突发性水污染事故预警预报系统研究

摘要 近年来我国突发性水污染事故频次有增加的趋势，已经成为我国用水安全和 水环境质量的一个潜在威胁。突发性水污染事故一旦发生，引发的环境问题将十 分严重。目前，珠江下游尚未建立起整体的防止污染应急反应体系，自身的应急 反应能力比较薄弱，更缺乏高效快速反应的预警预报机制，因此，迫切需要开展 应对突发性水污染事故的预警预报系统研发工作。 本文深入总结了国内外在环境污染预警预报系统的研究进展与现状；针对突 发性水污染事故的分类、特点、危害及其风险进行了分析；应用水动力水质数学 模型、地理信息系统( G I S ) 、预警应急系统等理论和技术，针对珠江下游三角洲 河网的特点，研究开发了“珠江下游突发性水污染事故预警预报系统”。 该系统在综合分析各类事故污染物性质的基础上，本着简单明了、偏安全的 原则，分析讨论各类污染物的综合降解系数与排放方式的快速设置方法；以珠江 下游发生C d 2 + 污染事故为算例，在数模计算技术上实现了事故污染物在感潮河网 迁移传输的快速模拟，在5 1 0 m i n 内提出各水厂取水口的预警时间与影响时间； 在此基础上研究分析了不同水文条件下、不同事故发生地点事故污染物的迁移传 输规律；在计算机系统建设上，除具有一般的G I S 功能外，还可以通过与数模预 测结果的交互，从而对下游自来水厂取水安全提出快速预警信息，并实现污染物 迁移传输的时序动态模拟。 实例证明，利用计算机系统和数模计算技术建立预警预报系统是一种切实可 行、快速有效的环境管理科学手段，在突发性水污染事故的应急管理中将提供更 强有力的决策支持。 关键词：预警预报系统，水动力水质数学模型，突发性水污染事故，珠江下游 A b s t r a c t I nr e c e n ty e a r s ，t h ef r e q u e n c yo fu n e x p e c t e dw a t e rp o l l u t i o na c c i d e n t si nC h i n a h a st h et e n d e n c yo f i n c r e a s i n g ，w h i c hp o s i n gap o t e n t i a lt h r e a tt ow a t e rs a f e t ya n d w a t e rq u a l i t y O n c eaw a t e rp o l l u t i o na c c i d e n to c c u r s ，t h ee n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s i n i t i a t e dw o u l db ev e r ys e r i o u s A tp r e s e n t ，t h e r ea r en o ta n ye m e r g e n c yr e a c t i o n s y s t e m sp r e v e n t i n gw a t e rp o l l u t i o ne s t a b l i s h e df o rt h ed o w n s t r e a mo ft h eP e a r lR i v e r , a n dt h ee m e r g e n c yr e a c t i o na b i l i t yi sq u i t ew e a k T h e r e f o r e ，i ti su r g e n tt oc a r r yo u t t h er e s e a r c hw o r ko ne a r l yw a r n i n gf o r e c a s ts y s t e mf o rc o p i n gw i t hs u d d e nw a t e r p o l l u t i o na c c i d e n t s T h i sp a p e rs u m m a r i z e dt h er e s e a r c hp r o g r e s sa n ds t a t u so fe n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o ne a r l yw a m i n gs y s t e m sh o m ea n da b r o a d ，a n a l y z i n gt h ec l a s s i f