基于EFDC,模型的汤河水库污染物质扩散模拟
时间：2023-06-21 21:45:02 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
李亚峰，伍建伯，程 浩
(沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168)
水是人类生产生活过程中的重要物质，预防水源地危险事件发生，才能保护水生态环境，保证居民饮水安全。据统计，2012—2017年国内突发性水环境风险事件共发生561起[1]。在风险事故中大量有害物质进入水体，对水环境影响极大。水库作为水源保护地是城市居民饮用水安全的重要保障，同时更是水环境安全管理的重要环节。贾海峰等[2]假定污染事故，并基于EFDC模型完成情景分析，计算柴河水库纳污负荷。杨倩[3]应用EFDC模型模拟密云水库水环境，并证明应用该模型对模拟突发性水环境风险事件具有可行性。杨志峰等[4]基于EFDC模型探究丹江口水库富营养化风险，并对藻类的潜在危害进行预测。J.M. Ahn等[5]根据EFDC模型模拟韩国城津河受盐分侵入影响，为生活及生产用水安全提供保障。
笔者以汤河水库为研究对象，基于EFDC模型建立库区水动力水质模型，模拟污染物质对汤河水库的影响。以氨氮、总磷作为模拟指标，判断常规污染物在进入水库区域后的污染情况。模拟突发性风险事故造成污染对水库地区的影响，预测污染物质扩散情况，研究成果可以为汤河水库发生污染事故后的应急处理提供科学依据。
汤河水库是辽宁中部地区重要的水源地之一，承担着辽阳、鞍山两市120余万人的供水。水库总容量7.23亿m3，多年调节水量2.46亿m3，库区面积5 334 hm2，包含取水筑物、大坝、水电站等构筑物[6]。汤河水库入库河主要包括二道河、下达河及兰河。笔者在汤河水库中共设置6个监测点位，分别位于水库坝前；
水库中心；
东、西叉头及东、西叉头中部地区。具体位置如图1所示。
图1 汤河水库地形及监测断面分布图Fig.1 Topography and monitoring section distribution map of Tanghe Reservoir
2.1 汤河水库网格划分
水体边界存在的不规则边界会导致划分的网格时出现锯齿网格,影响模拟精度，通常采用坐标拟合法将锯齿网格转化为规则图形，提升模拟精度。研究区域网格划分的正交性和平滑性也会影响模拟结果，正常情况下研究区域网格划分的节点夹角余弦值小于0.02，在边界处可适当增加；
平滑性受长宽比影响应在1～2[7]。
笔者选择汤河水库及上游18 km处的3条支流作为研究区域。基于Delft3D软件中的Grid模块对研究区域进行划分，依据要求共划分网格1 771个(见图2)，横向网格分辨率分别为36.0～347.9 m、纵向网格分辨率为24.2～324.8 m，正交性及平滑性较好(见图3)
图2 汤河水库区域网格划分Fig.2 Regional grid generation of Tanghe Reservoir
图3 网格划分结果验证Fig.3 Verification of meshing
2.2 水动力模型率定及验证
基于汤河水库2009～2016年水文资料，设定汤河水库水动力模型边界条件，并设定初始模拟水位为107.42 m，流速为0 m/s。汤河水库底部糙率取值为0.025[8-9]。为保障模型稳定运行， 防止负水深影响模拟结果，将时间步长设定为5 s。模拟时间为2009-01-01～2016-12-31，去除统计数据不足日期共计2 911 d。为防止初期模拟效果不佳，对模型进行预热，使其在2009-01-01前保持稳定运行状态。模拟结果如图4所示。
由图4(a)可知，库容在水位85～112.5 m时拟合效果极好，在该范围外时有一定误差，但水文资料显示汤河水库水位在模拟期间内均低于112.5 m ，且高于85 m，所以拟合效果较好。图4(b)可知，水位模拟结果与实际趋势相符，且误差均低于5%，因此证明模型运行正常，且模拟效果较好。
图4 实际与模拟对比图Fig.4 Comparison of actual and simulation value
2.3 水质模型率定及验证
水质模型边界条件，由于入库水质数据缺乏，仅选择2016年部分数据作为水质条件构建水质模型。水质模型率定及验证的变量包括氨氮及总磷，初始质量浓度选择库区年均浓度，预热稳定后再进行模拟，为使得水质模拟可以快速达到稳定状态，设置初始水质为库区年均浓度。考虑到水体有自净功能，总磷及氨氮的降解过程应满足一级动力学模型[10]。
由于坝前、水库中部及水库东、西叉头中部的监测点位的水龄长，且部分数据短缺的，为保证模拟效果，仅选用西叉头和东叉头两个距入库点较近的监测点位进行水质参数的率定(见图5)。
