大宁调蓄水库工程作为北京市南水北调配套工程的重要组成部分，在调蓄来水、工程检修、事故应急供水方面发挥着至关重要的作用[1]。由于水库库尾（库区北端）位于交通节点附近，车流量大，交通事故导致化学品泄漏引发水污染事故的风险相对较大。在当前突发性水污染事故频发的背景下[2]，考虑到南水北调水质安全的重要性及研究区地理位置的特殊性，开展突发性水污染事故应急等相关方面的研究是十分必要的。
摘要：大宁水库库尾位于交通节点附近，存在交通事故引发突发性水污染事故的风险。从风险防范与管理角度，利用MIKE21FM模型，以5t硝基苯泄露为例，考虑风、水库调度因素，设定5个情景开展突发事故污染物扩散规律研究。结果表明：（1）不同情景污染物扩散速度和超标水域面积相差较大。无风、不调度情景下，库区水体接近静止，污染物扩散速度最慢；水库向大宁调压池输水20m3/s，西北风12.3m/s情景下，污染物扩散速度最快。（2）与常规调度相比，风速和风向对污染物的扩散影响更大。同样风速情况下，西北风较东北风更利于污染物的扩散。（3）正常情况下（即风速不超过2.56m/s，调水不超过20m3/s），5t硝基苯泄露应急响应时间在15h以上，最不利情况下（风速为20年最大平均风速12.3m/s且调水20m3/s），应急响应时间为4～9h。根据研究结果，一方面建议加强库尾交通疏导，加固桥梁护栏，降低交通事故发生概率；另一方面，建议在现有监测站点规划基础上，新增库尾自动监测站一处。
关键词：农机在线投稿,北京市南水北调配套工程,大宁水库,突发水污染事故模拟,MIKE21FM
在水污染事故应急过程中发生时，管理部门迫切需要了解污染带的迁移状况以及污染物浓度在时间、空间两个维度上的变化，以便采取有效的应急措施[3]。当前对于此问题的研究，受到区域特点、模型简化、数据限制等因素影响，多集中于河流水污染事故的模拟，大多采用一维模型[45]。但一维模型只适用于河宽较窄的中小型河流，当研究区为较大河流或湖库时，一维模型已不能满足研究需要。MIKE21FM是目前应用较为广泛的二维模型，在平面二维自由表面流数值模拟方面具有强大的功能。本文基于MIKE21FM开展大宁水库水污染事故的模拟分析，旨在探明污染物的时空变化规律，明确污染影响范围和程度，为后续水库风险应急管理提供依据。
1水库概况
大宁水库位于北京市房山区大宁村北，京港澳高速公路（京石高速）杜家坎至赵辛店路段东侧，与南部的稻田水库、马厂水库组成永定河滞洪水库，见图1。上游为小哑叭河，下游为小清河。南水北调总干渠永定河倒虹吸由大宁水库库区穿过，大宁调压池位于大宁水库副坝南侧，通过退水暗涵与之相连。改建后库区总库容为4611万m3，防洪库容3611万m3，正常蓄水位为56.40m。当水位低于52.46m，为向总干渠供水，需启用位于水库副坝北侧130m处的抽水泵站。
大宁水库库尾正是京石高速、G107等公路线及老京广正线、二七厂等铁路线交汇处，距杜家坎交通节点直线距离不足1km。库尾处有公路桥梁1座，铁路桥梁2座，交通繁忙，车流量较大；水库坝前为大宁调压池，无正式公路，基本无外来车辆。因此在库尾发生交通事故并引发突发污染事故的可能性远大于坝前。
2水质模型构建
2.1模型选择与概述
大宁水库在56m正常蓄水位时平均水深不足10m，不存在明显分层现象，采用平面二维模型可以满足研究需要。研究区边界不规则，采用传统矩形网格模拟可能会影响模拟结果。经模型比较，选择使用MIKE21软件包中的MIKE21FM模型。MIKE21由丹麦水力研究所开发，在平面二维自由表面流数值模拟方面具有强大的功能，具有用户界面友好、前后处理功能强大、数值计算方法科学等诸多优点[6]，近年来在国内得以广泛应用。其研究对象涵盖海洋、河口、河流、湖库等水体，研究类型包括单纯的数值模拟[78]、洪水淹没分析[910]、温排水影响分析[1112]、水质模拟与预测[1314]等几类。但在突发事故模拟方面，相关应用并不多见。
