尹 亮,逄 勇,2,潘 晨,朱心悅,李 金
(1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098;3.常州市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心江蘇常州 213001)
隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人口的日益增加,我國(guó)飲用水水源地的安全面臨巨大的挑戰(zhàn)。近20 年來(lái),飲用水水源地突發(fā)性水污染事件頻繁發(fā)生,帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。常州是長(zhǎng)江中下游地區(qū)的重要城市,而長(zhǎng)江作為常州市飲用水源地,其潛在水質(zhì)下降及突發(fā)水污染事故的影響將嚴(yán)重威脅到常州市乃至更廣范圍人們的生活安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定。開(kāi)展常州市飲用水源地風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判定研究,對(duì)常州市飲用水安全及環(huán)境保護(hù)規(guī)劃具有重要的意義。
目前國(guó)內(nèi)外一些專家對(duì)水污染風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了研究。徐峰等[1]在各種水質(zhì)模型的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)出一系列適用于水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的定量估算公式,以用于危險(xiǎn)源識(shí)別、特征等濃度線確定、事故特征危害區(qū)與危害時(shí)間估算等方面;?;勰鹊龋?]在考慮河流水環(huán)境脆弱性及污染水體對(duì)人類健康危害性兩個(gè)因素的基礎(chǔ)上,建立了對(duì)河流水環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)的模糊綜合評(píng)價(jià)模型;李如忠等[3]在定義三角模糊參數(shù)的基礎(chǔ)上,通過(guò)將一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型參數(shù)模糊化,建立了模糊水質(zhì)模擬模型,并根據(jù)模擬結(jié)果,對(duì)控制斷面水質(zhì)狀況進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析;楊柳?。?]針對(duì)陽(yáng)鴻石油碼頭突發(fā)性水污染事故進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),主要研究了油污染事故的風(fēng)險(xiǎn);文獻(xiàn)[5-12]通過(guò)建立水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),定量地描述環(huán)境污染對(duì)公眾健康的危害程度;胡二邦等[13]概括了突發(fā)性水污染事件的概念,并對(duì)河流突發(fā)性污染事件的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)理論作了一定的梳理和歸納,提出了對(duì)突發(fā)性水污染事件進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的設(shè)想,所建議的評(píng)價(jià)內(nèi)容和體系基本參考化工、工程類風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),即包含危害識(shí)別、事故頻率和后果估算、風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算以及風(fēng)險(xiǎn)減緩4 個(gè)階段;Jenkins[14]提出對(duì)歷史數(shù)據(jù)中幾個(gè)信息量記錄豐富的突發(fā)性事故進(jìn)行深度分析,從中找出所有潛在可能發(fā)生的事故都可能具有的相似信息指標(biāo),以其中某幾次典型的溢油事故為標(biāo)準(zhǔn),對(duì)所有可能發(fā)生事故進(jìn)行評(píng)估,從而達(dá)到對(duì)事故造成的損失程度進(jìn)行評(píng)估的目的;Soctt[15]提出“環(huán)境事故指數(shù)”法,該評(píng)估模型主要是針對(duì)事故突發(fā)性化學(xué)污染,先將決定事故影響后果的各因素進(jìn)行分級(jí),再運(yùn)用評(píng)價(jià)模型,對(duì)由事故引起的地表水環(huán)境、土壤環(huán)境以及地下水的影響后果進(jìn)行識(shí)別和半定量分級(jí),達(dá)到風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的目的。
常州地處江蘇省南部,滬寧線中段,屬長(zhǎng)江三角洲沿海經(jīng)濟(jì)開(kāi)放區(qū)。北倚長(zhǎng)江天塹,南與宜興市交界,東瀕太湖與無(wú)錫市相連,西與鎮(zhèn)江市接壤。
常州市屬太湖流域上游地區(qū),京杭大運(yùn)河自西北向東南經(jīng)市區(qū)穿越過(guò)境,由諸多北、南支流通長(zhǎng)江以及太湖、滆湖、洮湖等主要湖泊,構(gòu)成縱橫交錯(cuò)的水網(wǎng)地區(qū)。
常州市新北區(qū)水網(wǎng)密布,水系發(fā)達(dá),長(zhǎng)江在新北區(qū)北部通過(guò),境內(nèi)主要南北向河道有浦河、新孟河、剩銀河、德勝河、小龍港、澡港河、桃花港等。澡港河向南又衍生出老澡港河?xùn)|支。其中德勝河和澡港河肩負(fù)非汛期從長(zhǎng)江引水、汛期向長(zhǎng)江排水的任務(wù),所以德勝河和澡港河均為雙向流河道。研究區(qū)域河流水系概況見(jiàn)圖1。
二維淺水水流方程和對(duì)流-擴(kuò)散方程的守恒形式可表達(dá)為
圖1 研究區(qū)域水系
