西江中游突发性水体污染水库群应急调控初探

黄代忠，方神光，张义乐

(珠江水利科学研究院，水利部珠江河口海岸工程技术研究中心，广东广州510611)

水是生命之源，但随着工业和第三产业的粗犷式发展，水污染事故正成为危害人民生存健康的重大环境问题。由于突发性水污染事故具有发生、发展、危害的不确定性，流域性、影响的长期性和应急主体不明确等显著特征[1-3]，一旦发生，不仅对人群安全与生存带来极大危害，还会对生态环境造成极大影响[4]。据统计从2000—2011年期间就发生1 176起突发性水污染事故。如2004年2月沱江支流由于约2 000 t纯氨氮排入，造成江水严重污染；2005年11月苯类污染物污染松花江重大水污染事故和2005年12月粤北北江流域严重镉超标水污染事故等。这一系列水污染事故的发生，给人民的身体健康和财产造成了巨大损失，因此突发性水体污染的应对和解决方法已成为当前水环境研究的热点问题。

在修建有梯级水库的中上游河道，通过梯级水库的联合调度来应对突发性水体污染事故的方法已经在实际情况中得到初步使用并取得了不错的结果。如2005年北江镉污染事件中采用了加大上游水库排量稀释水体污染物、利用人工小洪峰加快污染物运移到下游处置区的应急措施以控制污染事故的恶化；2012年广西龙江发生的锡污染事件中，通过调度柳江上游大埔、麻石等水库水量来进行稀释，保证下游柳州市的饮水安全。由于突发性水污染事件频繁发生，对于该领域的研究也得到快速发展。方神光等[5]对西江中游突发性污水团沿河运动特性进行了分析，提出了其影响变化范围主要分为随流剪切扩散阶段和稀释影响衰减阶段。辛小康等[6]建立MIKE21[7]模型，以宜昌江段为研究对象，计算选取了三峡水库对三种排放类型不同的调水方式对污染物输移传播的影响；于磊等[8]对大宁水库发生突发性水污染事故时，综合考虑风、水库调度的因素，设定了5种场景来模拟污染物扩散的规律。为了解西江中游水库群对污染物输移扩散的影响，寻找合适的梯级水库调度方案以应对突发性水污染事故，本文建立了西江中游河网水动力及污染物输移扩散数学模型，通过不同调度方式下污染物扩散结果的对比分析，探讨梯级水库在突发性水体污染下的合理调度模式。

1 数学模型

1.1 河道梯级水库水动力及污染物输移扩散数学模型

水动力及污染物输移扩散数学模型如下：

(1)

(2)

(3)

式中s——距离，m；Q——流量，m3/ s；Z——水位，m；g——重力加速度，m/s2；t——时间，s；A——过水断面面积，m2；R——水力半径，m；n——河道糙率系数；D——扩散系数，m2/s；C——某断面t时刻的浓度，mg/m3；q——网格单位长度上的源或汇，m3/(s·m)；cl——源项或汇项的污染物浓度。

为保障污染物输移扩散模型的迎风特性，在对式(3)中对流项进行离散和计算过程中，需要判断每个网格节点位置的流向，同时河道水系中的污染物输移扩散主要以对流剪切为主，紊动扩散影响相对微小，因此在计算过程中进行了忽略处理。一维水动力数学模型采用Preissmann四点隐式差分格式进行离散，通过追赶法对离散得到的大型对角稀疏方程组进行求解。

1.2 模型验证

通过水库调度来改变污染物输移转化的特性，能在很大程度上减轻污染物的危害程度和危害范围。但由于突发性水污染事故具有发生、发展等特性，真正通过大型水库及梯级水库群调水的方式来处理水污染的案例和研究很少。为验证此污染物输移扩散数学模型的准确性和可靠性，本文通过对相同工况下数值模拟和解析公式的结果分析，对模型进行验证。

设置一个长10 km，底宽67.5 m，边坡1∶2.5，底坡为0.15‰的棱柱形梯形河道，河道糙率系数取0.027，上边界条件为保持恒定流量2 000 m3/s，下边界根据明渠均匀流公式推算到的水深确定水位并保持恒定不变。假定在河道上游某断面突然泄露了1 t的可溶性难降解污染物，试估算下游5、10 km断面处污染物浓度的变化过程以及0.5、1 h后河道的污染物浓度分布[9]。此类问题可给出输移扩散式(3)的解析解如下：