i c a t i o n ， c h a r a c t e r i s t i c s ，h a r ma n dr i s ko fw a t e rp o l l u t i o na c c i d e n t s B a s e do nt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h eP e a r lR i v e rD e l t a t h ep a p e rt r i e dt or e s e a r c ha n dd e v e l o pt h e “E a r l yW a m i n ga n dF o r e c a s tS y s t e mo fU n e x p e c t e dW a t e r P o l l u t i o nA c c i d e n t sf o r t h eD o w n s t r e a mo f t h eP e a r lR i v e r ，b ya p p l y i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l s ，G I S ，a n dt h e t h e o r yo fe a r l yw a r n i n gs y s t e mo fe m e r g e n c y T h i sp a p e ra n a l y z e dt h ep r o p e r t i e so fp o l l u t a n t sd i s c h a r g e db yv a r i o u si n c i d e n t s a n dd i s c u s s e dt h er a p i ds e t t i n g sf o ri n t e g r a t i v ed e g r a d a t i o nc o e f f i c i e n t so fv a r i o u s p o l l u t a n t sa n dd i s c h a r g i n gw a y s T a k i n gt h eC d 2 + d i s c h a r g e db ya np o l l u t i o ni n c i d e n t c a u s i n gi nt h ed o w n s t r e a mo f t h eP e a r lR i v e ra sas i m u l a t i o ni n s t a n c e ，t h ep a p e r r e a l i z e dq u i c ks i m u l a t i o no ft r a n s p o r t a t i o na n dd i f f u s i o no fi n c i d e n tp o l l u t a n t si nt i d a l r i v e rn e t w o r ka n dp r o p o s e dw a r n i n gt i m ea n di m p a c t e dt i m ei n5 - 10m i n u t e sf o re a c h w a t e ri n t a k ei nr e s e a r c ha r e a M o r e o v e r ，t h ep a p e rc o n c l u d e dt h et r a n s p o r t a t i o na n d d i f f u s i o nr u l e so f p o l l u t a n t so nd i f f e r e n th y d r o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n d v a r i o u si n c i d e n t s i t e s O nt h ee s t a b l i s h m e n to ft h ec o n t r o ls y s t e m ，b e s i d e st h eg e n e r a lf u n c t i o n so fG I S ， t h ed a t ae x c h a n g eb e t w e e nt h es y s t e ma n dm a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o