随着长江南京以下12.5 m深水航道工程的贯通，长江南京段的航运事业迎来了蓬勃发展，同时也加剧了船舶突发污染事故(如溢油、污染物泄漏等)的潜在风险，威胁饮用水水源地的安全^[1]。突发污染事故主要是由于自然灾害、人为事故引起的污染物突然增加，此类风险的特征是发生突然，传播速度快，污染危害大^[2]。有研究表明，突发水污染事故是影响供水和人民安全的重要威胁因素^[3]。

国内外学者针对突发污染事故的模拟大多基于水动力-水质耦合模型^[4-5]，其研究重点在于事故发生后的水流特性以及污染物在水体中的输移扩散过程^[6]。基于此研究重点，不少学者针对长江下游段的突发污染事故工况进行了模拟研究，王青青等^[7]针对长江南京段的工业和船舶2种突发污染事故，模拟了苯酚的迁移扩散过程以及到达各个水厂取水口的时间及浓度。黄轶康等^[8]针对长江下游南京段码头溢油事故，模拟了溢油油膜到达下游环境保护区的时间、油膜的迁移时间以及油膜的浓度情况。齐于顺等^[9]针对长江铜陵段某化工企业储罐内风险物质在不同水文期、3种不同泄漏情景下的突发水污染事故进行了模拟。上述研究侧重于分析在不同位置、不同类型污染物发生污染事故后污染物的传播过程及影响，而针对不同径流、不同潮汐动力作用下污染物在水体中的输移扩散过程，其相关分析很少。

现构建了长江南京段二维水动力-水质耦合数学模型，考虑该河段船舶突发污染事故的风险高和水动力条件复杂的特点，给定一类保守型污染物，模拟此类污染物在洪、枯季大、小潮条件下的传播情况，分析在不同径流、不同潮汐动力作用下污染物的传播对下游各水源地的影响。以期为长江南京段水源地的水质风险预警和应急措施提供借鉴。

1 研究区域概况

长江南京河段上起慈湖河口、下止大道河口，主泓长约97 km，属于感潮河段，一般以大通流量表示该河段的径流量^[10]。南京河段位于长江下游潮区界内，其流速特征表现为以径流为主的单向流，水位受长江径流与潮汐双重影响，主要受长江径流控制，一般每年5—10月为洪季，11月—次年4月为枯季，水位每日两涨两落，为非正规半日潮型，涨潮历时3个多小时，落潮历时8个多小时，水位年内变幅较大。

长江南京段是南京市的主要取水水源，沿江分布有7个水源地(图 1)。这7个水源地呈“一”字形交错分布在长江南京段的左右岸上^[11]。

2 数学模型建立 2.1 模型建立与验证

采用MIKE21 FM模块建立长江南京段二维水动力-水质耦合数学模型，该模块基于浅水方程，服从静水压力假设，适用对江、湖、河口等区域的水位和流速分布的描述^[12]。长江南京段二维水动力-水质耦合数学模型见图 2(a)—(c)，x、y为大地坐标。数学模型地形采用2021年实测地形资料进行插值，高程基准采用1985国家高程基准。长江南京段的上、下游边界条件由验证过的大通至徐六泾河段一维水动力数学模型计算提供。上游采用流量边界条件，下游采用水位边界条件。

长江中、下游的糙率系数(n)一般取值在0.014~0.030之间^[13]。本模型糙率采用经验公式(5)计算。

$ n= \begin{cases}n_0+n^{\prime} / H & H>1.5 m \\ n_0+0.005 \mathrm{e}^{1.5-H} & H <1.5 \mathrm{~m}\end{cases} $

(5)

式中：n₀——基础糙率，经验证计算河道取0.013，过渡段差值计算；H——水深，m；n′/H——糙率修正项，n′取值0.008;e——自然底数。

采用2021年8月27日的水文测量结果对水动力模型的水位、流速和流向进行验证，水文测量点位置示意见图 3，验证结果见图 4(a)—(c)。水位和流速验证满足《水运工程模拟试验技术规范》(JTS/T 231—2021)中规定的“平原河流的水位允许偏差为原型水位±0.05 m，水面比降和落差应与原型一致”和“模型验证断面的流速分布应与原型基本一致”。流向验证与实测值存在一定偏差，考虑由以下原因导致：(1)测量流向时，并非在各个点位同时进行，但模型结果为同一时刻，从而导致点位间出现误差；(2)模型模拟范围较大，部分网格尺寸较大，局部复杂地形概化存在误差，对流向模拟产生局部影响。整体而言，该水动力模型能够较好地模拟天然情况下研究区域内的沿程水位变化情况和水流运动过程。

