陳煉鋼 施 勇 徐時(shí)進(jìn) 賴曉珍金 秋

淮河流域水污染事故全過(guò)程預(yù)警預(yù)報(bào)技術(shù)研究

陳煉鋼1施 勇1徐時(shí)進(jìn)2賴曉珍3金 秋1

1 引言

淮河作為國(guó)家重點(diǎn)治理的“三河三湖”之一，歷史上因水污染事故多發(fā)而備受關(guān)注。根據(jù)發(fā)生原因的不同，淮河流域水污染事故可以分為以下兩種：①閘蓄污水、洪污遭遇集中大量下泄導(dǎo)致的污染事故，以1994年7月和2004年7月這兩起流域性特大污染事故為典型代表，這類事故具有固定的風(fēng)險(xiǎn)源和特定的誘發(fā)條件，屬于可以預(yù)測(cè)的非突發(fā)性水污染事故；②企業(yè)違規(guī)/事故性排污、水陸交通事故和管道破裂等導(dǎo)致的污染事故，以2008年大沙河砷污染事故為典型代表，這類事故的風(fēng)險(xiǎn)源和誘發(fā)條件均是不確定的，屬于不可預(yù)測(cè)的突發(fā)性水污染事故。

歷經(jīng)多年流域水污染綜合治理，淮河流域水污染惡化的趨勢(shì)得到了有效控制，但形勢(shì)依然不容樂(lè)觀：2010年，水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率僅為30.8%，達(dá)標(biāo)河長(zhǎng)僅占35.8%。因此，雖然淮河流域再次發(fā)生閘蓄重污染水體集中下泄從而引發(fā)流域性特大水污染事故的可能性在降低，但其風(fēng)險(xiǎn)仍不可忽視。面對(duì)突發(fā)性水污染事故，由于其不確定性和不可預(yù)知性，水污染事故不可能完全避免，只能有效預(yù)防和積極應(yīng)對(duì)，其中預(yù)警是將被動(dòng)應(yīng)戰(zhàn)轉(zhuǎn)變?yōu)榉e極主動(dòng)備戰(zhàn)迎戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。因此非常有必要在分析流域水污染事故發(fā)生發(fā)展過(guò)程及演變機(jī)理的基礎(chǔ)上，從事前預(yù)防和事后應(yīng)急兩個(gè)層面建立水污染事故全過(guò)程預(yù)警預(yù)報(bào)技術(shù)體系，盡量降低污染事故發(fā)生的可能和減輕事故發(fā)生后的影響范圍和損失。

2 事故演變機(jī)理

發(fā)生以閘蓄污水成團(tuán)下泄引發(fā)的非突發(fā)性水污染事故，其原因在于入河污染負(fù)荷超出水域納污能力，其發(fā)生發(fā)展的全過(guò)程與演變機(jī)理如圖1所示。

從圖1可以看出，淮河干流非突發(fā)性水污染事故具有特定的風(fēng)險(xiǎn)源，即淮北重污染支流——沙潁河與渦河非汛期蓄積污水的閘壩；其誘發(fā)條件也是特定的，即淮北支流發(fā)生洪水，而同期淮干及淮南來(lái)水偏枯；其風(fēng)險(xiǎn)受體也是特定的，即水質(zhì)較好的淮干河段，特別是淮南和蚌埠這2個(gè)國(guó)家級(jí)重要飲用水水源地。因此，這類事故的發(fā)生在一定程度上是可以預(yù)知的，可以有針對(duì)性地進(jìn)行預(yù)防和應(yīng)急。

突發(fā)性水污染事故是指河道外大量污染物突然介入江河湖泊水體，造成水體污染事件。這類事故最大特點(diǎn)就是不確定性，發(fā)生的時(shí)間和地點(diǎn)不確定,污染物的類型、數(shù)量、危害方式和環(huán)境破壞能力也不確定。因此很難預(yù)防，重點(diǎn)是通過(guò)事后的有效應(yīng)急盡可能減輕事故的危害和損失。

3 整體框架

針對(duì)淮河流域水污染事故發(fā)生的時(shí)序性特點(diǎn)，事故全過(guò)程預(yù)警預(yù)報(bào)技術(shù)體系由事前防范預(yù)警和事后應(yīng)急預(yù)警2個(gè)部分組成，通過(guò)防范預(yù)警來(lái)減少事故發(fā)生的可能，通過(guò)應(yīng)急預(yù)警為事故發(fā)生后采取應(yīng)對(duì)措施提供科學(xué)依據(jù)、盡量減小污染的影響范圍和破壞程度。整體框架如圖2所示。

