大寧調蓄水庫工程作為北京市南水北調配套工程的重要組成部分，在調蓄來水、工程檢修、事故應急供水方面發揮著至關重要的作用[1]。由于水庫庫尾（庫區北端）位于交通節點附近，車流量大，交通事故導致化學品泄漏引發水污染事故的風險相對較大。在當前突發性水污染事故頻發的背景下[2]，考慮到南水北調水質安全的重要性及研究區地理位置的特殊性，開展突發性水污染事故應急等相關方面的研究是十分必要的。

　　摘要：大寧水庫庫尾位于交通節點附近，存在交通事故引發突發性水污染事故的風險。從風險防范與管理角度，利用MIKE21FM模型，以5t硝基苯泄露為例，考慮風、水庫調度因素，設定5個情景開展突發事故污染物擴散規律研究。結果表明：（1）不同情景污染物擴散速度和超標水域面積相差較大。無風、不調度情景下，庫區水體接近靜止，污染物擴散速度最慢；水庫向大寧調壓池輸水20m3/s，西北風12.3m/s情景下，污染物擴散速度最快。（2）與常規調度相比，風速和風向對污染物的擴散影響更大。同樣風速情況下，西北風較東北風更利于污染物的擴散。（3）正常情況下（即風速不超過2.56m/s，調水不超過20m3/s），5t硝基苯泄露應急響應時間在15h以上，最不利情況下（風速為20年最大平均風速12.3m/s且調水20m3/s），應急響應時間為4～9h。根據研究結果，一方面建議加強庫尾交通疏導，加固橋梁護欄，降低交通事故發生概率；另一方面，建議在現有監測站點規劃基礎上，新增庫尾自動監測站一處。

　　關鍵詞：農機在線投稿,北京市南水北調配套工程,大寧水庫,突發水污染事故模擬,MIKE21FM

　　在水污染事故應急過程中發生時，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間、空間兩個維度上的變化，以便采取有效的應急措施[3]。當前對于此問題的研究，受到區域特點、模型簡化、數據限制等因素影響，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，當研究區為較大河流或湖庫時，一維模型已不能滿足研究需要。MIKE21FM是目前應用較為廣泛的二維模型，在平面二維自由表面流數值模擬方面具有強大的功能。本文基于MIKE21FM開展大寧水庫水污染事故的模擬分析，旨在探明污染物的時空變化規律，明確污染影響范圍和程度，為后續水庫風險應急管理提供依據。

　　1水庫概況

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

　　大寧水庫庫尾正是京石高速、G107等公路線及老京廣正線、二七廠等鐵路線交匯處，距杜家坎交通節點直線距離不足1km。庫尾處有公路橋梁1座，鐵路橋梁2座，交通繁忙，車流量較大；水庫壩前為大寧調壓池，無正式公路，基本無外來車輛。因此在庫尾發生交通事故并引發突發污染事故的可能性遠大于壩前。

　　2水質模型構建

　　2.1模型選擇與概述

　　大寧水庫在56m正常蓄水位時平均水深不足10m，不存在明顯分層現象，采用平面二維模型可以滿足研究需要。研究區邊界不規則，采用傳統矩形網格模擬可能會影響模擬結果。經模型比較，選擇使用MIKE21軟件包中的MIKE21FM模型。MIKE21由丹麥水力研究所開發，在平面二維自由表面流數值模擬方面具有強大的功能，具有用戶界面友好、前后處理功能強大、數值計算方法科學等諸多優點[6]，近年來在國內得以廣泛應用。其研究對象涵蓋海洋、河口、河流、湖庫等水體，研究類型包括單純的數值模擬[78]、洪水淹沒分析[910]、溫排水影響分析[1112]、水質模擬與預測[1314]等幾類。但在突發事故模擬方面，相關應用并不多見。

　　2.2模型地形文件構建

　　以分辨率為30m的大寧水庫DEM為數據源，在ArcGIS平臺的支持下進行剪裁后導出成xyz格式；參照《北京市南水北調配套工程大寧調蓄水庫工程初步設計報告》（以下簡稱“設計報告”），結合現場勘察結果，對地形數據進行初步修正；利用MIKEZero中的MeshGenerator工具建立水庫三角網格，導入修正后的xyz數據，形成模擬地形，見圖2。模型建立后，對不同水位下庫容進行模擬，對照已有庫容曲線，對地形數據進行進一步修正至相對誤差低于4%，以滿足模型地形精度的研究需要。