nw a si m p l e m e n t e d ， w h i c hw a sh e l p f u lt ob r i n gu pr a p i de a r l y w a r n i n gi n f o r m a t i o nf o rd o w n s t r e a mw a t e r p l a n t sa n dc 舡r r yo u tt h es c h e d u l i n gd y n a m i cs i m u l a t i o nf o rp o l l u t a n t s t r a n s p o r t a t i o n a n dd i f f u s i o n I th a sb e e np r o v e db yt h ei n s t a n c et h a ti tW a saf e a s i b l e ，r a p i da n de f f i c i e n ta n d s c i e n t i f i cm e a n st oe s t a b l i s haw a t e rq u a l i t ye a r l yw a r n i n ga n df o r e c a s ts y s t e mu s i n g c o m p u t e rs y s t e ma n dm a t h e m a t i c a lm o d e l sc a l c u l a t i o nt e c h n o l o g y ，a n dt h ee a r l y w a r n i n ga n df o r e c a s ts y s t e mc o u l dp r o v i d ep o w e r f u ld e c i s i o ns u p p o r ti nt h e e m e r g e n c ym a n a g e m e n to fu n e x p e c t e dw a t e rp o l l u t i o na c c i d e n t s K e y w o r d s ：E a r l yw a r n i n gf o r e c a s ts y s t e m ，U n e x p e c t e di n c i d e n t so fw a t e rp o l l u t i o n ， H y d r o d y n a m i cm o d e la n dw a t e rq u a l i t ym o d e l ，D o w n s t r e a mo ft h eP e a r lR i v e r 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：备彬翎 日期：，衅，】月夕日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定 机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢 利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室 被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：儡嘭司导师鲐孝愿蔷参 日期：刀耐年) 月7 日 日期：一) ，眸侈月 夕日 1 1 论文研究意义 第一章绪论 水污染事故是指大量含有高浓度污染物的液体或者固体进入水体，使某一水 域的水体遭受污染，从而降低或失去使用功能并产生严重危害的现象。 突发性水污染事故一般是指人为或者自然灾害引起，使污染物在短期内恶化 速率突然加大的水污染现象。 近年来，我国接连发生多起重大突发性水污染事故，不仅造成了巨大的经济 损失，更造成了社会的不安定和生态环境的严重破坏。突发性水污染事故已经成 为用水安全和水环境质量的一个潜在威胁。 根据原国家环保总局的调查显示，2 0 0 6 年全国1 0 大环境事件，有7 起与水 环境污染有关，其中有4 起直接影响到附近居民的饮水安全【l 】；同时，自2 0 0 5 年11 月1 3 日松花江水污染事故发生到2 0 0 6 年2 月1 日的两个半月时间，原国 家环保总局已接到各类突发环境事故报告4 5 起，其中较为重大的典型事件为广 东北江镉污染事件、辽宁浑河抚顺段水质酚浓度超标事件、广西红水河天峨段水 质污染事件、湖南湘江株洲和长沙段镉污染事件、河南巩义二电厂柴油泄漏污染 黄河事件和江西赣江水域油轮起火事故污染事件，这些事件均对饮用水源地安全 造成直接影响。 