图5 实测与模拟NH3-N 与TP对比图Fig.5 Comparison of measured data and simulated value of NH3-N and TP
受检测条件限制，TP和NH3-N的检出质量浓度分别为0.01 mg/L和0.025 mg/L，检测结果较低，误差较小，因此率定过程应以趋势判断为主。从图5可知，预测结果与实际变化趋势基本相似，确定TP衰减系数为0.001 d-1，NH3-N的衰减系数为0.003 d-1，与其他北方水库研究结果相似[11]，因此模型模拟结果可以有效反映实际水质情况。
3.1 典型年水质状况模拟分析
水库地区水体流速较低，易造成营养物质的累积，在富营养化方面，笔者主要模拟水库进水过程中氮磷超标情况。由于二道河和下达河是直接入库，当入库水质发生污染时难以防控；
兰河是由隧道引入汤河水库，可通过关闭隧道控制污染。所以笔者仅模拟二道河和下达河在最不利条件下的丰水年、平水年及枯水年TP和NH3-N的质量浓度变化。
模型设置流量边界为各典型年的平均流量，水质边界设为典型年最不利TP和NH3-N的质量浓度。具体模型边界条件如表1所示。
采用表1的边界条件，模拟TP和NH3-N的在不同典型年下的质量浓度变化情况，模拟时长设为6个月，模拟结果如图6所示。
表1 入库河流边界条件Table 1 Boundary conditions of inflow river
从图6可以看出，TP和NH3-N经6个月的扩散后丰水年所受影响最大，出水口处TP质量浓度为0.12 mg/L、NH3-N质量浓度为0.59 mg/L，超过Ⅱ类水质标准。平水年东部库区受到污染影响，TP和NH3-N超标水质距离水库出水口分别为1 700 m和3 850 m。枯水年影响较小，但依旧超过Ⅱ类水质标准，TP和NH3-N超标水质离水库出水口分别为6 960 m和7 600 m。
图6 典型年NH3-N和TP质量浓度分布图Fig.6 The concentration of NH3-N and TP in typical years
由此看出，当入库水受到污染时，水质超标问题会较长一段时间存在于水库中，同时丰水年受影响最大，为避免污染物质超标影响出库水质，需要及时控制污染物质扩散，降低污染物质影响。
3.2 突发风险事故影响
丰水年受到影响最大，因此当在丰水年时发生突发性风险事故时造成的影响也会随之增强，所以笔者将丰水年条件作为最不利条件，模拟突发性交通事故造成的影响。以S316草鞍线公路通过下达河及二道河两入库支流的桥梁作为事故发生地，具体地点如图7所示。
图7 突发性水污染事故点位图Fig.7 The map of sudden water pollution accident points
设定污染物质为10 t保守污染物，入库流量设为2 m3/s，污染物质量浓度设置为100 mg/L，泄漏持续2 h。基于设置后的EFDC模型模拟事故发生后的污染扩散情况见图8。
从图8可以看出，事故发生初期，物质扩散速度较快，在2 d后迁移速度逐渐下降，5 d后污染物迁移600 m，当突发性风险事故发生94 d时，污染物扩散至出水口，并对水质影响持续360 d左右，但出库水质最高污染质量浓度低于0.000 3 mg/L。因此应在事故发生后的5 d内及时处理污染物质造成的影响，并在94 d内彻底处理水体中的污染物质，避免对城市供水产生影响。
图8 特征污染物迁移过程Fig.8 Migration process of characteristic pollutants
(1)建立EFDC模型模拟汤河水库的水环境，并对污染物质扩散情况进行模拟。采用2009～2016年水文数据对水动力模型进行验证。基于2016年水质数据对水质动力模型进行模拟验证，EFDC模型可有效模拟汤河水库的环境状态。
(2)对TP和NH3-N扩散情况进行6个月模拟，实测值与模拟值趋势相近。丰水年对出水水质影响较大，会造成出库水水质超过地表水Ⅱ类标准；
枯水年对出水水质影响较小，6个月后TP和NH3-N超标水质距离水库出水口分别为6 960 m和7 600 m；
平水年6个月后TP和NH3-N超标水质距离水库出水口分别为1 700 m和3 850 m。
(3)模拟汤河水库丰水年突发性风险事故发生后造成污染物质泄漏，预测污染物质在水库中的扩散，定量给出出水口受污染的时间。事故发生0.25 d污染物扩散极快，在2 d后迁移速度逐渐下降，5 d后污染物迁移600 m，当突发性风险事故发生94 d时，扩散至水库出水口，但最高污染物质量浓度低于0.000 3 mg/L。
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