　　2.3模擬情景及參數設定

　　按照污染物的性質，水污染事故可以分為，有毒有害化學物質泄漏事故、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，庫區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，不進入大寧水庫，故非正常大量排放廢水事故發生的概率極小；大寧水庫不承擔水運功能，基本不會發生溢油事故；研究區周邊無核設施，放射性污染事故不會發生；事故風險主要來自于交通事故引發的危險化學品的泄露。本文著重對有毒有害化學品泄露事故進行模擬。

　　情況設計：以裝載5t硝基苯的輕型卡車在庫尾處發生事故引發泄露為例，考慮風速、水庫調度等影響因素，設定5個情景進行模擬，見表1。情景一是無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向對污染物擴散的影響；情景四是存在風和調度對污染物擴散的影響；情景五是最不利情況下的污染物擴散，最不利情況是指相對其他4個情景，該情景下污染物擴散對風險應急管理最為不利，本研究設定的情景是風速為20年平均最大風速且向大寧調壓池供水20m3/s。參數設定：模擬時間定為8h；泄露速度根據伯努利方程計算[15]；泄露持續時間則根據泄露總量與泄露速度計算；風速分別設定為2.56m/s（多年平均風速）和12.3m/s（20年平均最大風速即取20年為例，將每年的最大風速相加除以20的風速值）；風向分別設定為春夏（東南135°）和秋冬（西北315°）主導風向；水庫調度流量根據設計報告確定；初始水位設定為正常調蓄水位56.4m。

　　模擬時不考慮蒸發、降雨、庫底滲漏、上游來水及污染物自身降解影響，但考慮柯氏力影響。由于缺乏實測數據，參照相關文獻及模型自身推薦值[6，15]。糙率設定為0.028m1/3·s，渦黏系數（SmagorinskyFormulation）為0.5。

　　3突發事故模擬與分析

　　3.1各情景模擬結果

　　模擬結果見圖3至圖5。

　　情景一（水庫不調度、無風條件）：污染物自泄露點向四周擴散，8h污染擴散面積（即硝基苯濃度>0的水面面積）為18.82km2，平均擴散速度為6.5m2/s；超標水域面積（即硝基苯濃度>1.7×105kg/m3）為2.95km2，占總水面面積的1.0%；8h后，泄露點附近污染物濃度最高，為1.28kg/m3，超過標準7.5萬余倍。在無風、不調度情況下，庫區自身水體幾乎靜止，平均流速小于1×104m/s，污染物發生泄漏后，擴散速度很慢。

　　情景二（水庫不調度、東南風2.56m/s）：污染物自泄露點向南擴散，受東南風影響，污染物逐步向庫區西北側堆積，8h污染擴散面積為53.37km2，平均擴散速度為18.5m2/s；超標水域面積7.62km2，占庫區水面面積的2.6%；受風影響，8h后泄露點西南約290m處的西岸污染物濃度最高，為0.113kg/m3，超標6650余倍。

　　情景三（水庫不調度、西北風2.56m/s）：污染物自泄露點向東南方向呈長條狀擴散，8h污染擴散面積為98.22km2，平均擴散速度為34.1m2/s；超標水域面積11.97km2，約占庫區水面面積的4.0%；受風影響，污染物堆積作用比較明顯，8h后泄露點東南350m處的東岸濃度最高，為0.149kg/m3，超標8740余倍。

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

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

　　3.2各情景對比分析

　　對比無風和有風情景下污染物擴散結果可知，無風時污染物以泄露點為圓心輻射狀擴散，擴散范圍較小；有風時污染物不僅擴散速度增加，而且在庫區邊界制約下，污染物易堆積，從而出現狹長污染帶，不利于后期污染清除。對比情景二和情景三可知，同樣風速情況下，與東北風相比，西北風更利于污染物的擴散，可見風向也是影響污染物擴散的關鍵因素之一。情景三、情景四污染物擴散速度相差不大，說明與風速相比，常規調度由于調水量較小，對庫區水體流動的影響較弱，對污染物擴散影響不大。情景五與情景四對比可知，風速由2.56m/s提高至12.3m/s，污染物擴散速度增加190%，超標面積增加390%。

