洪水污染的生態(tài)環(huán)境影響評(píng)估體系構(gòu)建與研究

俞 茜 ，李 娜 ，王艷艷 ，丁留謙 ，杜曉鶴 ，王 靜

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038； 2.水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心， 北京 100038）

1 研究背景

當(dāng)洪水流經(jīng)范圍內(nèi)有廢水處理廠(chǎng)［1］、垃圾填埋場(chǎng)［2］等暴露污染源時(shí)，洪水有可能沖壞污染源并被釋放出的污染物所污染，被污染的洪水可能會(huì)造成流經(jīng)區(qū)域的土壤污染、水質(zhì)惡化或者其他負(fù)面的生態(tài)環(huán)境后果［3-5］，而污染的土壤和水體可能會(huì)進(jìn)一步對(duì)人體健康造成威脅［3，6-7］。

相較于較為成熟的洪水經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估理論與方法［8］，生態(tài)環(huán)境影響由于較難被定量評(píng)估，因此目前針對(duì)洪水的生態(tài)環(huán)境影響評(píng)估的研究較為缺乏。奧地利、比利時(shí)等國(guó)將洪水淹沒(méi)圖與受保護(hù)對(duì)象圖疊加形成洪水的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)圖，其中的編制差別在于各國(guó)的受保護(hù)對(duì)象不同［9］。盡管該方法能顯示洪水淹沒(méi)范圍內(nèi)可能受影響的自然保護(hù)區(qū)等受保護(hù)對(duì)象，但是無(wú)法比較不同洪水情況下生態(tài)環(huán)境受影響的程度。隨著氣候變化［10］和人類(lèi)活動(dòng)的加?。?1］，極端暴雨事件頻發(fā)，如何增加生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)韌性，減少洪澇對(duì)其造成的負(fù)面影響是非常重要的研究課題。

本文構(gòu)建了一套可以半定量地評(píng)估洪水污染造成的生態(tài)環(huán)境負(fù)面影響的方法體系，并以南水北調(diào)中線(xiàn)一期工程某高填方渠段為例，分析了潰堤洪水對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的影響，旨在對(duì)比不同洪水情況可能造成的生態(tài)環(huán)境影響的嚴(yán)重性程度，為增強(qiáng)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)韌性提供技術(shù)支撐。

2 評(píng)估體系構(gòu)建與評(píng)估方法

當(dāng)洪水流經(jīng)區(qū)域存在潛在污染源時(shí)，洪水演進(jìn)過(guò)程中造成潛在污染源釋放污染物并導(dǎo)致洪水被污染，則有可能對(duì)當(dāng)?shù)氐娘嬘盟磪^(qū)等受保護(hù)對(duì)象造成威脅。因此，本文構(gòu)建評(píng)估體系時(shí)，選擇潛在污染源危害程度和受體敏感度兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)專(zhuān)家判斷等方法輔助確定污染源危險(xiǎn)分級(jí)、潛在污染源危害程度的等級(jí)閾值以及受體敏感度等級(jí)閾值，采用矩陣法綜合潛在污染源危害程度與受體敏感度兩個(gè)指標(biāo)得到生態(tài)環(huán)境影響嚴(yán)重性程度，洪水污染的生態(tài)環(huán)境影響評(píng)估體系流程圖見(jiàn)圖1。