針對(duì)淮河流域以閘蓄污水洪污遭遇、集中大量下泄為典型的水污染事故對(duì)策是防范閘蓄污水集中大量下泄。根據(jù)閘壩管理的需要，防范預(yù)警可以進(jìn)一步細(xì)分為常態(tài)預(yù)警和臨洪預(yù)警，其中常態(tài)預(yù)警是非汛期的常規(guī)預(yù)警，目的是為非汛期閘壩的防污管理服務(wù)，其核心技術(shù)手段是閘蓄污水水污染事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。臨洪預(yù)警是在汛初洪水特別是第一場(chǎng)洪水已經(jīng)真實(shí)發(fā)生的情況下的臨災(zāi)預(yù)警，目的是為汛初的防污調(diào)度服務(wù)，其核心技術(shù)手段是實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)。應(yīng)急預(yù)警是指在污染事故已經(jīng)發(fā)生的情景下，預(yù)報(bào)污水團(tuán)推移變化的時(shí)空過(guò)程，重點(diǎn)針對(duì)下游居民點(diǎn)、取水口、水生態(tài)保護(hù)區(qū)等敏感點(diǎn)與敏感區(qū)，預(yù)報(bào)污染的時(shí)空變化過(guò)程，為及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施提供科學(xué)依據(jù)，目的是盡量減小污染的影響范圍和損失，其核心技術(shù)手段是建立基于水文—水動(dòng)力—水質(zhì)集成的水情水質(zhì)預(yù)報(bào)模型，包括水情預(yù)報(bào)模型、一維水質(zhì)預(yù)報(bào)模型和二維水質(zhì)預(yù)報(bào)模型。

4 常態(tài)預(yù)警

常態(tài)預(yù)警主要針對(duì)蓄積污水的閘壩，通過(guò)構(gòu)建閘蓄污水水污染事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，評(píng)估閘壩在汛初第一場(chǎng)洪水期間發(fā)生大量污水集中下泄引發(fā)重點(diǎn)保護(hù)河段水污染事件的風(fēng)險(xiǎn)，來(lái)識(shí)別流域內(nèi)非汛期需要進(jìn)行重點(diǎn)防污管理的閘壩，目的是減少大量集中下泄的污水導(dǎo)致全流域特大水污染事件的可能。

閘蓄污水集中大量下泄是由于重污染支流發(fā)生洪水、閘壩出于防洪安全的要求開(kāi)閘放水降低蓄水位所致，其風(fēng)險(xiǎn)率的大小由洪水強(qiáng)度和閘壩防洪能力兩者共同決定，洪水強(qiáng)度超過(guò)閘壩的防洪能力越大，閘蓄污水集中大量下泄的可能性也就越大；閘蓄污水集中大量下泄后果的嚴(yán)重性由閘蓄污水的水量、水質(zhì)及淮干同期來(lái)水量共同決定，污水水量越大、水質(zhì)越差，且同期淮干來(lái)水量越少，相應(yīng)的后果也就越嚴(yán)重。因此，根據(jù)這一分析，基于層次分析法，可以構(gòu)建如圖3所示的淮河流域非突發(fā)性水污染事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，對(duì)非汛期蓄積污水的閘壩逐一進(jìn)行評(píng)估，識(shí)別出需要進(jìn)行重點(diǎn)防控的高風(fēng)險(xiǎn)閘壩。

5 臨洪預(yù)警

淮河干流發(fā)生閘蓄污水下泄引發(fā)的非突發(fā)性水污染事故，其直接誘因就是淮北重污染支流發(fā)生洪水，閘壩必須下泄非汛期蓄積的污水以保證行洪安全。因此，臨洪預(yù)警就是減少閘壩群在行洪壓力下集中大量下泄污水導(dǎo)致全流域特大水污染事件的可能。

臨洪預(yù)警的重點(diǎn)是對(duì)最易引發(fā)閘蓄污水集中下泄的汛初第一場(chǎng)洪水進(jìn)行預(yù)報(bào)，目的是為閘壩水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度決策提供依據(jù)。根據(jù)淮河流域水情預(yù)報(bào)的長(zhǎng)期業(yè)務(wù)實(shí)踐，構(gòu)建了由馬斯京根河道洪水演進(jìn)模型、新安江降雨徑流預(yù)報(bào)模型、經(jīng)驗(yàn)降雨徑流預(yù)報(bào)模型和實(shí)時(shí)校正模型組成的臨洪預(yù)警技術(shù)，如圖4所示。

