王兴伟，陈家军，郑海亮

(1.北京师范大学环境学院水沙科学教育部重点实验室,北京 100875；2.中国科学院高能物理研究所,北京 100049)

南水北调中线京石段突发性水污染事故污染物运移扩散研究

王兴伟1，陈家军1，郑海亮2

(1.北京师范大学环境学院水沙科学教育部重点实验室,北京 100875；2.中国科学院高能物理研究所,北京 100049)

基于MIKE11模型的水动力模块、对流扩散模块建立了南水北调中线京石段的水质模拟模型,通过对模型的率定和验证,表明该模型具有较理想的模拟效果。在此基础上构建模拟段突发性水污染事故污染物运移扩散模型,模拟了典型跨渠公路桥上发生危险货物运输倾翻事故后污染团的迁移扩散过程,以及污染团到达下一个分水口和退水闸的时间和浓度,旨在为制定京石段干渠突发性水环境污染事故应急方案提供依据。

南水北调中线；京石段；突发水污染；危险货物；运输事故；污染物运移扩散模型；水质模拟模型；模型率定；模型验证

南水北调中线总干渠输水线路较长,沿线自然社会经济条件复杂,工程运行将受到很多不确定性因素的影响,如气候、洪水、地震、滑坡、建筑物损害、人为失误和交通事故等[1]。因此,对总干渠各种不确定性因素带来的风险进行分析和预警预报已成为目前工程管理的热点和难点。已有研究对南水北调中线工程河北段的环境风险进行了分析,认为地表水污染风险、大气沉降污染风险、地下水渗透污染风险和突发性环境污染事故风险是影响总干渠水质安全的潜在环境风险,而突发水污染事故风险对总干渠水质造成的危害比其他类型的环境风险更为严重[2],因为总干渠输水工程沿线的控制建筑物和交叉建筑物众多,出现交通事故的隐患较大,一旦载有污染物质的车辆翻入干渠形成突发性水污染事故,将严重危及总干渠水质安全[3-4]。

图1 京石段干渠模拟段沿线各构筑物示意图

水污染事故发生突然,污染危害较大,难以控制[5]。研究水污染事故的关键,在于研究事故发生后,水流的特性以及污染物在水体中的输移扩散过程[6-7]。在突发水污染事故污染物迁移模拟预测方面,国内外学者针对不同的地表水体、不同种类污染物等进行了诸多模型研究。如Galabov等[8]采用数值模型MOTHY评估了石油泄漏事故对布尔加斯港口水环境风险的影响,并确定了危险区域和其出现的条件；Manel等[9]通过数学模型模拟并分析了西班牙Barcelona港在近岸潮流的影响下发生水污染事故后不同水域受影响的程度；张晨等[10-11]运用数值模型对引黄济津河道和于桥水库下游渠道段在突发水污染事件下的水动力和水质模拟进行了分析；房彦梅等[12]利用一维水力学和水质数值模型方法对南水北调中线工程典型渠段突发性水污染事故应急控制策略进行模拟分析。上述研究都针对突发性污染事故情况下污染物在水体中的输移扩散过程,但已有关于南水北调工程的风险研究多针对交叉建筑物的失效及防洪风险分析[13-14],针对南水北调总干渠跨渠桥梁上危险货物运输发生倾翻事故从而引发干渠突发水污染事故的相关模拟分析很少。

本文以南水北调中线工程京石段为例,针对该段跨渠桥梁上危险货物运输事故风险,建立了南水北调中线京石段干渠突发性水污染事故的污染物输移扩散模型,应用MIKE水质模型软件对污染物在干渠内的污染扩散情况进行模拟。对突发事故的影响范围、程度、时间做出定量预报,揭示突发事故发生后,节制闸未参与调控情况下的污染物输移扩散规律,为京石段干渠突发性水环境污染事故的应急方案的优选提供依据。

