北疆供水工程主干渠突发水污染事故污染物运移扩散研究

王 曦，崔娅茹，甘治国，徐 丹，王双银，齐佳硕

(1.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院， 陕西 杨凌 712100;2.杨陵区水务局, 陕西 杨凌 712100;3.中国水利水电科学研究院， 北京 100044)

北疆供水工程位于新疆北部，由水源工程、输水工程和反调节水库三部分组成。 该工程从“635”水库引水，经约140 km的总干渠后分南干渠和西干渠分别向克拉玛依市和乌鲁木齐市供水，沿线地质条件复杂多变[1]。总干渠属于开敞式长距离输水渠道，由于其裸露在外的水体和沿线复杂的环境，很容易发生水污染事故[2]。因此，为了保证渠道安全供水，开展对渠道水质问题的研究便具有重要意义。已有研究对北疆供水工程总干渠突发水污染事故的风险进行了分析，认为人为投毒投药、翻车致污染物入渠、雨洪入渠和农药化肥渗透入渠是四类最可能突发的水污染事故[3]。总干渠建有十几座公路桥，路渠交叉建筑物众多，出现交通事故引发突发水污染事件的隐患极大，一旦车辆翻入干渠造成有毒有害物质泄漏，将严重影响总干渠下游水质安全。

突发水污染事件一般具有不确定的突发性, 影响范围的广泛性和危害的严重性等特点[4]，此类事件的研究重点则是事故发生后污染物在渠道水体中的运移扩散规律[5]。国内外学者针对这方面做了许多研究，如Qiao等[6]通过水污染模拟，构建了长距离引水工程在突发水污染事故下的应急控制决策支持框架，确定闸门的控制方式；Long等[7]提出了污染物迁移扩散特征参数和复杂闸门控制条件下污染物扩散的快速预测，根据模拟结果，建立了突发水污染事故特征参数的快速预测公式；王浩等[8]针对突发水污染事故防治与管理的各环节,建立“数值模拟-评价诊断-溯源预测-应急调控-污染处置”5 大环节于一体的突发水污染应急调控与处置技术体系，为突发水污染事故的防治和管理提供技术支撑；胡琳等[9]基于MIKE 11构建了浙江省东苕溪流域水动力和水质耦合模型，通过对污染物扩散规律的研究，建立了预警模型；郭丹阳等[10]基于EFDC模型，构建了珠江三角洲水资源配置工程取水口所在河道的NH3-N模型与溢油模型，并采用模型对设置的6种突发水污染事件情景进行了模拟。上述研究都针对突发水污染事故中污染物在水体中的运移扩散过程，但针对北疆供水工程总干渠翻车致污染物入渠从而引发突发水污染事故的相关模拟分析还存在空缺。

在比较常用的几个水质模型中, MIKE模型在水质模拟方面的科学性已经得到学界认可[11-13]。本文以北疆供水工程主干渠00+000—57+300段为例，针对危险货物运输事故风险，应用MIKE 11 模型软件建立了北疆供水工程总干渠突发水污染事故的污染物运移扩散模型，模拟污染物在渠道内的运移扩散情况。阐明突发水污染事故后污染团的时空分布规律，对突发水污染事故的严重程度、扩散范围、运移时间做出预报，为北疆供水工程主干渠的水质提供重要保障，并为突发水污染事故的应急预案提供指导，有效降低此类事件所造成的损失。

1 材料与方法

1.1 模拟段介绍

根据资料的完整程度和建筑物分布情况，考虑模型建立所需数据，本文选取主干渠0+000—57+300段进行突发水污染模拟研究。选取的模拟渠段共57 km，该渠段内包括三种断面形式的明渠段，隧洞段，三处分水口及两处节制闸。隧洞为单孔圆形隧洞，直径6.9 m，长1 792 m，坡比为1/1 000；两处节制闸，均为2孔闸门，宽4 m，运行期间全开，开度为6.7 m，其余部分均为梯形断面的开敞式明渠，断面资料见表1。

表1 模拟渠段断面设计资料

为了分析突发水污染不同位置的影响，模拟事故位置有2个：一是在模拟渠段上游15+000断面处；二是模拟渠段中游35+000断面处，距离模拟起始断面分别为15 km和35 km。本文针对翻车致污染物入渠事故风险，模拟事故情况下污染物输移状况，以及污染物浓度峰值的沿程变化。

