黄龙滩水库饮用水源流动源污染风险分析

熊燕娜　付　青　王山军

(1.中国环境科学研究院国家环境保护饮用水水源地保护重点实验室，北京　100012；2.环境保护部固体废物与化学品管理技术中心，北京　100029)



黄龙滩水库饮用水源流动源污染风险分析

熊燕娜1，2付青1王山军1

(1.中国环境科学研究院国家环境保护饮用水水源地保护重点实验室，北京100012；2.环境保护部固体废物与化学品管理技术中心，北京100029)

科学评价饮用水水源地船舶运输可能造成的流动源污染风险，可为船舶运输管理、降低污染风险、确保水质安全提供依据。本文运用EFDC水质耦合模型，以湖北省黄龙滩水库为研究区，研究不同水文条件下、船舶行驶至不同位置发生突发性泄露时，污染物到达取水口时间、浓度及持续污染时间，分析取水口可能遭受的污染水平。结果表明，取水口的污染水平与水文条件和污染物的泄露位置有关，在河道中间发生突发性泄露事故时对取水口的污染水平最高。并据此提出了黄龙滩水库水源日常管理对策和风险防控措施，为饮用水源地流动源污染风险管理提供参考和借鉴。

饮用水源地；流动源；EFDC模型；风险分析

1　引　言

随着经济社会的不断发展，饮用水源地遭受污染的风险也随之升高[1]。部分山区由于受水源地所处的地理位置、地形条件等多方面因素的限制，水上运输仍然是库区居民出行和日常生产生活物资运输的主要方式，由此带来的流动风险源污染，如船舶溢油泄漏、货物倾翻等成为威胁地表水水源地水质安全的主要风险事件。因此，在识别风险的基础上，提出针对性地流动源风险控制和管理方案，是解决该问题的有效途径。

水质污染风险包括突发性水质风险和非突发性水质风险，突发性和污染源在达标排放的非突发情况下均有可能导致水质超标[2]。流动源污染风险是突发性水质污染事故风险中的一种，是相对于固定源污染事故而言的，具有事故发生的时间、位置随机，危害广泛，应急滞后，控制难度大等特点[3]。随水质污染的日趋严重，水污染风险问题也引起国内外学者的重视，研究范围包括河流、湖库等地表水体及地下水。目前评价方法主要有跌置指数法、统计方法、过程模拟法。跌置指数法评价水源地污染风险，方法简单，操作方便，但是指标选取和权重确定受人为影响较大[4，5]；统计方法多数是基于随机理论、或随机理论与其他不确定性理论相结合、灰色系统理论和模糊理论等统计理论基础上，评估风险发生的可能性，评价结果精度较高，但所需数据量较大[6-8]。有学者通过实际调查统计，在确定流动源属性、数量，污染类型、污染负荷量等数据基础上，采用概率统计法计算事故发生概率大小[9]，结果未能体现污染物迁移扩散范围及水质可能被污染的程度；模拟法主要是在识别出主要风险源基础上，采用水力-水质模型，根据水源地水文条件，污染物排放特征，对地表水体中污染物迁移模拟过程进行模拟，得出污染物到达取水口的浓度、时间和持续污染时间等，可以为环境管理及水源地保护区的划分提供技术支持[10，11]，不足之处在于所需大量的数据，适用小较范围，但相比于跌置指数法和数理统计法，模型模拟的结果更能直观反映水源地风险的大小，克服了风险相对论的弊端，模拟结果具有实际意义，对管理部门的指导意义更大。以往研究表明，突发性污染事故对水源地取水口等敏感目标的影响及风险分析多用模拟法[12，13]。

本文以黄龙滩水库饮用水源为例，在调查保护区流动源现状、主要污染源类型及负荷量的基础上，选取模拟法对黄龙滩水库饮用水源保护区流动源污染风险进行定量分析。具体采用EFDC模型，选择氨氮作为事故可能泄漏的主要污染物，设计了船舶在不同位置发生事故的多种情景，对不同水文条件下污染物到达取水口的时间及浓度进行模拟，并讨论了事故对取水口的影响水平，可为加强水源地流动源管理确保水质安全提供技术依据。

2　研究区概况

黄龙滩水库位于湖北省十堰市张湾区黄龙镇汉江支流堵河下游，距十堰市区约20km，是十堰市最大的饮用水源地。主要入库河流为堵河，年平均入黄龙滩水库水量56.4亿m3。水库兼有水利发电、城市供水、工业供水、农业灌溉、改善航运、渔业养殖等功能。十堰市城区约55%左右的生产生活用水来自黄龙滩水库，水库的年供水量占全市供水总量的70%以上，服务时间33年。库区范围为堵河竹山至黄龙滩水库大坝段，全长约90km，沿线主要涉7个乡镇、73个村，2万余人(图1)。库区位于大山深处、陆路交通不便，水路是乡镇居民的主要出行方式。

