钱塘江河口突发污染物的输移规律研究

李若华，侯石华，程文龙

(1．浙江省水利河口研究院，浙江　杭州　310020；2．浙江省河口海岸重点实验室，浙江　杭州　310020)



钱塘江河口突发污染物的输移规律研究

李若华1,2，侯石华1,2，程文龙1,2

(1．浙江省水利河口研究院，浙江杭州310020；2．浙江省河口海岸重点实验室，浙江杭州310020)

摘要：为了解钱塘江河口突发污染物的输移规律，采用垂向平均的平面二维潮流水质模型，模拟了突发溶解性污染物在输移过程中的时空变化，研究了在不同径流量、潮汐、江道地形、事发地点、源强等情况下的污染物输移规律，得到了突发事故对取水口水质的影响程度，包括影响持续时间，最大浓度等，其成果可为决策部门制定应急对策、编制应急预案等提供技术支撑。

关键词：突发性水污染；迁移扩散；数值模拟；钱塘江河口

1问题的提出

随着现代工业生产领域、规模的日益扩大，各种化学品和危险品的生产、贮存、运输、使用等大量增加，使近年来水污染事故频发，多次威胁到人类用水安全[1]。如2004年松花江苯污染、2010年大连市输油管道爆炸漏油污染、2012年广西省龙江河镉污染等。钱塘江河口是重要的饮用水源保护区，杭州市主城区的85%以及下属区县(桐庐、富阳、萧山等地)大部分的饮用水均取自钱塘江河口，由于供水水源单一，钱塘江突发水污染事故将严重威胁杭州市正常用水，如2011年6月钱塘江发生的苯酚污染事故使杭州市约55万居民的用水受到影响。

模拟突发污染物进入水体后的迁移扩散过程及时空变化规律，对于指导决策部门制定应急措施、保护水体使用功能及生态安全具有重要意义[2-5]。因河口为典型非恒定流，潮流水质数学模型一直是研究污染物在河口迁移扩散的主要工具，赵棣华[6]采用潮流水质模型模拟了长江江苏省感潮河段COD的浓度分布；李若华[7]、许丹[8]采用潮流水质模型模拟了钱塘江河口定点连续排污对水环境的污染面貌；邬越民[9]、陈冬云[10]采用潮流水质模型研究了径流量对钱塘江河口突发污染物迁移扩散的作用。钱塘江河口由于其独特的地位位置、水文情势等，污染物输移规律受径流、潮汐、江道地形等多种因素影响，本文采用平面二维潮流水质数学模型，侧重于研究各因素对突发污染物迁移扩散的影响、污染物的时空变化规律，评估突发污染对取水口的影响程度，为决策部门制定应急措施、编制应急预案提供技术支撑。

2钱塘江河口概述

钱塘江是浙江省第一大河，长668.0 km，流域面积55 558 km2，富春江电站以下至杭州湾湾口282.0 km为感潮河段，称为钱塘江河口，可划分为3段：富春江电站至闻家堰75.0 km为近口段，水动力以径流作用为主，河床由砾石、粗砂组成，冲淤幅度较小；闻家堰以下至澉浦122.0 km为河口段，受径流、潮汐共同作用，河宽水浅，冲淤频繁剧烈，主槽游荡严重[11]；澉浦以下至杭州湾湾口85.0 km为口外海滨段，以潮流作用为主，河床相对稳定。

钱塘江河口年均径流约952 m3/s，3—6月为洪汛期，径流量占全年60%以上；7—10月为平水大潮期；11月至次年2月为枯水小潮期，枯水期径流一般为300～500 m3/s。径流不仅年内变化大，年际变化也很大，年最大径流量可达年最小径流量的4倍以上。钱塘江河口为典型的强潮河口，潮汐为非正规半日浅海潮，一日两涨两落,潮汐强时潮波可抵达富春江电站，大潮时富阳市可出现1.0～2.0 h的反向流；受江道中沙坎的影响，外海传入的潮波剧烈变形，致使涨潮历时缩短，落潮历时延长，七堡站平均涨潮历时约1.6 h，平均落潮历时约10.8 h。钱塘江河口泥沙含量高，以粉砂为主，主要为外海来沙，流域来沙较少。

