重金屬、油類(lèi)、化學(xué)品等污染物遷移轉(zhuǎn)化模擬技術(shù)

季海萍，汪 濤，高程程，高麗莎

(1. 太湖流域管理局水文局<信息中心>，上海 200434；2. 上海碧波水務(wù)設(shè)計(jì)研發(fā)中心，上海 200233)

1 研究背景

長(zhǎng)期以來(lái)，水污染問(wèn)題始終是國(guó)內(nèi)外城市水源地安全的重要威脅[1]。水污染既包括生產(chǎn)生活污(廢)水等常規(guī)污染，也包括恐怖主義、船舶化學(xué)品和石油泄漏、工業(yè)事故排放、暴雨徑流污染等突發(fā)性水污染[2]。突發(fā)水污染事件具有突發(fā)性、偶然性，易在短時(shí)間內(nèi)造成附近水域水質(zhì)快速惡化，影響水生態(tài)環(huán)境，成為城市供水系統(tǒng)安全運(yùn)營(yíng)的重大風(fēng)險(xiǎn)[3]。

黃浦江上游水源地金澤水庫(kù)于2016年12月底正式投入使用，供水規(guī)模為351萬(wàn)m3/d，服務(wù)于上海市西南五區(qū)670萬(wàn)人口。金澤水庫(kù)相對(duì)原黃浦江上游水源水質(zhì)有明顯改善，但作為供水水源地仍面臨一定挑戰(zhàn)：其所位于的太浦河不僅為下游水源地提供原水，大水期間還是流域內(nèi)重要排洪通道，也是Ⅳ級(jí)航道，是開(kāi)放式、流動(dòng)性的多功能水域，且由于太浦河沿線(xiàn)周邊區(qū)域化工、紡織、印染企業(yè)眾多，近年來(lái)太浦河干支流已有揮發(fā)性有機(jī)物污染、銻濃度異常等數(shù)起突發(fā)水污染事件發(fā)生[4]，作為金澤水庫(kù)取用水水源地，取水安全受到嚴(yán)重威脅；太浦河水質(zhì)受太浦閘(泵)開(kāi)閉等流域調(diào)度影響明顯。同時(shí)，金澤水庫(kù)為典型人工淺水水庫(kù)，庫(kù)區(qū)水力停留時(shí)間短(2～3 d)，依靠水庫(kù)自身調(diào)蓄能力無(wú)法明顯凈化水質(zhì)，原水水質(zhì)提升仍要依靠上游來(lái)水，依靠太浦閘(泵)等調(diào)度措施。

針對(duì)太浦河可能發(fā)生的突發(fā)水污染事件，本課題開(kāi)展了基于重金屬、油類(lèi)、化學(xué)品等污染物的遷移轉(zhuǎn)化模擬技術(shù)研究，可為太浦河金澤水源地突發(fā)水污染事故的預(yù)報(bào)預(yù)警提供技術(shù)支撐，持續(xù)保障金澤水庫(kù)水源地安全取水。

2 研究?jī)?nèi)容

重金屬、溢油、化學(xué)品泄漏等污染模擬技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已有應(yīng)用，本研究主要是針對(duì)太浦河-金澤水庫(kù)-松浦大橋取水口沿線(xiàn)構(gòu)建基于重金屬、油類(lèi)、化學(xué)品等污染物的遷移轉(zhuǎn)化模擬技術(shù)，能夠在太浦河重金屬、油類(lèi)、化學(xué)品類(lèi)突發(fā)水污染事件發(fā)生后，第一時(shí)間開(kāi)展實(shí)況水雨情條件下太浦河內(nèi)污染物遷移模擬，通過(guò)調(diào)控太浦閘(泵)下泄流量，分析不同工況下污染物對(duì)金澤水源地的影響程度、影響時(shí)長(zhǎng)等，為應(yīng)對(duì)突發(fā)水污染事件提供技術(shù)支撐。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 平原河網(wǎng)水動(dòng)力模型

