河流突发污染工况下上游水库调度响应分析

王桂玉

（河南省水利第二工程局，河南 郑州 450016）

1 问题的提出

河流承担着重要的生态功能，河流水体的流动不仅为河道及河岸生物提供充足的生命用水，还可以有效改善沿河生态系统。对于城市河段，河流往往还承担容纳城市工业及生活污、废水的需求，通过河道水体对排污河道的污、废水进行稀释净化，降低对环境的不利影响[1-3]。但是，当管道泄漏等突发污染事件发生时，有可能导致短时间内大量的污、废水排入河道，影响河道两岸及下游的用水安全，破坏沿河生态系统。本文针对河流突发污染的工况进行分析研究，并基于污染工况提出上游水库相应的响应方案，以降低河流突发污染的不利影响。

2 河流突发水质污染分析

2.1 特点分析

河流突发水质污染属于突发性事件，一般具有以下特点：

（1）事故原因多样性。对于突发性污染事件，其事故原因往往具有多样性，例如排污管道破裂、人为偷排污染物、河流沿岸工业生产事故、交通安全事故等。

（2）事件突发性。突发污染使得该事件难以事先预料，发生地点和时间具有明显的不确定性。

（3）污染扩散性。污染物排入河道后，会呈现明显的扩散性，影响下游河道及两岸生物，具有强扩散效应。

（4）事故危害性。对于突发水质污染，一般污染物浓度大，危害强度大，如果不及时处理，可能会引起河流整体生态环境急剧恶化，对下游产生严重危害。

2.2 措施分析

为减少突发水质污染事件的影响，需要采取应急措施，一般可以分为工程措施和非工程措施。

工程措施主要采取相应的工程手段，例如投放吸附材料、加速污染沉降等，投入成本较大，而且会对水体产生一定的负面影响，除特殊工况下，一般不建议使用。

非工程措施主要是加大河流过流量，利用天然水体稀释污染物。对上游修建水库的河流可通过加大水库下泻流量实现。该措施只需通过水库调度合理调配下泄流量，能够减少工程措施的投入而且不会造成二次污染，对水质的整体改善较为明显，可以优先考虑作为水质功能要求下的响应措施。

3 水质扩散模型

3.1 扩散模型选择

水质扩散模型可以分为一维模型、二维模型、三维模型等，考虑一般突发水质污染事件的污染物浓度高，在污染扩散控制中对参数和物理过程模拟还原度的要求不高，因此选择较为简单的一维水质扩散模型。

3.2 一维水质扩散模型建立

对于一维水质扩散模型，其污染物扩散的基本方程如下[4-5]：

式（1）中：A为河流断面面积，m2；C为污染物的平均质量浓度，mg/L；Q为流量，m3/s；t为时间，s；x为污染物扩散的相对距离，m；E为河流纵向扩散系数；S为河流水体中污染源的代数和。

对式（1）进行转换，可得：

式（2）中：u为水流流速，m/s；K为污染物的降解系数。

3.3 模型解析

在特定求解条件下，可以得到一维水质扩散方程的解析解。当河流处于稳定工况时，假定河流断面、流速、流量不随时间变化，得到一维水质扩散方程的解析解如下：

式（3）中：C（x）为污染物扩散至x距离处的平均质量浓度，mg/L；C0为污染源处污染物的质量浓度，mg/L。

4 实例分析

4.1 实例介绍

选取河南省信阳市浉河进行实例分析。浉河在信阳市区段上游修建有南湾水库，南湾水库的下泄水排入浉河。为对浉河信阳市区段的水质进行监测，在距离南湾水库电站出水口约3.6 km处设置奥林匹克体育公园站（以下简称“奥体园站”），约14.9 km处设置浉河琴桥站（以下简称“琴桥站”）。

4.2 工况选择

选择以下工况进行仿真计算。根据南湾水库水质要求，2种工况均假定南湾水库放水的水质标准为：ρCOD=15.00 mg/L，ρBOD5=3.00 mg/L，ρNH3-N=0.50 mg/L，ρTP=0.10 mg/L。

工况一：模拟南湾水库下游突发水质污染的工况。假定南湾水库电站下游500 m处发生排污管道事故，致使污染物直接排入浉河中，排污流量为0.5 m3/s，COD、BOD5、NH3-N和TP的质量浓度分别为89.80、20.50、9.40、1.20 mg/L。

工况二：模拟南湾水库下游突发水质污染的工况。假定南湾水库电站下游500 m和8 000 m处出现2处排污管道泄漏事故，致使污染物直接排入浉河。其中500 m处的排污流量为0.5 m3/s，COD、BOD5、NH3-N和TP的质量浓度分别 为89.80、20.50、9.40、1.20 mg/L；8 000 m处的排污流量为1.0 m3/s，COD、BOD5、NH3-N和TP的质量浓度分别为60.50、31.20、5.60、2.30 mg/L。

4.3 仿真计算

对于2种不同工况，分别按照构建的一维水质扩散模型进行仿真计算，得出南湾水库在不同下泄流量条件下，下游水质监测断面的水质数据和水质等级（见表1~2）。

表1 不同下泄流量下的监测断面水质等级表（工况一）

表2 不同下泄流量下的监测断面水质等级表（工况二）

4.4 分析结论

对于工况一，若要满足下游水质功能要求，南湾水库的下泄流量需要不小于8.0 m3/s，才能保证奥体园断面和琴桥断面的水质同时满足Ⅲ类水的标准。

对于工况二，由于第二处排污口泄漏源位于奥体园监测断面下游且距离较远，因此未对上游监测断面的水质造成影响。琴桥站监测断面位于污染源下游，且第二处污染源的污染物浓度较大，所以对琴桥站造成的影响较大。若要满足下游水质功能要求，南湾水库的下泄流量需要不小于25.0 m3/s，才能保证奥体园断面和琴桥断面的水质同时满足Ⅲ类水的标准。

5 结 语

本文对河流突发水质污染的特点和措施进行分析，建立一维水质扩散模型并对模型进行解析，针对浉河信阳市区段的河流水质突发污染工况进行仿真计算，给出不同污染工况下南湾水库的调度响应措施，可为类似工程调度提供参考。