(4)

式中u——断面平均流速，m/s；x——下游距离污染源的距离，m；M0——进入水体污染初始面源强度，g/m2；k——污染物衰减系数，s-1。

忽略污染物在垂向和横向的扩散，推算断面摩阻流速0.11 m/s；初始面源强度934.929 g/m，纵向扩散系数D=6.01hu*=7.4 m2/s。图1给出了下游不同控制断面位置污染物浓度随时间的变化以及不同时刻污染物浓度沿程分布的模型解和解析解比较，验证了建立的污染物输移扩散数学模型的准确性和可靠性。

a) 断面浓度变化过程线

b) 不同时间点污染物浓度沿程分布图1 模拟解与解析解的对比

1.3 西江中游河网水动力及污染物输移数学模型建立

西江为典型的树状河网，主干河流有红水河、黔江、浔江；柳江、郁江为主要支流。由于西江中游梯级水库的建设，河道上下游水流失去了水力连续性，圣维南方程组在此处不能适用，为达到同步计算的目的，并融入水库的调度方案，此处引入子河网的概念，将水利枢纽作为河网细分为子河网的特殊节点，以便计算过程中考虑水利枢纽的调度作用，从而将各个河段连接成一个计算整体，详细可参见相关文献[10]。

2 红水河突发性水污染事故下的水库调度分析

2.1 突发性水体污染地点及调度水库的选定

大化瑶族自治县位于广西壮族自治区中部偏西北的红水河中游，隶属于河池市。大化镇是该县的政治、经济、文化、交通中心，是集建材、冶炼、建筑、加工等产业为一体的工业城镇。大化工业集中区是由原来的大化县城南工业园区和岩滩工业区合并而成，在园内集中着以金属硅、硅锰合金冶炼，电解锰等为主的企业，给当地的生态环境带来巨大的隐患。

本次计算分析假定在大化瑶族自治县大化镇发生突发性水污染事故，事故地点上距天峨水文站147 km，下距岩滩水电站2.2 km，具体位置见图2。假设污染物从2月1日8时开始进入河道，在10时流量达到50 m3/s的最大流量，一直以该流量维持到18时，然后再20时降为0。污水所含的污染物浓度值初始值设为1，计算范围内污染物浓度的本底值是0，设河道内的污染物浓度值超过0.000 1时，视为超标。

选取参与调度的水库有岩滩、红花、大藤峡，这些水库在枯水期调度的规则见表1，在不影响水库运行的前提条件下调度一定的水量去稀释及加快污染物的输移，让其危害程度降到最低。

表1 突发性污染物事故应对方案

2.2 选取的水文条件及还原

枯季天然来流小，断面流速小，污染物停留在河道中时间变长，影响距离增大。因此，选择了2014年2月1日至3月13日的流量、水位实测资料作为水文边界条件(图3)。

区间入流采用分段还原，将西江中游河网分为天峨—桥巩段，桥巩、柳州—武宣段，武宣、南宁—大湟江口、大湟江口—梧州段，梧州—高要段共计5部分。结合上下游洪量差值还原区间入流，区间入流分别设于刁江、洛清江、蒙江、桂江和贺江入流口。天峨—桥巩分段还原时，上、下边界条件分别由天峨站、桥巩电站实测资料确定，岩滩、大化、百龙滩、乐滩坝前水库都采用实测资料值，区间入流设在刁江口。桥巩、柳州—武宣分段还原时，上、下游边界条件分别由迁江、柳州和武宣站实测资料确定，红花水电站坝前水位为正常蓄水位，区间入流设在洛清江口。武宣、南宁—梧州分段还原时，上、下游边界条件分别由武宣、南宁和梧州站实测资料确定，西津、贵港、桂平长洲枢纽坝前水位由实测资料确定，区间入流分别设在蒙江口、桂江口。梧州—高要分段还原时，上、下游边界条件根据梧州和高要站实测资料确定，区间入流设在贺江口。各河段还原获得的水位、流量计算值与实测值在允许误差范围内，其中天峨—桥巩段还原与验证结果见图3。