基于重金屬、油類(lèi)、化學(xué)品等的污染物遷移轉(zhuǎn)化模擬技術(shù)的基礎(chǔ)是平原河網(wǎng)水動(dòng)力學(xué)模型[5-7]，可提供重金屬、油類(lèi)和化學(xué)品類(lèi)污染物遷移轉(zhuǎn)化模擬所需的流場(chǎng)。平原河網(wǎng)水動(dòng)力學(xué)模型主要通過(guò)NetCDF接口與突發(fā)水污染事件調(diào)控模型耦合，實(shí)現(xiàn)了太浦河突發(fā)事件模擬業(yè)務(wù)化、快捷化的突破。

3.1.1 水動(dòng)力模型基本方程

水動(dòng)力模型基本方程采用Saint-Venant方程組，數(shù)值離散方程采用成熟的Preismann四點(diǎn)隱式差分格式進(jìn)行離散，聯(lián)立方程求解。

一維明渠非恒定流Saint-Venant 方程組如式(1)。

(1)

其中：t——時(shí)間坐標(biāo)，s；

x——空間坐標(biāo)，m；

Q——流量，m3/s；

Z——水位，m；

u——斷面平均流速，m/s；

n——糙率系數(shù)；

C——謝才(Chezy)系數(shù)；

A——過(guò)流斷面積，m2；

B——主流斷面寬度，m；

R——水力半徑，m；

q——旁側(cè)入流流量，m2/s；

Bw——水面寬度(包括主流寬度B及起調(diào)蓄作用的附加水面寬度)，m。

3.1.2 模型中水利工程調(diào)度模擬

水利工程對(duì)河網(wǎng)水流在時(shí)間、空間上有著重要影響，其調(diào)度模擬是水動(dòng)力學(xué)模型的重要組成部分。根據(jù)太浦河-黃浦江流域的河網(wǎng)特征，結(jié)合流域內(nèi)洪水與水量調(diào)度方案、水量分配方案，以及水利工程運(yùn)行管理的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，水利工程遵循防洪期間按照防洪安全要求、保供水期間按照供水安全要求的原則進(jìn)行調(diào)度，通過(guò)關(guān)聯(lián)不同時(shí)間段的河網(wǎng)水位實(shí)現(xiàn)水利工程的精細(xì)模擬[8]。

3.1.3 降雨徑流模擬

不同的下墊面條件具有不同的降雨入滲和產(chǎn)流規(guī)律，模型將太浦河-黃浦江區(qū)域下墊面主要分為水面(包括河道、湖泊)、水田、旱地、綠地、房屋和城鎮(zhèn)道路6種下墊面，依據(jù)各個(gè)類(lèi)型下墊面的蒸發(fā)量、入滲系數(shù)和徑流系數(shù)，并按照水文學(xué)的原理和方法分別計(jì)算相應(yīng)下墊面的產(chǎn)匯流[8]。

3.2 重金屬類(lèi)突發(fā)水污染事件模擬

太浦河主要重金屬類(lèi)污染物質(zhì)為銻(Sb)，以固態(tài)金屬顆粒及離子形態(tài)分布在水體中。不同于一般的突發(fā)水污染事件，銻一直存在于太浦河中，干流主要斷面平均濃度在1.5～2.6 μg/L[《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)規(guī)定地表水水源銻濃度標(biāo)準(zhǔn)限值為5.0 μg/L]，當(dāng)區(qū)域遭遇強(qiáng)降水造成支流污水大量匯入而太浦閘(泵)關(guān)閉無(wú)法向下游供清水時(shí)，太浦河干流銻濃度極易超標(biāo)。

