大寧調(diào)蓄水庫(kù)工程作為北京市南水北調(diào)配套工程的重要組成部分，在調(diào)蓄來(lái)水、工程檢修、事故應(yīng)急供水方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1]。由于水庫(kù)庫(kù)尾（庫(kù)區(qū)北端）位于交通節(jié)點(diǎn)附近，車流量大，交通事故導(dǎo)致化學(xué)品泄漏引發(fā)水污染事故的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較大。在當(dāng)前突發(fā)性水污染事故頻發(fā)的背景下[2]，考慮到南水北調(diào)水質(zhì)安全的重要性及研究區(qū)地理位置的特殊性，開展突發(fā)性水污染事故應(yīng)急等相關(guān)方面的研究是十分必要的。

　　摘要：大寧水庫(kù)庫(kù)尾位于交通節(jié)點(diǎn)附近，存在交通事故引發(fā)突發(fā)性水污染事故的風(fēng)險(xiǎn)。從風(fēng)險(xiǎn)防范與管理角度，利用MIKE21FM模型，以5t硝基苯泄露為例，考慮風(fēng)、水庫(kù)調(diào)度因素，設(shè)定5個(gè)情景開展突發(fā)事故污染物擴(kuò)散規(guī)律研究。結(jié)果表明：（1）不同情景污染物擴(kuò)散速度和超標(biāo)水域面積相差較大。無(wú)風(fēng)、不調(diào)度情景下，庫(kù)區(qū)水體接近靜止，污染物擴(kuò)散速度最慢；水庫(kù)向大寧調(diào)壓池輸水20m3/s，西北風(fēng)12.3m/s情景下，污染物擴(kuò)散速度最快。（2）與常規(guī)調(diào)度相比，風(fēng)速和風(fēng)向?qū)ξ廴疚锏臄U(kuò)散影響更大。同樣風(fēng)速情況下，西北風(fēng)較東北風(fēng)更利于污染物的擴(kuò)散。（3）正常情況下（即風(fēng)速不超過(guò)2.56m/s，調(diào)水不超過(guò)20m3/s），5t硝基苯泄露應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間在15h以上，最不利情況下（風(fēng)速為20年最大平均風(fēng)速12.3m/s且調(diào)水20m3/s），應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間為4～9h。根據(jù)研究結(jié)果，一方面建議加強(qiáng)庫(kù)尾交通疏導(dǎo)，加固橋梁護(hù)欄，降低交通事故發(fā)生概率；另一方面，建議在現(xiàn)有監(jiān)測(cè)站點(diǎn)規(guī)劃基礎(chǔ)上，新增庫(kù)尾自動(dòng)監(jiān)測(cè)站一處。

　　關(guān)鍵詞：農(nóng)機(jī)在線投稿,北京市南水北調(diào)配套工程,大寧水庫(kù),突發(fā)水污染事故模擬,MIKE21FM

　　在水污染事故應(yīng)急過(guò)程中發(fā)生時(shí)，管理部門迫切需要了解污染帶的遷移狀況以及污染物濃度在時(shí)間、空間兩個(gè)維度上的變化，以便采取有效的應(yīng)急措施[3]。當(dāng)前對(duì)于此問(wèn)題的研究，受到區(qū)域特點(diǎn)、模型簡(jiǎn)化、數(shù)據(jù)限制等因素影響，多集中于河流水污染事故的模擬，大多采用一維模型[45]。但一維模型只適用于河寬較窄的中小型河流，當(dāng)研究區(qū)為較大河流或湖庫(kù)時(shí)，一維模型已不能滿足研究需要。MIKE21FM是目前應(yīng)用較為廣泛的二維模型，在平面二維自由表面流數(shù)值模擬方面具有強(qiáng)大的功能。本文基于MIKE21FM開展大寧水庫(kù)水污染事故的模擬分析，旨在探明污染物的時(shí)空變化規(guī)律，明確污染影響范圍和程度，為后續(xù)水庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急管理提供依據(jù)。

　　1水庫(kù)概況

　　大寧水庫(kù)位于北京市房山區(qū)大寧村北，京港澳高速公路（京石高速）杜家坎至趙辛店路段東側(cè)，與南部的稻田水庫(kù)、馬廠水庫(kù)組成永定河滯洪水庫(kù)，見圖1。上游為小啞叭河，下游為小清河。南水北調(diào)總干渠永定河倒虹吸由大寧水庫(kù)庫(kù)區(qū)穿過(guò)，大寧調(diào)壓池位于大寧水庫(kù)副壩南側(cè)，通過(guò)退水暗涵與之相連。改建后庫(kù)區(qū)總庫(kù)容為4611萬(wàn)m3，防洪庫(kù)容3611萬(wàn)m3，正常蓄水位為56.40m。當(dāng)水位低于52.46m，為向總干渠供水，需啟用位于水庫(kù)副壩北側(cè)130m處的抽水泵站。

