近年来黄河突发性水污染事件出现较为频繁,交通事故以及生产事故是引发水污染事件的主要原因。水利工程调度运用作为处置突发性水污染事件的重要手段,具有独特优势,已得到了广泛应用,其中断面流量控制是水量调度的基本手段之一。
2006年1月黄河一级支流伊洛河柴油污染事件发生后,黄委实施应急水量调度,分别采取减小支流水库下泄流量和加大小浪底水库下泄流量的措施,减少了单位时间内进入黄河干流的污染物总量,为地方政府组织实施柴油清理、处置污染事件赢得了时间,也降低了干流河水污染物浓度。
目前采用数学模型模拟水流中污染物的输移过程已成为一种有效手段,并为突发性水污染事件的快速处理提供直观的决策支持。王庆改等定量模拟了汉江水污染事件突发后污染物到达不同地点的时间和浓度值,并对突发风险事故的影响范围、程度、时间作出定量预报。匡翠萍等建立了黄浦江水污染模型,综合考虑事故发生后人工清污、调水稀释以及潮汐对黄浦江中污染物扩散的影响。辛小康等借助水质模型计算了三峡水库不同调度方式对宜昌江段三种排放类型污染物的缓解作用。王玲玲等通过数值试验方法得出通过改变三峡水库调度方式来控制支流富营养化污染的效果是十分有限。
然而,水利工程应用于水污染事件的处置时间较短,运用方式的选择尚不成熟,需要研究如何选择合理的调度方式,最大程度地发挥水利工程的作用。鉴于此,本研究以黄河小浪底水库以下河段为对象,针对其河床、水文与水污染特征,建立降雨径流、河网水动力学与污染物传输扩散相耦合的模型,通过改变下泄流量,实现了小浪底水库应急调度下河流水质模拟与长距离河流污染物传输的快速实时追踪。
1 模型建立
1. 1 研究区域
黄河小浪底以下两岸经济社会较为发达,水资源供需矛盾很突出。该河段是下游沿黄城市郑州、开封、濮阳、济南、滨州、东营等生活及工农业的供水水源,并向河北、天津、青岛、淄博等流域外调水,水资源开发利用程度较高。花园口以下河段泥沙淤积严重,是典型的地上“悬河”,受两岸大堤约束,入黄支流较少,除了极个别的排污口外,废污水难以入河,水体基本处于自净降解状态。研究范围涵盖小浪底大坝至黄河入海口区间,干流全长895. 7 km,地跨河南和山东两省。模型包含伊洛河和沁河水系,考虑到一些支流流量很小(尤其在非汛期基本小于1 m3/ s),对黄河干流水质不会造成明显影响,因此未包含新蟒河、天然文岩渠和金堤河等支流。
1. 2 模拟情景设定
模拟小浪底水库下游发生突发性水污染事件,该事件为一种溶解于水、难降解的液体(非重金属)物质排入黄河干流,进入黄河的时间为2008年1月10日11∶ 00∶ 00,污染物浓度为1 000 mg/ L,排放流量为20 m3/ s。此污染事件发生后,相关单位立即采取应急措施,小浪底水库随即改变常规运行方式,实施黄河应急水量调度。
为了研究小浪底水库对黄河下游突发性水污染事件调控影响的范围,设置污染事件分别发生在小浪底大坝下游的西霞院、伊洛河入黄口、沁河入黄口、花园口、夹河滩、高村、艾山、滨州8个事故地点(见图1),通过数值试验的方法模拟小浪底水库实施常规10种应急水量调度运行工况,即恒定下泄150、200、300、400、500、600、700、800、1 000、1 500 m3/ s等级流量及同期常规泄流(见图2)的水动力及污染物浓度随时空传输过程,分析小浪底水库在污染事件发生后采取加大及减小下泄流量措施,不同事故地点污染物质浓度的变化。【图1-2】
1. 3 模型设置及参数选取
基于MIKE11构建关于河流水动力、降雨径流和对流扩散模块的黄河下游水质应急模型,模拟突发性水污染事件,预报污染带到达地点、时间、范围、浓度与历时,通过修改边界条件(包括水动力、水质边界)、调整降解系数等方法预测不同应急处置方案的效果。模型考虑黄河干流沿岸工业、生活取水及跨流域调水的影响,采用2008年390个实测断面作为模拟断面,黄河干流平均每2 288 m一个实测断面。非汛期是黄河水污染控制和水量调度的重点时期,模拟时间设定为2008年1月3日09∶ 30∶ 00至2月1日00∶ 00∶ 00,时间步长Δt =3 min,满足计算稳定性条件。添加事故点源边界的同时将模型范围内污染物浓度本底值设为0 mg/ L,可计算得到事故过程对河流造成的污染物浓度增量。小浪底大坝泄流和伊河、洛河、沁河入流4个流量边界分别采用小浪底坝下、陆浑、长水、孔家坡4个测站的同期实测值。根据历史资料分析,模型下游入海水位边界设置为常水位3 m。另外,考虑到东平湖与黄河干流有可能进行水量交换,在模型中设置东平湖闸,但在模拟期间保持闸门关闭。对于河道污染物长距离传输的情形,水质模拟结果对扩散系数取值大小不敏感,本研究扩散系数取10 m2/ s。污染物到达下游各处的时间和浓度主要受控于河床糙率系数,根据黄河下游模拟区域的具体形态分河段定义不同的糙率值,从小浪底至高村糙率设定在0. 011 ~0. 017 s/ m1/3之间,高村以下糙率设定为0. 014 s/ m1/3,垂向糙率系数在0. 6 ~2. 5 s/ m1/3之间。
