东庄水库突发水污染事故下有机物的时空分布研究

贺翠玲,郭 英,蔡丹丹,刘少斌,李国栋*

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,陕西 西安 710065;2.西安理工大学西北旱区生态水利国家重点实验室,陕西 西安 710048;3.陕西省水利电力勘测设计研究院,陕西 西安 710048)

随着城市持续扩张、工业不断发展,导致突发水污染事故频繁发生,严重影响着生态环境安全与人们的生命安全,如2005年北江镉污染事故、2006年湖南岳阳砷污染事件、2013年云南的东川小江水体污染事故等等[1]。为避免突发水污染事故带来的严重后果,为防止水污染危险扩大,需要准确预测突发水污染事故爆发后有机物在水体中的时空分布,传统物理模型方法过程繁琐、耗时耗力,而数值模拟方法恰好相反且具有强大的数据处理功能。因此,采用不同数值模拟方法[2-6]对突发性水污染事故进行模拟成为国内外各机构的研究热点。目前,用于模拟河流、湖泊、水库等水质问题的模型有EFDC、WASP、SMS、MIKE、SWAT等[7],其中,由丹麦水力研究所开发的MIKE系列软件,在国际上得到广泛应用并且在工程中得到很好的验证[8],MIKE11一维水动力能够自适应河道内在时间和空间水流条件的数值计算方案,很好地描述河流的各种水流环境[9]。而ECO lab水质模型充分考虑了有机物进入水体后在扩散衰减的同时发生降解、悬浮、沉降等过程,创造一个与实际水体相似的水环境模型,更准确地模拟水质问题。

东庄水库是陕西省泾河流域上一座在建的大(1)型水利枢纽工程,主要以防洪减淤为主,兼顾供水、发电及改善生态等功能。其两岸分布有大量的城镇、居民以及工业企业,库区水质的质量对居民的生产生活影响较大。目前,由于东庄水库正在建设中,已有关于东庄水库的研究多针对预测其对生态、供水、防洪减淤的影响[10-12],针对东庄水库突发水污染事故分析很少。因此,对东庄水库的突发性水污染事故进行模拟研究具有非常重要的价值和现实意义。

本研究以MIKE软件一维水动力模型为基础耦合ECO lab水质模型,建立了东庄水库突发水污染事故预警模型,研究有机物浓度随时间的衰减扩散过程,分析不同情景下有机物的时空分布规律,为东庄水库突发水污染事故应急调控策略及方案的制定提供一定的理论支撑与数据参考。

1 研究区域概况

东庄水利枢纽工程位于泾河流域干流最后一个峡谷段出口(张家山水文站)以上29 km,见图1。东庄水库总库容30.1亿m3,库水位高程650～780 m,长期调蓄库容10亿m3,坝址控制流域面积4.31万km2,占泾河流域面积的95%,是陕西关中地区工农业生产和城乡生活重要水源。东庄水库为145万亩泾惠灌区提供农业供水量4.34亿m3,灌溉保证率由40%提高到60%以上,为西咸新区(泾河、秦汉、空港新城)、铜川新区、富平县城及工业园区和三原县城等工业及城镇生活供水1.44亿m3,保证率可达95%。由此可知,东庄水库在农业生产和工业及城乡供水方面发挥着重要作用,有利于关中经济区及渭北“旱腰带”经济大发展。

图1 东庄水库地理位置

2 研究方法

2.1 MIKE11模型基本原理

MIKE11水动力模型是以一维恒定圣维南方程为控制方程,模拟水流的水动力要素,一维恒定圣维南方程的表达式[13]为:

(1)

(2)

2.2 ECO lab模型基本原理

ECO lab模型中的每一个状态变量都有一个相对应的微分方程描述其发生的过程,过程微分方程的通式[13]为:

(3)

式中c——状态变量的浓度;n——状态涉及的过程数;processi——状态的过程。

对流扩散方程为:

(4)

ECO lab模型与一维对流扩散模型耦合后的水质传输方程为:

(5)

式中Dχ——χ方向扩散系数;Sc——源汇项;Pc——ECO lab水质模型中的过程表达式。

2.3 模型构建

2.3.1一维水动力模型构建

将东庄水库的 CAD 地形图处理后,得到东庄水库的河道走势图,导入MIKE11中,定义河网名称、走向和连接关系及河道长度信息,得到东庄水库河网文件,东庄水库河段总长度为99.7 km,见图2。通过ArcGIS软件自带断面提取功能处理得到东庄水库的横断面数据资料,在断面截取时,平均1 km截取一个断面,在河道弯曲程度较大处,横断面进行局部加密。包括进口和出口断面共截取94个断面,见图3—5。由于东庄水库还未建成,具体实测资料无法获得,根据建库前水深资料,修正后得到河道糙率n=0.025[14]。在保证水库正常蓄水位的条件下,设置上下游边界条件,即月平均径流量作为上游进口边界条件,月平均下游水位为下游出口边界条件。

