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为有效控制突发性水污染事故对下游水环境敏感点造成的危害，提前做好应急预案，确保在污染水团影响到环境敏感点之前及时提出预警，对水体中的污染物加以消除或固化，是目前应对突发性水污染事故较为有效的办法。然而，目前有关突发水污染事故的应急技术体系尚不完善，仍处于初级阶段，在污染事故发生后的应急决策仍是以“人海战术”和被动应对为主，尚未真正转变到以知识和专家系统为支撑的科学应急管理[1]。因此，在突发性水污染事故发生时，就事故中特征污染物的影响范围、污染水团到达环境敏感点的时间和污染程度做出定量预测，对于突发水污染事故应急处置具有重要意义。
目前，针对污染物扩散输移预测的有效方法就是通过水质模型进行计算。常用的水质模型有Delft3D、MIKE、EFDC、QUAL、WASP等。然而，传统水质模型的构建对数据的要求和建模人员专业水平的要求均较高，且模型的率定周期较长，根据特定水域的基础数据构建的水质模型通用性也不够，故在应用上存在一定局限性。此外，国内学者对突发水污染事件的预测预警开展了一些研究[2-10]，但多数是针对特定地域或地点，通常是在具有完整基础资料的前提下建立预测模型。这类模型仅适用于特定地点的应急事故，而针对不具备基础资料或资料有限情况的模型预测研究则很少。
突发性水污染事故发生的随机性大，可能发生事故的大多数水域缺少完备的基础数据。另外，突发性水污染事故在应急过程中对预测、预警的时效性要求又较高，这就使得在基础薄弱的水域实现对突发水污染事故的快速有效预警存在较大困难。因此，开发建立一套在应急条件下能快速预测预警的简化水质模型，可为预判突发性水污染事故影响范围、提出合理有效的应急处理策略提供参考。
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用于河流水质预测的一维均匀河流对流扩散模型的基本方程见式(1)。
式中：C为断面的平均浓度，mg·m−3；Q为流量，m3·s−1；A为过水断面面积，m2；u为断面平均流速，m·s−1；D为纵向弥散系数，m2·s−1；S为各种源和漏的代数和。
由扩散方程可知，应用基本方程求解水体浓度随时间、空间变化需要先获取水动力数据，这部分数据需先求解一维圣维南方程组。圣维南方程组中的连续方程见式(2)，运动方程见式(3)。
式中：s为流程，m；t为时间，s；A为过水断面面积，m2；C(=n−1·R1/6)为谢才阻力系数；R为过水断面的水力半径，m；Q为流量，m3·s−1；Z为水位，m；g为重力加速度，m·s−2；
$ {q}_{1} $ 为单位流程上的侧向出流量，m2·s−1，正值表示流入。然而，求解圣维南方程组需要区域水下地形、上下游边界水位流量等水文、水力学数据。这部分数据的获取是建模过程中计算最为耗时的一个环节。为更快地在实际应急水污染事故中开展预测预警工作，应简化一维均匀河流对流扩散模型以便尽快模拟出污染物的扩散情况。
突发性水污染事故现场处置往往具有如下4个特点。1)对数据时效性要求较高。事故发生后要在短时间内获取事故相关数据，以便对事故处置决策提供支撑。2)对数据精度要求有限。在现场条件下短时间内要获得精确数据不现实，一般情况是“大概+估计”的数据也能为事故处置提供指导方向。3)政府响应速度要快。事发后政府须以极短的时间做出响应，并协调相关方面做出行动。4)事故发生地的不确定性。事故可能在所有沿河路段发生，这就导致事发地有很大可能缺乏相关基础资料。综合以上特点，本研究提出一种省略水下地形数据，仅采用实测流量、流速等水文数据的方式代替模型计算中求解圣维南方程组的方法，具体简化流程如图1所示。
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通过对比传统一维水质模型，验证模型简化后的模拟效果。比对模型选择美国陆军工程兵团水文工程中心开发的一维综合水环境数学模型(hydrologic engineering center-river analysis system，HEC-RAS)。HEC-RAS模型在水环境模拟方面已在多个地区有过成功应用[11-13]。模型选取HEC-RAS自带算例进行比对，研究区域由干流Wailupe和支流Kului Gorge组成，具体分布如图2所示。通过提取HEC-RAS水动力模型中干流7个断面(V1~V7)流速，作为实测数据提供给简化后的一维水质模型进行流场插值。二者各参数均设置为一致，衰减系数取0.11 d−1，纵向弥散系数取1 000 m2·s−1，污染物泄露5 t，泄露时长10 min，干流流量2 500 m3·s−1，支流流量500 m3·s−1。
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通过提取HEC-RAS模型中7个断面(V1~V7)的流速，输入到简化一维模型中插值后的流场数据，对比见图3。由图3可知，8 km河道通过7个点位插值出来的流场数据基本能反应出HEC-RAS计算值，从而反应出整个河道的流场变化。由此可知，通过实测流速插值整个模拟河段的流场是可行的，流场准确性依赖于实测点位的多少，实测点位越多插值流场越接近真实值。