由此可见，突发性水污染事件已经成为威胁水源地安全的最主要因素，它有 可能在短时间内迅速影响城市供水系统，直接威胁人群健康；它造成的城市停水 等事件又可能对一个城市社会经济系统造成重大影响，并引发重大社会问题。 然而在应对突发性水污染事故方面，我国的大部分江河流域缺乏有效的预警 预报机制。传统的环境管理方式仅能监测特定地点的、当时的水质状况，发布监 测到的水质数据【2 】；而分析计算、预警预报的手段很有限，自动化水平比较低， 在允许的工作量下，无法准确描述管理范围内任意地点的水质状况，无法准确把 握水质未来数日的走向趋势，无法使发布的数据直观、简便地为大众理解。 因此，为了对已发生的突发性水污染事故实施有效监控，在最短的时间内 预测出污染物的时空分布情况，对下游自来水厂取水安全提出快速预警，协助政 】 府部门采取及时、快速、准确和有效的处理措施，最大限度地减小事故影响程度， 开展突发性水污染事故预警预报系统的研究工作具有重大意义。 1 2 环境污染预警系统研究现状 1 2 1 国外预警系统研究现状 早在1 9 7 5 年，联合国环境规划署( U N E P ) 在内罗毕总部建立了全球环境监测 系统( G l o b a lE n v i r o n m e n tM o n i t o r i n gS y s t e m ，G E M S ) 规划中心，对全球的环境 质量进行监测，实施比较、排序和预警；同时联合国规划署还建立了“区域预警 和评估”系统，其目的是评价全球环境现状、评估全球环境演化趋势，为政府决 策提供建议和环境预警的信息。1 9 8 6 年莱茵河水污染事件发生后，沿河国家联 合开发了方便快捷的计算机决策支持系统模型，定期检查沿河工厂设备安全情况 等【3 】。2 0 0 0 年，欧盟开始筹建基于网络的空气质量预警系统( A P N E E ) 。在国际 组织的倡导和支持下，目前许多国家已开展了环境监测、评价、预报、预警研究， 如美国环境保护基金会及自然资源保护委员会建立了全球变暖预警系统【4 】。 在城市水源地环境安全及突发性污染事件的相关研究方面，C h r i s t o p h e 等探 讨了水源供应的主要威胁、解决方案及突发性污染事件的第一反应机制问题； J a m e sP D o b b i n s 等对内河航运事故性污染的风险管理，进行了决策支持系统的开 发，建议通过一些先进的及时通讯、定位、监测、模拟技术，实施快速应急救援， 对敏感区域重点考虑和保护，并以密西西比河下游某河流为研究区域，对其进行 案例模拟。美国密西西比河等主要城市水源地、取水口的保护，也都相应增加了 突发性污染事故风险管理方面的内容，沿河各洲政府、环保署及海事部门等联合 制定了可操作性强、内容详实的突发性水污染事故应急计划【5 】。 总结目前国外突发污染事故预警系统的研究现状，主要有如下几个特点： ( 一) 法律保障有力 国外突发事件预警系统有明确的法律支持。加拿大哥伦比亚省首府维多利亚 市在突发环境事件处理方面就有突发事件法案、环境处理法案等法律支持，对该 省突发环境事件应急计划制定、应急部门权利和责任、省和地方应急计划的执行、 2 应急事件信息的发布和停止、应急事件费用、应急事件援助、民事责任追究和免 除、损失赔偿等方面做出了相应的说明和规定。 ( 二) 运行机构健全 以澳大利亚为例，该国处理突发事件的机构健全、分工明确，运行高效。澳 大利亚专门成立了国家突发事件处理委员会( N E M C ) ，委员会由澳大利亚突发事 件管理局局长主持、各个州突发事件管理委员会或类似机构的主席和主管人员组 成。澳大利亚联邦政府在突发事件处理中的作用是帮助各州提高突发事件处理能 力，而联邦政府突发事件处理中一C 4 E M A ) 贝, 0 负责这些联邦突发事件处理机构日常 的运作，如推进策略政策发展、调配各州间的物资援助，广泛提供突发事件处理 最好的培训和发展方针等【6 】。 ( 三) 体系成熟完善 国外突发事件处理系统中监测、评估和预警是有机统一、不可分割的。监测 能力对于预警系统作用能否更好发挥至关重要。如欧洲环境监测预警系统 ( E N V I S Y S ) 就是监测评价预警一体化的系统，除了现场的环境监测外，还利 用卫星遥感技术进行远程监控。该系统运行时，重点关注区域的遥感数据被输入 监测系统进行分析，如果系统预测出突发事件发生的可能性，遥感数据将会被传 送给专业操作员进行再次评估。