基于MIKE21的河道飲用水源地突發(fā)污染事故模擬

舒長莉　李林　馮韜

摘要：為及時(shí)處理贛江南昌段突發(fā)性水污染事故，采用MIKE21二維水質(zhì)模型建立了贛江南昌段水動(dòng)力模型，通過耦合污染物傳輸模型研究了該河段.上游物質(zhì)釋放和運(yùn)移擴(kuò)散過程。模擬過程中，利用2013年贛江水文數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行率定和驗(yàn)證，在模擬精度符合要求的基礎(chǔ)上模擬了2013年贛江南昌段分別在豐、平、枯3種典型水文情勢下的突發(fā)水污染事故中污染物運(yùn)移擴(kuò)散過程。模擬結(jié)果表明：在豐、平水文情勢下，污染團(tuán)流過飲用水取水口速度較快，歷經(jīng)2～4h;枯水水文情勢下污染團(tuán)流過取水口較慢，歷時(shí)會(huì)超過10h;突發(fā)水污染事故對(duì)飲用水取水口影響程度受贛江水文情勢的影響顯著。

關(guān)鍵詞：河道型飲用水水源地;突發(fā)污染事故;MIKE21模型;污染過程模擬;贛江;南昌

中圖法分類號(hào)：X52 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.03.013

近年來，我國突發(fā)飲用水污染事進(jìn)入事故密集高發(fā)期，城市水源地安全與否直接影響到整個(gè)城市的供水安全，嚴(yán)重威脅居民正常生產(chǎn)、生活和生命健康。突發(fā)飲用水污染事故發(fā)生突然，如果沒有建立對(duì)應(yīng)的技術(shù)支撐，污染事故就不能得到有效控制。

水源地突發(fā)污染事故具有突發(fā)性和不確定性等特征，可在短時(shí)間內(nèi)造成水源地污染、城市停水和飲水中毒等問題，從而造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失，直接對(duì)人民群眾的身體健康構(gòu)成威脅，并對(duì)社會(huì)穩(wěn)定產(chǎn)生影響。贛江南昌段橫穿南昌市區(qū)，是南昌市主要水源地，該區(qū)域一旦水源地受到污染，會(huì)在很短時(shí)間內(nèi)造成城市水源污染和飲用供水系統(tǒng)的重大損失，將直接影響整個(gè)南昌市人民的正常生活。近年來，贛江南昌段過往船只和過江車輛數(shù)量不斷增加，發(fā)生突發(fā)水污染事故風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加，因此，通過模型模擬，明確贛江南昌段突發(fā)水污染事故對(duì)飲用水取水口的影響，具有重要的意義和價(jià)值。

模擬水污染事故發(fā)生過程中污染團(tuán)的遷移狀況以及污染物濃度在時(shí)間、空間2個(gè)維度上的變化，有利于制定應(yīng)急突發(fā)水污染事故的有效應(yīng)對(duì)措施，常用的水質(zhì)預(yù)測模型有SELECT、CE-QUAL-R1和CE-QUAL-W2等模型，美國國家環(huán)保署（EPA）開發(fā)的WASP、EFDC模型，美國農(nóng)業(yè)部（USDA）開發(fā)的SWAT模型等，以及丹麥水力學(xué)研究所（DHI）研制開發(fā)的MIKE軟件模型。其中MIKE21模型在河流水體的水動(dòng)力和水質(zhì)研究方面較為先進(jìn)，MIKE21水動(dòng)力模擬適合用忽略分層的二維自由表面流方程求解，目前應(yīng)用較為廣泛，在平面二維自由表面流數(shù)值模擬方面具有強(qiáng)大的功能，已應(yīng)用到河道和湖庫的水質(zhì)水動(dòng)力模擬并獲得學(xué)術(shù)界公認(rèn)。本次研究以MIKE21水動(dòng)力模型為基礎(chǔ)，建立贛江南昌段突發(fā)水污染事故風(fēng)險(xiǎn)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)突發(fā)水污染事故的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬，為贛江南昌段水域突發(fā)水污染事故預(yù)防和應(yīng)急預(yù)案制定提供指導(dǎo)。