2.2 模拟工况设置

南京水道有多处桥隧、锚地及客渡，通航环境复杂。南京长江三桥为单孔双向通航，南京大胜关长江大桥七孔为上行通航桥孔，八孔为下行通航桥孔，两桥合称大胜关桥区。大胜关桥区水流与桥轴线有一定夹角，桥水流向南岸推压，船舶过桥不易摆正船位，是事故的高发地^[14]。本次将污染物扩散事故发生位置设在长江三桥和大胜关长江大桥中间(图 5)。

根据南京市水上搜救中心统计的2013—2016年船舶遇险月度数量(表 1)。事故发生时间选择发生险情较多的7和11月，分别作为洪季和枯季的代表月份，体现径流动力的强弱；各月分别选大、小潮进行1次模拟，体现潮汐动力的强弱。污染物泄漏模拟工况见表 2。模拟采用保守型污染物，水平扩散系数和降解系数对污染物扩散的影响范围见表 3。由表 3可见，水平扩散系数和降解系数对长江南京段污染物扩散的影响较小。因此，暂不考虑污染物类型和泄漏速率对污染扩散快慢的影响。设定污染物的水平扩散系数为1 m²/s，降解系数为10^-8 s^-1，污染物浓度采用单位浓度(1)，即单位泄漏量(1 m³/s)持续泄漏1 h。

3 结果与分析

构建长江南京段二维水动力-水质耦合数学模型，针对污染物在不同径流-潮汐作用下的扩散情况进行模拟，定量描述污染团到达和离开下游水源地的时间，以及污染团在下游水源地的浓度变化。

3.1 水动力流场分析

洪、枯季大、小潮的流场分布见图 6(a)—(d)。由图 6可见，洪、枯季在水位上升期间流速减小，流速始终为正值，说明模拟区域内主要受径流控制，未出现往复流；洪季水动力强于枯季，枯季相对受潮汐影响更大。洪季大、小潮间水动力强度基本一致，洪季大潮平均流速约为1.34 m/s，洪季小潮平均流速约为1.38 m/s。枯季大潮水动力强于枯季小潮，枯季大潮整体流速约为0.10~1.43 m/s，平均流速约为0.75 m/s，枯季小潮整体流速约为0.05~1.22 m/s，平均流速约为0.53 m/s，当水位到达峰值时，部分位置流速接近0。

3.2 污染物包络线变化分析

统计污染物传播过程中在各位置处的最大浓度，共划分3个不同等级，在不同径流-潮汐条件下对包络线纵向距离、横向距离和面积进行对比。污染物浓度影响范围见表 4。由表 4可见，枯季的污染物传播范围大于洪季，洪季小潮大于洪季大潮，枯季小潮小于枯季大潮。

3.3 下游水源地污染团影响时长分析

《中华人民共和国水污染防治法实施细则》^[15]中明确规定，地表水饮用水水源二级保护区内的水质不得低于《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅲ类标准。污染物扩散情况及浓度变化统计见表 5。由表 5可见，水源地处污染物最大浓度能够达到10^-5及以上。考虑到实际突发污染时，污染物浓度峰值与Ⅲ类水质标准限值的比值可达百倍及以上。因此将污染物浓度为10^-7作为Ⅲ类水质标准限值，将污染物浓度＞10^-7的部分作为污染团，认为该部分的水质会对水源地产生影响。

根据水动力计算结果可知，长江南京段未出现往复流，污染物不会上溯至泄漏点上游处，针对污染团到达和离开泄漏点下游水源地的时间进行统计。其中，夹江水源地未受到明显污染团影响，考虑是因为其距离泄漏点位置较近，且不在主江段内，经梅子洲分流后右汊平均分流比约为5.5%^[16]，分流流量较小，因此受污染物影响较弱，后续不针对夹江水源地进行分析。

