基于MIKE21的河道饮用水源地突发污染事故模拟

舒长莉　李林　冯韬

摘要：为及时处理赣江南昌段突发性水污染事故，采用MIKE21二维水质模型建立了赣江南昌段水动力模型，通过耦合污染物传输模型研究了该河段.上游物质释放和运移扩散过程。模拟过程中，利用2013年赣江水文数据对模型进行率定和验证，在模拟精度符合要求的基础上模拟了2013年赣江南昌段分别在丰、平、枯3种典型水文情势下的突发水污染事故中污染物运移扩散过程。模拟结果表明：在丰、平水文情势下，污染团流过饮用水取水口速度较快，历经2～4h;枯水水文情势下污染团流过取水口较慢，历时会超过10h;突发水污染事故对饮用水取水口影响程度受赣江水文情势的影响显著。

关键词：河道型饮用水水源地;突发污染事故;MIKE21模型;污染过程模拟;赣江;南昌

中图法分类号：X52 文献标志码：A DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.03.013

近年来，我国突发饮用水污染事进入事故密集高发期，城市水源地安全与否直接影响到整个城市的供水安全，严重威胁居民正常生产、生活和生命健康。突发饮用水污染事故发生突然，如果没有建立对应的技术支撑，污染事故就不能得到有效控制。

水源地突发污染事故具有突发性和不确定性等特征，可在短时间内造成水源地污染、城市停水和饮水中毒等问题，从而造成严重经济损失，直接对人民群众的身体健康构成威胁，并对社会稳定产生影响。赣江南昌段横穿南昌市区，是南昌市主要水源地，该区域一旦水源地受到污染，会在很短时间内造成城市水源污染和饮用供水系统的重大损失，将直接影响整个南昌市人民的正常生活。近年来，赣江南昌段过往船只和过江车辆数量不断增加，发生突发水污染事故风险也随之增加，因此，通过模型模拟，明确赣江南昌段突发水污染事故对饮用水取水口的影响，具有重要的意義和价值。

模拟水污染事故发生过程中污染团的迁移状况以及污染物浓度在时间、空间2个维度上的变化，有利于制定应急突发水污染事故的有效应对措施，常用的水质预测模型有SELECT、CE-QUAL-R1和CE-QUAL-W2等模型，美国国家环保署（EPA）开发的WASP、EFDC模型，美国农业部（USDA）开发的SWAT模型等，以及丹麦水力学研究所（DHI）研制开发的MIKE软件模型。其中MIKE21模型在河流水体的水动力和水质研究方面较为先进，MIKE21水动力模拟适合用忽略分层的二维自由表面流方程求解，目前应用较为广泛，在平面二维自由表面流数值模拟方面具有强大的功能，已应用到河道和湖库的水质水动力模拟并获得学术界公认。本次研究以MIKE21水动力模型为基础，建立赣江南昌段突发水污染事故风险模型，实现对突发水污染事故的实时动态模拟，为赣江南昌段水域突发水污染事故预防和应急预案制定提供指导。

1 研究背景

1.1 研究区概况

南昌市位于江西省中部偏北，赣江、抚河下游，地处鄱阳湖南岸滨湖尾闾地区，位于东经115°27'～116°35'，北纬28°09'～29°11'之间。赣江在南昌市裘家洲分为东、西两支，西河为进入鄱阳湖并出长江的重要通道;东河在下游扬子洲礁矶头分为中支、东支，中支在朱港处汇入鄱阳湖;东支在三江口处汇入鄱阳湖。赣江南昌段上起丁家洲，下至赣江大桥，全长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，水量年内变化显著，最大日平均流量约为最小日平均流量的15倍。赣江南昌段共有24个水功能区，其中包括8个饮用水水源保护区。研究区内分布有4个集中式生活饮用水水源地，分别为青云水厂、朝阳水厂、长棱水厂和下正街水厂水源地，如图1所示。

1.2 MIKE21 FM基本原理

赣江南昌段水深较浅，平均不足10m，不存在明显分层现象，采用平面二维模型可以满足研究需要。经模型比较，选择使用MIKE21软件包中的MIKE21FM模型。MIKE21 FM模型采用的数值计算方法为有限体积法，计算域采用非结构化网格进行概化，网格为三角形、四边形的混合网格对于研究区域内部分复杂的边界，混合网格可增强模型的计算精度。

MIKE21 FM水动力模型的控制方程为基于Boussinesq假定和水流连续性方程和x，y方向的动量方程组成的流体静压假定的二维不可压Navier-Stokes方程组，即浅水方程。

公式

式中，1为时间;x，y为右手Cartesian坐标系;η为水位;h为静止水深;u，0分别为流速在x，y方向上的分量;p。为当地大气压;p为水密度，po为参考水密度;f=20sin0，为Coriolis力参数（其中I=0.729x10^-4s^-1，为地球自转角速率）;fv和fiu为地球自转引起的加速度;sSx，S，和S，，为辐射应力分量;T..，Ty，T，和T，为水平粘滞应力项;S为源汇项;u，0，为源汇项水流流速。

2 MIKE21模型构建及验证

2.1 二维水动力模型的建立

本文MIKE21FM水动力模型运采用的数据为：①网格、边界。基于南昌市区1：10000地形图和下载的50m分辨率DEM数据23，经ArcGIS软件处理生成闭合水陆边界线（Land.xyz文件）和水深散点数据（Wa-ter.xyz文件），然后导入网格生成器（meshgenerator）生成。②2013年赣江外洲流量时间序列数据。③2013年南昌、楼前、蒋埠水位时间序列数据。模型上边界在生米大桥上游50m，下边界在英雄大桥下游50m，上游采用流量边界，参考外洲水文数据，下边界采用水位边界，模拟插值地形及开边界见图2～3。