1 模拟段介绍

选定的模拟段从河北省保定市曲阳县孟良河至河北省保定市涿州市北拒马渠段,全长157km,总水头10.172m,该渠段含有中线干渠所有的水工构筑物类型,以及地下水内排段(即地下水水位高于渠底段及地下水水位高于设计水位段),具有很强的代表性。沿途分水口、闸门及水工构筑物见图1。选取两座典型跨渠桥梁唐县西环路桥(一级桥梁)和店北公路桥(二级桥梁),距离模拟起始地段分别为26070m和121972m。这两座典型跨渠桥梁所跨干渠段的水力参数见表1。本研究针对两座典型跨渠桥梁危险货物运输事故风险,模拟风险事故情况下污染物迁移状况,以及污染团到达跨渠桥梁下高昌分水口(距离模拟起始段29994m)和下车亭分水口(距离模拟起始段126 344m)及曲逆河中支退水闸(距离模拟起始段41 367m)和水北沟退水闸(距离模拟起始段144546m)的时间及浓度。

表1 典型公路桥所跨干渠段的水力参数

对于跨渠桥梁上危险货物运输事故导致的干渠突发水污染而言,事故泄漏的污染物浓度较大,瞬时排入河流中的量也较多,对事故后果的估算主要关心泄漏后不同时段内被污染渠道的长度及污染物的浓度变化情况。在运用MIKE 11水质模型模拟跨渠桥梁上危险货物运输事故情景下污染扩散情况前,需建立水动力模型及对流扩散模型。

2 水动力模型的建立

对于模拟段,因为干渠深度和宽度相对于模拟段的长度较小,则干渠内水的流动可以看成一维流动。MIKE 11水动力模型(HD)是一维水动力模型,主要用于洪水预报及调度措施、河渠/灌溉系统的设计调度及河口风暴潮的研究。应用MIKE 11 HD模块模拟京石段干渠的水位和流量,水动力的模拟结果可作为后续对流扩散模拟的基础。

a.水动力模型的数据文件。MIKE 11水动力模型主要包括的数据文件有:河网文件(.nwk11)、断面文件(.xns11)、边界条件(.bnd11)、模型参数文件(.hd11)。所有断面数据均来自设计资料,边界条件采用模拟段上游流量、下游水位边界,将收集到的2009年的实测数据输入到边界文件中。

b.水动力模型的率定。水动力模型的率定主要是调整河床糙率,率定年为2009年,河床糙率初始值取0.015(设计值)。由率定结果可以得出,糙率为0.012时,监测断面的实测流量值和模拟值比较吻合。

c.水动力模型的验证,采用2009年率定的模型结果,用2010年的数据做进一步的模型验证,模拟的流量与水位均与实测值比较吻合,误差均控制在15%以内。因此HD模型总体上符合要求,可以作为后续水质模型的基础。

3 对流扩散模型建立

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。对于突发性水污染事故,由于污染物的浓度较大,瞬间排入干渠的污染物量较多,如考虑排入干渠的污染物量相比于干渠流量小得多,则MIKE 11的对流扩散模型可以满足模拟污染物的运移过程要求,实现突发性水污染事故的场景分析。MIKE 11 AD采用的一维河流水质模型基本方程为

式中:ρ为模拟物质的质量浓度；u为河流平均流速；Ex为对流扩散系数；K为模拟物质的一级衰减系数；x为空间坐标；t为时间坐标。

对流扩散模型是在水动力模型的基础上建立的,在水动力模型边界的基础上加上突发性污染物泄漏的一个时间序列作为内部边界,其他边界处该污染物的浓度设置为0。本研究揭示事故发生后节制闸未参与调控情况下的污染物输移扩散规律。

在突发水污染事故研究中,研究对象大多是难降解的有机有毒物质,且研究要求在短时间内得知污染物的浓度分散情况,因此污染物的对流扩散对污染物的迁移起着重要作用。由于实际条件限制,无法进行实际测算,对流扩散系数E须借助于经验公式或者理论分析的方法来确定。朱德军[15]针对京石明渠段的突发水污染事故进行了模拟分析,并采用回归方法得到了对称梯形断面明渠中纵向离散系数E的计算公式如下:

式中:M为突发污染物泄漏量,g；βi为反映侧壁对流速分布影响的主要参数,βi越大,侧壁对断面流速分布的影响越大,反之亦然；B为干渠底宽,m；u-为渠道平均流速,m/s；α为粗糙系数,取0.015；h为渠道中水深,m；υ*为渠道剪切流速,m/s。对流扩散系数E取值范围为15～20m2/s。

4 污染物运移过程动态模拟

根据《国家危险废物名录》、GB 18218—2000《重大危险源辨识》、GB 50844—85《职业性接触毒物危害程度分级》的相关规定,本研究以有毒有害物质氰化钠为泄漏物质来分析事故危害后果。由南水北调中线工程总干渠供水水质要求可知,干渠内水质应执行GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅱ类标准,按地表水Ⅱ类标准保护,因此达到水质标准要求的氰化钠质量浓度应不大于0.005mg/L。

据相关研究,唐县西环路桥和店北公路桥发生危险货物运输车辆事故的概率分别为3.25×10-4和8.64×10-6,事故发生的概率风险很小,但并不为零,表明危险货物在跨渠桥梁上运输对干渠水体的安全威胁仍然存在[16],因此,有必要对跨渠桥梁上危险货物运输事故导致的干渠突发性水污染进行模拟分析,从而为京石段干渠突发性水环境污染事故应急方案的制定提供科学、可行的依据。

本研究假定一辆装有氰化钠的储罐货车在京石段跨渠桥梁上发生翻车事故,并造成罐内的氰化钠泄入干渠。在0.5h时间里共有9 t污染物流到干渠,该污染物的质量浓度为1000mg/L(流量为5m3/s)。

4.1 唐县西环路桥突发性危险货物运输事故动态模拟

4.1.1 污染团的迁移扩散模拟

图2显示了唐县西环路桥突发性危险货物运输事故发生后各断面最大污染物质量浓度分布情况。由图2可知,在唐县西环路桥发生突发性危险货物运输事故后,在断面26.4 km处(即唐县西环路桥下游330m处),最大污染物质量浓度为1.03mg/L,之后随着污染物不断地被稀释扩散,污染物质量浓度在下游各断面呈下降趋势,在断面146.7 km处(即唐县西环路桥下游120.7 km处)污染物质量浓度已下降为0.004mg/L,低于氰化钠Ⅱ类水质标准要求,这说明当唐县西环路桥发生突发性危险货物运输事故后,如若不进行任何应急措施,由于水量的稀释扩散作用,在其下游120 km处,污染物质量浓度依然能达到Ⅱ类水质标准要求。

图2 事故发生后各断面最大污染物质量浓度分布情况(唐县西环路桥情景)

从污染物运移时间上来看,在唐县西环路桥发生突发性危险货物运输事故,1 h后,污染物质量浓度达到最大,为1.03mg/L,此后随着时间的推移,污染物质量浓度逐渐下降；30 h后,污染峰迁移至断面28.5 km处,最大污染物质量浓度为0.29mg/L,相比事故刚发生时的最大污染物质量浓度下降了71.8%；59 h后,污染峰迁移至断面31 km处,最大污染物质量浓度为0.19mg/L,相比事故刚发生后最大污染物质量浓度下降了81.6%,但此时污染物质量浓度仍远远大于0.005mg/L,水质污染严重。

