近年來黃河突發性水污染事件出現較為頻繁,交通事故以及生產事故是引發水污染事件的主要原因。水利工程調度運用作為處置突發性水污染事件的重要手段,具有獨特優勢,已得到了廣泛應用,其中斷面流量控制是水量調度的基本手段之一。
2006年1月黃河一級支流伊洛河柴油污染事件發生后,黃委實施應急水量調度,分別采取減小支流水庫下泄流量和加大小浪底水庫下泄流量的措施,減少了單位時間內進入黃河干流的污染物總量,為地方政府組織實施柴油清理、處置污染事件贏得了時間,也降低了干流河水污染物濃度。
目前采用數學模型模擬水流中污染物的輸移過程已成為一種有效手段,并為突發性水污染事件的快速處理提供直觀的決策支持。王慶改等定量模擬了漢江水污染事件突發后污染物到達不同地點的時間和濃度值,并對突發風險事故的影響范圍、程度、時間作出定量預報?？锎淦嫉冉⒘它S浦江水污染模型,綜合考慮事故發生后人工清污、調水稀釋以及潮汐對黃浦江中污染物擴散的影響。辛小康等借助水質模型計算了三峽水庫不同調度方式對宜昌江段三種排放類型污染物的緩解作用。王玲玲等通過數值試驗方法得出通過改變三峽水庫調度方式來控制支流富營養化污染的效果是十分有限。
然而,水利工程應用于水污染事件的處置時間較短,運用方式的選擇尚不成熟,需要研究如何選擇合理的調度方式,最大程度地發揮水利工程的作用。鑒于此,本研究以黃河小浪底水庫以下河段為對象,針對其河床、水文與水污染特征,建立降雨徑流、河網水動力學與污染物傳輸擴散相耦合的模型,通過改變下泄流量,實現了小浪底水庫應急調度下河流水質模擬與長距離河流污染物傳輸的快速實時追蹤。
1 模型建立
1. 1 研究區域
黃河小浪底以下兩岸經濟社會較為發達,水資源供需矛盾很突出。該河段是下游沿黃城市鄭州、開封、濮陽、濟南、濱州、東營等生活及工農業的供水水源,并向河北、天津、青島、淄博等流域外調水,水資源開發利用程度較高?；▓@口以下河段泥沙淤積嚴重,是典型的地上“懸河”,受兩岸大堤約束,入黃支流較少,除了極個別的排污口外,廢污水難以入河,水體基本處于自凈降解狀態。研究范圍涵蓋小浪底大壩至黃河入?？趨^間,干流全長895. 7 km,地跨河南和山東兩省。模型包含伊洛河和沁河水系,考慮到一些支流流量很小\\(尤其在非汛期基本小于1 m3/ s\\),對黃河干流水質不會造成明顯影響,因此未包含新蟒河、天然文巖渠和金堤河等支流。
1. 2 模擬情景設定
模擬小浪底水庫下游發生突發性水污染事件,該事件為一種溶解于水、難降解的液體\\(非重金屬\\)物質排入黃河干流,進入黃河的時間為2008年1月10日11∶ 00∶ 00,污染物濃度為1 000 mg/ L,排放流量為20 m3/ s。此污染事件發生后,相關單位立即采取應急措施,小浪底水庫隨即改變常規運行方式,實施黃河應急水量調度。
為了研究小浪底水庫對黃河下游突發性水污染事件調控影響的范圍,設置污染事件分別發生在小浪底大壩下游的西霞院、伊洛河入黃口、沁河入黃口、花園口、夾河灘、高村、艾山、濱州8個事故地點\\(見圖1\\),通過數值試驗的方法模擬小浪底水庫實施常規10種應急水量調度運行工況,即恒定下泄150、200、300、400、500、600、700、800、1 000、1 500 m3/ s等級流量及同期常規泄流\\(見圖2\\)的水動力及污染物濃度隨時空傳輸過程,分析小浪底水庫在污染事件發生后采取加大及減小下泄流量措施,不同事故地點污染物質濃度的變化?！緢D1-2】
1. 3 模型設置及參數選取