2.1 生態(tài)環(huán)境影響類(lèi)型識(shí)別采用事件樹(shù)分析法（ETA）分析洪水可能造成的生態(tài)環(huán)境后果類(lèi)型，見(jiàn)圖2。當(dāng)洪水流經(jīng)潛在污染源后，被污染的水體進(jìn)入飲用水源區(qū)、自然保護(hù)區(qū)、受保護(hù)地下水等保護(hù)對(duì)象時(shí)，會(huì)造成受保護(hù)對(duì)象被污染。若洪水流經(jīng)區(qū)域無(wú)潛在污染源，但是區(qū)域存在水土保持能力較差等問(wèn)題，則有可能造成水土流失或者土壤鹽漬化。洪水的生態(tài)環(huán)境影響具有連鎖反應(yīng)等特征，例如，當(dāng)洪水造成飲用水源區(qū)被污染后，可能繼續(xù)引發(fā)城市水源污染事故，從而造成人群健康等問(wèn)題，被污染的水體同樣會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)、漁業(yè)等造成威脅。本文構(gòu)建的生態(tài)環(huán)境影響評(píng)估體系針對(duì)洪水流經(jīng)污染源造成研究區(qū)域的受保護(hù)對(duì)象的負(fù)面影響進(jìn)行分析。此外，由于水污染造成人群健康出現(xiàn)問(wèn)題等次生災(zāi)害難以直接定量評(píng)價(jià)，因此，本文構(gòu)建的評(píng)估體系僅評(píng)估洪水污染造成的直接生態(tài)環(huán)境影響。

圖2 ETA分析洪水可能造成的生態(tài)環(huán)境后果影響類(lèi)型

2.2 潛在污染源危害程度等級(jí)制定潛在污染源危害程度根據(jù)洪水淹沒(méi)范圍內(nèi)潛在污染源可能會(huì)釋放的特征污染物的危險(xiǎn)程度、潛在污染源數(shù)量以及規(guī)模三方面確定。當(dāng)潛在污染源規(guī)模難以獲取時(shí)，可以假設(shè)不同潛在污染源的規(guī)模一致，即均取值為1。由于：（1）污染源的釋放量除了本身的設(shè)計(jì)堆放量以外，與洪水對(duì)污染源的沖擊力及自身防御力等很多因素相關(guān)，而這是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題；（2）從偏安全的角度考慮，可以選擇所有污染源中的最大釋放量進(jìn)行分析，因此針對(duì)潛在污染源規(guī)模的假設(shè)是合理的。

通過(guò)專(zhuān)家判斷法，本文根據(jù)各污染源可能釋放的特征污染物的危害程度將所有潛在污染源劃分為表1中的5級(jí)，并賦予對(duì)應(yīng)的污染源危險(xiǎn)分值。

除了潛在污染源的危險(xiǎn)等級(jí)，潛在污染源的數(shù)量與規(guī)模也是影響洪水淹沒(méi)范圍內(nèi)潛在污染源危害程度的重要指標(biāo)。潛在污染源的危害由洪水淹沒(méi)范圍內(nèi)所有潛在污染源的危險(xiǎn)分值乘以對(duì)應(yīng)的污染源規(guī)模后相加求和得出，計(jì)算公式如下：

式中，S為洪水淹沒(méi)范圍內(nèi)所有潛在污染源危害程度分值；Li為洪水淹沒(méi)范圍內(nèi)第i級(jí)危險(xiǎn)級(jí)別的潛在污染源危險(xiǎn)分值（見(jiàn)表1），i=1，2，3，4，5；n為洪水淹沒(méi)范圍內(nèi)不同危險(xiǎn)級(jí)別的潛在污染源數(shù)量；Mij為第i級(jí)第j個(gè)污染源的規(guī)模（規(guī)模不同時(shí)采用數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值，規(guī)模均相同則均取值為1），j=1，2，……，n。

表1 潛在污染源危險(xiǎn)分值

根據(jù)式（1），計(jì)算得出每一個(gè)洪水方案淹沒(méi)范圍內(nèi)的潛在污染源危害程度分值，當(dāng)所有洪水方案的潛在污染源危害程度分值均計(jì)算得出后，根據(jù)專(zhuān)家打分法將不同分值的潛在污染源危害程度劃分為5級(jí)，見(jiàn)表2。