4.1.2 高昌分水口断面污染物质量浓度变化

图3为唐县西环路桥突发性危险货物运输事故发生后高昌分水口断面污染物质量浓度变化情况。从图3中可以看出,在事故发生后37.2 h,污染物已经迁移到此断面处,质量浓度为0.001mg/L,而在40.8 h后,污染物质量浓度已经增大到0.006mg/L,此时污染物质量浓度已经超过氰化钠Ⅱ类标准,表明此时水质已被污染。在110.4 h后,该分水口断面处污染物质量浓度达到最大值0.134mg/L,此时水质被严重污染,此后由于稀释扩散降解作用,污染物质量浓度在逐渐降低,在328.8 h后,污染物质量浓度降到0.004mg/L,已经低于氰化钠Ⅱ类标准,表明此时水质已恢复正常。由模拟结果可知,在事故发生后40.8～328.8 h时间段内,由高昌分水口分水(分水流量3.0m3/s)的水质已被污染(氰化钠质量浓度已经超过GB3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅱ类标准),对此段时间内由该分水口所分的水量应采取适当的措施处理后,方可进行使用。

图3 高昌分水口断面污染物质量浓度变化情况

图4 曲逆河中支退水闸断面污染物质量浓度变化情况

4.1.3 曲逆河中支退水闸断面污染物浓度变化

图4为唐县西环路桥突发性危险货物运输事故发生后曲逆河中支退水闸断面污染物质量浓度变化情况。从图4中可以看出,事故发生后96 h,污染物已经迁移到此断面处,质量浓度为0.001mg/L,而在109.2 h,污染物质量浓度已经增大到0.005mg/L,已经超过氰化钠Ⅱ类标准,表明此时水质已被污染。事故发生后235.2 h,该分水口断面处污染物质量浓度达到最大值0.086mg/L,此时水质被严重污染。此后由于稀释扩散降解作用,污染物质量浓度逐渐降低,事故发生后517.2 h时,污染物质量浓度降到0.004mg/L,已经低于氰化钠Ⅱ类标准,此时水质已恢复正常。由模拟结果可知,事故发生后109.2～517.2 h时间段内,曲逆河中支退水闸断面处水质已被污染,氰化钠质量浓度已经超过GB3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅱ类标准,此时需开启退水闸,将受污染水排出。

4.2 店北公路桥突发性危险货物运输事故动态模拟

4.2.1 污染团的迁移扩散模拟

图5显示了店北公路桥突发性危险货物运输事故发生后各断面最大污染物质量浓度分布情况。由图5可知,在唐县西环路桥突发性危险货物运输事故发生后,污染物质量浓度在断面122.136 km处(即店北公路桥下游164m处)为1.17mg/L,之后随着污染物不断地被稀释扩散,最大污染物质量浓度在下游各断面呈现下降趋势,在断面157 km处(即店北公路桥下游34 km处),模拟段终点位置,最大污染物质量浓度下降为0.024mg/L,但仍高于氰化钠Ⅱ类水质标准要求。

图5 事故发生后各断面最大污染物质量浓度分布情况(店北公路桥情景)

从污染物运移时间上来看,在事故发生后1 h污染物质量浓度达到最大,为1.17mg/L,此后随着污染物不断地被稀释扩散,污染物质量浓度在逐渐降低。45 h后,污染峰迁移至断面124.592 km处,最大污染物质量浓度为0.21mg/L,相比事故发生后下降了82.1%；在122 h后,污染峰迁移至断面127.472m处,最大污染物质量浓度为0.15 mg/L,相比事故发生后下降了87.2%,但此时污染物浓度仍远远大于0.005mg/L,水质污染严重。

4.2.2 下车亭分水口断面污染物质量浓度变化情况

图6为店北公路桥突发性危险货物运输事故发生后下车亭分水口断面污染物质量浓度变化情况。从图6可以看出,事故发生后154.8 h,污染物已经迁移到此断面处,质量浓度为0.001 mg/L,而在202.8h时污染物质量浓度已经增大到0.005mg/L,超过氰化钠Ⅱ类标准,表明此时水质已被污染。476.4 h时,该分水口断面处污染物质量浓度达到最大值0.082mg/L,此时水质被严重污染,此后由于稀释扩散降解作用,污染物质量浓度在逐渐降低,事故发生后1185.6h时,污染物质量浓度降到0.004mg/L,已经低于氰化钠Ⅱ类标准,表明此时水质已恢复正常。由模拟结果可知,在事故发生后202.8～1185.6h时间段内,由下车亭分水口(分水量:3.0m3/s)分水水质已被污染(氰化钠质量浓度已经超过GB3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅱ类标准),对此段时间内由该分水口所分的水量,应采取适当的措施处理方可进行使用。4.2.3 水北沟退水闸断面污染物质量浓度变化情况