　　大寧水庫(kù)庫(kù)尾正是京石高速、G107等公路線及老京廣正線、二七廠等鐵路線交匯處，距杜家坎交通節(jié)點(diǎn)直線距離不足1km。庫(kù)尾處有公路橋梁1座，鐵路橋梁2座，交通繁忙，車流量較大；水庫(kù)壩前為大寧調(diào)壓池，無(wú)正式公路，基本無(wú)外來(lái)車輛。因此在庫(kù)尾發(fā)生交通事故并引發(fā)突發(fā)污染事故的可能性遠(yuǎn)大于壩前。

　　2水質(zhì)模型構(gòu)建

　　2.1模型選擇與概述

　　大寧水庫(kù)在56m正常蓄水位時(shí)平均水深不足10m，不存在明顯分層現(xiàn)象，采用平面二維模型可以滿足研究需要。研究區(qū)邊界不規(guī)則，采用傳統(tǒng)矩形網(wǎng)格模擬可能會(huì)影響模擬結(jié)果。經(jīng)模型比較，選擇使用MIKE21軟件包中的MIKE21FM模型。MIKE21由丹麥水力研究所開發(fā)，在平面二維自由表面流數(shù)值模擬方面具有強(qiáng)大的功能，具有用戶界面友好、前后處理功能強(qiáng)大、數(shù)值計(jì)算方法科學(xué)等諸多優(yōu)點(diǎn)[6]，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)得以廣泛應(yīng)用。其研究對(duì)象涵蓋海洋、河口、河流、湖庫(kù)等水體，研究類型包括單純的數(shù)值模擬[78]、洪水淹沒分析[910]、溫排水影響分析[1112]、水質(zhì)模擬與預(yù)測(cè)[1314]等幾類。但在突發(fā)事故模擬方面，相關(guān)應(yīng)用并不多見。

　　2.2模型地形文件構(gòu)建

　　以分辨率為30m的大寧水庫(kù)DEM為數(shù)據(jù)源，在ArcGIS平臺(tái)的支持下進(jìn)行剪裁后導(dǎo)出成xyz格式；參照《北京市南水北調(diào)配套工程大寧調(diào)蓄水庫(kù)工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》（以下簡(jiǎn)稱“設(shè)計(jì)報(bào)告”），結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果，對(duì)地形數(shù)據(jù)進(jìn)行初步修正；利用MIKEZero中的MeshGenerator工具建立水庫(kù)三角網(wǎng)格，導(dǎo)入修正后的xyz數(shù)據(jù)，形成模擬地形，見圖2。模型建立后，對(duì)不同水位下庫(kù)容進(jìn)行模擬，對(duì)照已有庫(kù)容曲線，對(duì)地形數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步修正至相對(duì)誤差低于4%，以滿足模型地形精度的研究需要。

　　2.3模擬情景及參數(shù)設(shè)定

　　按照污染物的性質(zhì)，水污染事故可以分為，有毒有害化學(xué)物質(zhì)泄漏事故、溢油事故、非正常大量排放廢水事故、放射性污染事故。河西村截污工程完成后，庫(kù)區(qū)上游居民生活廢水全部收集處理，小啞巴河工程完成后，流量小于2500m3/s的中小洪水全部下泄永定河下游，不進(jìn)入大寧水庫(kù)，故非正常大量排放廢水事故發(fā)生的概率極�。淮髮幩畮�(kù)不承擔(dān)水運(yùn)功能，基本不會(huì)發(fā)生溢油事故；研究區(qū)周邊無(wú)核設(shè)施，放射性污染事故不會(huì)發(fā)生；事故風(fēng)險(xiǎn)主要來(lái)自于交通事故引發(fā)的危險(xiǎn)化學(xué)品的泄露。本文著重對(duì)有毒有害化學(xué)品泄露事故進(jìn)行模擬。