重金屬銻的遷移模擬技術(shù)基于平原河網(wǎng)水動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)河湖水體中污染物隨空間和時(shí)間遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律進(jìn)行數(shù)學(xué)描述(圖1)。模型中污染負(fù)荷模塊是模擬太浦河銻污染物的產(chǎn)生量、入河量、排放位置及空間分布等信息的模塊，作為銻污染模擬模型的前置項(xiàng)，為水質(zhì)模擬提供污染負(fù)荷邊界。銻排放點(diǎn)源的廢污水量、污染物量及排放位置根據(jù)實(shí)際調(diào)查資料得到，以取排水形式概化入河網(wǎng)。通過(guò)河網(wǎng)水動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算河道水位、流量等水文要素，以污染負(fù)荷模塊估算的污染負(fù)荷為源項(xiàng)，依據(jù)質(zhì)量守恒原理，采用物質(zhì)輸移的對(duì)流擴(kuò)散方程，模擬各時(shí)段河道內(nèi)銻指標(biāo)的濃度變化。

圖1 重金屬(銻)突發(fā)水污染事件模擬過(guò)程圖Fig.1 Simulation Process of Water Pollution Emergency Event for Heavy Metal (Sb)

2019年8月9—10日，受第9號(hào)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”影響，太湖流域杭嘉湖地區(qū)遭遇強(qiáng)降雨，太浦河周邊河網(wǎng)水位快速上漲，太浦閘于8月9日16時(shí)45分關(guān)閘。8月11日水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，太浦河干流平望大橋、黎里東大橋斷面銻濃度異常，均達(dá)到5.2 μg/L，超出5.0 μg/L的標(biāo)準(zhǔn)限值。本次研究利用黃浦江上游地區(qū)銻的遷移模擬模型，模擬了太浦河泵站8月12日開(kāi)啟1臺(tái)機(jī)組(50 m3/s)應(yīng)急供水后金澤水庫(kù)斷面銻濃度變化，預(yù)測(cè)峰值約在3.9 μg/L左右，出現(xiàn)時(shí)間為8月12日13時(shí)左右，金澤水庫(kù)自動(dòng)站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示銻濃度峰值為4.1 μg/L，出現(xiàn)時(shí)間為8月12日8時(shí)左右，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)接近，由圖2可知，銻指標(biāo)的濃度模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值均較為接近，變化趨勢(shì)一致。因此，該模型可應(yīng)用于太浦河銻濃度異常事件的調(diào)度模擬，為保障供水安全提供技術(shù)支撐。

圖2 太浦河2019年8月中旬金澤水庫(kù)斷面銻濃度模擬與實(shí)測(cè)對(duì)比圖Fig.2 Comparison of Simulated and Measured Antimony Concentration in Jinze Reservoir Section of Taipu River in Middle August 2019

3.3 油類(lèi)突發(fā)水污染事件模擬

基于美國(guó)ASA公司的OilMap模型[9-10]，構(gòu)建了黃浦江上游金澤水源地溢油模擬模型，其核心模塊是溢油軌跡計(jì)算，在物質(zhì)平衡的基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)泄漏的油品在水體表面的運(yùn)動(dòng)軌跡。泄漏的油類(lèi)污染物在模型中由一系列的溢油點(diǎn)代表，溢油點(diǎn)可模擬不同物理化學(xué)屬性的油品泄漏后在水體表面擴(kuò)展，以及在岸邊線(xiàn)、風(fēng)和水流的多重作用下拉長(zhǎng)、分散等現(xiàn)象，其中包括了蒸發(fā)、擴(kuò)散、進(jìn)入水體、乳化以及吸附等過(guò)程。

詳實(shí)的油類(lèi)污染物類(lèi)型以及相應(yīng)物理化學(xué)性質(zhì)參數(shù)是開(kāi)展模擬的必要條件，也是提高溢油模型模擬精度和效率的重要因素。本次研究針對(duì)黃浦江上游地區(qū)存儲(chǔ)和運(yùn)輸?shù)挠推?，開(kāi)發(fā)建立了包含1 450余種油品以及多項(xiàng)理化關(guān)鍵參數(shù)的油品數(shù)據(jù)庫(kù)，包括油品名稱(chēng)、密度、黏度、表面張力、最大含水率、最小油膜厚度、閃點(diǎn)、沸點(diǎn)及蒸發(fā)常數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)；同時(shí)還兼顧了數(shù)據(jù)庫(kù)的可擴(kuò)展性，可方便地新增油品類(lèi)型和理化性質(zhì)數(shù)據(jù)。