图6 下车亭分水口断面污染物质量浓度变化情况

图7 水北沟退水闸断面污染物质量浓度变化情况

图7为店北公路桥突发性危险货物运输事故发生后水北沟退水闸断面污染物质量浓度变化情况。从图7可以看出,事故发生后214.8 h,污染物已经迁移到此断面处,质量浓度为0.001 mg/L,而在276 h时,污染物质量浓度已经增大到0.005mg/L,已经超过氰化钠Ⅱ类标准,表明此时水质已被污染。在588 h时,该分水口断面处污染物质量浓度达到0.073mg/L,此时水质被严重污染。此后由于稀释扩散降解作用,污染物质量浓度逐渐降低,在1347.6 h时,污染物质量浓度降到0.004mg/L,已经低于氰化钠Ⅱ类标准,表明此时水质已恢复正常。由模拟结果可知,在事故发生后276～1347.6 h时间段内,水北沟退水闸断面处水质已被污染(氰化钠质量浓度已经超过GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅱ类标准),此时需开启退水闸,将受污染水排出。

5 结 语

建立了基于突发性水污染事故的南水北调中线京石段污染物运移扩散模型,应用MIKE 11的水动力模块和对流扩散模块模拟了典型跨渠公路桥唐县西环路桥和店北公路桥发生危险货物运输倾翻事故后污染物运移扩散过程。采用本研究建立的模型,

可模拟污染团的运移、扩散过程,预报倾翻事故发生后,污染团达到下一个分水口及退水闸的时间及质量浓度,结合GB3838—2002《地表水环境质量标准》,对污染物进行调控,通过开启退水闸,将污染物进行外排处理,可保证供水水质安全。本研究可为京石段干渠突发性水环境污染事故应急方案的优选提供依据。

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Research on pollutantm igration and diffusion in sudden water pollution
accident in Beijing-Shijiazhuang Section of
M iddle Route of South-to-North W ater Transfer Project

W ANG Xingwei1,CHEN Jiajun1,ZHENG Hailiang2
(1.Key Laboratory ofWater and Sediment Sciences,Ministry of Education,School of Environment, Beijing Normal University,Beijing 100875,China；2.Institute ofHigh Energy Physics Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

Based on the Hydrodynamic model of MIKE11,the water quality simulation model in the Beijing-Shijiazhuang Section of the Middle Route of South-to-NorthWater Transfer Projectwas established.The coefficients calibration andmodel verification indicated that the establishedmodel had a good simulation result.Based on that, models of pollutant migration and diffusion during sudden water pollution accident were established.The model simulated themigration and diffusion of pollutant in the open channel of the Middle Route after dangerous goods transportation accident on the bridge happening.Furthermore,the arrival time and concentration of pollutant in the next turnouts and water discharge gatewere also simulated.The obtained results could provide scientific and useful information for emergency plan of sudden water pollution in the Beijing-Shijiazhuang Section of the Middle Route of South-to-North Water Transfer Project.

Middle Route of South-to-North Water Transfer Project；Beijing-Shijiazhuang Section；sudden water pollution；dangerous goods；transportation accident；pollutant migration and diffusion model；water quality simulationmodel；model calibration；model testify

TV122

：A

：1004 6933(2015)06 0103 06

10.3880/j.issn.1004 6933.2015.06.017

2015 01 08 编辑:彭桃英)

国家科技支撑计划课题(2011BAC12AB02)；国家自然基金(11005119)

王兴伟(1986—),男,博士,主要研究方向为水质模拟及风险分析。E-mail:wangxingwei0812@gmail.com通信作者:陈家军,教授。E-mail:chenjiajun@bnu.edu.cn