如果操作员认定存在突发事件出现的可能性，系 统将切换到评估模型，该模型是可以验证突发事件和评估其危害程度，评估模型 还包括一个信息报告编辑程序，负责权威的信息发布【7 1 。 ( 四) 相关技术先进 目前，基于先进的计算机科学和信息技术而建立的环境决策支持系统( E D S S ) 和突发事件处理系统( E E M S ) 越来越广泛地被运用到日益复杂的环境突发事件 处理中来阿9 1 。现代的预警体系往往与现代化的技术手段相结合，涉及计算机、 多媒体技术、互联网、数学模拟等多方面内容，为预警系统发挥其最大作用提供 了强有力的技术支持。欧洲的环境监测预警系统( E N V I S Y S ) 就是基于人工智能 ( A I ) 、地理信息系统( G I S ) 、多元决策的突发环境事件处理系统，另外该系统还 由数据库、通讯服务、稳定的发展保障等多方面技术和政策支持啊。 数学模型在评估和预测突发事件后果和影响方面应用越来越广泛，比如，石 油污染中的危险预测模型【1 们、突发环境事件评价预测中的空气质量模型1 1 1 等。 3 另外，随着信息化的快速发展，互联网技术在突发环境事件中发挥的作用也越来 越大。欧盟R A S F F 是一个涵盖欧盟2 5 个成员国、欧盟委员会及其健康和消费者 保护总署、食品安全管理局( E F S A ) 、欧洲自由贸易联盟( E F F A ) 、食品监督局等 在内的巨大网络【1 2 】。网络化可以实现信息的及时通报，快速共享，使预警系统 更好、更快地发挥功能，从而预防和减少突发环境事件带来的危害和损失。 ( 五) 保障措施有力 监测预警系统的建设是一个长期的、不断完善的工程，不仅需要多个部门的 配合，还需要在资金、物资以及人员等方面提供支持和保障。在澳大利亚，处理 突发事件的相关部门如气象局、地质勘测等机构都有专门的预算资金，可以不断 地改进预警系统，开发先进技术，培训相关人员，储备所需物资，从而提高预警 能力。同时，澳大利亚联邦政府突发事件处理中心( E M A ) 还统一调配各州间的救 援人员、物资，为突发事件的处理提供强有力的物资和人员保障【6 】。 1 2 2 国内预警系统研究现状 我国从上世纪9 0 年代中期开始对环境污染预警系统进行研究，在理论上与 应用上均取得一定成果。 在理论方面，宋文华【1 3 1 等通过对环境预警系统的分析，指出环境预警系统是 多目标系统，并提出不良状态系统、缓慢恶化系统和迅速恶化系统三种预警类型； 李俊红【1 4 1 尝试建立起环境预警指标体系；董志颖、魏文达掣1 5 】 1 6 1 对水质预警理 论和江河水质预警系统建设模型进行了探讨；冉圣宏等人提出了多中心多指 标的区域水环境污染预警系统，并进行了系统的阐述；潘莹【1 8 】【1 9 1 等人提出了基 于W e bS e v i c e W e bG I S 的突发性环境污染事故应急预警系统开发思想。 在应用方面，陈惠君等建立了桂江污染水质预警预报信息系统；窦明等 人运用G I S 、R S 、网络、计算机仿真等技术建立了汉江水质预警系统；石明奎【2 2 】 等人尝试在珠江上游农业区建立生态安全预警系统；谢洪霞【2 3 1 结合“5 s “ 技术 提出突发性环境污染事故应急预警系统的全程模拟，并建立预警应急系统；宋文 华等【1 3 1 在天津经济技术开发区建成了环境预警系统；大连环境信息中心将重大 污染事故所需的多种信息、多种预测模型与地理信息系统、计算机网络技术、多 媒体技术相结合，建立了大连市重大污染事故区域预警系鲥2 3 1 。 4 尽管我国环境污染事故预警系统的研究取得了一定成绩，但目前专门针对突 发性水污染事件的预警系统还比较少，且已有的预警系统尚未形成一个有机互动 的体系：在研究区域上，国内较多地研究了内陆河流或河流的中上游地区，而对 于存在潮汐影响的三角洲地区涉足甚少；污染事故应急管理上，应急处理机制不 健全、各部门之间应急组织协调性差；在基础设施建设上，应急监测网络建设薄 弱、监测手段落后、监测车、自动监测站等能力建设滞后；在自动化水平上，污 染物、水质等信息传输自动化水平相对低，较多的还是靠手工录入。 1 3 水质预测预报模型研究进展 1 3 1 水质预测预报模型研究发展阶段 水质模型是指用于描述水体的水质要素在各种因素作用下随时间和空间的 变化关系的数学模型 2 4 】，是水环境污染治理规划决策分析的重要工到2 5 1 。