2.1库区水质现状

根据近10年水质数据，黄龙滩水库除总氮外，其余指标均无超标现象，重金属、有毒有害物质均未检出，但个别指标在2007年后有逐年增长的趋势，其中包括高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮、石油类和粪大肠杆菌群。总体上黄龙滩水库水质检测指标中总氮超标趋势最明显，最高达2.16倍，富营养化水平升高趋势明显。

2.2污染源分析

经调查黄龙滩水库保护区内及上游主要污染源类型为点源、面源、流动源三大类。库区主要点源为一级保护区内的港口综合楼、装卸运输公司搬运站，准保护区的4个农家乐以及上游竹山县天新医药化工有限责任公司；面源主要为库区农业种植、畜禽养殖及农家乐及库区居民生活产生的污水和垃圾；流动源为库区内的客运、货运和旅游船只，这些船只均停靠位于黄龙滩大坝上游左岸约450米处的黄龙码头。经调查分析，库区最大的污染源隐患是码头带来的流动源污染，如客运、货运及旅游船只的突发性漏油、压舱水、清洗废水排放等，较为严重的污染事故为装载化肥等农用物资的船只突发翻船，化肥等农用物资瞬时以点源方式排入水体。

3　 模型选取与模拟计算

3.1模型选取与边界条件设置

选取EFDC模型二维水动力模型，确定模拟范围为二级保护区边界到大坝的所有水域，网格化处理后得到789个网格。对已有的高程横断面进行差值，得出断面数据，导入EFDC Explorer，进行插值，得出高程文件，地形处理文件见图2。据调查，库区现状货运船只最大载货量为10吨。故模型中假设一艘运载10吨尿素的货船分别于码头、河道中间、二级保护区边界位置发生突发性翻船事故，全部尿素以点源方式瞬时排入库区，以氨氮为特征污染物，换算出25℃条件下，10吨尿素瞬时倾倒入库区，瞬时溶解后氨氮的浓度为545.067g/L。在此基础上开展多情景水质模拟，采用dye模块模拟情景中污染物的迁移过程，分析讨论污染物对取水口的影响程度。

图1　研究区范围示意图

图2　地形网格剖分及地形处理示意图

3.2多情景设置与模拟

库区客运物资以化肥为主，因此，选取氨氮作为典型污染物，设计不同水文条件、不同污染物泄漏地点进行情景模拟，模拟过程中均不考虑风场、降雨蒸发等对流场和污染物迁移的影响，若氨氮到达取水口时间超过1天时，设计不同降解系数条件(K=0.01d-1、K=0.2d-1)[21-23]，补充污染物的迁移模拟。具体情景假设及模型设置见表1。由于各情景下污染物的迁移过程类似，故以最常见水文条件(即最常见流量)为例，输出污染物迁移过程，见图3～图5。

3.3结果分析

不同水文条件下，不同泄露位置进行模拟的结果表明，不同水文条件和不同污染物泄漏位置，对取水口水质安全影响不同；随径流量的增大，污染物运移速度明显加快，超标总历时明显缩短，最大浓度也有所降低。

最大流量条件下，三种情景下污染物(氨氮)到达取水口时间较短(均不足1天)，到达取水口的污染物浓度均未超过《地表水环境质量标准》II类水质标准0.5mg/L，此时取水口受到污染影响相对较小。最小流量和最常见流量条件下，库区不同位置发生突发性翻船事故，对取水口构成污染影响的情景包括：(1)最小流量条件下，事故发生位置在码头附近时，污染物在3.1天后到达取水口，第11.6天时污染物浓度超过II类水质标准0.5mg/L，第13.3天时，浓度达到最大值(0.644mg/L)，超标时间共持续3天；事故发生位置在河道中间时，污染物在1.2天后到达取水口，第6.2天时浓度超过II类水质标准，第9.9天时污染物浓度达到最大值(2.50mg/L)，超标时间共持续8.1天；事故发生位置在在二级保护区边界时，污染物在37.6 天后到达取水口，第62.7天时取水口污染物浓度超过II类水质标准0.5mg/L，第69.2天时取水口污染物浓度达到最大值(0.943mg/L)，超标时间共持续11.5天；(2)最常见流量条件下，事故发生位置在码头附近时，污染物在0.82天后到达取水口，第1.49天时污染物浓度达到最大值(0.000089mg/L))，该值远低于II类水质标准；事故发生位置为河道中间时，污染物第0.36天后到达取水口，第0.71天时浓度超过II类水质标准，第0.86天时取水口污染物浓度达到最大值(0.649mg/L)，超标时间共持续0.31天；事故发生位置在二级保护区边界时，污染物在第4.76天到达取水口，第11.1天时取水口污染物浓度超过II类水质标准，第12.2天时取水口污染物浓度达到最大值(0.551mg/L)，超标时间共持续2.32天。综上，对取水口水质安全影响最大的情景为：在最小流量下，事故发生位置为河道中间时，对取水口造成超标最大浓度为2.50 mg/l，超过《地表水环境质量标准》III类水质标准1 mg/L，超标时间长达8.1天。各情景模拟结果见表2、表3。