图2 突发性水污染发生地点示意

a) 上下游边界条件

b) 区间入流过程还原

c) 桥巩流量验证图3 天峨—桥巩段还原与验证

d) 天峨水位验证续图3 天峨—桥巩段还原与验证

2.3 无应对措施下污染物输移特性

假设污染物进入河道后，下游各梯级水库未采取调度措施进行应对，事故发生地点下游岩滩电站、大化电站、乐滩电站、桥巩电站、石龙三江口、桂平三江口、梧州水文站点位置污染物浓度变化曲线见图4。表2给出了各特征断面污染物浓度变化特征值。

图4 无应对措施下各控制站点污染物浓度变化过程线

典型断面开始超标时刻开始达标时刻出现峰值时刻峰值浓度/(mg·L-1)超标时长/h岩滩电站2月1日15时2月3日9时2月2日4时0.033 644大化电站2月5日17时2月8号9时2月6日17时0.023 866乐滩电站2月10号10时2月12号18时2月11号12时0.019 159桥巩电站2月13号9时2月15日14时2月14号10时0.017 262石龙三江口2月17号4时2月19号21时2月18号2时0.011 167武宣水文站2月21日3时2月24日6时2月22日13时0.011 076桂平三江口2月27号5时3月2日1时2月28日11时0.004 970梧州水文站3月5号9时3月8日23时3月7号3时0.006 176

岩滩电站从2月1日15时开始超标，在2月2日4点达到最大值0.033 6，至2月3日9时消失，总共超标历时44 h；大化电站坝址污染物浓度从2月5日17时开始超标，在2月6日17时达到最大值0.023 8，至2月8号9时开始达标，总共超标历时66 h；乐滩电站坝址污染物浓度从2月10号10时开始超标，在2月11号12点达到最大值0.019 1，至2月12号18时消失，总共超标历时59 h；桥巩电站坝址处浓度在2月13号9时开始超标，在2月14号10时达到最大值0.017 2，至2月15日14时消失，总共超标历时62 h；石龙三江口污染物浓度从2月17号4时开始超标，在2月18号2时达到最大值0.011 1，至2月19号21时消失，总共超标历时67 h；武宣水文站位置从2月21日3时开始超标，在2月22日13点达到最大值0.011，至2月24日6点消失，总共超标历时76 h；桂平三江口从2月27号5时开始超标，在2月28日11时达到最大值0.004 9，至3月2日1时消失，总共超标历时70 h；梧州水位站位置污染物浓度从3月5号9时开始超标，在3月7号3时达到最大值0.006 1，至3月8日23时消失，总共超标历时76 h。

从图4中看出各典型断面位置污染物浓度变化呈抛物线状，抛物线从上游向下游呈现由尖瘦型向矮胖型过渡，显示各控制站点污染物浓度都呈现某个时间段逐渐增大，达到最大值后逐渐减少直至消失，即污染团通过了该站点。各断面污染物浓度的超标时间从上游的岩滩电站44 h增大到下游梧州水文站76 h，峰值浓度从0.033 6降低到0.006 1，在乐滩电站总超标历时减少是由于刁江支流的汇入加快了污染物的输移，桂平三江口位置总超标历时减少是郁江水流的汇入加快了污染物的输移传播。

2.4 水库调度方案设置

2.4.1梯级水库基本特性

事故发生地下游沿线各梯级水库情况见表3，由表中可知，事故发生地下游各梯级水库兴利库容较大的有岩滩、红花和大藤峡，由于本次模拟事故发生时间为枯水期，考虑水库冲污、兴利等综合因素，本次调度方案主要对岩滩、红花和大藤峡3个梯级水库进行调度。

2.4.2水库应对调度方案设置

针对该突发性水污染事故，设置了4种水库调度方案，见表4。

a) 由于水污染事故发生的突然性，现实发生水污染事件时采取的应对手段多采用单库调度进行应对，因此水库调度方案1为当岩滩电站坝址处的污染物浓度从2月1日15时开始超标时，岩滩水库开始调度。