2.2模型地形文件构建
以分辨率为30m的大宁水库DEM为数据源，在ArcGIS平台的支持下进行剪裁后导出成xyz格式；参照《北京市南水北调配套工程大宁调蓄水库工程初步设计报告》（以下简称“设计报告”），结合现场勘察结果，对地形数据进行初步修正；利用MIKEZero中的MeshGenerator工具建立水库三角网格，导入修正后的xyz数据，形成模拟地形，见图2。模型建立后，对不同水位下库容进行模拟，对照已有库容曲线，对地形数据进行进一步修正至相对误差低于4%，以满足模型地形精度的研究需要。
2.3模拟情景及参数设定
按照污染物的性质，水污染事故可以分为，有毒有害化学物质泄漏事故、溢油事故、非正常大量排放废水事故、放射性污染事故。河西村截污工程完成后，库区上游居民生活废水全部收集处理，小哑巴河工程完成后，流量小于2500m3/s的中小洪水全部下泄永定河下游，不进入大宁水库，故非正常大量排放废水事故发生的概率极小；大宁水库不承担水运功能，基本不会发生溢油事故；研究区周边无核设施，放射性污染事故不会发生；事故风险主要来自于交通事故引发的危险化学品的泄露。本文着重对有毒有害化学品泄露事故进行模拟。
情况设计：以装载5t硝基苯的轻型卡车在库尾处发生事故引发泄露为例，考虑风速、水库调度等影响因素，设定5个情景进行模拟，见表1。情景一是无外界影响因素下的污染物泄露模拟，情景二和情景三是存在风向对污染物扩散的影响；情景四是存在风和调度对污染物扩散的影响；情景五是最不利情况下的污染物扩散，最不利情况是指相对其他4个情景，该情景下污染物扩散对风险应急管理最为不利，本研究设定的情景是风速为20年平均最大风速且向大宁调压池供水20m3/s。参数设定：模拟时间定为8h；泄露速度根据伯努利方程计算[15]；泄露持续时间则根据泄露总量与泄露速度计算；风速分别设定为2.56m/s（多年平均风速）和12.3m/s（20年平均最大风速即取20年为例，将每年的最大风速相加除以20的风速值）；风向分别设定为春夏（东南135°）和秋冬（西北315°）主导风向；水库调度流量根据设计报告确定；初始水位设定为正常调蓄水位56.4m。
模拟时不考虑蒸发、降雨、库底渗漏、上游来水及污染物自身降解影响，但考虑柯氏力影响。由于缺乏实测数据，参照相关文献及模型自身推荐值[6，15]。糙率设定为0.028m1/3·s，涡黏系数（SmagorinskyFormulation）为0.5。
3突发事故模拟与分析
3.1各情景模拟结果
模拟结果见图3至图5。
情景一（水库不调度、无风条件）：污染物自泄露点向四周扩散，8h污染扩散面积（即硝基苯浓度>0的水面面积）为18.82km2，平均扩散速度为6.5m2/s；超标水域面积（即硝基苯浓度>1.7×105kg/m3）为2.95km2，占总水面面积的1.0%；8h后，泄露点附近污染物浓度最高，为1.28kg/m3，超过标准7.5万余倍。在无风、不调度情况下，库区自身水体几乎静止，平均流速小于1×104m/s，污染物发生泄漏后，扩散速度很慢。
情景二（水库不调度、东南风2.56m/s）：污染物自泄露点向南扩散，受东南风影响，污染物逐步向库区西北侧堆积，8h污染扩散面积为53.37km2，平均扩散速度为18.5m2/s；超标水域面积7.62km2，占库区水面面积的2.6%；受风影响，8h后泄露点西南约290m处的西岸污染物浓度最高，为0.113kg/m3，超标6650余倍。
情景三（水库不调度、西北风2.56m/s）：污染物自泄露点向东南方向呈长条状扩散，8h污染扩散面积为98.22km2，平均扩散速度为34.1m2/s；超标水域面积11.97km2，约占库区水面面积的4.0%；受风影响，污染物堆积作用比较明显，8h后泄露点东南350m处的东岸浓度最高，为0.149kg/m3，超标8740余倍。