从1 9 2 5 年出现的S t r e e t e r - P h e l p s 模型算起【2 6 1 ，到现在的8 0 余年中，水质模型的研究内 容与方法不断深化与完善，已出现了包括地表水地下水、非点源、饮用水、空气、 多介质、生态等多种水质模型【2 7 1 。 总体来说，水质模型研究发展历程可以分为三个阶段【2 8 】： 第一阶段( 2 0 世纪2 0 年代中期7 0 年代初期) ，是水质模型发展的初级阶 段。该阶段模型是简单的氧平衡模型，主要集中于对氧平衡的研究，也涉及一些 非耗氧物质，属于一维稳态模型。 第二阶段( 2 0 世纪7 0 年代初期8 0 年代中期) ，是水质模型的迅速发展阶 段。主要表现在以下三个方向：一、随着对污染物水环境行为的深入研究，传统 的氧平衡模型己不能满足实际工作的需要，因而描述同一个污染物由于在水体中 存在状态和化学行为的不同而表现出完全不同的环境行为和生态效应的形态模 型继而出现。二、由于复杂的物理、化学和生物过程的结果，由污染物引起的可 能的环境影响与他们在各种环境单元中的浓度水平和停留时问密切相关，为了综 合描述它们之问的相互关系，产生了多介质环境综合生态模型。三、由一维稳态 模型发展到多维动态模型，水质模型更接近于实际。 5 第三阶段( 2 0 世纪8 0 年代中期至今) ，是水质模型研究的深化、完善与广 泛应用阶段，科学家的注意力主要集中在改善模型的可靠性和评价能力的研究。 该阶段模型的主要特点是考虑水质模型与面源模型的对接，并采用多种新技术方 法，如：随机数学、模糊数学、人工神经网络、专家系统等。 在理论上，水质模型已经从最初的质量平衡原理发展到现在的随机理论、灰 色理论和模糊理论；在实际应用上，水质模型从最初的城市排水工程设计发展到 现在的污染物水环境过程模拟、水环境质量评价、污染物水环境行为预测和水资 源科学管理规划等水环境保护的各个方面。 1 3 2 水质预测预报模型研究现状 1 3 2 1 国外水质预测预报模型研究现状 在水质预测预报模型的研究方面，欧美国家已经达到了很高水平，在国际上 处于领先地位。由于早期取得的大量的基础研究数据，国外建立了一系列的水质 预测预报模型2 9 1 ，如美国地质调查局( U S G S ) 开发的B L T M 模型、著名的 D o b b i n s - C a m p 模型、T h o m a s 模型；美国环保署( U S E P A ) 于1 9 7 0 年推出的Q U A L I 水质综合模型，1 9 7 3 年开发出的Q U A L I I 模型，其后又经多次修订和增强，推 出了一系列版本；1 9 8 3 年，美国环保署提出W A S P 水质模型系统，可用于对江 河、湖泊、河口和水库等的水质进行模拟；丹麦水力研究所( D H I ) 开发了M I K E 系列模型【3 0 】；荷兰D e l f t3 D 模型【3 l 】，其水质模块( W a t e rQ u a l i t y ) 可以实现对江河 水体的二维和三维水质模拟。 1 3 2 2 国内水质预测预报模型研究现状 近年来，水污染正成为我国较为严重的环境问题，在水质预测预报模型的研 究上我国也取得显著进展。如上海市科委组织的对苏州河综合整治工程中，通过 对W A S P 模型进行二次开发，使得苏州河水系水质模型的研究达到一个前所未 有的理论深度，该项研究首次研制了基于G I S 技术和感潮河网水动力水质模型 的水环境综合整治决策支持系统，首次将感潮河网数学模型研究成果直接用于大 规模的水系水环境改善措施工程分析中【3 2 】；河海大学开发了河网水量、水质统 一的H w q n o w 模型，该模型不仅反映了感潮河网的水流、水质复杂多变的特点， 6 而且反映了感潮河网水体受各种因素影响下的水量、水质变化规律，尤其反映了 感潮河网水体分别处于耗氧、缺氧、厌氧状态下的各水质组分间相互制约、相互 影响的变化规律，该模型已用于为改善上海浦东新区河网水环境而进行的调水方 案研究以及浦东新区水利一期工程对改善新区水环境的研究中【3 3 】；河海大学王 惠中、薛鸿超等人在K o u t i t a s 等建立的准三维数学模型的基础上，考虑垂向涡粘 系数沿深度变化，对其计算模式进行修改，针对太湖环境保护问题建立了一个三 维水质模型，对太湖水体的主要污染指标进行模拟和分析，并提出了控制太湖水 污染的防治政策【3 4 】；重庆市环境科学研究院和重庆大学针对长江嘉陵江重庆段 干流和城区江段，分别开发了一维和二维水质预测模型，取得了较好的模拟效果。 