对于翻车致污染物入渠导致的突发水污染而言，主要考虑不同时段被污染渠道内污染物浓度峰值的变化情况。基于MIKE 11模拟污染物扩散情况时，需利用HD和AD模块建立水动力模型和对流扩散模型。

1.2 水动力模型的建立

对于模拟渠段，渠道宽约3 m，正常运行情况下最大水深约5 m，仅相当于渠长的万分之一，则干渠内水的流动可以看作一维流动[14]。据此，本文利用MIKE 11水动力模块(HD)模拟北疆供水工程主干渠0+000—57+300段的水位和流量，模拟结果作为对流扩散模块(AD)后续模拟的基础。

(1) 数据文件。MIKE 11建立水动力模型所需的数据文件包括河网文件(.nwk11)、断面文件(.xns11)、边界文件(.bnd11)和模型参数文件(.hd11)。所有断面数据均由工程设计资料提供，设置上游边界条件为流量，下游边界条件为水位，将2015年的流量、水位实测数据作为模型的边界文件。

(2) 参数率定。模型的参数率定主要为确定渠道糙率，采用2015年逐日实测水位和流量资料，通过糙率分段取值的方法，对糙率进行率定，不断调整模拟值，使实测水位值和模拟值比较吻合。渠道各段糙率率定值见表2。

表2 模拟渠段参数率定

(3) 水动力模型的验证。采用2016年的实测数据对率定的模型结果做进一步的验证，通过计算两个断面的平均绝对百分误差MAPE和相关系数R评价模型的精度。在2+990断面的水位模拟误差中，MAPE为1.01%，R为0.995；在49+320断面的水位模拟误差中，MAPE为0.99%，R为0.980，因此HD模型总体上符合要求，可以作为后续MIKE 11 AD模块的基础。

1.3 对流扩散模型的建立

MIKE 11 的对流扩散模型(AD)是一种均相混合模型，用来模拟均相中污染物的运移过程。对于突发水污染事故，当污染物进入渠道后，能很快在渠道的横向和垂向上达到一个比较均匀混合的状态，则MIKE 11 AD模块可以满足模拟污染物运移扩散过程要求[15]。MIKE 11 AD描述物质在水体中运移的一维对流扩散方程为：

(1)

式中：A为断面面积；C为污染物浓度；Q为流量；x为距离坐标；t为时间坐标；D为对流扩散系数；K为综合衰减系数。

水动力模型是构建对流扩散模型的基础，在其边界文件的基础上添加污染物泄漏的时间序列文件(.dfs0)作为对流扩散模型的内部边界文件。由于实际条件的限制很难测算对流扩散系数D，需借助经验数据或理论公式来确定。基于以往学者对扩散系数的研究，将对流扩散系数D设置为10 m2/s。

2 结果与分析

根据《国家危险废物名录》[16](2016年版)和《危险化学品重大危险源辨识》[17](GB 18218—2018)的有关规定，本文以有毒有害物质苯酚为泄漏物质来分析事故危害后果。北疆供水工程2016年正常运行期间实测资料表明，依据《地表水环境质量标准》[18](GB 3838—2002)，总干渠水质五六月为Ⅱ类水质，七八月为Ⅲ类水质，故将模拟污染物苯酚的初始浓度设置为《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准的上限值0.005 mg/L。

苯酚主要是靠槽罐车进行运输，如果在运输至供水工程段时发生交通事故，很可能引起苯酚泄漏，致使苯酚流入输水河道，造成水体污染。因此有必要对货运车辆发生交通事故导致的突发水污染进行模拟分析，从而为北疆供水工程总干渠突发水污染事件的应急救援提供数据支持。

本文假定2016年5月12日0 h一辆装有苯酚的槽罐车在模拟渠段上游15+000断面处或是模拟渠段中游35+000断面处发生翻车事故，造成装载的苯酚泄入干渠。设置浓度为1 000 mg/L的污染物伴随1 m3/s的污染流量进入干渠并持续20 min，共计1.2 t污染物流入渠道。参考相关文献[19]，苯酚的衰减系数设置为0.1 d-1。