污染物到达、离开各水源地的时间与不同径流-潮汐动力有着密切联系。由于洪季大、小潮间的水动力强度基本一致，污染团扩散速度受潮汐动力影响较弱，因此洪季污染团到达和离开长江江浦水源地的时间基本一致。枯季水动力条件相对洪季较弱，因此污染团在枯季到达和离开长江江浦水源地的时间晚于洪季；同时枯季水动力条件受潮汐动力影响较强，枯季大潮的水动力强于小潮，因此污染团在枯季小潮到达和离开长江江浦水源地的时间要晚于枯季大潮。燕子矶、八卦洲上坝和龙潭水源地也呈现与长江江浦水源地相同的变化规律，其中龙潭水源地共出现2次污染团，第1次是从泄漏点顺长江主江扩散至水源地处，第2次是从泄漏点传播至八卦洲后，部分江水经八卦洲分流，再传播至龙潭水源地，2次的污染团传播规律与长江江浦水源地基本一致。即洪季污染团扩散速度受潮汐动力影响较弱，污染团到达和离开水源地的时间基本一致；枯季污染团扩散速度受潮汐动力影响较强，污染团在枯季到达和离开水源地的时间要晚于洪季，在枯季小潮到达和离开水源地的时间要晚于枯季大潮。

各水源地受污染团的影响时长同样受到不同径流-潮汐动力影响。由于洪季受潮汐动力影响较弱，长江南京段上、下游水动力条件基本相同，因此各水源地受污染团的影响时长基本接近，约为2.5~3.5 h。八卦洲上坝水源地受影响时长稍长，约为3.5~4.0 h，推测是由于该水源地位于八卦洲夹江处，经八卦洲分流后流速略有降低，污染团传播速度减缓。枯季受潮汐动力影响增大，同时下游受潮汐动力影响相对上游较大，因此下游流速相对小于上游，受污染团影响时长依次为：长江江浦水源地＜燕子矶水源地＜龙潭水源地。

3.4 下游水源地污染物传播浓度过程分析

选取长江江浦、燕子矶、八卦洲上坝和龙潭水源地中心位置作为代表点，提取各水源地在不同径流-潮汐动力作用下污染物浓度随时间的变化过程，见图 8(a)—(d)。由图 8可见，各水源地在枯季的污染物浓度大于洪季。在洪季大潮达到的污染物最大浓度稍大于洪季小潮，在枯季大潮达到的污染物最大浓度小于枯季小潮，推测其浓度变化主要与流速相关。洪季径流作用较强，不同潮汐作用下的流速基本接近，但大潮平均流速略小于小潮，因此污染物在洪季大潮传播时其浓度略大于洪季小潮；枯季径流作用减弱，不同潮汐作用下的流速区别明显，大潮平均流速大于小潮，因此污染物在枯季大潮传播时其浓度小于枯季小潮。

不同径流-潮汐动力作用下的污染物浓度在传播过程中的变化规律也不同。除夹江水源地外，洪季整体呈现随距离增大污染物浓度减小的趋势。由于洪季径流作用较强，潮汐作用较弱，污染物在向下游传播过程中受到径流稀释作用较强，使得污染物经八卦洲分流后的浓度大于传播向下游的浓度，因此污染物在洪季传播的浓度为：长江江浦水源地＞燕子矶水源地＞八卦洲上坝水源地＞龙潭水源地。枯季由于径流作用减弱，潮汐作用增强，污染物在向下游传播过程中受到的稀释作用减弱，使得污染物经八卦洲分流后的浓度略小于传播向下游的浓度，污染物在枯季传播的浓度为：长江江浦水源地＞燕子矶水源地＞龙潭水源地＞八卦洲上坝水源地。

4 结论

(1) 基于构建的长江南京段二维水动力-水质耦合数学模型，对不同径流-潮汐动力作用下的突发污染事故进行模拟。水动力模块计算结果与实测资料吻合良好，能够较为准确地反映研究区域的水动力情况。

(2) 洪季径流作用较强，污染团扩散速度受潮汐影响较弱，各水源地受污染团的影响时长基本接近。枯季径流作用减弱，污染团扩散速度受潮汐影响增强，越下游处受潮汐影响越大，各水源地受污染团的影响时长依次为：长江江浦水源地＜燕子矶水源地＜龙潭水源地。

(3) 枯季污染物传播时的浓度大于洪季。污染物传播时浓度变化受流速影响较大，洪季不同潮汐作用下的流速基本接近，污染物传播浓度呈现随距离增大浓度减小的趋势。枯季流速受到潮汐影响，径流稀释作用减弱，使得污染物经八卦洲分流后的浓度略小于传播向下游的浓度。

(4) 洪季径流作用较强时，可不考虑潮汐作用的影响，传播特点在于污染物传播速度较快但浓度较低，因此洪季突发污染事故时须提升应急反应速度。枯季径流作用减弱，潮汐作用相对增强，特点在于污染物传播持续时间长且浓度高，因此枯季突发污染事故时须切断传播路径，缩短传播时长。