其中,q=[h,hu,hv,hρ]T,為守恒物理量,
式中:h 為水深;u 和v 分別為x 和y 向垂線平均水平流速分量;ρ 為污染物垂線平均質(zhì)量濃度;g 為重力加速度。
源(或匯)項(xiàng)b(q)為:
其中
式中:S0x和Sfx分別是x 向的水底底坡和摩阻底坡;S0y和Ssy分別是y 向的水底底坡和摩阻底坡,Di為擴(kuò)散系數(shù),?為梯度算子,?·?=?2是Laplace 算子。
研究模型應(yīng)用有限體積法及黎曼近似解對(duì)方程組逐時(shí)段、逐單元進(jìn)行數(shù)值求解,從而模擬出長(zhǎng)江的水流過(guò)程和相應(yīng)的污染物輸運(yùn)擴(kuò)散過(guò)程。模擬過(guò)程為:首先根據(jù)計(jì)算區(qū)域的天然地形及排污口的位置,用無(wú)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格使計(jì)算區(qū)域離散化;然后逐時(shí)段地用有限體積法對(duì)每一單元建立水量、動(dòng)量和濃度平衡,確保其守恒性,用黎曼近似解計(jì)算跨單元的水量、動(dòng)量和濃度的法向數(shù)值通量,保證計(jì)算精度。
參數(shù)選取及率定根據(jù)以往對(duì)長(zhǎng)江江段模型的研究[16],長(zhǎng)江常州段水量水質(zhì)模型參數(shù)值見(jiàn)表1。
表1 二維水量水質(zhì)模型參數(shù)
對(duì)于某個(gè)固定的風(fēng)險(xiǎn)源,其風(fēng)險(xiǎn)值由多個(gè)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)值確定[17],計(jì)算公式如下:
式中:δij為第i 個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源的第j 個(gè)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)值;ωij為第i 個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源第j 個(gè)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的權(quán)重。
風(fēng)險(xiǎn)事故作用于風(fēng)險(xiǎn)受體的危害性,體現(xiàn)在風(fēng)險(xiǎn)事件向風(fēng)險(xiǎn)受體輸送的污染物類型,以及作用于風(fēng)險(xiǎn)受體后對(duì)受體環(huán)境質(zhì)量的影響和破壞程度;風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生后對(duì)風(fēng)險(xiǎn)受體構(gòu)成威脅在時(shí)間上的緊迫性,即自風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生后污染物輸移至風(fēng)險(xiǎn)受體處、引起受體損害之前,可采取應(yīng)急措施的時(shí)間間隔;風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生后對(duì)風(fēng)險(xiǎn)受體影響的持久性?;诖丝紤],選取最大水質(zhì)超標(biāo)類別、水質(zhì)超標(biāo)持續(xù)時(shí)間、污染團(tuán)到達(dá)時(shí)間這3 項(xiàng)指標(biāo)為風(fēng)險(xiǎn)事故危害指標(biāo)的指標(biāo),分別對(duì)風(fēng)險(xiǎn)事件作用于敏感受體的危害性、緊迫性及持久性進(jìn)行描述。
①最大水質(zhì)超標(biāo)倍數(shù)的確定主要通過(guò)對(duì)常州地區(qū)污水處理廠處理能力的調(diào)查后得到。污水處理廠對(duì)污染物質(zhì)的去除率均大于80%[18],換算后得到,若水質(zhì)的最大超標(biāo)倍數(shù)在2 ~3 倍左右時(shí)自來(lái)水廠能夠處理達(dá)標(biāo),故將3 倍以下的超標(biāo)倍數(shù)定義為低風(fēng)險(xiǎn);②超標(biāo)持續(xù)時(shí)間主要是通過(guò)對(duì)污水處理廠的應(yīng)急供水能力的調(diào)查得到,對(duì)突發(fā)性風(fēng)險(xiǎn)的處置與各水廠應(yīng)急供水能力與水廠設(shè)計(jì)規(guī)模和處理池大小有關(guān)。調(diào)查了解到常州還有2 個(gè)備用水源地,分別為小河水廠和西石橋水廠,風(fēng)險(xiǎn)事故能在一定時(shí)間內(nèi)得到良好的應(yīng)對(duì),故將2 h 的超標(biāo)持續(xù)時(shí)間定義為低風(fēng)險(xiǎn);③污染團(tuán)到達(dá)時(shí)間的閾值與事故應(yīng)急反應(yīng)能力有關(guān),通過(guò)建立應(yīng)急反應(yīng)機(jī)制在0.5 h 內(nèi)能夠反饋污染信息并對(duì)污染事故采取相應(yīng)措施,故將0.5 h 的污染物到達(dá)時(shí)間定義為低風(fēng)險(xiǎn)。
根據(jù)提供的排污工業(yè)企業(yè)資料,本研究中企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)主要考慮企業(yè)的行業(yè)類別以及廢水排放量。風(fēng)險(xiǎn)較大的行業(yè)主要為化工行業(yè)。
對(duì)于極低風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)則在低風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)選取原則上參考文獻(xiàn)以及結(jié)合專家小組法得出,常州濱江地區(qū)風(fēng)險(xiǎn)事故危害程度指標(biāo)的閾值劃分見(jiàn)表2。
表2 風(fēng)險(xiǎn)事故危害程度指標(biāo)的閾值劃分
魏村水廠水源地的主要風(fēng)險(xiǎn)源為3 個(gè),分別是德勝河排口、澡港河排口以及污水處理廠排口。詳見(jiàn)表3。
表3 風(fēng)險(xiǎn)源強(qiáng)信息