6 應(yīng)急預(yù)警

應(yīng)急預(yù)警是指在水污染事故已經(jīng)發(fā)生的情況下，向下游的水質(zhì)重點(diǎn)控制斷面發(fā)出污染預(yù)警。針對(duì)淮河流域閘壩眾多、水系復(fù)雜的特點(diǎn)，構(gòu)建了由河道洪水實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)模型、區(qū)間洪水預(yù)報(bào)模型、枯期徑流預(yù)報(bào)模型、一二維嵌套的水動(dòng)力—水質(zhì)耦合模型組成的應(yīng)急預(yù)警技術(shù)。針對(duì)汛期的水情特點(diǎn)，河道洪水實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)模型、區(qū)間洪水預(yù)報(bào)模型與水動(dòng)力—水質(zhì)耦合模型組合構(gòu)建汛期（特別是汛初第一場(chǎng)洪水）水污染事故應(yīng)急預(yù)警模型。針對(duì)枯水期的水情特點(diǎn)，枯期徑流預(yù)報(bào)模型與水動(dòng)力—水質(zhì)耦合模型組合構(gòu)建枯水期水污染事故應(yīng)急預(yù)警模型。

由淮干王家壩至蚌埠河段、淮北沙潁河、渦河組成的淮河中游區(qū)域是淮河流域水污染聯(lián)防工作的核心區(qū)域。本次研究根據(jù)淮河中游河網(wǎng)水系的水流水質(zhì)特點(diǎn)，構(gòu)建了分塊組合、一二維嵌套、基于水文—水動(dòng)力—水質(zhì)集成的水污染事故應(yīng)急預(yù)警模型，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

應(yīng)急預(yù)警技術(shù)中的水情預(yù)報(bào)模型為水質(zhì)預(yù)報(bào)模型提供邊界水情預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)和區(qū)間產(chǎn)流預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。水質(zhì)預(yù)報(bào)模型采用的是一二維嵌套、分塊組合的積木架構(gòu)，應(yīng)用時(shí)可根據(jù)實(shí)際工作的需要和數(shù)據(jù)的情況進(jìn)行靈活的組合，實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)范圍的多種變化?；春又杏魏泳W(wǎng)一維水動(dòng)力—水質(zhì)模型由三個(gè)模塊組成：淮河干流模塊、沙潁河模塊、渦河模塊，通過(guò)模塊之間的組合可以實(shí)現(xiàn)快速模擬預(yù)報(bào)大范圍的水質(zhì)時(shí)空變化情況，以滿足污染事故應(yīng)急處理的要求。在整體一維模型的基礎(chǔ)上，為精細(xì)反映淮北兩大重污染支流——沙潁河、渦河污水下泄在淮河干流形成的污染帶的時(shí)空變化情況，分別針對(duì)魯臺(tái)子河段和蚌埠閘河段構(gòu)建平面二維水動(dòng)力—水質(zhì)模型，嵌套入整體一維水質(zhì)數(shù)學(xué)模型中，可為污染事故的應(yīng)急決策提供更為精細(xì)的支撐數(shù)據(jù)。

7 結(jié)語(yǔ)

在分析淮河流域水污染事故發(fā)生發(fā)展過(guò)程及演變機(jī)理的基礎(chǔ)上，針對(duì)其時(shí)序性特點(diǎn)構(gòu)建了由事前防范預(yù)警和事后應(yīng)急預(yù)警兩個(gè)部分組成的全過(guò)程預(yù)警預(yù)報(bào)技術(shù)體系。其中，事前防范預(yù)警由以風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估為核心的非汛期常態(tài)預(yù)警和以實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)為核心的汛初洪水期臨洪預(yù)警兩個(gè)環(huán)節(jié)組成，目的是通過(guò)非汛期閘壩的防污管理及汛初洪水期閘壩的防污調(diào)度來(lái)盡可能減少事故發(fā)生的可能，防范事故于未然；事后應(yīng)急預(yù)警以水情水質(zhì)預(yù)警預(yù)報(bào)為技術(shù)核心，目的是通過(guò)預(yù)報(bào)事故污染團(tuán)的時(shí)空變化為應(yīng)急響應(yīng)提供科學(xué)依據(jù)，以盡量降低事故的影響范圍和損失

1.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 210029 2.淮河水利委員會(huì)水文局（信息中心） 233001 3.淮河流域水資源保護(hù)局 233001）