1 研究背景

1.1 研究區(qū)概況

南昌市位于江西省中部偏北，贛江、撫河下游，地處鄱陽湖南岸濱湖尾閭地區(qū)，位于東經(jīng)115°27'～116°35'，北緯28°09'～29°11'之間。贛江在南昌市裘家洲分為東、西兩支，西河為進(jìn)入鄱陽湖并出長江的重要通道;東河在下游揚(yáng)子洲礁磯頭分為中支、東支，中支在朱港處匯入鄱陽湖;東支在三江口處匯入鄱陽湖。贛江南昌段上起丁家洲，下至贛江大橋，全長14km，最大日平均流量7920m3/s（2013年），最小日平均流量512m3/s（2013年），年平均流量1970m3/s，水量年內(nèi)變化顯著，最大日平均流量約為最小日平均流量的15倍。贛江南昌段共有24個(gè)水功能區(qū)，其中包括8個(gè)飲用水水源保護(hù)區(qū)。研究區(qū)內(nèi)分布有4個(gè)集中式生活飲用水水源地，分別為青云水廠、朝陽水廠、長棱水廠和下正街水廠水源地，如圖1所示。

1.2 MIKE21 FM基本原理

贛江南昌段水深較淺，平均不足10m，不存在明顯分層現(xiàn)象，采用平面二維模型可以滿足研究需要。經(jīng)模型比較，選擇使用MIKE21軟件包中的MIKE21FM模型。MIKE21 FM模型采用的數(shù)值計(jì)算方法為有限體積法，計(jì)算域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行概化，網(wǎng)格為三角形、四邊形的混合網(wǎng)格對(duì)于研究區(qū)域內(nèi)部分復(fù)雜的邊界，混合網(wǎng)格可增強(qiáng)模型的計(jì)算精度。

MIKE21 FM水動(dòng)力模型的控制方程為基于Boussinesq假定和水流連續(xù)性方程和x，y方向的動(dòng)量方程組成的流體靜壓假定的二維不可壓Navier-Stokes方程組，即淺水方程。

公式

式中，1為時(shí)間;x，y為右手Cartesian坐標(biāo)系;η為水位;h為靜止水深;u，0分別為流速在x，y方向上的分量;p。為當(dāng)?shù)卮髿鈮?p為水密度，po為參考水密度;f=20sin0，為Coriolis力參數(shù)（其中I=0.729x10^-4s^-1，為地球自轉(zhuǎn)角速率）;fv和fiu為地球自轉(zhuǎn)引起的加速度;sSx，S，和S，，為輻射應(yīng)力分量;T..，Ty，T，和T，為水平粘滯應(yīng)力項(xiàng);S為源匯項(xiàng);u，0，為源匯項(xiàng)水流流速。

2 MIKE21模型構(gòu)建及驗(yàn)證

2.1 二維水動(dòng)力模型的建立

本文MIKE21FM水動(dòng)力模型運(yùn)采用的數(shù)據(jù)為：①網(wǎng)格、邊界?；谀喜袇^(qū)1：10000地形圖和下載的50m分辨率DEM數(shù)據(jù)23，經(jīng)ArcGIS軟件處理生成閉合水陸邊界線（Land.xyz文件）和水深散點(diǎn)數(shù)據(jù)（Wa-ter.xyz文件），然后導(dǎo)入網(wǎng)格生成器（meshgenerator）生成。②2013年贛江外洲流量時(shí)間序列數(shù)據(jù)。③2013年南昌、樓前、蔣埠水位時(shí)間序列數(shù)據(jù)。模型上邊界在生米大橋上游50m，下邊界在英雄大橋下游50m，上游采用流量邊界，參考外洲水文數(shù)據(jù)，下邊界采用水位邊界，模擬插值地形及開邊界見圖2～3。