表3 事故地点下游各梯级水库情况

b) 水库调度方案2在方案1调度岩滩水库的基础上，加入红花水库一起调度，为并联式双库调度，考虑到红花调电站下泄流量与岩滩流量在石龙三江口汇合以增强调度效果的需要，红花水库的起调时间定为2月12日9时。

c) 水库调度方案3在方案2同时调度岩滩和红花水库的基础上，加入大藤峡水库，大藤峡水库的起调时间为当坝址处污染物浓度开始超标时，即从2月22日2时。

d) 大藤峡水库兴利库容较大，如有需要可进一步增加下泄流量促进污染物输移扩散，因此水库调度方案4在方案3调度岩滩、红花和大藤峡水库的基础上，将大藤峡水库调度下泄流量从方案3的5 000 m3/s增大为6 000 m3/s。

表4 水库调度方案设置

2.5 调度结果分析

2.5.1水库调度方案1结果分析

水库调度方案1实施后的计算结果见表5。方案1单独调度岩滩水库，选择以增大下泄流量至4 000 m3/s，直至库内水位降至219 m的最低限制水位，调度时长共计26 h。图5、6给出了典型断面在调度方案1实施前后污染物浓度峰值削减比例和超标时长减少值(正值表示超标时长减少，负值表示增加)。结果显示：岩滩电站坝址处水质达标的时间从2月3日9时提前到2月2日的1时，污染物浓度的峰值降低了22.3%，污染物超标时间缩短32 h。武宣水文站处的污染物浓度超标时刻由2月21日3时提前到2月16日9时，达标时刻从2月22日13时提前到2月20日8时，污染物浓度的峰值降低了41.8%，但污染物超标时长增加了20 h；梧州水文站处污染物浓度超标时刻由3月5号9时提前到3月2日3时，污染物浓度达标时间从3月8日23时提前到3月6日12时，污染物浓度峰值降低了49.1%，但污染物超标时长增加了32 h。分析调度方案1得到以下结论。

表5 典型断面污染物浓度特征值(水库调度方案1)

a) 在突发性水体污染发生在岩滩库区时，通过调度岩滩水库，加大下泄流量，可以显著降低库区及下游典型断面位置处的污染物浓度峰值，起到稀释污染物的作用，典型污染物峰值削减幅度总体呈现向下游增大趋势。

b) 由于加大岩滩出库下泄流量，相应增加了岩滩坝址下游河道的流速，下泄水流携带污染物以更快的速度向下游运动，岩滩水库下游典型断面位置污染物浓度超标时刻及达标时刻都显著提前。

c) 岩滩水库调度，可以显著削减污染物在岩滩库区和大化库区滞留的时长，但大化坝址以下河道典型断面的污染物超标时长呈现显著增加趋势。

图5 调度方案1下的典型断面污染物浓度峰值削减比例

图6 调度方案1下的典型断面污染物浓度超标时长削减值

2.5.2其他水库调度结果分析

表6给出了水库调度方案2实施后的主要断面浓度特征值结果。由于调度方案2是在方案1调度岩滩水库调度的基础上，加入了红花电站，红花电站控制下泄流量为2 000 m3/s，于石龙三江口与岩滩下泄流量汇合，起到降低污染物浓度并快速向下游推移的作用。因此，从武宣水文站断面污染物浓度变化过程来看，污水团抵达该断面的时间为2月15日18时，较方案1提前了15 h，污染物峰值浓度也较方案1下降了21.9%，但该断面污染物浓度超标时长则较方案1增加了11 h。污水团抵达梧州水文站断面的时间同样较方案1提前了18 h，污染物峰值浓度较方案1下降了19.4%，但污染物超标时长则增加了7 h。

表7给出了水库调度方案3实施后的主要断面污染物浓度特征值。该方案是在方案2岩滩和红花电站联合调度的基础上，加入即将建成的大藤峡水库，大藤峡水库调度开始时间为污水团抵达坝址断面的时刻，大藤峡水库调度期间控制下泄流量5 000 m3/s。在大藤峡水库参与调度的情形下，可以看到，污水团抵达大藤峡断面的时间与方案2一致，但由于大藤峡水库通过加大下泄流量的方式加入调度，加快了库区水体的流动，因此污水团峰值较方案2提前25 h抵达坝址断面，污染物峰值浓度与方案2相差不大，但该断面污染物浓度超标时长较方案2显著减少了44 h；污水团抵达梧州水文站断面较方案2提前了26 h，污染物浓度峰值较方案2提前18 h抵达，峰值浓度相差不大，但超标时长较方案2显著减少17 h，在峰值浓度差别不大的情况下，显然梧州断面污染物浓度超标时长减少是由于大藤峡水库加大下泄流量从而对污染物起到极大稀释作用形成的。