表2 潛在污染源危害程度等級(jí)示例

2.3 受保護(hù)對(duì)象確定和受體敏感度等級(jí)制定通過(guò)ETA識(shí)別出多種生態(tài)環(huán)境后果影響類(lèi)型，但只有當(dāng)受體對(duì)象為研究區(qū)域的受保護(hù)對(duì)象時(shí)才需要進(jìn)行評(píng)估。本文以南水北調(diào)中線(xiàn)一期工程某高填方渠段為例，根據(jù)《建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)分類(lèi)管理名錄》，跨流域調(diào)水等引水工程的環(huán)境敏感區(qū)包含：（一）自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)、世界文化和自然遺產(chǎn)地、飲用水水源保護(hù)區(qū)；（二）資源性缺水地區(qū)、重要水生生物的自然產(chǎn)卵場(chǎng)、索餌場(chǎng)、越冬場(chǎng)和洄游通道等；（三）文物保護(hù)單位等。結(jié)合研究區(qū)域的實(shí)際情況，本文研究的敏感受體共包括三類(lèi)，分別是自然保護(hù)區(qū)/風(fēng)景名勝區(qū)（文物保護(hù)單位）、受保護(hù)地表水（地表飲用水源區(qū)、水功能區(qū)劃中要求水質(zhì)目標(biāo)Ⅲ類(lèi)水及以上）、受保護(hù)地下水（飲用水源區(qū)、水質(zhì)量為Ⅲ類(lèi)水及以上）。根據(jù)保護(hù)級(jí)別，給不同的受保護(hù)對(duì)象賦予不同的敏感度分值，見(jiàn)表3。

表3 受體敏感度賦值

針對(duì)每一個(gè)洪水方案，采用式（2）計(jì)算洪水淹沒(méi)范圍內(nèi)所有受保護(hù)對(duì)象的敏感度分值T，T值四舍五入后對(duì)照表4進(jìn)行受體敏感度等級(jí)劃分，得出對(duì)應(yīng)洪水淹沒(méi)范圍內(nèi)的受體敏感度等級(jí)。其中，由于洪水在流經(jīng)非硬化地表后下滲，部分水體會(huì)在下滲后的數(shù)小時(shí)至數(shù)天后流回河流等地表水體，其余部分入滲水體可能會(huì)進(jìn)入地下含水層，相較于洪水對(duì)于地表水體的直接影響，洪水對(duì)地下水造成影響的可能性相對(duì)較小，因此在計(jì)算地下水敏感度時(shí)乘以一個(gè)系數(shù)k，本文在案例研究時(shí)取值為0.5。

2.4 影響嚴(yán)重性程度確定采用矩陣法，將潛在污染源危害程度等級(jí)與受體敏感度等級(jí)相結(jié)合，得出不同的洪水淹沒(méi)情況對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境影響嚴(yán)重性程度，影響嚴(yán)重性程度為1～25，見(jiàn)圖3。

表4 受體敏感度等級(jí)示例

圖3 生態(tài)環(huán)境影響嚴(yán)重性程度矩陣

3 案例研究

3.1 研究區(qū)域本文以南水北調(diào)中線(xiàn)一期工程某高填方渠段為研究對(duì)象，該研究渠段總長(zhǎng)5.7 km，研究范圍包括中線(xiàn)總干渠左岸向外延伸5 km、右岸向外延伸10 km范圍的兩岸區(qū)域。

3.2 污染源和受保護(hù)對(duì)象研究范圍內(nèi)包括農(nóng)耕區(qū)、工業(yè)區(qū)和居民住宅區(qū)［12］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，本次研究范圍內(nèi)共分布有30個(gè)潛在點(diǎn)源污染源，包含垃圾堆放場(chǎng)、水泥廠(chǎng)等，點(diǎn)源污染源分布不均勻，在城區(qū)附近分布較為集中。研究區(qū)域內(nèi)的受保護(hù)對(duì)象包括水質(zhì)為Ⅲ類(lèi)的地下水以及1個(gè)全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位，因此，研究區(qū)域可能發(fā)生的生態(tài)環(huán)境影響類(lèi)型為地下水污染和自然保護(hù)區(qū)/風(fēng)景名勝區(qū)（文物保護(hù)單位）受影響。

3.3 研究方案基于最可能、最不利和代表性等原則，本文在該高填方渠段的左右岸不同位置共設(shè)置了12個(gè)可能的潰口，潰口寬度均為32 m，潰決方式為較不利的瞬間全潰，潰口底高程為堤底高程和堤外地面網(wǎng)格高程中的較大值。