基于MIKE11構建關于河流水動力、降雨徑流和對流擴散模塊的黃河下游水質應急模型,模擬突發性水污染事件,預報污染帶到達地點、時間、范圍、濃度與歷時,通過修改邊界條件\\(包括水動力、水質邊界\\)、調整降解系數等方法預測不同應急處置方案的效果。模型考慮黃河干流沿岸工業、生活取水及跨流域調水的影響,采用2008年390個實測斷面作為模擬斷面,黃河干流平均每2 288 m一個實測斷面。非汛期是黃河水污染控制和水量調度的重點時期,模擬時間設定為2008年1月3日09∶ 30∶ 00至2月1日00∶ 00∶ 00,時間步長Δt =3 min,滿足計算穩定性條件。添加事故點源邊界的同時將模型范圍內污染物濃度本底值設為0 mg/ L,可計算得到事故過程對河流造成的污染物濃度增量。小浪底大壩泄流和伊河、洛河、沁河入流4個流量邊界分別采用小浪底壩下、陸渾、長水、孔家坡4個測站的同期實測值。根據歷史資料分析,模型下游入海水位邊界設置為常水位3 m。另外,考慮到東平湖與黃河干流有可能進行水量交換,在模型中設置東平湖閘,但在模擬期間保持閘門關閉。對于河道污染物長距離傳輸的情形,水質模擬結果對擴散系數取值大小不敏感,本研究擴散系數取10 m2/ s。污染物到達下游各處的時間和濃度主要受控于河床糙率系數,根據黃河下游模擬區域的具體形態分河段定義不同的糙率值,從小浪底至高村糙率設定在0. 011 ~0. 017 s/ m1/3之間,高村以下糙率設定為0. 014 s/ m1/3,垂向糙率系數在0. 6 ~2. 5 s/ m1/3之間。
經驗證,本研究構建的模型能滿足突發性水污染事件對水量演進模擬的需要,另外模擬DO、BOD5、CODMn、CODCr、NH3-N和NO3- N水質因子的變化過程,計算結果表明花園口、高村、艾山、濼口和利津5個斷面的水質濃度模擬值與實測值吻合較好,變化趨勢相一致。
2 計算結果及分析
2. 1 水動力模擬結果
經計算得出污染事件發生時刻沿程流量變化過程\\(見圖3\\)?！緢D3】
2008年1月10日11∶ 00∶ 00小浪底水庫下泄流量為386m3/ s,在距離水庫下游68 km和113 km處,分別有伊洛河和沁河兩大支流匯入黃河,干流的水量在支流入黃口節點出現了突增的變化。在模擬時段,伊洛河和沁河水系出現降雨,形成的徑流匯入黃河干流。另外,由于受河南和山東兩省生活及工農業取水及跨流域調水的影響,干流水量從夾河灘至入?？谡w呈沿程遞減的趨勢。
通過分析,可認為小浪底水庫下泄流量基本決定著下游河道水量的變化,然而下游斷面應對小浪底下泄流量的響應存在明顯的時間差,見圖4。當小浪底水庫下泄流量為150 m3/ s時,下游花園口、高村、艾山、濼口、利津斷面監測到的起始恒定流量時間分別為1月13日14∶ 00∶ 00、1月15日00∶ 00∶ 00、1月17日16∶ 30∶ 00、1月19日07∶ 00∶ 00、1月21日09∶ 30∶ 00;當小浪底水庫下泄流量增加至1 500 m3/ s,相同5個斷面數值監測到的起始恒定流量時間分別為1月13日00∶ 00∶ 00、1月13日22∶ 00∶ 00、1月15日10∶ 00∶ 00、1月16日11∶ 30∶ 00、1月17日18∶ 00∶ 00。由此可見,距離大壩越近的斷面,對小浪底改變泄流的響應越及時,并且響應時間與下泄流量呈反比關系?！緢D4】
2. 2 污染物傳輸模擬結果
小浪底水庫下泄流量從150 m3/ s增加至1 500 m3/ s,模擬結果表明隨著下泄流量的增大,水流對西霞院事故地點的污染物有較明顯的稀釋作用。對下游花園口斷面而言\\(見圖5\\),污染物到達該斷面的濃度峰值隨著流量的增大而減小,然而污染物到達花園口的時間提前,持續時間縮短,其他斷面也呈現類似特性。以污染物在西霞院斷面投放,小浪底水庫采取應急調度下泄200 m3/ s流量為例,在水庫下泄流量為同一量級的條件下,由于河槽調蓄作用,下泄水量對斷面的流速影響幅度減小、時間延長,因此污染物經水流傳輸到下游斷面濃度峰值依次減,到達各個斷面傳輸時間逐漸增大\\(見圖6\\)。另外,污染物傳播至下游花園口、夾河灘、高村、孫口、艾山、濼口、利津斷面的濃度過程對其持續時間進行積分,表明在忽略污染物自身生化降解反應、污染物總量保持不變的條件下,積分得到的面積值接近,但由于研究區域降雨形成徑流及不同河段工業、生活取水量不同,因此數值略有差別?！緢D5-6】