设定河道参数、初始条件及模拟时间等。经多次调试，最终得出适合赣江南昌段二维水动力模型的参数。具体输入数据与参数（此处参数值为率定之后数值）的设置为计算参数参考软件中推荐的数值以及相关参考文献中的数值，并通过后期率定对各数值进行不断调整。根据模型网格大小、水深条件动态调整，模型计算时间步长选择应保证Courant-FriedrichLevy数（即CFL数）满足稳定条件，使CFL数小于0.8，满足模型稳定的要求，最后确定计算时间步长在0.01～30s之间[20]。初始条件设为水面高程12m，水平和垂直流速均为0m/s。底床摩擦力计算取曼宁系数为32m^1/3/s，干湿边界和涡黏系数等其他参数采用推荐值。

2.2 二维水动力模型的率定和验证

水动力模型的率定和验证采用赣江外洲水文站2013年逐日平均水位和流量数据，当底床摩擦力取曼宁系数为32m^1/3/s，时，模拟效果较好，吻合度高，模拟效果见图4～5。

对水位和流量的模拟值及实测值进行分析验证，发现水位和流量模拟值与实测值的相对误差分别在0.11%～6.65%和0～2.62%之间，水位和流量Nash-Stucliffe系数均在0.9以上，表明模型设置参数能用于本次研究模型计算。

2.3 情境设定

突发性水污染事故具有污染物浓度大，瞬间排入河流中污染物量多，危害大等特点，MIKE21 FM模型能较好地模拟污染物在河道中的运移扩散过程，对突发性水污染事故场景进行分析。赣江年内水文情势变化显著，出现典型的丰、平、枯水文情势节律性变化。根据2013年赣江的年内水文情势变化，选定2013年最大、平均、最小流量日，设定为丰、平、枯水期3种情境。分别选定丰、平、枯水文期中时间为4月7日，5月28日和11月2日的08：00。假定在生米大桥上游50m（距离青云水厂4.2km处）发生污染物泄漏事故，泄漏持续时间30nminn，共有2t的污染物流出。假定该物质是纯物质，设其相对于水密度为1，排放流量为1.0～1.3L/s，假设污染物的衰减系数为0。

结果及分析

应用建立的赣江南昌段MIKE21 FM水动力模型和物质迁移模型，对模拟区突发水污染事故迁移过程进行模拟计算，定量预报下游饮用水取水口污染物浓度。

3.1 丰水期突发水污染事故动态模拟

将2013年4月7日突发水污染事故动态模拟结果作图，如图6所示。从图6可以看出，不到146min，污染团到达第一个饮用水取水口青云水厂，192min后污染物浓度达到最高值，270min后污染团流过。突发水污染事故污染团到达朝阳水厂、下正街水厂和长棱水厂的时间分别为185，216min和223min，流出的时间分别为346，377min和420min。丰水期水体流速较快，突发水污染事故能快速通过赣江，突发水污染事故8：00发生，15：00污染团流出下游长棱水厂饮水取水口。

3.2 平水期突发水污染事故动态模拟

将2013年5月28日突发水污染事故动态模拟结果作图，如图7所示。

从图7可以看出，上游突发水污染事故污染团，在346min后到达第一个饮用水取水口青云水厂，在408min后污染物浓度达到最高值，在531min后污染团流出，取水口受污染时为185min。突发水污染事故到达朝阳水厂、下正街水厂和长棱水厂的时间分别为385，415min和431min，污染团流出的时间分别为569，654min和662min。突发水污染事故8：00发生，污染团19：00流出下游长棱水厂饮水取水口，可见平水期突发水污染事故能较快通过赣江。受赣江河底地形的影响，水流主要从北支流出，污染靠近北岸，水体混合作用使下游长棱水厂污染物浓度低于南岸青云水厂和上游取水口污染物浓度。

3.3 枯水期突发水污染事故动态模拟

将2013年11月1日突发水污染事故动态模拟结果作图，如图8所示。

从图8可以看出，上游突发水污染事故，污染团485min后到达第一个饮用水取水口青云水厂，在792min污染物浓度达到最高值，在1269min后污染团流出。突发水污染事故到达朝阳水厂、下正街水厂和长棱水厂的时间分别为662，923min和930min，污染团流出的时间分别为1592，1815min和1820min。从图8可以看出，突发水污染事故从11月1日8：00发生，污染团于次日14：00左右流出下游长棱水厂饮水取水口，可见枯水期突发水污染事故污染物在赣江南昌段停留时间较长，污染物被稀释，浓度降低。由于河底地形枯水期河水主要从北支流出，南支水量较少，流出的污染物也减少。

4 结语

本文借助MIKE水环境模型，建立了赣江南昌段MIKE21 FM水动力模型和污染物迁移模型，并模拟了3种典型水文情势下突发水污染事故对下游饮用水取水口水质的影响，得到在丰水期和平水期污染物团快速流过饮用水取水口历时大约2～4h，在枯水期污染团流过取水口的时间较长，超过10h，表明在枯水期突发水污染事故对饮用水取水口影响最大。建议相关部门加强枯水期突发水污染事故的监测和应急处理，保障各取水口水质安全。今后还需进一步完善模拟模型，考虑更多情境，提高模型的准确性和及时性，并实现可视化，以提高管理效率和质量。

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（编辑：常汉生）

引用本文：舒长莉，李林，冯韬.基于MIKE21的河道饮用水源地突发污染事故模拟——以赣江南昌段为例[J].人民长江，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，FENG 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