圖3 油類(lèi)突發(fā)水污染事件模擬過(guò)程圖Fig.3 Simulation Process of Water Pollution Emergency Event for Oil

通過(guò)調(diào)整太浦閘(泵)的工況，形成太浦河不同工況下的流場(chǎng)數(shù)據(jù)，利用油類(lèi)污染物遷移轉(zhuǎn)化模擬模型，可獲得多工況下的調(diào)度結(jié)果，同時(shí)結(jié)合實(shí)時(shí)水雨情，以最短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)金澤水庫(kù)供水為目的，形成應(yīng)對(duì)油類(lèi)污染物突發(fā)水污染事件的最佳調(diào)度策略。

3.4 化學(xué)品類(lèi)突發(fā)水污染事件模擬

基于美國(guó)ASA公司的ChemMap模型[11]，構(gòu)建了黃浦江上游金澤水源地化學(xué)品泄漏模擬模型，通過(guò)輸入相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)和泄漏化學(xué)品的物理化學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)，考慮化學(xué)品在水體中的蒸發(fā)、溶解、吸附、沉降和降解等過(guò)程，模擬其遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程。

化學(xué)品類(lèi)污染物類(lèi)型以及相應(yīng)物理化學(xué)性質(zhì)參數(shù)是開(kāi)展模擬的必要條件，本研究針對(duì)黃浦江上游地區(qū)存儲(chǔ)和運(yùn)輸?shù)幕瘜W(xué)品，開(kāi)發(fā)建立了包含400余種常見(jiàn)化學(xué)品以及多項(xiàng)理化關(guān)鍵參數(shù)的化學(xué)品數(shù)據(jù)庫(kù)，包括了化學(xué)文摘號(hào)、中英文化學(xué)名、辛醇-水分配系數(shù)、密度、溶解度、在水、空氣和沉積物中的降解速率、最小污染物層厚度等關(guān)鍵參數(shù)。

圖4 化學(xué)品類(lèi)突發(fā)水污染事件模擬過(guò)程圖Fig.4 Simulation Process of Water Pollution Emergency Event for Chemicals

通過(guò)調(diào)整太浦閘(泵)的工況，形成太浦河不同工況下的流場(chǎng)數(shù)據(jù)，利用化學(xué)品污染物遷移轉(zhuǎn)化模擬模型，可獲得多工況下的調(diào)度結(jié)果，同時(shí)結(jié)合實(shí)時(shí)水雨情，以最短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)金澤水庫(kù)供水為目的，形成應(yīng)對(duì)化學(xué)品污染物突發(fā)水污染事件的最佳調(diào)度策略。

4 總結(jié)與展望

本次研究首次構(gòu)建了金澤水庫(kù)所在河道太浦河重金屬、油類(lèi)、化學(xué)品類(lèi)突發(fā)水污染事件模擬模型，并與太浦河河網(wǎng)水動(dòng)力學(xué)模型實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫耦合，創(chuàng)新性地研究提出了平原河網(wǎng)污染事件突發(fā)、發(fā)生地點(diǎn)隨機(jī)等特點(diǎn)的聯(lián)合調(diào)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了太浦河突發(fā)事件模擬業(yè)務(wù)化、快捷化的突破。該項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)已應(yīng)用于金澤水源水質(zhì)水量監(jiān)測(cè)與預(yù)警業(yè)務(wù)化示范平臺(tái)，能有效將模型預(yù)報(bào)作業(yè)時(shí)間由6～8 h縮短至3 h。

相較于其他成熟的商用軟件，本次構(gòu)建的黃浦江上游地區(qū)突發(fā)水污染事件調(diào)控模型操作流程較為復(fù)雜，后期在提高模擬精度基礎(chǔ)上將進(jìn)一步優(yōu)化人機(jī)互動(dòng)界面，實(shí)現(xiàn)程序自動(dòng)化功能。