郑州大学窦明、武汉大学谢平及中山大学陈晓宏等人在重金属模型研究成果的基 础上建立了一维河流重金属迁移转化模型3 5 】【3 6 】，并通过2 0 0 5 年广东省北江镉污 染事故实测资料进行验证表明该模型能够较准确地反映重金属随水流运动和变 化的过程及遭遇不同潮位会引起污染事故影响范围的差异。 1 3 3 水质预测预报模型的研究方向 水质预测预报模型发展至今已取得了丰硕的成果，今后水质预测预报模型的 研究在应用方面主要为与周边学科的结合研究，大致可归纳为以下几个方面： ( 一) 结合专家系统的建模技术研究 在地表水环境分析和应用中，有经验的技术人员往往可根据监测的实时环境 数据进行污染物的扩散预测，通过对这些专家知识的学习，设计地表水污染专家 系统，并利用专家系统的有关理论进行水质模型研究。 ( 二) 结合3 S 系统的应用 G I S 一个最显著的功能就是对海量空间数据的存储和管理，此外还能对水质 计算结果进行空间分析和动态显示，使模拟结果一目了然，对复杂模型的理解变 得容易，并得到很多有价值的信息，从而辅助决策。 遥感( R S ) 是一种不通过直接接触目标物而获得其信息的一种新型的探测技 术，是获取和更新空间数据的强有力手段，能及时准确地提供大范围内进行动态 检测的各种资源和环境数据【3 7 1 。将它们应用到水质模型中，可以解决水质模型 中海量水质资料的处理问题。 7 ( 3 ) 结合虚拟现实技术的应用 虚拟现实技术是利用计算机技术对现实的运动进行模拟和声像演示。在虚拟 过程中，操纵者可以身临其境地感受到这个过程的运动情况，可以对设备进行操 纵，可以查看生产过程、实验过程，实现人机真正的交互。将其与水质模型相结 合，可使模拟过程更简便并实现模拟结果的可视化、动态化。 1 4 论文背景 根据珠江下游各城市经济发展形势、流域突发性水质污染事故频发等实际情 况，2 0 0 6 年，珠江流域水资源保护局下属单位珠江水资源保护科学研究所正式 开展了“珠江下游水质预测预警系统”研究工作。“珠江下游水质预测预警系统”是 以珠江下游网河区一维水动力水质数学模型为运算核心，以地理信息系统 ( G I S ) 、数据库管理系统( D B M S ) 为开发平台，提供突发性水污染事故即时 查询、高速运算、有效监控、辅助决策服务的面向管理层和决策层的可视化信息 系统。 该系统的开发目标是有效监控突发性水污染事故的危害，建立以保障重点城 市主要饮用水源地水质安全为核心的突发性水污染事故水质预警预报系统。 1 5 本文主要工作内容 本文深入总结了国内外在环境污染预警预报系统的研究现状与进展，并在此 基础上尝试建立珠江下游突发性水污染事故预警预报系统。本文主要进行了以下 几个方面的工作： ( 一) 系统分析了突发性水污染事故的分类、特点与危害，指出了突发性水 污染事故具有不确定性、危害紧急性、需快速有效响应性三大特征；并从污染事 故的风险源、污染事故的污染物种类、发生污染事故主体的薄弱环节三方面对突 发性水污染事故的风险进行分析； ( 二) 分析了突发性水污染事故预警预报系统的总体设计，介绍了系统的目 标、原则、总体结构与功能，指出该系统必须满足快速、科学、实用、简便的要 求；能够快速模拟污染事故的基本要素变化过程，能对污染事故进行有效监控并 将之可视化； 8 ( 三) 研究分析了预警预报系统的水动力水质数学模型必须具备的四条基本 要求：提出污染事故模拟的边界条件属于预见性边界条件的观点，分析并提出适 合珠江下游的预见性水文边界条件获取方法；明确采用感潮河网一维水动力水质 数学模型作为污染事故影响模拟的工具； ( 四) 对数据库系统的建设进行了介绍，并以突发性水污染事故信息表、计 算成果交互数据表为例，介绍了数据库表结构的建立过程； ( 五) 提出污染事故相关参数( 综合降解系数、排放方式等) 的设置原则，分 析探讨了常规污染物、重金属离子、可溶性非金属有毒物、难溶性非金属有毒物、 可溶性有机物等五类污染物的参数设置，并对其它类型污染物的特征参数设置提 出解决的方法； ( 六) 以A r c G I SE n g i n e 为开发工具，既实现了系统管理、数据管理、信息 查询等系统一般性功能；又实现了污染事故快速定位、参数设置、预警可视化、 时序动态模拟等系统可视化相关功能； ( 七) 以珠江下游发生C d 2 + 污染事故为算例，在数模计算上实现了事故污染 物在感潮河网迁移传输的快速模拟；指出了不同水文条件下、不同事故发生地点 事故污染物迁移传输的七条规律，并给出了污染事故预警可视化显示效果。 最后，在对全文总结的基础上，指出突发性水污染事故预警预报系统在建设 范围、技术支持、咸潮预警、应急管理、信息传输自动化、系统结构等需要进一 步完善或可进一步开拓研究的方面。 