表8给出了调度方案4下的大藤峡坝址断面和梧州水文站断面的污染物特征值。该方案与调度方案3基本一致，只是大藤峡电站调度期间下泄流量比方案3多1 000 m3/s。总体来看，该方案实施后的变化趋势与方案3一致，污水团及浓度峰值更快的抵达大藤峡坝址断面和梧州水文站断面，峰值浓度基本一样，两断面污染物浓度超标时长都进一步缩短。

表6 典型断面污染物浓度特征值(方案2)

表7 典型断面污染物浓度特征值(方案3)

表8 典型断面污染物浓度特征值(方案4)

3 结论

本文在假定大化瑶族自治县大化镇发生突发性水污染事故的前提下，设置不同的调度方案，联合调度西江流域上一座或某几座水库来应对该事故，得到的结论如下。

a) 单独调度岩滩水库，加大下泄流量。可加速污染物下移速度，显著降低库区及下游典型断面位置处的污染物浓度峰值，削减污染物在岩滩库区和大化库区滞留时长；同时使岩滩水库下游典型断面位置污染物浓度超标时刻及达标时刻都显著提前；但大化坝址以下河道典型断面的污染物超标时长呈现显著增加趋势。当增大岩滩下泄流量至4 000 m3/s时，岩滩电站坝前水质污染物超标时间缩短32 h，污染物浓度的峰值降低了22.3%；武宣水文站断面污染物浓度的峰值降低41.8%，超标时长增加了20 h；梧州水文站断面污染物浓度峰值降低49.1%，污染物超标时长增加32 h。

b) 同时调度岩滩水库和红花电站。可进一步降低石龙三江口下游典型断面位置处的污染物浓度峰值；促进下游典型断面位置污染物浓度超标时刻及达标时刻的提前；也会进一步延长下游河道典型断面的污染物超标时长。当增加红花电站控制下泄流量为2 000 m3/s时，武宣水文站断面污染物超标时间较方案1提前15 h，超标时长增加11 h，污染物峰值浓度下降21.9%；梧州水文站断面污染物超标时间提前18 h，超标时长增加7 h，污染物峰值浓度下降19.4%。

c) 同时调度岩滩水库、红花电站和大藤峡水库。大藤峡上游污染物移动未发生改变，但是大藤峡坝址处污染物峰值到达时间提前，持续时间降低；大藤峡水库下游各典型断面污染物到达时间提前，持续时间降低，峰值浓度不变。当增加大藤峡水库控制下泄流量5 000 m3/s时，大藤峡坝前水质超标时间较方案2提前25 h，超标时长减少了44 h，污染物峰值浓度基本不变；梧州水文站断面水质超标时间较方案2提前26 h，超标时长减少17 h，峰值浓度相差不大。

d) 同时调度岩滩水库、红花电站和大藤峡水库，增加大藤峡水库下泄流量。大藤峡坝址及下游各典型断面污染物移动速度进一步加快，但是峰值浓度不变。当大藤峡水库控制下泄流量6 000 m3/s时，大藤峡坝前水质超标时间较方案3提前11 h，超标时长减少了8 h，污染物峰值浓度基本不变；梧州水文站断面水质超标时间较方案3提前22 h，超标时长减少6 h，峰值浓度相差不大。

e) 对比以上4种调度方式中污染物运动情况可知，当西江中游发生突发性水体污染时：①对于干流沿线的水库，充分利用各梯级水库的可利用库容，根据污染物移动的具体情况，上游水库向下游逐级补水；②对于支流上的水库，通过调控使支流水库的调度流量过程传递到三江汇合口与污染物输移传播的过程保持同步。通过联合调度西江中游各梯级水库，可以取得比单库调度更好的效果。