設(shè)定河道參數(shù)、初始條件及模擬時(shí)間等。經(jīng)多次調(diào)試，最終得出適合贛江南昌段二維水動(dòng)力模型的參數(shù)。具體輸入數(shù)據(jù)與參數(shù)（此處參數(shù)值為率定之后數(shù)值）的設(shè)置為計(jì)算參數(shù)參考軟件中推薦的數(shù)值以及相關(guān)參考文獻(xiàn)中的數(shù)值，并通過后期率定對(duì)各數(shù)值進(jìn)行不斷調(diào)整。根據(jù)模型網(wǎng)格大小、水深條件動(dòng)態(tài)調(diào)整，模型計(jì)算時(shí)間步長選擇應(yīng)保證Courant-FriedrichLevy數(shù)（即CFL數(shù)）滿足穩(wěn)定條件，使CFL數(shù)小于0.8，滿足模型穩(wěn)定的要求，最后確定計(jì)算時(shí)間步長在0.01～30s之間[20]。初始條件設(shè)為水面高程12m，水平和垂直流速均為0m/s。底床摩擦力計(jì)算取曼寧系數(shù)為32m^1/3/s，干濕邊界和渦黏系數(shù)等其他參數(shù)采用推薦值。

2.2 二維水動(dòng)力模型的率定和驗(yàn)證

水動(dòng)力模型的率定和驗(yàn)證采用贛江外洲水文站2013年逐日平均水位和流量數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)状材Σ亮θ÷鼘幭禂?shù)為32m^1/3/s，時(shí)，模擬效果較好，吻合度高，模擬效果見圖4～5。

對(duì)水位和流量的模擬值及實(shí)測值進(jìn)行分析驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)水位和流量模擬值與實(shí)測值的相對(duì)誤差分別在0.11%～6.65%和0～2.62%之間，水位和流量Nash-Stucliffe系數(shù)均在0.9以上，表明模型設(shè)置參數(shù)能用于本次研究模型計(jì)算。

2.3 情境設(shè)定

突發(fā)性水污染事故具有污染物濃度大，瞬間排入河流中污染物量多，危害大等特點(diǎn)，MIKE21 FM模型能較好地模擬污染物在河道中的運(yùn)移擴(kuò)散過程，對(duì)突發(fā)性水污染事故場景進(jìn)行分析。贛江年內(nèi)水文情勢變化顯著，出現(xiàn)典型的豐、平、枯水文情勢節(jié)律性變化。根據(jù)2013年贛江的年內(nèi)水文情勢變化，選定2013年最大、平均、最小流量日，設(shè)定為豐、平、枯水期3種情境。分別選定豐、平、枯水文期中時(shí)間為4月7日，5月28日和11月2日的08：00。假定在生米大橋上游50m（距離青云水廠4.2km處）發(fā)生污染物泄漏事故，泄漏持續(xù)時(shí)間30nminn，共有2t的污染物流出。假定該物質(zhì)是純物質(zhì)，設(shè)其相對(duì)于水密度為1，排放流量為1.0～1.3L/s，假設(shè)污染物的衰減系數(shù)為0。

結(jié)果及分析

應(yīng)用建立的贛江南昌段MIKE21 FM水動(dòng)力模型和物質(zhì)遷移模型，對(duì)模擬區(qū)突發(fā)水污染事故遷移過程進(jìn)行模擬計(jì)算，定量預(yù)報(bào)下游飲用水取水口污染物濃度。

3.1 豐水期突發(fā)水污染事故動(dòng)態(tài)模擬

將2013年4月7日突發(fā)水污染事故動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果作圖，如圖6所示。從圖6可以看出，不到146min，污染團(tuán)到達(dá)第一個(gè)飲用水取水口青云水廠，192min后污染物濃度達(dá)到最高值，270min后污染團(tuán)流過。突發(fā)水污染事故污染團(tuán)到達(dá)朝陽水廠、下正街水廠和長棱水廠的時(shí)間分別為185，216min和223min，流出的時(shí)間分別為346，377min和420min。豐水期水體流速較快，突發(fā)水污染事故能快速通過贛江，突發(fā)水污染事故8：00發(fā)生，15：00污染團(tuán)流出下游長棱水廠飲水取水口。

3.2 平水期突發(fā)水污染事故動(dòng)態(tài)模擬

將2013年5月28日突發(fā)水污染事故動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果作圖，如圖7所示。