根据工程设计报告，北疆供水工程总干渠设计流量为120 m3/s，由2016年140天的工程运行资料可知，实际运行中超过80 d的运行流量处于60 m3/s以上，其中最高输水流量达到92 m3/s。故根据设计流量和实测流量，上游水动力条件分别设置为60%设计流量(72 m3/s)和100%设计流量(120 m3/s)。

2.1 60%设计流量时渠段上游突发翻车致污染物入渠事故动态模拟

图1显示了60%设计流量时渠道上游断面15+000处突发翻车致污染物入渠事故后各断面峰值浓度分布情况。由图1可知，污染物进入断面前的浓度为初始浓度0.005 mg/L，经过污染断面时浓度峰值增长为12.20 mg/L，模拟段内最高浓度出现在18+209断面，为13.67 mg/L。之后污染物浓度峰值在下游沿程断面呈现下降趋势，但衰减程度较小。

图1 60%设计流量时上游突发事故后各断面污染物浓度峰值沿程变化

从污染物运移时间上来看，事故发生1 h后，污染物浓度达到最大，为13.67 mg/L，此后污染物浓度逐渐下降；5 h后，污染峰迁移至断面36+106处，最大污染物浓度为12.91 mg/L，相比0 h的最大污染物浓度下降了5.6%；9 h后,污染峰迁移至断面53+000处，最大污染物浓度为11.93 mg/L，相比0 h的最大污染物浓度下降了12.8%，此时污染物浓度峰值还大于0.005 mg/L，应采取调控措施，改善水质。

为具体分析各时段峰值情况，选取2016年5月12日0 h、2 h，3 h和4 h污染物沿程扩散数据，分析表明，污染物浓度除在初始时刻瞬时增加外，在其它时间都是呈现一定斜率上升后达到峰值，且在一段距离内都处于峰值浓度。0 h的污染物浓度变化经历1.96 km；2 h的污染物浓度从升高到降为初始浓度经历了4.49 km，峰值浓度持续了1.3 km；3 h的污染物浓度从升高到降为初始浓度经历了4.47 km，峰值浓度持续了1.3 km；4 h的污染物浓度从升高到降为初始浓度经历了4.65 km，峰值浓度持续了1.4 km。

2.2 60%设计流量时渠段中游突发翻车致污染物入渠事故动态模拟

图2显示了60%设计流量时渠道中游断面35+000处突发翻车致污染物入渠事故后各断面峰值浓度分布情况。由图2可知，污染物进入断面前的浓度为初始浓度0.005 mg/L，经过污染断面时浓度峰值增长为12.45 mg/L，模拟段内最高浓度出现在38+000断面，为13.94 mg/L。

图2 60%设计流量时中游突发事故后各断面污染物浓度峰值沿程变化

从污染物运移时间上来看，事故发生1 h后，污染物浓度达到最大，为13.94 mg/L，此后随着时间的推移，污染物浓度逐渐下降；5 h后，污染峰迁移至模拟段终点57+300断面，最大污染物浓度为13.03 mg/L，相比0 h的最大污染物浓度下降了6.5%，但此时污染物浓度还大于0.005 mg/L，应采取调控措施，改善水质。

选取2016年5月12日0 h、2 h，3 h和4 h污染物沿程扩散数据分析表明与前例相似，污染物浓度除在初始时刻瞬时增加外，在其它时间都是呈现一定斜率上升最终达到峰值，且在一段距离内都处于峰值浓度(相似规律在下文中不再赘述)。0 h的污染物浓度变化经历1.69 km；2 h的污染物浓度从升高到降为初始浓度经历了4.41 km，峰值浓度持续了1.2 km；3 h的污染物浓度从升高到降为初始浓度经历了4.45 km，峰值浓度持续了1.17 km；4 h的污染物浓度从升高到降为初始浓度经历了4.60 km，峰值浓度持续了1.2 km。

2.3 100%设计流量时渠段上游突发翻车致污染物入渠事故动态模拟

图3显示了100%设计流量时渠道上游断面15+000处突发翻车致污染物入渠事故后各断面峰值浓度分布情况。由图3可知，污染物进入断面前的浓度为初始浓度0.005 mg/L，经过污染断面时浓度峰值增长为7.35 mg/L，模拟段内最高浓度出现在18+560断面，为8.23 mg/L。