在非汛期,德勝河主要流向?yàn)橛杀毕蚰?,主要功能為從長(zhǎng)江引水;在汛期,德勝河主要流向?yàn)橛赡舷虮?,主要功能為向長(zhǎng)江排水。根據(jù)常州內(nèi)河段的污染源調(diào)查,德勝河周邊有11 家工業(yè)企業(yè)的工業(yè)廢水直接進(jìn)入德勝河水體中。又根據(jù)內(nèi)河段的水質(zhì)評(píng)價(jià),在汛期,德勝河水質(zhì)有超標(biāo)的現(xiàn)象發(fā)生,若此時(shí)開(kāi)閘排水,會(huì)對(duì)魏村水廠取水口的水質(zhì)產(chǎn)生不利影響。
澡港河位于魏村水廠取水口下游,經(jīng)過(guò)污染源調(diào)查,有53 家企業(yè)的廢水是直接排入澡港河中,又因?yàn)樵韪酆优c老澡港河相連,常州深水城北污水處理有限公司的廢水排入老澡港河,所以在澡港河周邊的直排企業(yè)和常州深水城北污水處理有限公司的廢水超標(biāo)排放的情況下,澡港河會(huì)對(duì)魏村水廠的取水口水質(zhì)產(chǎn)生不利影響。澡港河周邊還有風(fēng)險(xiǎn)較高的26 家化工企業(yè)。
污水處理廠直排入長(zhǎng)江的主要包括4 個(gè)污水處理廠,分別是常州新區(qū)自來(lái)水排水公司、常州市深水江邊污水處理有限公司、常州市百丈污水處理有限公司、常州西源污水處理有限公司。當(dāng)污水處理廠出現(xiàn)事故排放時(shí),會(huì)對(duì)長(zhǎng)江水質(zhì)產(chǎn)生一定的不利影響,在長(zhǎng)江受潮汐影響倒流時(shí),會(huì)對(duì)魏村水廠取水口的水質(zhì)安全造成一定的威脅。在排入這些污水處理廠中的企業(yè)包括27 家風(fēng)險(xiǎn)較高的化工企業(yè)。
根據(jù)調(diào)查得到的風(fēng)險(xiǎn)源最大可信事故排放量及污染因子(COD、NH3-N),通過(guò)設(shè)計(jì)水文條件下的二維非穩(wěn)態(tài)水量水質(zhì)模型的計(jì)算,根據(jù)計(jì)算結(jié)果結(jié)合建立起的風(fēng)險(xiǎn)判別模型,對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)源對(duì)于取水口的風(fēng)險(xiǎn)影響進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判別(對(duì)COD 和NH3-N 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)最高的情況進(jìn)行判別)。水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)參照GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)綜合分級(jí)(表4)得到各風(fēng)險(xiǎn)源對(duì)取水口的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判定(表5)。
表4 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)綜合分級(jí)
表5 各風(fēng)險(xiǎn)源對(duì)取水口風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判定
根據(jù)建立的風(fēng)險(xiǎn)判定模型得到3 個(gè)概化的風(fēng)險(xiǎn)源對(duì)魏村水廠取水口的綜合風(fēng)險(xiǎn)為低等級(jí)。從各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源的各項(xiàng)指標(biāo)的判定中可以看到,澡港河和污水處理廠的企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高,為中等風(fēng)險(xiǎn),主要由于這兩個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源中工業(yè)企業(yè)較多,而德勝河風(fēng)險(xiǎn)源的污染團(tuán)到達(dá)時(shí)間指標(biāo)為中等風(fēng)險(xiǎn),主要因?yàn)榈聞俸尤腴L(zhǎng)江口處距離魏村水廠取水口距離較近,一旦德勝河水質(zhì)出現(xiàn)惡化情況,將會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)影響魏村水廠取水口的水質(zhì)安全。
從常州長(zhǎng)江段水源地安全角度出發(fā),通過(guò)建立長(zhǎng)江常州段水量水質(zhì)數(shù)學(xué)模型,并結(jié)合研究區(qū)域的污染物分布及水文情勢(shì)狀況,以常州長(zhǎng)江水源地為風(fēng)險(xiǎn)受體,建立起風(fēng)險(xiǎn)源與風(fēng)險(xiǎn)受體緊密聯(lián)系的風(fēng)險(xiǎn)判別體系。判別體系主要考慮風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)入水體后的遷移擴(kuò)散等對(duì)風(fēng)險(xiǎn)受體構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)威脅的影響程度,運(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)對(duì)影響程度進(jìn)行量化分析,從而進(jìn)行對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源以及風(fēng)險(xiǎn)受體的綜合風(fēng)險(xiǎn)判定。這種風(fēng)險(xiǎn)判別的方法由于對(duì)有毒的特異物質(zhì)以及遷移轉(zhuǎn)化研究進(jìn)展的限制,故針對(duì)特異有毒物質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)判定有待進(jìn)一步深入研究。
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