河流突發(fā)污染工況下上游水庫(kù)調(diào)度響應(yīng)分析

王桂玉

（河南省水利第二工程局，河南 鄭州 450016）

1 問(wèn)題的提出

河流承擔(dān)著重要的生態(tài)功能，河流水體的流動(dòng)不僅為河道及河岸生物提供充足的生命用水，還可以有效改善沿河生態(tài)系統(tǒng)。對(duì)于城市河段，河流往往還承擔(dān)容納城市工業(yè)及生活污、廢水的需求，通過(guò)河道水體對(duì)排污河道的污、廢水進(jìn)行稀釋凈化，降低對(duì)環(huán)境的不利影響[1-3]。但是，當(dāng)管道泄漏等突發(fā)污染事件發(fā)生時(shí)，有可能導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)大量的污、廢水排入河道，影響河道兩岸及下游的用水安全，破壞沿河生態(tài)系統(tǒng)。本文針對(duì)河流突發(fā)污染的工況進(jìn)行分析研究，并基于污染工況提出上游水庫(kù)相應(yīng)的響應(yīng)方案，以降低河流突發(fā)污染的不利影響。

2 河流突發(fā)水質(zhì)污染分析

2.1 特點(diǎn)分析

河流突發(fā)水質(zhì)污染屬于突發(fā)性事件，一般具有以下特點(diǎn)：

（1）事故原因多樣性。對(duì)于突發(fā)性污染事件，其事故原因往往具有多樣性，例如排污管道破裂、人為偷排污染物、河流沿岸工業(yè)生產(chǎn)事故、交通安全事故等。

（2）事件突發(fā)性。突發(fā)污染使得該事件難以事先預(yù)料，發(fā)生地點(diǎn)和時(shí)間具有明顯的不確定性。

（3）污染擴(kuò)散性。污染物排入河道后，會(huì)呈現(xiàn)明顯的擴(kuò)散性，影響下游河道及兩岸生物，具有強(qiáng)擴(kuò)散效應(yīng)。

（4）事故危害性。對(duì)于突發(fā)水質(zhì)污染，一般污染物濃度大，危害強(qiáng)度大，如果不及時(shí)處理，可能會(huì)引起河流整體生態(tài)環(huán)境急劇惡化，對(duì)下游產(chǎn)生嚴(yán)重危害。

2.2 措施分析

為減少突發(fā)水質(zhì)污染事件的影響，需要采取應(yīng)急措施，一般可以分為工程措施和非工程措施。

工程措施主要采取相應(yīng)的工程手段，例如投放吸附材料、加速污染沉降等，投入成本較大，而且會(huì)對(duì)水體產(chǎn)生一定的負(fù)面影響，除特殊工況下，一般不建議使用。

非工程措施主要是加大河流過(guò)流量，利用天然水體稀釋污染物。對(duì)上游修建水庫(kù)的河流可通過(guò)加大水庫(kù)下瀉流量實(shí)現(xiàn)。該措施只需通過(guò)水庫(kù)調(diào)度合理調(diào)配下泄流量，能夠減少工程措施的投入而且不會(huì)造成二次污染，對(duì)水質(zhì)的整體改善較為明顯，可以?xún)?yōu)先考慮作為水質(zhì)功能要求下的響應(yīng)措施。

3 水質(zhì)擴(kuò)散模型

3.1 擴(kuò)散模型選擇

水質(zhì)擴(kuò)散模型可以分為一維模型、二維模型、三維模型等，考慮一般突發(fā)水質(zhì)污染事件的污染物濃度高，在污染擴(kuò)散控制中對(duì)參數(shù)和物理過(guò)程模擬還原度的要求不高，因此選擇較為簡(jiǎn)單的一維水質(zhì)擴(kuò)散模型。

3.2 一維水質(zhì)擴(kuò)散模型建立

對(duì)于一維水質(zhì)擴(kuò)散模型，其污染物擴(kuò)散的基本方程如下[4-5]：

式（1）中：A為河流斷面面積，m2；C為污染物的平均質(zhì)量濃度，mg/L；Q為流量，m3/s；t為時(shí)間，s；x為污染物擴(kuò)散的相對(duì)距離，m；E為河流縱向擴(kuò)散系數(shù)；S為河流水體中污染源的代數(shù)和。