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由图4可知，简化后的应急一维水质模型在污染团迁移的模拟上与HEC-RAS的模拟情况基本一致。污染团到达3个断面的时间相同，浓度曲线几乎在同一时间由0开始增加。应急一维水质模型模拟的污染团浓度最大值比HEC-RAS的模拟值略大，断面1~3差值分别约为0.09、0.14、0.2 mg·L−1，约占最大浓度的2.5%、4.9%、7.2%，浓度最大值的差值随着距离逐渐增加。经对比可知，HEC-RAS模拟的污染团浓度整体衰减略大于应急一维水质模型。就污染团在断面的持续时间而言，应急一维水质模型比HEC-RAS的计算值长。断面1、2的区别在于HEC-RAS模拟值最高浓度峰值会持续一段时间后突然下降，中间的变化过程未被反映出来，而应急一维水质模型在达到峰值后随时间缓慢降低。相对而言，断面3的浓度变化曲线与HEC-RAS模拟值较为接近。出现以上差异的原因在于，HEC-RAS在计算过程中考虑了实际地形，河道横断面分为主槽和两侧滩地3部分，且糙率不同，计算出的过流能力以及水动力在河道断面横向是有差别的，而应急一维水质模型则默认河道过流能力均一、流速横向均一不变。因此，应急一维水质模型与HEC-RAS的水质模拟值存在一定差异。
综上所述，应急一维水质模型可模拟污染团迁移的基本规律。对比传统水质模型，应急一维水质模型也可较准确地模拟出污染团到达时间及污染团浓度峰值等重要参数。
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根据模拟验证结果可知，简化的水质模型在方法上可满足突发性水污染事故在应急过程中对预测的需求，较传统水质模型有如下4点优势。1)数据需求量少，建模时无需取得水下地形数据，只需提供流量和河流沿程流速数据即可，而传统模型在缺少水下地形数据时无法建模。2)数据获取难度较低，污染事故发生后只需估测干流上游、支流流量和干流沿程流速，这类数据可通过当地水文部门掌握，或可快速测量获取。3)建模时间短，在省去流场计算之后，理论上获取模型需要的数据后1~2 min内便可得出初步计算结果。4)计算精度高，在水文数据测量准确的前提下，污染团迁移的模拟结果与传统模型相当。
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突发性水污染事故发生时，定量预测事故中特征污染物的影响程度，对于事故应急处置具有重要意义。本研究在传统水质预测模型的基础上，通过人工测量流速的方式代替水质模型中一维圣维南方程组对流场的求解，提出了一种应用于应急条件下的一维水质模型。简化的一维水质模型建模时间短、对数据需求较小，并可模拟出污染团迁移的基本规律，模拟的浓度峰值以及迁移时间较传统一维水质模型的模拟结果基本一致，可在应急条件下为政府及有关管理部门提供科学的决策依据。
简化一维水质模型在突发水污染事故模拟预测中的应用
Simplified one-dimensional water quality model for sudden water pollution accidents
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摘要: 传统水质模拟预测模型对突发水污染事故事发地的水文、水下地形等资料要求较高，在缺乏相应资料时会影响对水污染事故的可靠预测和预警。为解决问题，亟需建立在应急条件下能快速预测预警的简化水质模型。以传统一维水质模型为基础，通过人工测量河流沿程流速，自动插值获得流场以替代模型中对流场的求解，再求解一维对流扩散方程，以此获得简化的一维水质模拟预测模型。模拟计算结果表明，相对于传统水质模型，简化后一维水质预警模型可快速准确地预测突发水污染事故后污染态势。Abstract: Because the traditional water quality simulation prediction model has high requirements for the hydrological and underwater topography data of the incident place, it has great limitations in the practical application due to the lack of corresponding data in response to sudden water pollution accidents, and it is unable to make reliable prediction and early warning of water pollution accidents. In order to meet the needs of rapid emergency disposal of water pollution accidents, a simplified one-dimensional water quality simulation and prediction model is obtained by measuring the flow velocity along the river manually instead of solving the flow field in the model. The simulation results show that compared with the traditional water quality model, the simplified one-dimensional water quality early warning model can quickly and accurately predict the pollution situation after sudden water pollution accidents.
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图( 4)
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