常州市水源地水污染風險等級判定

尹 亮，逄 勇，2，潘 晨，朱心悅，李 金

(1.河海大學環(huán)境學院，江蘇南京 210098;2.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室，江蘇南京 210098;3.常州市環(huán)境監(jiān)測中心江蘇常州 213001)

隨著經濟的快速發(fā)展，人口的日益增加，我國飲用水水源地的安全面臨巨大的挑戰(zhàn)。近20 年來，飲用水水源地突發(fā)性水污染事件頻繁發(fā)生，帶來了巨大的經濟損失。常州是長江中下游地區(qū)的重要城市，而長江作為常州市飲用水源地，其潛在水質下降及突發(fā)水污染事故的影響將嚴重威脅到常州市乃至更廣范圍人們的生活安全、經濟發(fā)展和社會穩(wěn)定。開展常州市飲用水源地風險等級判定研究，對常州市飲用水安全及環(huán)境保護規(guī)劃具有重要的意義。

目前國內外一些專家對水污染風險進行了研究。徐峰等［1］在各種水質模型的基礎上，推導出一系列適用于水環(huán)境風險評價的定量估算公式，以用于危險源識別、特征等濃度線確定、事故特征危害區(qū)與危害時間估算等方面;祝慧娜等［2］在考慮河流水環(huán)境脆弱性及污染水體對人類健康危害性兩個因素的基礎上，建立了對河流水環(huán)境污染風險的模糊綜合評價模型;李如忠等［3］在定義三角模糊參數(shù)的基礎上，通過將一維穩(wěn)態(tài)水質模型參數(shù)模糊化，建立了模糊水質模擬模型，并根據模擬結果，對控制斷面水質狀況進行風險分析;楊柳?。?］針對陽鴻石油碼頭突發(fā)性水污染事故進行風險評價，主要研究了油污染事故的風險;文獻［5-12］通過建立水環(huán)境健康風險評價，定量地描述環(huán)境污染對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，并對河流突發(fā)性污染事件的風險評價理論作了一定的梳理和歸納，提出了對突發(fā)性水污染事件進行風險評價的設想，所建議的評價內容和體系基本參考化工、工程類風險評價，即包含危害識別、事故頻率和后果估算、風險計算以及風險減緩4 個階段;Jenkins［14］提出對歷史數(shù)據中幾個信息量記錄豐富的突發(fā)性事故進行深度分析，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，以其中某幾次典型的溢油事故為標準，對所有可能發(fā)生事故進行評估，從而達到對事故造成的損失程度進行評估的目的;Soctt［15］提出“環(huán)境事故指數(shù)”法，該評估模型主要是針對事故突發(fā)性化學污染，先將決定事故影響后果的各因素進行分級，再運用評價模型，對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行識別和半定量分級，達到風險評估的目的。

1 研究區(qū)域概況

常州地處江蘇省南部，滬寧線中段，屬長江三角洲沿海經濟開放區(qū)。北倚長江天塹，南與宜興市交界，東瀕太湖與無錫市相連，西與鎮(zhèn)江市接壤。

常州市屬太湖流域上游地區(qū)，京杭大運河自西北向東南經市區(qū)穿越過境，由諸多北、南支流通長江以及太湖、滆湖、洮湖等主要湖泊，構成縱橫交錯的水網地區(qū)。

常州市新北區(qū)水網密布，水系發(fā)達，長江在新北區(qū)北部通過，境內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東支。其中德勝河和澡港河肩負非汛期從長江引水、汛期向長江排水的任務，所以德勝河和澡港河均為雙向流河道。研究區(qū)域河流水系概況見圖1。

2 水量水質模型建立

2.1 二維非穩(wěn)態(tài)水量模型方程及求解方法

二維淺水水流方程和對流-擴散方程的守恒形式可表達為

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量濃度;g 為重力加速度。

源(或匯)項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為擴散系數(shù)，?為梯度算子，?·?=?2是Laplace 算子。

研究模型應用有限體積法及黎曼近似解對方程組逐時段、逐單元進行數(shù)值求解，從而模擬出長江的水流過程和相應的污染物輸運擴散過程。模擬過程為:首先根據計算區(qū)域的天然地形及排污口的位置，用無結構網格使計算區(qū)域離散化;然后逐時段地用有限體積法對每一單元建立水量、動量和濃度平衡，確保其守恒性，用黎曼近似解計算跨單元的水量、動量和濃度的法向數(shù)值通量，保證計算精度。

2.2 模型參數(shù)選取及率定

參數(shù)選取及率定根據以往對長江江段模型的研究［16］，長江常州段水量水質模型參數(shù)值見表1。

表1 二維水量水質模型參數(shù)

3 水源地水污染風險等級判定

3.1 風險等級判別公式

對于某個固定的風險源，其風險值由多個風險指標值確定［17］，計算公式如下:

式中:δij為第i 個風險源的第j 個風險指標值;ωij為第i 個風險源第j 個風險指標的權重。

3.2 風險指標選取

風險事故作用于風險受體的危害性，體現(xiàn)在風險事件向風險受體輸送的污染物類型，以及作用于風險受體后對受體環(huán)境質量的影響和破壞程度;風險事件發(fā)生后對風險受體構成威脅在時間上的緊迫性，即自風險事件發(fā)生后污染物輸移至風險受體處、引起受體損害之前，可采取應急措施的時間間隔;風險事件發(fā)生后對風險受體影響的持久性。基于此考慮，選取最大水質超標類別、水質超標持續(xù)時間、污染團到達時間這3 項指標為風險事故危害指標的指標，分別對風險事件作用于敏感受體的危害性、緊迫性及持久性進行描述。

3.3 風險事故指標閾值確定

①最大水質超標倍數(shù)的確定主要通過對常州地區(qū)污水處理廠處理能力的調查后得到。污水處理廠對污染物質的去除率均大于80%［18］，換算后得到，若水質的最大超標倍數(shù)在2 ～3 倍左右時自來水廠能夠處理達標，故將3 倍以下的超標倍數(shù)定義為低風險;②超標持續(xù)時間主要是通過對污水處理廠的應急供水能力的調查得到，對突發(fā)性風險的處置與各水廠應急供水能力與水廠設計規(guī)模和處理池大小有關。調查了解到常州還有2 個備用水源地，分別為小河水廠和西石橋水廠，風險事故能在一定時間內得到良好的應對，故將2 h 的超標持續(xù)時間定義為低風險;③污染團到達時間的閾值與事故應急反應能力有關，通過建立應急反應機制在0.5 h 內能夠反饋污染信息并對污染事故采取相應措施，故將0.5 h 的污染物到達時間定義為低風險。

根據提供的排污工業(yè)企業(yè)資料，本研究中企業(yè)風險等級主要考慮企業(yè)的行業(yè)類別以及廢水排放量。風險較大的行業(yè)主要為化工行業(yè)。

對于極低風險、中風險和高風險指標則在低風險指標選取原則上參考文獻以及結合專家小組法得出，常州濱江地區(qū)風險事故危害程度指標的閾值劃分見表2。

表2 風險事故危害程度指標的閾值劃分

3.4 風險源識別

魏村水廠水源地的主要風險源為3 個，分別是德勝河排口、澡港河排口以及污水處理廠排口。詳見表3。

表3 風險源強信息

在非汛期，德勝河主要流向為由北向南，主要功能為從長江引水;在汛期，德勝河主要流向為由南向北，主要功能為向長江排水。根據常州內河段的污染源調查，德勝河周邊有11 家工業(yè)企業(yè)的工業(yè)廢水直接進入德勝河水體中。又根據內河段的水質評價，在汛期，德勝河水質有超標的現(xiàn)象發(fā)生，若此時開閘排水，會對魏村水廠取水口的水質產生不利影響。

澡港河位于魏村水廠取水口下游，經過污染源調查，有53 家企業(yè)的廢水是直接排入澡港河中，又因為澡港河與老澡港河相連，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排放的情況下，澡港河會對魏村水廠的取水口水質產生不利影響。澡港河周邊還有風險較高的26 家化工企業(yè)。

污水處理廠直排入長江的主要包括4 個污水處理廠，分別是常州新區(qū)自來水排水公司、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。當污水處理廠出現(xiàn)事故排放時，會對長江水質產生一定的不利影響，在長江受潮汐影響倒流時，會對魏村水廠取水口的水質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 家風險較高的化工企業(yè)。

3.5 水廠取水口風險等級判定

根據調查得到的風險源最大可信事故排放量及污染因子(COD、NH3-N)，通過設計水文條件下的二維非穩(wěn)態(tài)水量水質模型的計算，根據計算結果結合建立起的風險判別模型，對各風險源對于取水口的風險影響進行風險等級判別(對COD 和NH3-N 風險等級最高的情況進行判別)。水質標準參照GB 3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》。根據風險等級綜合分級(表4)得到各風險源對取水口的風險等級判定(表5)。

表4 風險等級綜合分級

表5 各風險源對取水口風險等級判定

4 判定結果分析

根據建立的風險判定模型得到3 個概化的風險源對魏村水廠取水口的綜合風險為低等級。從各個風險源的各項指標的判定中可以看到，澡港河和污水處理廠的企業(yè)風險等級較高，為中等風險，主要由于這兩個風險源中工業(yè)企業(yè)較多，而德勝河風險源的污染團到達時間指標為中等風險，主要因為德勝河入長江口處距離魏村水廠取水口距離較近，一旦德勝河水質出現(xiàn)惡化情況，將會在較短時間內影響魏村水廠取水口的水質安全。

5 結 語

從常州長江段水源地安全角度出發(fā)，通過建立長江常州段水量水質數(shù)學模型，并結合研究區(qū)域的污染物分布及水文情勢狀況，以常州長江水源地為風險受體，建立起風險源與風險受體緊密聯(lián)系的風險判別體系。判別體系主要考慮風險源進入水體后的遷移擴散等對風險受體構成風險威脅的影響程度，運用風險指標對影響程度進行量化分析，從而進行對風險源以及風險受體的綜合風險判定。這種風險判別的方法由于對有毒的特異物質以及遷移轉化研究進展的限制，故針對特異有毒物質的風險判定有待進一步深入研究。

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