對(duì)式（1）進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可得：

式（2）中：u為水流流速，m/s；K為污染物的降解系數(shù)。

3.3 模型解析

在特定求解條件下，可以得到一維水質(zhì)擴(kuò)散方程的解析解。當(dāng)河流處于穩(wěn)定工況時(shí)，假定河流斷面、流速、流量不隨時(shí)間變化，得到一維水質(zhì)擴(kuò)散方程的解析解如下：

式（3）中：C（x）為污染物擴(kuò)散至x距離處的平均質(zhì)量濃度，mg/L；C0為污染源處污染物的質(zhì)量濃度，mg/L。

4 實(shí)例分析

4.1 實(shí)例介紹

選取河南省信陽(yáng)市浉河進(jìn)行實(shí)例分析。浉河在信陽(yáng)市區(qū)段上游修建有南灣水庫(kù)，南灣水庫(kù)的下泄水排入浉河。為對(duì)浉河信陽(yáng)市區(qū)段的水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在距離南灣水庫(kù)電站出水口約3.6 km處設(shè)置奧林匹克體育公園站（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“奧體園站”），約14.9 km處設(shè)置浉河琴橋站（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“琴橋站”）。

4.2 工況選擇

選擇以下工況進(jìn)行仿真計(jì)算。根據(jù)南灣水庫(kù)水質(zhì)要求，2種工況均假定南灣水庫(kù)放水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為：ρCOD=15.00 mg/L，ρBOD5=3.00 mg/L，ρNH3-N=0.50 mg/L，ρTP=0.10 mg/L。

工況一：模擬南灣水庫(kù)下游突發(fā)水質(zhì)污染的工況。假定南灣水庫(kù)電站下游500 m處發(fā)生排污管道事故，致使污染物直接排入浉河中，排污流量為0.5 m3/s，COD、BOD5、NH3-N和TP的質(zhì)量濃度分別為89.80、20.50、9.40、1.20 mg/L。

工況二：模擬南灣水庫(kù)下游突發(fā)水質(zhì)污染的工況。假定南灣水庫(kù)電站下游500 m和8 000 m處出現(xiàn)2處排污管道泄漏事故，致使污染物直接排入浉河。其中500 m處的排污流量為0.5 m3/s，COD、BOD5、NH3-N和TP的質(zhì)量濃度分別 為89.80、20.50、9.40、1.20 mg/L；8 000 m處的排污流量為1.0 m3/s，COD、BOD5、NH3-N和TP的質(zhì)量濃度分別為60.50、31.20、5.60、2.30 mg/L。

4.3 仿真計(jì)算

對(duì)于2種不同工況，分別按照構(gòu)建的一維水質(zhì)擴(kuò)散模型進(jìn)行仿真計(jì)算，得出南灣水庫(kù)在不同下泄流量條件下，下游水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)數(shù)據(jù)和水質(zhì)等級(jí)（見(jiàn)表1~2）。

表1 不同下泄流量下的監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)等級(jí)表（工況一）

表2 不同下泄流量下的監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)等級(jí)表（工況二）

4.4 分析結(jié)論

對(duì)于工況一，若要滿(mǎn)足下游水質(zhì)功能要求，南灣水庫(kù)的下泄流量需要不小于8.0 m3/s，才能保證奧體園斷面和琴橋斷面的水質(zhì)同時(shí)滿(mǎn)足Ⅲ類(lèi)水的標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)于工況二，由于第二處排污口泄漏源位于奧體園監(jiān)測(cè)斷面下游且距離較遠(yuǎn)，因此未對(duì)上游監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)造成影響。琴橋站監(jiān)測(cè)斷面位于污染源下游，且第二處污染源的污染物濃度較大，所以對(duì)琴橋站造成的影響較大。若要滿(mǎn)足下游水質(zhì)功能要求，南灣水庫(kù)的下泄流量需要不小于25.0 m3/s，才能保證奧體園斷面和琴橋斷面的水質(zhì)同時(shí)滿(mǎn)足Ⅲ類(lèi)水的標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)河流突發(fā)水質(zhì)污染的特點(diǎn)和措施進(jìn)行分析，建立一維水質(zhì)擴(kuò)散模型并對(duì)模型進(jìn)行解析，針對(duì)浉河信陽(yáng)市區(qū)段的河流水質(zhì)突發(fā)污染工況進(jìn)行仿真計(jì)算，給出不同污染工況下南灣水庫(kù)的調(diào)度響應(yīng)措施，可為類(lèi)似工程調(diào)度提供參考。