从污染物运移时间上来看，事故发生1 h后，污染物浓度达到最大，为8.23 mg/L，此后污染物浓度逐渐下降；5 h后，污染峰迁移至断面40+000处，最大污染物浓度为7.54 mg/L，相比0 h的最大污染物浓度下降了8.4%；8 h后,污染峰迁移至模拟段终点57+300断面处，最大污染物浓度为7.13 mg/L，相比0 h的最大污染物浓度下降了13.4%，此时污染物浓度仍远远大于0.005 mg/L，水质污染严重，应采取调控措施。

图3 100%设计流量时上游突发事故后各断面污染物浓度峰值沿程变化

选取2016年5月12日0 h、2 h、3 h和4 h污染物沿程运移扩散数据,分析表明0 h污染物浓度从升高到降为初始浓度经历了1.98 km；2 h的污染物浓度从升高到降为初始浓度经历了5.06 km，峰值浓度持续了1.69 km；3 h的污染物浓度从升高到降为初始浓度经历了5.38 km，峰值浓度持续了1.59 km；4 h的污染物浓度从升高到降为初始浓度经历5.25 km，峰值浓度持续了1.75 km。

2.4 100%设计流量时渠段中游突发翻车致污染物入渠事故动态模拟

图4显示了100%设计流量时渠道中游断面35+000处突发翻车致污染物入渠事故后各断面峰值浓度分布情况。由图4可知，污染物进入断面前的浓度为初始浓度0.004 mg/L，经过污染断面时浓度峰值增长为7.42 mg/L，模拟段内最高浓度出现在18+209断面，为8.33 mg/L。

从污染物运移时间上来看，事故发生1 h后，污染物浓度达到最大，为8.33 mg/L，此后污染物浓度逐渐下降；4 h后，污染峰迁移至断面52+870处，最大污染物浓度为7.81 mg/L，相比0 h的最大污染物浓度下降了6.2%；此时污染物浓度仍远远大于0.005 mg/L，水质污染严重，应采取调控措施。

选取2016年5月12日0 h、2 h、3 h和4 h污染物沿程运移扩散数据，分析表明0 h污染物浓度从升高到降为初始浓度经历了1.95 km；2 h的污染物浓度从升高到降为初始浓度经历了5.13 km，峰值浓度持续了1.60 km；3 h的污染物浓度从升高到降为初始浓度经历5.12 km，峰值浓度持续了1.45 km；4 h的污染物浓度从升高到降为初始浓度经历5.60 km，峰值浓度持续了1.88 km。

图4 100%设计流量时中游突发事故后各断面污染物浓度峰值沿程变化

3 讨 论

对受水对象而言, 供水安全涵盖充足的水源、满足要求的水质、安全稳定的供水渠道[20]，采用本研究建立的模型，可以预测翻车致污染物入渠事故发生后，污染物浓度峰值的沿程变化，并结合《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)对污染物进行调控，保障供水安全。马晓嵩对南水北调工程京密引水渠段正向输水得出污染物影响范围与上下游位置无关的结论和任朋对城市供水河道突发水污染事故状况下得到的污染物浓度峰值变化规律，与本文模拟结果基本一致，本文对长距离供水渠道的应急管理具有一定的参考和利用价值。本文虽只针对模拟段闸门未参与调控下的污染物运移规律进行了探讨，未进一步研究闸门在突发水污染应急调控与处置中的作用，但已为后续的研究奠定了坚实的基础。

4 结 论

(1) 突发水污染事故发生后的一个小时是应急处置的关键时刻，污染物浓度逐渐达到最大值，污染物浓度最大值位置出现在距离污染物事故发生下游4 km～5 km断面处。

(2) 当大量污染物持续投入时，渠道沿程断面出现污染物浓度峰值持续现象。

(3) 当流量一定，污染物质量一定时，其污染范围相近，故污染物影响距离与污染事故发生位置无关。

(4) 当污染事故发生位置一定，污染物质量一定时，流量越大，污染物影响范围越大，表明污染物影响范围与流量有关。

(5) 分水口浓度在各类工况下均超出《地表水环境质量标准》三类标准0.005 mg/L，人工渠道自我净化能力较弱。