表1　情景设计及模型设置

图3　情景1—氨氮迁移过程示意图(最常见流量)

图4　情景2—氨氮迁移过程示意图(最常见流量)

图5　情景3—氨氮迁移过程示意图(最常见流量)

情景最大流量(k=0d-1)tstmaxcmmax最小流量k=0d-1k=0.01d-1k=0.2d-1tstmaxcmaxtstmaxcmaxtstmaxcmax情景127.36m41.76m1.63×10-53.05d13.28d0.6443.06d13.18d0.5666.22d12.14d0.0481情景212.96m43.20m0.0171.22d9.85d2.4961.22d9.82d2.2681.25d9.07d0.355情景32.40h3.70h0.048737.59d69.20d0.94337.99d68.76d0.48155.5260.39d1.47×10-6

表3　最常见水文条件下多情景模拟结果对比

注：k代表降解系数、ts代表污染物(氨氮)到达取水口的时间，其中d为天，h为小时，m为分钟。本报告中将浓度为10-6mg/L时认为污染物到达取水口；tmax代表污染物(氨氮)在取水口达到最大浓度时所需的时间，其中d为天，h为小时，m为分钟，cmax代表污染物(氨氮)在取水口达到的最大浓度，单位mg/L。

4　对策建议

研究表明，库区船只一旦发生翻船事故，将对取水口水质安全产生威胁。因此，黄龙滩水库应加强水上运输管理，确保流动源风险降至最低。日常管理措施有：规范通航船只运营和安全管理；严格控制化肥、农药等货物的运输量；风险管控措施有：配备油污处置设施、建立船舶维护制度、制定流动源责任制、加强现场监督执法、划分运输风险级别等。同时，针对不同预警条件制定完善预警和控制方案，通过污染物迁移过程的可视化平台建设、为流域内流动风险源防范与应急能力提供技术支持，最大程度降低水上运输的污染风险隐患。此外，本着“从根本上杜绝水源污染隐患”的原则，应尽快选择新的路上交通路线，解决居民出行问题。

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Analysis of Mobile Sources Pollution Risk in Huanglongtan Reservoir Drinking Water Sources

XIONG Yanna1，2FU Qing1WANG Shanjun1

(1.State Environmental Protection Key Laboratory of Source Water Protection of Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China；2.Solid Waste and Chemicals Management Center of Ministry of Environmental Protection，Beijing 100029，China)

Scientific evaluation of mobile sources pollution risk caused by drinking water sources shipping would provide basis for shipping management，reducing pollution risk and ensuring water quality safety. This paper takes Huanglongtan reservoir drinking water source located in Hunan province as the study area. It adopts EFDC water quality coupling model to simulate and calculate the concentrate and the time when the flow source leakages suddenly，the pollutions arrive at the water intake and the time of persistent pollutions under different hydrogeological conditions. Based on the results，the possible pollution level of water intake will be analyzed. Results show that pollution level of water intake is related to the hydrological conditions and pollutant leaking positions. It is in the middle of the river where sudden leakage accident occurs，the pollution level to water intake is the highest. The research also puts forward the ordinary management and risk prevention and control strategies of Huanglongtan reservoir water source，providing a reference for the management of drinking water sources mobile sources pollution risk.

drinking water sources；mobile sources；EFDC water quality coupling model；risk analysis

熊燕娜，博士生，工程师，主要从事饮用水水源地环境保护理论与技术研究

付青，研究员，主要从事饮用水水源地环境保护理论与技术研究

X21

A

1673-288X(2016)05-0146-04

项目资助：环境保护部2013年水污染防治专项饮用水水源环境监管项目

引用文献格式：熊燕娜等.黄龙滩水库饮用水源流动源污染风险分析[J].环境与可持续发展，2016，41(5)：146-149.