　　情況設(shè)計(jì)：以裝載5t硝基苯的輕型卡車在庫(kù)尾處發(fā)生事故引發(fā)泄露為例，考慮風(fēng)速、水庫(kù)調(diào)度等影響因素，設(shè)定5個(gè)情景進(jìn)行模擬，見表1。情景一是無(wú)外界影響因素下的污染物泄露模擬，情景二和情景三是存在風(fēng)向?qū)ξ廴疚飻U(kuò)散的影響；情景四是存在風(fēng)和調(diào)度對(duì)污染物擴(kuò)散的影響；情景五是最不利情況下的污染物擴(kuò)散，最不利情況是指相對(duì)其他4個(gè)情景，該情景下污染物擴(kuò)散對(duì)風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急管理最為不利，本研究設(shè)定的情景是風(fēng)速為20年平均最大風(fēng)速且向大寧調(diào)壓池供水20m3/s。參數(shù)設(shè)定：模擬時(shí)間定為8h；泄露速度根據(jù)伯努利方程計(jì)算[15]；泄露持續(xù)時(shí)間則根據(jù)泄露總量與泄露速度計(jì)算；風(fēng)速分別設(shè)定為2.56m/s（多年平均風(fēng)速）和12.3m/s（20年平均最大風(fēng)速即取20年為例，將每年的最大風(fēng)速相加除以20的風(fēng)速值）；風(fēng)向分別設(shè)定為春夏（東南135°）和秋冬（西北315°）主導(dǎo)風(fēng)向；水庫(kù)調(diào)度流量根據(jù)設(shè)計(jì)報(bào)告確定；初始水位設(shè)定為正常調(diào)蓄水位56.4m。

　　模擬時(shí)不考慮蒸發(fā)、降雨、庫(kù)底滲漏、上游來(lái)水及污染物自身降解影響，但考慮柯氏力影響。由于缺乏實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，參照相關(guān)文獻(xiàn)及模型自身推薦值[6，15]。糙率設(shè)定為0.028m1/3·s，渦黏系數(shù)（SmagorinskyFormulation）為0.5。

　　3突發(fā)事故模擬與分析

　　3.1各情景模擬結(jié)果

　　模擬結(jié)果見圖3至圖5。

　　情景一（水庫(kù)不調(diào)度、無(wú)風(fēng)條件）：污染物自泄露點(diǎn)向四周擴(kuò)散，8h污染擴(kuò)散面積（即硝基苯濃度>0的水面面積）為18.82km2，平均擴(kuò)散速度為6.5m2/s；超標(biāo)水域面積（即硝基苯濃度>1.7×105kg/m3）為2.95km2，占總水面面積的1.0%；8h后，泄露點(diǎn)附近污染物濃度最高，為1.28kg/m3，超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)7.5萬(wàn)余倍。在無(wú)風(fēng)、不調(diào)度情況下，庫(kù)區(qū)自身水體幾乎靜止，平均流速小于1×104m/s，污染物發(fā)生泄漏后，擴(kuò)散速度很慢。

　　情景二（水庫(kù)不調(diào)度、東南風(fēng)2.56m/s）：污染物自泄露點(diǎn)向南擴(kuò)散，受東南風(fēng)影響，污染物逐步向庫(kù)區(qū)西北側(cè)堆積，8h污染擴(kuò)散面積為53.37km2，平均擴(kuò)散速度為18.5m2/s；超標(biāo)水域面積7.62km2，占庫(kù)區(qū)水面面積的2.6%；受風(fēng)影響，8h后泄露點(diǎn)西南約290m處的西岸污染物濃度最高，為0.113kg/m3，超標(biāo)6650余倍。

　　情景三（水庫(kù)不調(diào)度、西北風(fēng)2.56m/s）：污染物自泄露點(diǎn)向東南方向呈長(zhǎng)條狀擴(kuò)散，8h污染擴(kuò)散面積為98.22km2，平均擴(kuò)散速度為34.1m2/s；超標(biāo)水域面積11.97km2，約占庫(kù)區(qū)水面面積的4.0%；受風(fēng)影響，污染物堆積作用比較明顯，8h后泄露點(diǎn)東南350m處的東岸濃度最高，為0.149kg/m3，超標(biāo)8740余倍。

　　情景四（水庫(kù)向大寧調(diào)壓池輸水20m3/s，西北風(fēng)2.56m/s）：污染物擴(kuò)散規(guī)律跟情景三基本一致，污染物擴(kuò)散速度和面積較情景三略有增加；8h擴(kuò)散面積為100.25km2，平均擴(kuò)散速度為34.8m2/s；超標(biāo)水域面積為12.20km2，約占庫(kù)區(qū)水面面積的4.1%。

　　情景五（水庫(kù)向大寧調(diào)壓池輸水20m3/s，西北風(fēng)12.3m/s）：受大風(fēng)影響，污染物擴(kuò)散速度加快，平均擴(kuò)散速度為102m2/s，6h污染物擴(kuò)散至整個(gè)庫(kù)區(qū)；8h后，超標(biāo)水域面積為59.32km2，約占總水域面積的21.7%；8h后距泄露點(diǎn)東南2.3km處的東岸污染物濃度最高，為0.011kg/m3，超標(biāo)647倍。