图2 一维水动力模型河网

图3 典型断面(坝址上游1 km处)

图4 典型断面(坝址上游33 km处)

图5 典型断面(坝址上游65 km处)

2.3.2ECO lab水质模型构建

突发水污染事故中的主要有机物类型有化学需氧量(CODMn)、氨氮、总磷、总氮等,通过对东庄水库污染源的调查,将污染源所产生的有机物种类和排放量进行整理、分析,结果表明化学需氧量(CODMn)是排放量最大的有机物,一年排放量为30 258.24 t。因此本研究以化学需氧量(CODMn)为例,在对流扩散方程的基础上,计算ECO lab水质模型中Pc的对流扩散过程表达式。

ECO lab水质模块中CODMn的质量守恒式[15]为:

(6)

(7)

CODMn沉降:Sedimentation=ks·CODMns/H

(8)

CODMn再悬浮:

Resuspension=S1·CODMnb/H

(9)

式中k3——20 ℃下CODMn降解速率;θ3——CODMn降解温度系数;T——任意温度;DO——溶解氧含量;HS_CODMn——CODMn降解半饱和氧浓度;ks——CODMns沉降速率;CODMns——悬浮性CODMn;H——水深;S1——CODMnb再悬浮速率;CODMnb——沉降CODMn。

根据区域经济发展及陕西省污染治理相关规划,至2030年工程运行时,泾河陕西段河道水质应满足相应水功能区水质要求(Ⅲ类)。故各有机物的初始浓度(即本底浓度)设置为Ⅲ类水标准上限值,即CODMn初始浓度为6 mg/L。由于东庄水库还未建成,无实测数据,东庄水库扩散系数根据相关经验取值D=15 m2/s[13],CODMn降解系数通过参考同类型水库文献[8]实验可得0.000 625/h。预测入库水质按照Ⅲ类水质标准上限值作为上游恒定水质边界。下游的水质边界设置为open transport,即下游水质边界条件由上游水质运输确定。

3 情景设置

东庄水库周围存在彬县、旬邑县、永寿县、礼泉县、淳化县,具体位置见图6。

图6 排污口位置

县城中存在许多工业企业以及高速公路,增加了突发事件发生的可能性,比如工业企业发生突发事件导致超标的污水泄漏或者发生交通事故导致满载危化品的汽车掉入库区。因此,对比分析东庄水库各个风险源,由于旬邑县周边分布大量的工业企业且CODMn排放量达到18 630.89 t/a,故将旬邑县作为突发水污染事故发生点,其他四县均按常规排放。由于东庄水库还未建成,有机物排放数据来源于2014年陕西省污染源普查数据,数据表明水库污染因子有总氮、总磷、CODMn等,由于CODMn是排放最多的有机物,所以本研究以CODMn为研究对象,设置4种不同情景,具体情景见表1。根据上游来流量(丰水期为176.6 m3/s、枯水期为16.1 m3/s),有机物排放流量(突发水污染事故排放的有机物流量一般较小)、排放时间的不同,研究4种不同情景下有机物爆发后在水库库区中的时空分布规律及浓度变化特征。

表1 CODMn突发水污染情景设置

4 结果分析

4.1 情景一结果分析

化学需氧量CODMn浓度变化见图7、8,其浓度沿程出现了正弦波衰减规律,随着时间的推移峰值浓度出现的位置向下游移动,数值沿程不断衰减。有机物在向下游传播过程中有机物浓度逐渐衰减,由图8可知前13.5 km有机物峰值浓度较大,沿程下降幅度较小,峰值浓度为10.7～11.9 mg/L;在距离事故发生地14 km处,CODMn峰值浓度呈现直线下降趋势,传播到下游15 km处时衰减至8.8 mg/L,用时11.8 h,该断面达到Ⅲ类水标准所需时间为11.2 h,消减了26.1%,下文中影响时间代表该断面达到Ⅲ类水标准上限值所需时间;至17.5 km处,浓度为7.6 mg/L,用时19.7 h,消减了36.1%;直至下游28 km处峰值浓度衰减至6.1 mg/L,消减了48.7%,但此时有机物浓度接近CODMnⅢ类水标准上限值6 mg/L。