情景四（水库向大宁调压池输水20m3/s，西北风2.56m/s）：污染物扩散规律跟情景三基本一致，污染物扩散速度和面积较情景三略有增加；8h扩散面积为100.25km2，平均扩散速度为34.8m2/s；超标水域面积为12.20km2，约占库区水面面积的4.1%。
情景五（水库向大宁调压池输水20m3/s，西北风12.3m/s）：受大风影响，污染物扩散速度加快，平均扩散速度为102m2/s，6h污染物扩散至整个库区；8h后，超标水域面积为59.32km2，约占总水域面积的21.7%；8h后距泄露点东南2.3km处的东岸污染物浓度最高，为0.011kg/m3，超标647倍。
3.2各情景对比分析
对比无风和有风情景下污染物扩散结果可知，无风时污染物以泄露点为圆心辐射状扩散，扩散范围较小；有风时污染物不仅扩散速度增加，而且在库区边界制约下，污染物易堆积，从而出现狭长污染带，不利于后期污染清除。对比情景二和情景三可知，同样风速情况下，与东北风相比，西北风更利于污染物的扩散，可见风向也是影响污染物扩散的关键因素之一。情景三、情景四污染物扩散速度相差不大，说明与风速相比，常规调度由于调水量较小，对库区水体流动的影响较弱，对污染物扩散影响不大。情景五与情景四对比可知，风速由2.56m/s提高至12.3m/s，污染物扩散速度增加190%，超标面积增加390%。
各情景的污染物扩散面积与超标面积相差较大，在泄露发生后的不同时段，前者约是后者的5～11倍。若以污染物到达泵站取水口的时间来确定应急响应时间，则偏于保守；若以泵站取水口处污染物浓度超标的时间确定响应时间，则偏于宽松；介于两者之间的数值作为应急响应时间较为合理。表2模拟结果表明，正常情况下（前四种情景），偏宽松的应急响应时间皆在48h以上，保守应急响应时间为15h左右；即使在最不利情况下（情景五），应急响应时间也在4～9h。由此说明，库尾发生污染事故，应急响应时间较为充分，有利于提高应急决策和处理措施的科学性和有效性。
4结论及建议
（1）情景一（无风、不调度）的水体基本处于静止状态，污染物以泄露点为圆心成辐射状缓慢扩散，8h后超标水域面积百分比仅为1.0%；情景二（水库不调度、西北风2.56m/s）中，受风影响污染物逐步向库区西北侧堆积，8h后超标水域面积百分比为2.6%；情景三（水库不调度、西北风256m/s）中，污染物自泄露点向东南方向呈长条状扩散，堆积效应明显，8h后超标水域面积百分比为4.0%；情景四（水库向大宁调压池输水20m3/s，西北风2.56m/s）的污染物扩散规律跟情景三基本一致，8h后超标水域面积百分比为4.1%；情景五（水库向大宁调压池输水20m3/s，西北风12.3m/s）的污染物扩散速度大大提高，8h后超标水域面积百分比约为22%。
（2）各情景下，受风影响污染物都会出现堆积现象，形成狭长的污染带，不利于污染物清除；与东南风相比，西北风更利于污染物的扩散；与库区常规调度相比，风对污染物扩散速度和扩散方向影响更大；在风速增加380%的极端情况下，污染物扩散速度和超标面积分别增加190%和390%。
（3）若以取水口处水质不受影响为目标，正常情况下（风速不超过2.56km/s，调水不超过20m3/s），5t左右的化学品泄露应急响应时间在48h以上，保守应急响应时间在15h左右；最不利情况下（风速12.3m/s，调水20m3/s），应急响应时间在4～9h。根据《北京市南水北调配套工程水质监测站网布设规划》，取水泵站处规划建设一座自动监测站，从风险管理角度，建议在库尾增加一处自动监测站。同时应加强库尾交通监管，疏导来往车辆，加固桥梁护栏，降低因交通事故引发污染的概率。
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