從圖7可以看出，上游突發(fā)水污染事故污染團(tuán)，在346min后到達(dá)第一個(gè)飲用水取水口青云水廠，在408min后污染物濃度達(dá)到最高值，在531min后污染團(tuán)流出，取水口受污染時(shí)為185min。突發(fā)水污染事故到達(dá)朝陽水廠、下正街水廠和長棱水廠的時(shí)間分別為385，415min和431min，污染團(tuán)流出的時(shí)間分別為569，654min和662min。突發(fā)水污染事故8：00發(fā)生，污染團(tuán)19：00流出下游長棱水廠飲水取水口，可見平水期突發(fā)水污染事故能較快通過贛江。受贛江河底地形的影響，水流主要從北支流出，污染靠近北岸，水體混合作用使下游長棱水廠污染物濃度低于南岸青云水廠和上游取水口污染物濃度。

3.3 枯水期突發(fā)水污染事故動(dòng)態(tài)模擬

將2013年11月1日突發(fā)水污染事故動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果作圖，如圖8所示。

從圖8可以看出，上游突發(fā)水污染事故，污染團(tuán)485min后到達(dá)第一個(gè)飲用水取水口青云水廠，在792min污染物濃度達(dá)到最高值，在1269min后污染團(tuán)流出。突發(fā)水污染事故到達(dá)朝陽水廠、下正街水廠和長棱水廠的時(shí)間分別為662，923min和930min，污染團(tuán)流出的時(shí)間分別為1592，1815min和1820min。從圖8可以看出，突發(fā)水污染事故從11月1日8：00發(fā)生，污染團(tuán)于次日14：00左右流出下游長棱水廠飲水取水口，可見枯水期突發(fā)水污染事故污染物在贛江南昌段停留時(shí)間較長，污染物被稀釋，濃度降低。由于河底地形枯水期河水主要從北支流出，南支水量較少，流出的污染物也減少。

4 結(jié)語

本文借助MIKE水環(huán)境模型，建立了贛江南昌段MIKE21 FM水動(dòng)力模型和污染物遷移模型，并模擬了3種典型水文情勢下突發(fā)水污染事故對(duì)下游飲用水取水口水質(zhì)的影響，得到在豐水期和平水期污染物團(tuán)快速流過飲用水取水口歷時(shí)大約2～4h，在枯水期污染團(tuán)流過取水口的時(shí)間較長，超過10h，表明在枯水期突發(fā)水污染事故對(duì)飲用水取水口影響最大。建議相關(guān)部門加強(qiáng)枯水期突發(fā)水污染事故的監(jiān)測和應(yīng)急處理，保障各取水口水質(zhì)安全。今后還需進(jìn)一步完善模擬模型，考慮更多情境，提高模型的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，并實(shí)現(xiàn)可視化，以提高管理效率和質(zhì)量。

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（編輯：常漢生）

引用本文：舒長莉，李林，馮韜.基于MIKE21的河道飲用水源地突發(fā)污染事故模擬——以贛江南昌段為例[J].人民長江，2019，50（3）：73——77.

Simulation of emergent water pollution accident in river-type drinking water sources based on MIKE 21：case of Nanchang reach of Ganjiang River

SHU Changli'，2，LI Lin'，2，F(xiàn)ENG Tao'

（1. Key Laboratory of Poyang Lake Wetland and Watershed Research，Ministry of Education，Jiangxi Normal University，Nan-chang 330022，China;2. School of Geography and Environment，Jiangxi Normal University，Nanchang 330022，China;3. Environment College，Hohai University，Nanjing 210098，China）

Abstract：To timely treat the emergent water pollution accident in Nanchang reach of the Ganjiang River，a hydrodynamic model for this reach was established by MIKE 21 model，and by using the model plus pollutant emigration model，the releasing and emigration processes of pollutant in the upstream were calculated. In the simulation，the hydrodynamic model was calibrated and verified by the measured hydrological data of the Ganjiang River in 2013 and the qualified model was used to simulate the pollutant release and emigration processes of emergent pollution accident in upstream under typical hydrological regime of wet，normal and dry periods. The results showed that in the cases of wet and normal periods，the pollutant mass can speedily passthrough the drinking water intakes in 2 to 4 hours，but in dry period，the pollutant mass passes the drinking water intakes over 10hours. The impact of emergent pollution accident on the water intakes is significantly influenced by hydrological regime of the Ganjiang River.

Key words：river-type drinking water source;emergent pollution accident;MIKE 21;pollution emigration simulation;Ganjiang River;Nanchang City