富春江电站—七堡大部分河段为饮用水源保护区，自上而下布置了多个大型生活取水口，如桐庐、富阳、萧山、九溪、南星桥取水口等(见图1)，杭州市主城区及萧山区的生活用水主要取自钱江五桥—七堡河段，是重点研究河段。钱塘江河口各取水口离富春江电站的距离见表1。

3研究方法

3.1平面二维潮流水质数学模型

钱塘江河口为宽浅型河道，溶解性污染物进入水体后，很快在垂向上混合均匀，一定距离后才能在横向上均匀混合，因此可采用垂向平均的平面二维潮流水质数学模型模拟污染物输移。因污染物种类繁多，物理及生化特性差异较大，本文仅对溶解性污染物进行模拟，并假定其为持久性污染物，不考虑其沉淀、悬浮、降解等特性。数学模型由水动力模型和输运模型组成，水动力模型包括1个连续性方程和2个动量方程，输运模型采用对流扩散方程，用矩阵形势描述为：

(1)

(2)

(3)

式(1)、(2)、(3)中：h为水深，m；t为时间，s；u、v为x、y方向上的流速分量，m/s；g为重力加速度，g=9.8m/s2；b为河床高程，m；Sfx、Sfy为x、y方向上的摩擦力系数；CS为源汇项；C为水质浓度，mg/L；Ex、Ey为x、y方向上的扩散系数，m/s2。

数值求解的控制体选用不规则三角形单元，以准确拟合实际河道的不规则岸边界。计算变量置于三角形形心，对控制方程进行空间积分，并用格林公式得到离散方程。采用基于近似黎曼解的Roe格式，计算控制体界面法向数值对流通量，扩散通量采用中心差分格式，其中一阶导数采用格林—高斯定理计算，并用类似MUSCL方法将空间一阶精度提高到二阶。动边界的处理采用限制水深方法，即将网格分为干、湿及半干单元3类。

3.2计算水域概化及模型验证

计算范围的选取主要考虑2个因素：一是计算水边界应取在容易给定边界条件的地方；二是计算水边界应距离研究区域足够远。根据上述原则，本次计算上边界选富春江电站，下边界取澉浦—西山断面，计算水域面积790 km2。采用2007年10月实测水文测验资料进行潮位、流速的验证，采用同期的盐度资料进行水质验证，部分验证结果见图2，验证结果较好，可用于钱塘江河口的潮流场及水质模拟。

4突发污染物的输移规律研究

4.1径流量对污染物输移的影响

假定富春江电站发生事故，30 t溶解性污染物在2.0 h内自江心排入钱塘江，排江后污染物的初始浓度为12.00 mg/L，在向下游的输移扩散过程中浓度不断降低，径流量为500 m3/s时污染物经过桐庐、东梓、富阳、萧山、九溪、南星桥取水口的最大浓度分别为2.40，1.00，0.50，0.22，0.18，0.14 mg/L，南星桥取水口的污染物浓度仅为初始浓度的1%左右。

随着电站下泄径流量的不同，污染物到达各取水口的时间和浓度也大不相同。在不同径流量(500，1 000 m3/s)下，污染物经过各取水口的浓度过程见图3。以事故发生时间为0时刻开始计算，统计了污染物经过各取水口的演进过程，包括到达时间、影响时间、最大浓度及最大浓度到达的时间等指标(见表2)。

表2不同径流量时电站发生事故后污染物到达各取水口的指标统计表

注：表中上标为1的数据是径流量为500 m3/s时的数据，上标为2的数据是径流量为1 000 m3/s时的数据。

由图3、表2可知，随着径流量的增大，污染物下移的速度明显加快，当电站下泄径流量为500 m3/s时，污染物到达桐庐口、富阳、萧山取水口的时间依次为2.0，72.0，134.0 h，而径流量增大至1 000 m3/s时，时间缩短至1.5，42.0 ，70.0 h，到达萧山取水口的时间缩短了近1/2。