3 下游水污染事件對小浪底水庫應急調度響應范圍
通過改變源強排放位置,可得到突發性水污染事件發生在不同地點的污染團向下游輸移演進過程。結果表明:小浪底水庫下泄150 ~1 500 m3/ s等級流量,對污染事件發生在西霞院、伊洛河入黃口、沁河入黃口、花園口、夾河灘、高村、艾山、濱州時污染物傳輸產生的影響程度不同。圖7為事故地點位于西霞院、高村、艾山時污染物濃度峰值\\(計算節點濃度最大值\\)的沿程變化線。由圖7可知,突發性水污染事件發生地點距離小浪底大壩越近,小浪底水庫泄流對傳輸污染物的稀釋作用越明顯。按照設定排放情景模擬,經計算表明:事故地點位于伊洛河入黃口,小浪底水庫下泄等級流量對污染物傳輸的影響范圍為花園口及其下游斷面;事故地點位于沁河入黃口,小浪底水庫下泄等級流量的影響范圍為夾河灘及其下游斷面;事故地點位于花園口,小浪底水庫下泄等級流量的影響范圍為渠村引黃閘\\(往濮陽供水\\)及其下游斷面;事故地點位于夾河灘,小浪底水庫下泄等級流量的影響范圍為艾山及其下游斷面;事故發生在高村時,小浪底水庫下泄等級流量僅對老徐莊引黃閘\\(往濟南供水\\)及其下游斷面產生較小的影響?！緢D7.略】
另外,通過分析可知,事故地點發生在艾山和濱州時,污染物到達兩個事故地點下游斷面的濃度峰值對于小浪底水庫下泄150 ~1 500 m3/ s等級流量的變化率均為0,說明不受小浪底水庫下泄流量的影響。
4 結果討論
根據黃河典型斷面環境水量推薦意見,在11月至來年2月,小浪底斷面的環境流量\\(環境自凈水量\\)為300 m3/ s,花園口斷面的環境流量為320 m3/ s。本研究模擬污染事件發生時刻,小浪底以下河段的平均流量為330 m3/ s,為2008年非汛期較小值。以此值作為下游河道的背景流量,小浪底水庫下泄150 ~1 500 m3/ s量級的水量對污染事件發生地點位于高村\\(河南、山東兩省省界\\)上游河段的污染物傳輸過程有一定影響,事故地點距離大壩越近,污染物傳輸受小浪底水庫應急調度的影響越明顯。發生地點位于高村以下河段的污染事件,不在小浪底水庫可調水體的響應范圍內,小浪底水庫實施應急調度不具有可操作性。
參考文獻:
[1]Cheng C Y,Qian X. Evaluation of Emergency Planning for Water Pollution Inci\ue011dents in Reservoir Based on Fuzzy Comprehensive Assessment[J]. ProcediaEnvironmental Sciences,2010:566 -570.
[2]史瑞蘭,孫照東,曾永,等.黃河下游水量稀釋調度若干問題的探討[J].人民黃河,2011,33\\(8\\):58 -59.
[3]鐘德鈺,禹雪中,丁.挾沙水流中石油類污染物輸移轉化的數值模擬[J].泥沙研究,2007\\(2\\):24 -29.
[4]魏娟,李然,康鵬,等.水流交匯區污染物輸移擴散特性[J].水科學進展,2012,23\\(6\\):822 -828.
[5]茅澤育,武蓉,馬吉明.明渠交匯口水流及污染物輸移數值計算[J].水利學報,2003\\(8\\):43 -48.
[6]陸俊卿,張小峰,易靈.分層水庫污染物輸移影響因素分析\\(Ⅰ\\)———入庫條件影響分析[J].水動力學研究與進展:A輯,2009,24\\(5\\):558 -565.
[7]肖柏青,李然,羅麟,等.