3.4 研究結(jié)果本文針對(duì)該高填方渠段的12個(gè)潰堤洪水方案對(duì)總干渠兩岸生態(tài)環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)估，12個(gè)方案的生態(tài)環(huán)境影響嚴(yán)重性程度見(jiàn)圖4。

以其中兩個(gè)代表性潰口洪水方案為例（見(jiàn)圖5），左圖中的左堤潰決洪水流經(jīng)農(nóng)田以及2個(gè)普通工廠(chǎng)后，在非硬化地表下滲進(jìn)入地下水，由于流經(jīng)范圍內(nèi)污染源危害程度較低（2級(jí)），且受體敏感度較低（1級(jí)），因此該潰決洪水對(duì)于左岸區(qū)域的生態(tài)環(huán)境影響較低，嚴(yán)重性程度為2；而右圖的右堤潰決洪水在演進(jìn)過(guò)程中流經(jīng)農(nóng)田、1個(gè)化工廠(chǎng)、2個(gè)金屬制造廠(chǎng)和1個(gè)普通工廠(chǎng)后，在非硬化地表下滲進(jìn)入地下水（1級(jí)），由于洪水淹沒(méi)范圍內(nèi)的污染源的危害程度較高（4級(jí)），因此，該潰決洪水對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境可能造成一定的影響，嚴(yán)重性程度為4。

研究結(jié)果表明，該高填方渠段研究范圍內(nèi)發(fā)生潰堤洪水對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境影響普遍較小，其中11個(gè)洪水方案造成的生態(tài)環(huán)境影響嚴(yán)重性程度為1或2，這是因?yàn)椋海?）本次研究的洪水淹沒(méi)范圍內(nèi)沒(méi)有保護(hù)等級(jí)較高的受保護(hù)對(duì)象；（2）大部分方案的洪水淹沒(méi)范圍內(nèi)污染源較少。僅有方案12造成的生態(tài)環(huán)境影響嚴(yán)重性程度為4，這是因?yàn)椋合噍^于其他潰堤洪水方案，方案12的潰堤位置靠近城區(qū)，污染源分布較為集中，因此，盡管受保護(hù)對(duì)象一樣，但是由于洪水淹沒(méi)范圍內(nèi)有較多的污染源，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境影響嚴(yán)重性程度較高。綜上，采用本文構(gòu)建的洪水生態(tài)環(huán)境影響評(píng)估體系可以半定量地評(píng)估并對(duì)比分析不同洪水方案造成的生態(tài)環(huán)境影響嚴(yán)重性程度，且結(jié)果合理。

圖4 12個(gè)潰堤洪水方案造成的生態(tài)環(huán)境影響嚴(yán)重性程度

圖5 典型潰堤洪水方案對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境影響

4 結(jié)論

本文構(gòu)建了一套可以半定量地評(píng)估洪水污染造成的生態(tài)環(huán)境影響的方法體系，該方法同時(shí)考慮了洪水淹沒(méi)范圍內(nèi)的潛在污染源的危害程度和保護(hù)受體的敏感度兩方面，其中，潛在污染源危害程度又同時(shí)考慮了污染源數(shù)量、規(guī)模及不同污染源可能釋放的污染物的危險(xiǎn)程度；將構(gòu)建的評(píng)估體系應(yīng)用于南水北調(diào)中線(xiàn)一期工程某高填方渠段，識(shí)別了地下水被污染和自然保護(hù)區(qū)/風(fēng)景名勝區(qū)（文物保護(hù)單位）受影響兩種可能發(fā)生的生態(tài)環(huán)境影響類(lèi)型，同時(shí)識(shí)別了研究區(qū)域的30個(gè)潛在污染源，分析了12個(gè)潰堤洪水方案對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境影響的嚴(yán)重性程度。研究結(jié)果表明12個(gè)洪水方案造成的生態(tài)環(huán)境影響均較小，只有一個(gè)洪水方案造成的生態(tài)環(huán)境影響嚴(yán)重性程度為4，其余均為1或2。