污染物在输移过程中，峰值浓度逐渐降低，但在富阳取水口以下河段出现了径流量大时污染物浓度反而高的现象，以萧山取水口为例，径流量为500，1 000 m3/s时污染物最大浓度分别为0.22，0.43 mg/L。径流量小时污染物到达取水口的时间长，污染物在输移过程中稀释扩散的时间也长，扩散作用导致污染河段的长度增加，因此污染物对取水口的影响时间也增加，径流量为500，1 000 m3/s时对萧山取水口的影响时间分别为132.0，98.0 h。由图3可知，径流量为1 000 m3/s时污染物经过萧山取水口的浓度过程仅出现2个峰值，而在径流量500 m3/s时则出现了多峰值，这是因为径流量小时潮汐作用增强，污染物在潮汐影响河段来回震荡，逗留时间长。因此，径流量小、潮汐作用强导致污染物输移速度减慢，污染河段长度增加是出现径流量小而污染物浓度低的原因。

4.2潮汐对污染物输移的影响

为分析大、小潮汛对污染物输移的影响，事故发生时段分别选择在大潮期、小潮期，下泄径流量为1 000 m3/s,富春江电站发生事故时污染物影响到各取水口的时间统计见表3。由表3可知，大潮汛时，潮汐动力强，潮流的顶托能力强，污染物下移的速度相对较慢，在富阳取水口就受到了明显影响，到达富阳取水口的时间为47.0 h，而小潮汛仅需42.0 h。因七堡以上河段的水动力仍以径流作用为主，总体来说，潮汐对污染物输移时间的影响不大。

表3不同潮汛条件下污染物到达各取水口的时间表

4.3江道地形对污染物输移的影响

钱塘江河口段河床冲淤多变，年内、年际变化均较大。河床地形不同，水流流速、涨潮量及潮汐特征也随之改变。为分析河床地形对污染物输移的影响，对河口段分别选用冲刷、平均和淤积3种代表地形进行计算，假定富春江电站发生事故，下泄径流量为1 000 m3/s,污染物到达各取水口的时间统计见表4。

表4不同江道地形条件下污染物到达各取水口的时间表

由表4可知，当河口段江道容积较大时，沿程潮位较低，落潮流速较大，污染物输移速度较快，径流量为1 000 m3/s时，在冲刷、平均、淤积3种河床地形条件下，污染物到达萧山取水口的时间分别为64.0，70.0，77.0 h。因地形变化主要发生在闸口河段以下，总体上地形对污染物输移时间的影响不大。

4.4事故发生地点对污染物输移的影响

若富春江电站、窄溪大桥、富春江第一大桥、钱江五桥4个地点发生事故，下泄径流量为1 000 m3/s时，污染物经过萧山、九溪及南星桥3个取水口的浓度过程线见图4，到达各取水口的时间见表5。

表5不同地点发生事故后污染物到达各取水口的时间表

由图4、表5可知，当事故发生在富春江电站时，沿程各取水口都会受到影响，事发70.0 h后影响到萧山取水口；事故发生在窄溪大桥时，事发54.0 h后影响到萧山取水口；事故发生在富春江第一大桥时，小潮汛期不会影响到上游的富阳取水口，事发16.0 h后影响到萧山取水口；事故发生在钱江五桥时，影响到萧山、九溪及南星桥取水口的时间分别为1.0，5.0，9.0 h。

4.5源强大小对污染物输移的影响

为分析源强大小对取水口水质的影响，设置的计算方案为在富春江电站发生事故，源强分别为30，300 t，污染物在2.0 h内排入富春江。统计污染物到达各取水口的时间和最大浓度(见表6)。

表6不同源强下富春江电站发生事故对各取水口的影响表

由表6可知，虽然源强相差9倍，但污染物影响到各取水口的时间基本接近，以九溪取水口为例，源强为30 t和300 t时到达的时间分别为83.0，81.0 h，相差2.0 h，最大浓度分别为0.40，4.01 mg/L，相差约9倍。说明源强不同对污染物的输移速度影响不大，而经过各取水口的最大浓度与源强大小基本成比例。

