河流突发水污染事件峰值模拟及预警研究

2024-04-10李艳秦泽杨光刘彩影

环境保护与循环经济 2024年2期

李艳秦泽杨光刘彩影

（沈阳理工大学环境与化学工程学院，辽宁沈阳 110159）

1 引言

近年来，各种突发的水环境事件，对人民生活和生态环境造成了极大的影响［1-3］。突发水污染事件具有形式多样性、突发性、危害严重性和处置艰难性等特点［4］。为了最大程度地降低突发水污染事件的损失，采取数值模拟的方法获得突发水污染事件后污染物的时空变化规律，可为突发事件的应急处置提供指导。

2 研究区概况

太子河流域位于辽宁省东部，是大辽河的主要支流。太子河流域源于两条支流，分别为南太子河和北太子河，两支流汇于北甸［5］。太子河主要流经鞍山市、辽阳市、本溪市后至海城市三岔河注入大辽河，最后流入渤海［6］。

太子河流域是辽宁省的工农业生产基地［7］。近年来，太子河流域水质污染问题日趋突出［8］。太子河流经重工业城市本溪市［9］，太子河本溪段沿岸分布着许多金属矿采选厂、化工厂等重污染企业，大量的无机盐、有机物、重金属等污染物若未经处理排入水中，会造成水体污染［10］。

本文研究太子河本溪干流段，以观音阁水库坝下为起点，流经老官砬子断面、兴安断面，至葠窝水库入口处，全长89.6 km，主要支流有小汤河、五道河、小夹河、卧龙河、南沙河、火连寨河等，本研究中将这些支流全部概化成点源汇入河道中。

3 研究方法

3.1 一维水动力模型

本文选取MIKE11 水动力模型模拟研究区的水动力情况。模型通过六点有限差分法求解圣维南方程组来模拟河流或河口的水流状态，六点分别为：河道上下游位置处、支流汇入处、断面插入位置、人为设定的最大空间步长来自动插入的计算水位点、水工建筑物处和每两个水位点之间。圣维南方程组为：

式中，A 为过水断面面积；Q 为流量；x 为距离坐标；t为时间坐标；q 为旁侧入流量；g 为重力加速度；h 为水位；R 为水力半径；C 为谢才系数。

3.2 一维水质模型

MIKE11 AD 模型的基础是MIKE11 HD 模型，MIKE11 对流扩散模型主要用于模拟物质在水体中的传输扩散过程。

计算一维河流水质模型的基本方程为：

式中，C 为模拟物质的浓度；u 为河流平均流速；Ex为对流扩散系数；K 为模拟物质的一级衰减系数。

3.3 模型误差验证方法

本研究水动力模型的误差验证指标选择纳什效率系数（NSE）、可决系数（R2）进行验证。NSE 一般用来验证水文模型模拟结果质量，NSE 值越接近1，表示模型质量越好，可信度越高。R2表现模型的模拟值和实测值之间线性回归关系，其值越接近1，说明模型拟合度越好。

本研究水质模型误差验证指标除了上述两种验证方法外，还可以利用均值绝对误差（MAE）、均方根误差（RMSE）来验证水质模拟的准确性。MAE 用来描述模型的平均预测误差大小，MAE 值越接近0，表示模型的预测精度越高。RMSE 的取值范围从0 到正无穷，RMSE 值越小，表示模型的预测精度越高。

4 模型构建及参数率定

4.1 水动力模型构建

利用ArcMap 制作太子河流域本溪干流段的矢量地图文件，通过河网文件生成太子河本溪干流段的河网概化图。本溪（五）站同时是水文站，存在实测大断面数据，相应地输入本溪（五）站的断面信息。并根据地图高程和河流坡降插入断面，在河流弯曲处额外插入了多个断面，以保证模型的稳定性。

边界条件的设置是以观音阁水库坝下站作为模型的上边界，边界类型为开边界，输入观音阁水库坝下站实测流量数据时间序列文件；以葠窝水库入口处作为下边界，边界类型为开边界，输入实测水位时间序列文件。将支流作为模型的点源边界，输入各支流的实测流量数据时间序列文件。

另外，将污染物浓度时间序列文件按照上述水动力边界条件输入边界文件中。

4.2 对流扩散模型构建

对流扩散模型是建立在水动力模型的基础上，对对流扩散模型的参数文件进行设定。主要设定的参数有模拟水质的组分、污染物扩散系数、初始条件、衰减系数等，可以在初始状态页中输入河流各组分的背景浓度并选择全局值或局域值，使模型刚开始计算时更加稳定。

4.3 参数率定

4.3.1 水动力参数率定

以2019 年本溪（五）站的流量实测数据来进行率定。通过2019 年本溪（五）站模拟流量与实测流量的对比，率定得到水动力参数曼宁系数（n）为0.09。

2019 年本溪（五）站模拟流量与实测流量对比见图1。

图1 2019 年本溪（五）站模拟流量与实测流量对比

4.3.2 对流扩散参数率定

选择2019 年国控断面中的兴安断面作为率定断面，对比氨氮、挥发酚模拟浓度与实测浓度，率定出对流扩散模型的扩散系数与衰减系数。2019 年兴安断面氨氮及挥发酚模拟与实测对比见图2。