图7 事故发生后不同位置CODMn浓度随时间的变化曲线

图8 事故发生后CODMn峰值浓度包络线

4.2 情景二结果分析

由图10可得,情景一与情景二有机物峰值浓度包络线规律相同。事故发生后,前13.5 km有机物峰值浓度均较大,下降幅度较小,峰值范围为8.4～8.9 mg/L,13.5 km之后有机物浓度呈现直线下降趋势。由图9可见,相比于情景一,情景二的不同之处在于有机物排放量减半。因此情景二中的有机物随时间的分布规律与情景一相同,仅数值不同。CODMn浓度峰值出现的位置随着时间的推移往下游推移,CODMn浓度峰值随着时间的推移呈现不断衰减状态。距离事故发生地5 km处,CODMn最大峰值浓度由情景一的11.9 mg/L减小到8.9 mg/L;距事故发生点15 km处衰减至7.4 mg/L,消减16.9%,用时11.8 h,影响时长11.2 h;距事故发生点17.5 km时,衰减至6.7 mg/L,消减24.7%,用时21.5 h,影响时长16.2 h。

图9 事故发生后不同位置CODMn浓度随时间的变化曲线

图10 事故发生后CODMn峰值浓度包络线

4.3 情景三结果分析

情景三上游来水量仅为16.1 m3/s,相比于情景一和情景二的上游来水量下降了90%。因此,不同断面上CODMn浓度随时间的变化规律及峰值浓度包络线图曲线形状发生较大变化。由图11可见,CODMn最大峰值浓度由情景二的8.9 mg/L增加到16.2 mg/L,上游来水量减小,有机物随水流向下游扩散速度降低,有机物浓度快速累积。与此同时,CODMn影响范围变小,影响时间变长。事故发生后,有机物持续排放了3 h后浓度达到最大,而后呈现迅速降低的趋势。由图12可见,距事故发生点0.5 km处,CODMn峰值浓度达到11.1 mg/L,用时4.3 h,影响时间为38.2 h;有机物传播至2 km处时峰值浓度衰减至7.8 mg/L,消减51.9%,用时16.8 h,影响时间为56.0 h;传播至4.0 km处衰减至6.5 mg/L,消减60%,用时42.5 h,影响时间为79.5 h。

图11 事故发生后不同位置CODMn浓度随时间的变化曲线

图12 事故发生后CODMn峰值浓度包络线

4.4 情景四结果分析

与情景三相比,情景四有机物排放时间减少。由图13、14可知,不同断面上CODMn浓度随时间变化及峰值浓度包络线曲线变化规律一致,仅在数值上有所不同。在事故发生地,CODMn最大峰值浓度为14.0 mg/L,有机物传播至断面0.5 km时,峰值浓度衰减至9.5 mg/L,衰减56.2%,用时1.2 h,影响时间3.2 h;传播至1 km处衰减至8.0 mg/L,消减75.0%,用时5.8 h,影响时间为7.8 h;至5 km处衰减至6.1 mg/L,消减98.8%。

图13 事故发生后不同位置CODMn浓度随时间的变化曲线

图14 事故发生后CODMn峰值浓度包络线

4.5 各情景有机物浓度特征值

各情景有机物浓度特征值见表2。

表2 各情景有机物浓度特征值

5 结论

a)利用MIKE 11水动力-ECO lab水质模型模拟预测了东庄水库突发水污染事故后有机物在库区的时空分布规律。结果表明:该模型可用于预测突发水污染事故发生后有机物的时空分布规律,为东庄水库水质安全问题提供方法及参考。

b)通过模拟结果可以看出,上游来水量的多少决定了污染物在库区的时空分布规律曲线。在污染物排放初期,上游来水量较大时,在水流携带作用下,污染物在累积的同时向下游快速传播;上游来水量较小时,水流携带作用明显减弱,污染物浓度快速累积。排放结束后,污染物浓度随时间推移沿程开始衰减。当污染物浓度相同时,上游来水流量较小时,事故发生后污染物在库区的影响时间、在水体中的峰值浓度值及峰现时间明显大于上游较大来水量,而影响距离小于上游较大来水量,可见上游来水量较小不利于污染物的稀释扩散,水体的自净能力较弱。当上游来水量相同时,改变污染物浓度仅改变峰值浓度数值。

c)给出了突发水污染事故后各断面有机物的时空分布规律,有关部门可根据不同断面的污染程度及下游受体的敏感程度有针对性地制定相应的应急调控方案,即根据断面浓度大小、影响时间及影响范围制定恰当的应急调控措施,减小突发水污染发生后对当地经济、人民生活等的巨大危害。