5结语

钱塘江河口桥梁众多、水运发达，同时又是杭州最重要的水源地，突发水污染事故将造成严重影响。本文结合钱塘江河口的非恒定流特性，针对溶解性污染物构建了潮流水质数学模型，研究了径流量、潮汐、河床地形、事发地点、源强等因素对污染物输移的影响，评估了突发事故对取水口的影响程度，包括到达时间、影响持续时间、稀释倍数等，其成果可为预报预警体系的建立、环境风险的评估提供技术支撑，也可为事故发生期间应急领导机构的决策和指挥提供科学依据，以更有力地保障两岸居民的用水安全，保护钱塘江水环境。

参考文献：

[1]杨海东,肖宜,王卓民.突发性水污染事件溯源方法[J].水科学进展，2014,25(1):122-129.

[2]丁贤荣,徐健,姚琪，等.GIS与数模集成的水污染突发事故时空模拟[J].河海大学学报(自然科学版),2003,31(2):203-206.

[3]陈丽萍，蒋军成，殷亮．突发性危险化学品水污染扩散过程的模拟[J]．水动力学研究与进展，2007，22(6):761-765．

[4]蒲婷，杨侃，侯学勇，等．突发性水污染事件模拟分析研究[J]．水电能源科学，2009，27(3):38-41，51．

[5]张波，王桥，孙强.基于SD2GIS 的突发水污染事故水质时空模拟[J]．武汉大学学报(信息科学版)，2009，34(3):348-351.

[7]李若华,赵鑫.七格污水处理厂三期工程尾水排放的水环境影响预测研究[J]．浙江水利科技，2009(5):1-4.

[8]许丹,孙志林.钱塘江河口突发污染物扩散数值模拟分析[J].浙江大学学报(工学版)，2010，44(9):1767-1772.

[9]邬越民，李若华，袁和忠.不同径流条件下钱塘江突发性水污染事故影响的预测模拟[J].水资源与水工程学报,2013,24(4):189-194.

[10]陈冬云，丁涛.感潮河口突发水污染事故的径流调控效应研究[J].安全与环境学报，2013，13(2):266-269.

[11]潘存鸿，曾剑，唐子文，等.钱塘江河口泥沙特性及河床冲淤研究[J].水利水运工程学报，2013(1):1-7.

(责任编辑张书花)

Study on the Transporting Law of Burst Pollutants in Qiantang River Estuary

LI Ruo-hua1,2,HOU Shi-hua1,2,CHENG Wen-long1,2

(1.Zhejiang Institute of Hydraulics & Estuary, Hangzhou 310020, Zhejiang, China;2.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Estuary and Coast, Hangzhou 310020, Zhejiang,China)

Key words:sudden water pollution; dispersal; numerical simulation; Qiantang River estuary

Abstract:In order to understand the transporting law of burst pollutants in Qiantang River estuary，using vertical average plane two-dimensional tidal current water quality model of Qiantang River estuary, this paper simulated the spatial and temporal variation of burst dissolved pollutants in the transport process. It studied pollutants’ transport rule in different conditions of runoff, tide, river channel topography, incident site, pollution intensity, etc., obtained the degree of sudden accident’s influence on the water quality of water intake, including the impact duration, maximum concentration, etc. The results can provide technical support for decision-making department to develop contingency measures, prepare contingency plans, etc.

收稿日期：2015-10-30

基金项目：水利部公益性行业科研专项(201401010)；浙江省科技计划项目(2014F10036,2014F10007)。

作者简介：李若华(1977-)，男，高级工程师，硕士，主要从事河口水动力及水环境研究。Email：liruohua2000@163.com

中图分类号：X522

文献标识码：A

文章编号：1008-701X(2016)02-0012-04

DOI：10.13641/j.cnki.33-1162/tv.2016.02.004