　　3.2各情景對(duì)比分析

　　對(duì)比無(wú)風(fēng)和有風(fēng)情景下污染物擴(kuò)散結(jié)果可知，無(wú)風(fēng)時(shí)污染物以泄露點(diǎn)為圓心輻射狀擴(kuò)散，擴(kuò)散范圍較�。挥酗L(fēng)時(shí)污染物不僅擴(kuò)散速度增加，而且在庫(kù)區(qū)邊界制約下，污染物易堆積，從而出現(xiàn)狹長(zhǎng)污染帶，不利于后期污染清除。對(duì)比情景二和情景三可知，同樣風(fēng)速情況下，與東北風(fēng)相比，西北風(fēng)更利于污染物的擴(kuò)散，可見風(fēng)向也是影響污染物擴(kuò)散的關(guān)鍵因素之一。情景三、情景四污染物擴(kuò)散速度相差不大，說(shuō)明與風(fēng)速相比，常規(guī)調(diào)度由于調(diào)水量較小，對(duì)庫(kù)區(qū)水體流動(dòng)的影響較弱，對(duì)污染物擴(kuò)散影響不大。情景五與情景四對(duì)比可知，風(fēng)速由2.56m/s提高至12.3m/s，污染物擴(kuò)散速度增加190%，超標(biāo)面積增加390%。

　　各情景的污染物擴(kuò)散面積與超標(biāo)面積相差較大，在泄露發(fā)生后的不同時(shí)段，前者約是后者的5～11倍。若以污染物到達(dá)泵站取水口的時(shí)間來(lái)確定應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間，則偏于保守；若以泵站取水口處污染物濃度超標(biāo)的時(shí)間確定響應(yīng)時(shí)間，則偏于寬松；介于兩者之間的數(shù)值作為應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間較為合理。表2模擬結(jié)果表明，正常情況下（前四種情景），偏寬松的應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間皆在48h以上，保守應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間為15h左右；即使在最不利情況下（情景五），應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間也在4～9h。由此說(shuō)明，庫(kù)尾發(fā)生污染事故，應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間較為充分，有利于提高應(yīng)急決策和處理措施的科學(xué)性和有效性。

　　4結(jié)論及建議

　　（1）情景一（無(wú)風(fēng)、不調(diào)度）的水體基本處于靜止?fàn)顟B(tài)，污染物以泄露點(diǎn)為圓心成輻射狀緩慢擴(kuò)散，8h后超標(biāo)水域面積百分比僅為1.0%；情景二（水庫(kù)不調(diào)度、西北風(fēng)2.56m/s）中，受風(fēng)影響污染物逐步向庫(kù)區(qū)西北側(cè)堆積，8h后超標(biāo)水域面積百分比為2.6%；情景三（水庫(kù)不調(diào)度、西北風(fēng)256m/s）中，污染物自泄露點(diǎn)向東南方向呈長(zhǎng)條狀擴(kuò)散，堆積效應(yīng)明顯，8h后超標(biāo)水域面積百分比為4.0%；情景四（水庫(kù)向大寧調(diào)壓池輸水20m3/s，西北風(fēng)2.56m/s）的污染物擴(kuò)散規(guī)律跟情景三基本一致，8h后超標(biāo)水域面積百分比為4.1%；情景五（水庫(kù)向大寧調(diào)壓池輸水20m3/s，西北風(fēng)12.3m/s）的污染物擴(kuò)散速度大大提高，8h后超標(biāo)水域面積百分比約為22%。

　　（2）各情景下，受風(fēng)影響污染物都會(huì)出現(xiàn)堆積現(xiàn)象，形成狹長(zhǎng)的污染帶，不利于污染物清除；與東南風(fēng)相比，西北風(fēng)更利于污染物的擴(kuò)散；與庫(kù)區(qū)常規(guī)調(diào)度相比，風(fēng)對(duì)污染物擴(kuò)散速度和擴(kuò)散方向影響更大；在風(fēng)速增加380%的極端情況下，污染物擴(kuò)散速度和超標(biāo)面積分別增加190%和390%。

　�。�3）若以取水口處水質(zhì)不受影響為目標(biāo)，正常情況下（風(fēng)速不超過(guò)2.56km/s，調(diào)水不超過(guò)20m3/s），5t左右的化學(xué)品泄露應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間在48h以上，保守應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間在15h左右；最不利情況下（風(fēng)速12.3m/s，調(diào)水20m3/s），應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間在4～9h。根據(jù)《北京市南水北調(diào)配套工程水質(zhì)監(jiān)測(cè)站網(wǎng)布設(shè)規(guī)劃》，取水泵站處規(guī)劃建設(shè)一座自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，從風(fēng)險(xiǎn)管理角度，建議在庫(kù)尾增加一處自動(dòng)監(jiān)測(cè)站。同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)庫(kù)尾交通監(jiān)管，疏導(dǎo)來(lái)往車輛，加固橋梁護(hù)欄，降低因交通事故引發(fā)污染的概率。

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