图2 2019 年兴安断面氨氮及挥发酚模拟与实测对比

根据率定结果，扩散系数取值为10 m2/s。衰减系数的率定结果见表1。

表1 衰减系数

4.4 模型验证

4.4.1 水动力模型验证

以2020 年的本溪（五）站实测流量来进行模型验证，见图3。

图3 2020 年本溪（五）站模拟流量与实测流量对比

通过对图3 进行分析，得到NSE 为0.944 9，R2为0.916 9，精确度比较准确，说明水动力模型可用。

4.4.2 对流扩散模型验证

选择2020 年国控断面中的兴安断面作为验证断面，对比氨氮模拟浓度与氨氮实测浓度，进行对流扩散模型验证，见图4。

图4 2020 年兴安断面氨氮浓度模拟与实测对比

通过对图4 进行分析，得到R2为0.958 3，NSE为0.956 8，MAE 为0.030 9，RMSE 为0.119 7，说明对流扩散模型拟合较好，具有可行性。

5 突发水污染事件模拟分析

5.1 情景模拟

本研究以挥发酚为例，研究沿岸工厂超标直排含挥发酚废水到河道中。设置4 种排放情景。

情景一：排放地点在老官砬子断面上游20 km处，排放时间在2020 年3 月4 日10：00 到14：00，持续时间为5 h，挥发酚排放强度为500 kg。

情景二：排放地点在老官砬子断面上游20 km处，排放时间在2020 年3 月4 日10：00 到14：00，持续时间为5 h，挥发酚排放强度为1 000 kg。

情景三：排放地点在老官砬子断面上游15 km处，排放时间在2020 年3 月4 日10：00 到14：00，持续时间为5 h，挥发酚排放强度为1 000 kg。

情景四：排放地点在老官砬子断面上游15 km处，排放时间在2020 年3 月4 日10：00 到13：00，持续时间为4 h，挥发酚排放强度为1 000 kg。

5.2 模拟结果与分析

4 种不同含挥发酚废水超标排放情景的模拟结果如图5 所示。

图5 情景模拟结果

情景一结果显示：污染物到达老官砬子断面时间为2020 年3 月4 日22：00，污染物浓度达到峰值时间为2020 年3 月5 日09：00，从开始超标排放到断面监测到污染物经历时间为12 h，污染物达到峰值经历时间为23 h，挥发酚峰值浓度为0.419 mg/L，超出国家地表水质量标准的84 倍。

情景二结果显示：污染物到达老官砬子断面时间为2020 年3 月4 日22：00，污染物浓度达到峰值时间为2020 年3 月5 日09：00，从开始超标排放到断面监测到污染物经历时间为12 h，污染物达到峰值经历时间为23 h，挥发酚峰值浓度为0.838 mg/L，超出国家地表水质量标准的168 倍。

情景三结果显示：污染物到达老官砬子断面时间为2020 年3 月4 日19：00，污染物浓度达到峰值时间为2020 年3 月5 日07：00，从开始超标排放到断面监测到污染物经历时间为9 h，污染物达到峰值经历时间为21 h，挥发酚峰值浓度为0.846 mg/L，超出国家地表水质量标准的170 倍。

情景四结果显示：污染物到达老官砬子断面时间为2020 年3 月4 日19：00，污染物浓度达到峰值时间为2020 年3 月5 日07：00，从开始超标排放到断面监测到污染物经历时间为9 h，污染物达到峰值经历时间为21 h，挥发酚峰值浓度为1.056 mg/L，超出国家地表水质量标准的211 倍。

对比情景一、二模拟结果可知，在模拟排放时间、排放地点相同的情况下，污染物峰值浓度与排放强度有关，排放强度越大，污染物峰值浓度越大。

对比情景二、三模拟结果可知，在模拟时间、模拟强度相同的情况下，污染物峰值浓度与排放地点有关，排放地点距离监测断面越近，污染物峰值浓度越高。

对比情景三、四模拟结果可知，在排放时间、排放地点、排放强度相同的情况下，在只有持续排放时间不同时，污染物的峰值浓度仍会出现差异；而在相同的排放强度条件下，持续排放时间不同，会导致瞬时排放量不同，且持续排放时间与瞬时排放量呈反比。根据情景三、四的模拟结果发现，在持续时间较小、瞬时排放量较大时，污染物峰值浓度也会较大。说明污染物峰值浓度与瞬时排放量有关，瞬时排放量越大，污染物峰值浓度越大。

对比4 种模拟结果可知，污染物在排放地点相同、排放量不同的情况下，到达监测断面的时间及达到峰值浓度的时间是一致的，说明其与污染物排放量无关，即污染物的迁移扩散所需时间与污染物排放量无关。