陳煉鋼 施 勇 徐時進 賴曉珍金 秋

淮河流域水污染事故全過程預(yù)警預(yù)報技術(shù)研究

陳煉鋼1施 勇1徐時進2賴曉珍3金 秋1

1 引言

淮河作為國家重點治理的“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)險源和特定的誘發(fā)條件，屬于可以預(yù)測的非突發(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)險源和誘發(fā)條件均是不確定的，屬于不可預(yù)測的突發(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得到了有效控制，但形勢依然不容樂觀：2010年，水功能區(qū)水質(zhì)達標率僅為30.8%，達標河長僅占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)險仍不可忽視。面對突發(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，其中預(yù)警是將被動應(yīng)戰(zhàn)轉(zhuǎn)變?yōu)榉e極主動備戰(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)展過程及演變機理的基礎(chǔ)上，從事前預(yù)防和事后應(yīng)急兩個層面建立水污染事故全過程預(yù)警預(yù)報技術(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 事故演變機理

發(fā)生以閘蓄污水成團下泄引發(fā)的非突發(fā)性水污染事故，其原因在于入河污染負荷超出水域納污能力，其發(fā)生發(fā)展的全過程與演變機理如圖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水偏枯；其風(fēng)險受體也是特定的，即水質(zhì)較好的淮干河段，特別是淮南和蚌埠這2個國家級重要飲用水水源地。因此，這類事故的發(fā)生在一定程度上是可以預(yù)知的，可以有針對性地進行預(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。這類事故最大特點就是不確定性，發(fā)生的時間和地點不確定,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，重點是通過事后的有效應(yīng)急盡可能減輕事故的危害和損失。

3 整體框架

針對淮河流域水污染事故發(fā)生的時序性特點，事故全過程預(yù)警預(yù)報技術(shù)體系由事前防范預(yù)警和事后應(yīng)急預(yù)警2個部分組成，通過防范預(yù)警來減少事故發(fā)生的可能，通過應(yīng)急預(yù)警為事故發(fā)生后采取應(yīng)對措施提供科學(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)警可以進一步細分為常態(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)險評估。臨洪預(yù)警是在汛初洪水特別是第一場洪水已經(jīng)真實發(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)手段是實時洪水預(yù)報。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)報污水團推移變化的時空過程，重點針對下游居民點、取水口、水生態(tài)保護區(qū)等敏感點與敏感區(qū)，預(yù)報污染的時空變化過程，為及時采取應(yīng)對措施提供科學(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—水動力—水質(zhì)集成的水情水質(zhì)預(yù)報模型，包括水情預(yù)報模型、一維水質(zhì)預(yù)報模型和二維水質(zhì)預(yù)報模型。

4 常態(tài)預(yù)警

常態(tài)預(yù)警主要針對蓄積污水的閘壩，通過構(gòu)建閘蓄污水水污染事故風(fēng)險評估模型，評估閘壩在汛初第一場洪水期間發(fā)生大量污水集中下泄引發(fā)重點保護河段水污染事件的風(fēng)險，來識別流域內(nèi)非汛期需要進行重點防污管理的閘壩，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閘放水降低蓄水位所致，其風(fēng)險率的大小由洪水強度和閘壩防洪能力兩者共同決定，洪水強度超過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重性由閘蓄污水的水量、水質(zhì)及淮干同期來水量共同決定，污水水量越大、水質(zhì)越差，且同期淮干來水量越少，相應(yīng)的后果也就越嚴重。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)險評估指標體系，對非汛期蓄積污水的閘壩逐一進行評估，識別出需要進行重點防控的高風(fēng)險閘壩。

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)警的重點是對最易引發(fā)閘蓄污水集中下泄的汛初第一場洪水進行預(yù)報，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)報的長期業(yè)務(wù)實踐，構(gòu)建了由馬斯京根河道洪水演進模型、新安江降雨徑流預(yù)報模型、經(jīng)驗降雨徑流預(yù)報模型和實時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)重點控制斷面發(fā)出污染預(yù)警。針對淮河流域閘壩眾多、水系復(fù)雜的特點，構(gòu)建了由河道洪水實時預(yù)報模型、區(qū)間洪水預(yù)報模型、枯期徑流預(yù)報模型、一二維嵌套的水動力—水質(zhì)耦合模型組成的應(yīng)急預(yù)警技術(shù)。針對汛期的水情特點，河道洪水實時預(yù)報模型、區(qū)間洪水預(yù)報模型與水動力—水質(zhì)耦合模型組合構(gòu)建汛期（特別是汛初第一場洪水）水污染事故應(yīng)急預(yù)警模型。針對枯水期的水情特點，枯期徑流預(yù)報模型與水動力—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，構(gòu)建了分塊組合、一二維嵌套、基于水文—水動力—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)報模型為水質(zhì)預(yù)報模型提供邊界水情預(yù)報數(shù)據(jù)和區(qū)間產(chǎn)流預(yù)報數(shù)據(jù)。水質(zhì)預(yù)報模型采用的是一二維嵌套、分塊組合的積木架構(gòu)，應(yīng)用時可根據(jù)實際工作的需要和數(shù)據(jù)的情況進行靈活的組合，實現(xiàn)預(yù)報范圍的多種變化?；春又杏魏泳W(wǎng)一維水動力—水質(zhì)模型由三個模塊組成：淮河干流模塊、沙潁河模塊、渦河模塊，通過模塊之間的組合可以實現(xiàn)快速模擬預(yù)報大范圍的水質(zhì)時空變化情況，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空變化情況，分別針對魯臺子河段和蚌埠閘河段構(gòu)建平面二維水動力—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的支撐數(shù)據(jù)。

7 結(jié)語

在分析淮河流域水污染事故發(fā)生發(fā)展過程及演變機理的基礎(chǔ)上，針對其時序性特點構(gòu)建了由事前防范預(yù)警和事后應(yīng)急預(yù)警兩個部分組成的全過程預(yù)警預(yù)報技術(shù)體系。其中，事前防范預(yù)警由以風(fēng)險評估為核心的非汛期常態(tài)預(yù)警和以實時洪水預(yù)報為核心的汛初洪水期臨洪預(yù)警兩個環(huán)節(jié)組成，目的是通過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)報為技術(shù)核心，目的是通過預(yù)報事故污染團的時空變化為應(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)國家重點實驗室 210029 2.淮河水利委員會水文局（信息中心） 233001 3.淮河流域水資源保護局 233001）