)的工况，形成太浦河不同工况下的流场数据，利用油类污染物迁移转化模拟模型，可获得多工况下的调度结果，同时结合实时水雨情，以最短时间内恢复金泽水库供水为目的，形成应对油类污染物突发水污染事件的最佳调度策略。

3.4 化学品类突发水污染事件模拟

基于美国ASA公司的ChemMap模型[11]，构建了黄浦江上游金泽水源地化学品泄漏模拟模型，通过输入相关环境数据和泄漏化学品的物理化学性质数据，考虑化学品在水体中的蒸发、溶解、吸附、沉降和降解等过程，模拟其迁移转化过程。

化学品类污染物类型以及相应物理化学性质参数是开展模拟的必要条件，本研究针对黄浦江上游地区存储和运输的化学品，开发建立了包含400余种常见化学品以及多项理化关键参数的化学品数据库，包括了化学文摘号、中英文化学名、辛醇-水分配系数、密度、溶解度、在水、空气和沉积物中的降解速率、最小污染物层厚度等关键参数。

图4 化学品类突发水污染事件模拟过程图Fig.4 Simulation Process of Water Pollution Emergency Event for Chemicals

通过调整太浦闸(泵)的工况，形成太浦河不同工况下的流场数据，利用化学品污染物迁移转化模拟模型，可获得多工况下的调度结果，同时结合实时水雨情，以最短时间内恢复金泽水库供水为目的，形成应对化学品污染物突发水污染事件的最佳调度策略。

4 总结与展望

本次研究首次构建了金泽水库所在河道太浦河重金属、油类、化学品类突发水污染事件模拟模型，并与太浦河河网水动力学模型实现了无缝耦合，创新性地研究提出了平原河网污染事件突发、发生地点随机等特点的联合调控技术，实现了太浦河突发事件模拟业务化、快捷化的突破。该项关键技术已应用于金泽水源水质水量监测与预警业务化示范平台，能有效将模型预报作业时间由6～8 h缩短至3 h。

相较于其他成熟的商用软件，本次构建的黄浦江上游地区突发水污染事件调控模型操作流程较为复杂，后期在提高模拟精度基础上将进一步优化人机互动界面，实现程序自动化功能。