淮河流域水污染事故全過程預警預報技術研究

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警預報技術研究

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)而備受關注。根據發(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險源和特定的誘發(fā)條件，屬于可以預測的非突發(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，這類事故的風險源和誘發(fā)條件均是不確定的，屬于不可預測的突發(fā)性水污染事故。

歷經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知性，水污染事故不可能完全避免，只能有效預防和積極應對，其中預警是將被動應戰(zhàn)轉變?yōu)榉e極主動備戰(zhàn)迎戰(zhàn)的關鍵技術之一。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上，從事前預防和事后應急兩個層面建立水污染事故全過程預警預報技術體系，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；其風險受體也是特定的，即水質較好的淮干河段，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知的，可以有針對性地進行預防和應急。

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、數量、危害方式和環(huán)境破壞能力也不確定。因此很難預防，重點是通過事后的有效應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，事故全過程預警預報技術體系由事前防范預警和事后應急預警2個部分組成，通過防范預警來減少事故發(fā)生的可能，通過應急預警為事故發(fā)生后采取應對措施提供科學依據、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。根據閘壩管理的需要，防范預警可以進一步細分為常態(tài)預警和臨洪預警，其中常態(tài)預警是非汛期的常規(guī)預警，目的是為非汛期閘壩的防污管理服務，其核心技術手段是閘蓄污水水污染事故風險評估。臨洪預警是在汛初洪水特別是第一場洪水已經真實發(fā)生的情況下的臨災預警，目的是為汛初的防污調度服務，其核心技術手段是實時洪水預報。應急預警是指在污染事故已經發(fā)生的情景下，預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)，預報污染的時空變化過程，為及時采取應對措施提供科學依據，目的是盡量減小污染的影響范圍和損失，其核心技術手段是建立基于水文—水動力—水質集成的水情水質預報模型，包括水情預報模型、一維水質預報模型和二維水質預報模型。

4 常態(tài)預警

常態(tài)預警主要針對蓄積污水的閘壩，通過構建閘蓄污水水污染事故風險評估模型，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險，來識別流域內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、水質及淮干同期來水量共同決定，污水水量越大、水質越差，且同期淮干來水量越少，相應的后果也就越嚴重。因此，根據這一分析，基于層次分析法，可以構建如圖3所示的淮河流域非突發(fā)性水污染事故風險評估指標體系，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險閘壩。

5 臨洪預警

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，臨洪預警就是減少閘壩群在行洪壓力下集中大量下泄污水導致全流域特大水污染事件的可能。

臨洪預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報，目的是為閘壩水量水質聯合調度決策提供依據。根據淮河流域水情預報的長期業(yè)務實踐，構建了由馬斯京根河道洪水演進模型、新安江降雨徑流預報模型、經驗降雨徑流預報模型和實時校正模型組成的臨洪預警技術，如圖4所示。

6 應急預警

應急預警是指在水污染事故已經發(fā)生的情況下，向下游的水質重點控制斷面發(fā)出污染預警。針對淮河流域閘壩眾多、水系復雜的特點，構建了由河道洪水實時預報模型、區(qū)間洪水預報模型、枯期徑流預報模型、一二維嵌套的水動力—水質耦合模型組成的應急預警技術。針對汛期的水情特點，河道洪水實時預報模型、區(qū)間洪水預報模型與水動力—水質耦合模型組合構建汛期（特別是汛初第一場洪水）水污染事故應急預警模型。針對枯水期的水情特點，枯期徑流預報模型與水動力—水質耦合模型組合構建枯水期水污染事故應急預警模型。

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防工作的核心區(qū)域。本次研究根據淮河中游河網水系的水流水質特點，構建了分塊組合、一二維嵌套、基于水文—水動力—水質集成的水污染事故應急預警模型，結構如圖5所示。

應急預警技術中的水情預報模型為水質預報模型提供邊界水情預報數據和區(qū)間產流預報數據。水質預報模型采用的是一二維嵌套、分塊組合的積木架構，應用時可根據實際工作的需要和數據的情況進行靈活的組合，實現預報范圍的多種變化?；春又杏魏泳W一維水動力—水質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快速模擬預報大范圍的水質時空變化情況，以滿足污染事故應急處理的要求。在整體一維模型的基礎上，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建平面二維水動力—水質模型，嵌套入整體一維水質數學模型中，可為污染事故的應急決策提供更為精細的支撐數據。

7 結語

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上，針對其時序性特點構建了由事前防范預警和事后應急預警兩個部分組成的全過程預警預報技術體系。其中，事前防范預警由以風險評估為核心的非汛期常態(tài)預警和以實時洪水預報為核心的汛初洪水期臨洪預警兩個環(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；事后應急預警以水情水質預警預報為技術核心，目的是通過預報事故污染團的時空變化為應急響應提供科學依據，以盡量降低事故的影響范圍和損失

1.南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室 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）