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

　　4結論及建議

　　（1）情景一（無風、不調度）的水體基本處于靜止狀態，污染物以泄露點為圓心成輻射狀緩慢擴散，8h后超標水域面積百分比僅為1.0%；情景二（水庫不調度、西北風2.56m/s）中，受風影響污染物逐步向庫區西北側堆積，8h后超標水域面積百分比為2.6%；情景三（水庫不調度、西北風256m/s）中，污染物自泄露點向東南方向呈長條狀擴散，堆積效應明顯，8h后超標水域面積百分比為4.0%；情景四（水庫向大寧調壓池輸水20m3/s，西北風2.56m/s）的污染物擴散規律跟情景三基本一致，8h后超標水域面積百分比為4.1%；情景五（水庫向大寧調壓池輸水20m3/s，西北風12.3m/s）的污染物擴散速度大大提高，8h后超標水域面積百分比約為22%。

　　（2）各情景下，受風影響污染物都會出現堆積現象，形成狹長的污染帶，不利于污染物清除；與東南風相比，西北風更利于污染物的擴散；與庫區常規調度相比，風對污染物擴散速度和擴散方向影響更大；在風速增加380%的極端情況下，污染物擴散速度和超標面積分別增加190%和390%。

　　（3）若以取水口處水質不受影響為目標，正常情況下（風速不超過2.56km/s，調水不超過20m3/s），5t左右的化學品泄露應急響應時間在48h以上，保守應急響應時間在15h左右；最不利情況下（風速12.3m/s，調水20m3/s），應急響應時間在4～9h。根據《北京市南水北調配套工程水質監測站網布設規劃》，取水泵站處規劃建設一座自動監測站，從風險管理角度，建議在庫尾增加一處自動監測站。同時應加強庫尾交通監管，疏導來往車輛，加固橋梁護欄，降低因交通事故引發污染的概率。

　　參考文獻：

　　[1]北京市南水北調工程建設委員會辦公室.北京市南水北調配套工程總體規劃[M].北京：北京水利水電出版社，2008.

　　[2]王威，王金生，滕彥國，等.由交通事故引發的突發環境事件的特征分析及防治對策[J].南水北調與水利科技，2012，10（6）：5255.

　　[3]張波，王橋，孫強，等.基于SDGIS的突發水污染事故水質時空模擬[J].武漢大學學報，2009，34（3）：348351.

　　[4]劉國東，宋國平，丁晶.高速公路交通污染事故對河流水質影響的風險評價方法探討[J].環境科學學報，1999，19（5）：572575.

　　[5]張波，王橋，李順，等.基于系統動力學模型的松花江水污染事故水質模擬[J].中國環境科學，2007，27（6）：77815.

　　[6]王領元.應用MIKE對河流一、二維的數值模擬[D].大連：大連理工大學，2007.

　　[7]王圓圓，黃細彬.分期導流束窄河道泄流物理試驗及數值模擬研究[D].水電能源科學，2012，30（12）：97100.

　　[8]謝亞力.錢塘江河口區治江圍涂對杭州灣風暴潮影響研究[D].青島：中國海洋大學，2006.

　　[9]劉紹青.濟南市城區洪水淹沒模擬研究[D].濟南：山東大學，2009.

　　[10]修海峰，吳聯志.基于MIKEII的平原河網洪水演進水動力研究[J].南水北調與水利科技，2012，10（6）：151154.

　　[11]王慶改，戴文楠，趙曉宏，等.基于Mike21FM的來賓電廠擴建工程溫排水數值模擬研究[J].環境科學研究，2009，22（3）：332336.

　　[12]徐夢佳，于磊，趙彥偉，等.水庫溫排水增溫模擬及其對富營養化影響分析[J].農業環境科學學報，2012，31（6）：11801188.

　　[13]洪曉瑜.太湖水環境數學模型建立及排污總量控制研究[D].南京：河海大學，2005.

　　[14]李娜，葉閔.基于MIKE21的三峽庫區涪陵段排污口COD擴散特征模擬及對下游水質的影響[J].華北水利水電學院學報，2011（1）：128131.

　　[15]環境保護部環境工程評估中心.環境影響評價技術方法[M].北京：中國環境科學出版社，2012.