经验证,本研究构建的模型能满足突发性水污染事件对水量演进模拟的需要,另外模拟DO、BOD5、CODMn、CODCr、NH3-N和NO3- N水质因子的变化过程,计算结果表明花园口、高村、艾山、泺口和利津5个断面的水质浓度模拟值与实测值吻合较好,变化趋势相一致。
2 计算结果及分析
2. 1 水动力模拟结果
经计算得出污染事件发生时刻沿程流量变化过程(见图3)。【图3】
2008年1月10日11∶ 00∶ 00小浪底水库下泄流量为386m3/ s,在距离水库下游68 km和113 km处,分别有伊洛河和沁河两大支流汇入黄河,干流的水量在支流入黄口节点出现了突增的变化。在模拟时段,伊洛河和沁河水系出现降雨,形成的径流汇入黄河干流。另外,由于受河南和山东两省生活及工农业取水及跨流域调水的影响,干流水量从夹河滩至入海口整体呈沿程递减的趋势。
通过分析,可认为小浪底水库下泄流量基本决定着下游河道水量的变化,然而下游断面应对小浪底下泄流量的响应存在明显的时间差,见图4。当小浪底水库下泄流量为150 m3/ s时,下游花园口、高村、艾山、泺口、利津断面监测到的起始恒定流量时间分别为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;当小浪底水库下泄流量增加至1 500 m3/ s,相同5个断面数值监测到的起始恒定流量时间分别为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。由此可见,距离大坝越近的断面,对小浪底改变泄流的响应越及时,并且响应时间与下泄流量呈反比关系。【图4】
2. 2 污染物传输模拟结果
小浪底水库下泄流量从150 m3/ s增加至1 500 m3/ s,模拟结果表明随着下泄流量的增大,水流对西霞院事故地点的污染物有较明显的稀释作用。对下游花园口断面而言(见图5),污染物到达该断面的浓度峰值随着流量的增大而减小,然而污染物到达花园口的时间提前,持续时间缩短,其他断面也呈现类似特性。以污染物在西霞院断面投放,小浪底水库采取应急调度下泄200 m3/ s流量为例,在水库下泄流量为同一量级的条件下,由于河槽调蓄作用,下泄水量对断面的流速影响幅度减小、时间延长,因此污染物经水流传输到下游断面浓度峰值依次减,到达各个断面传输时间逐渐增大(见图6)。另外,污染物传播至下游花园口、夹河滩、高村、孙口、艾山、泺口、利津断面的浓度过程对其持续时间进行积分,表明在忽略污染物自身生化降解反应、污染物总量保持不变的条件下,积分得到的面积值接近,但由于研究区域降雨形成径流及不同河段工业、生活取水量不同,因此数值略有差别。【图5-6】
3 下游水污染事件对小浪底水库应急调度响应范围
通过改变源强排放位置,可得到突发性水污染事件发生在不同地点的污染团向下游输移演进过程。结果表明:小浪底水库下泄150 ~1 500 m3/ s等级流量,对污染事件发生在西霞院、伊洛河入黄口、沁河入黄口、花园口、夹河滩、高村、艾山、滨州时污染物传输产生的影响程度不同。图7为事故地点位于西霞院、高村、艾山时污染物浓度峰值(计算节点浓度最大值)的沿程变化线。由图7可知,突发性水污染事件发生地点距离小浪底大坝越近,小浪底水库泄流对传输污染物的稀释作用越明显。按照设定排放情景模拟,经计算表明:事故地点位于伊洛河入黄口,小浪底水库下泄等级流量对污染物传输的影响范围为花园口及其下游断面;事故地点位于沁河入黄口,小浪底水库下泄等级流量的影响范围为夹河滩及其下游断面;事故地点位于花园口,小浪底水库下泄等级流量的影响范围为渠村引黄闸(往濮阳供水)及其下游断面;事故地点位于夹河滩,小浪底水库下泄等级流量的影响范围为艾山及其下游断面;事故发生在高村时,小浪底水库下泄等级流量仅对老徐庄引黄闸(往济南供水)及其下游断面产生较小的影响。【图7.略】
另外,通过分析可知,事故地点发生在艾山和滨州时,污染物到达两个事故地点下游断面的浓度峰值对于小浪底水库下泄150 ~1 500 m3/ s等级流量的变化率均为0,说明不受小浪底水库下泄流量的影响。
4 结果讨论
根据黄河典型断面环境水量推荐意见,在11月至来年2月,小浪底断面的环境流量(环境自净水量)为300 m3/ s,花园口断面的环境流量为320 m3/ s。本研究模拟污染事件发生时刻,小浪底以下河段的平均流量为330 m3/ s,为2008年非汛期较小值。以此值作为下游河道的背景流量,小浪底水库下泄150 ~1 500 m3/ s量级的水量对污染事件发生地点位于高村(河南、山东两省省界)上游河段的污染物传输过程有一定影响,事故地点距离大坝越近,污染物传输受小浪底水库应急调度的影响越明显。发生地点位于高村以下河段的污染事件,不在小浪底水库可调水体的响应范围内,小浪底水库实施应急调度不具有可操作性。
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