9 第二章突发性水污染事故风险分析 2 1 突发性水污染事故的分类 ( 一) 按照污染物性质、事故表现形式划分 ( 1 ) 有毒化学品和农药泄漏污染事故：因生产、运输、贮存或使用不当导 致有毒化学品和农药泄漏所引发的水污染事故。如D D T 、乐果、氰化钾污染事 故等； ( 2 ) 油类污染事故：原油或各种成品油在生产、运输、贮存、使用过程中 因意外造成泄漏所引发的污染事故，如船只触礁、碰撞，油罐车泄漏等； ( 3 ) 工矿企业废水和城市污水事故排放：主要指含大量有毒有害物质或耗 氧污染物的污废水突然泄入水体，致使水体水质急剧恶化的污染事故。如化工厂 废水、矿业废水污染事故等； ( 4 ) 突发性农业面源污染：由于降雨等因素使得农田的农药化肥等污染河 流； ( 5 ) 放射性污染事故：主要指放射性物质泄漏进入水体造成的污染事故。 如放射性废料渗出。 ( 二) 按照事故发生原因划分 ( 1 ) 人为因素引起的污染事故：如厂矿废水和城市污水突然排入水体的事 故；在生产、运输过程中有毒有害化学品泄漏污染水源的事故；在一些应急行动 如灭火过程中使用的大量化学物质不能及时收集处理或大量使用不当的应急物 料使之进入水体造成的污染等。 ( 2 ) 自然因素引起的污染事故：不利气象、海况条件引起船舶碰撞、触礁 的污染事故；特大暴雨导致水土流失或泥石流，大量泥沙涌入水库，致使水库出 水水质急剧恶化的污染事故；咸潮入侵；海洋赤潮灾害事故等。 ( 三) 按照事故发生的水域划分 按照事故发生水域可分为内陆水污染事故和海洋污染事故。其中前者可细分 为河流污染事故、湖泊污染事故、水库污染事故和河口污染事故。内陆水污染事 故发生频率较高，社会、经济、环境影响较大，特别是重点水域或敏感水域、国 家重点水利工程区域发生的水污染事故危害更大，尤应予以重视。 2 2 突发性水污染事故的特点 突发性水污染事故具有不确定性、危害紧急性、需快速有效响应性等三个特 占 3 8 】【3 9 】 风0 ( 一) 不确定性 突发性水污染事故的不确定性是由诸多因素决定的，包括事故发生时间、地 点的随机性，污染物类型、数量、排放方式的不确定性，以及事故发生时的各种 不可预先确定的水文、气象条件，事故影响范围和持续时间等。 ( 二) 危害紧急性 突发性水污染事故涉及因素较多，且事发突然，危害强度大。若突发性水污 染事故对水源地安全构成严重威胁，有可能在短时间内迅速影响城市供水系统， 从而对一个城市社会经济系统造成重大影响，并引发重大社会问题，必须快速、 及时、有效地处理。 ( 三) 需快速有效响应性 由于突发性水污染事故的危害紧急性，为最大程度减缓事故的不利影响，对 事故的处理对策和措施须快速、及时、准确、有效，以达到应急的要求。 2 3 突发性水污染事故的危害 突发性水污染事故的危害相当大，主要体现在以下几个方面【删： ( 一) 威胁人群健康 突发性水污染事故的重要危害之一是威胁人们的生命和身体健康，特别是有 毒有害物质污染事故，不仪直接对事故现场的人员造成伤害，还可能对未直接暴 露在事故现场的人们健康造成严重影响。如2 0 0 2 年全国共发生1 1 起特大和重大 水污染事故，共造成1 2 人死亡，近3 0 0 0 人中毒；2 0 0 5 年1 1 月松花江水污染事 故，致使哈尔滨停水4 天；2 0 0 5 年1 2 月北江镉污染事故，直接威胁下游韶关、 清远、英德三个城市的饮用供水安全。 1 1 ( 二) 造成直接经济损失 突发性水污染事故所造成的直接经济和财产损失是显而易见的。如19 9 9 年 “3 2 4 珠江口油污案对珠海水产养殖和渔业资源造成的直接经济损失达4 0 0 0 万元；2 0 0 4 年2 4 月间的沱江干流水域特大污染事故造成2 1 9 亿元损失。 突发性水污染事故不仅造成巨大的直接经济损失，而且还要花费相当可观的 投资来整治和恢复生态环境。 ( 三) 影响正常的社会、经济活动 突发性水污染事故影响社会安定主要表现在：污染事故发生后，对污染影响 区的居民造成巨大的心理压力，影响正常生活和生产；事故造成的经济损失与人 员伤亡，可能引起污染纠纷，造成各种混乱，危害社会治安；某些水污染会引发 地区间，甚至国际间的污染纠纷。 ( 四) 严重破坏生态环境 重大的突发性水污染事故，对生态环境的破坏强度很大，往往造成一定区域 的生态失衡、生态功能严重丧失；有的甚至造成长期的危害，致使生态环境难以 恢复。如1 9 8 7 年茂名市接连发生的两起氰化物泄漏事故，使小东江茂名至吴川 段近4 0 k m 江水中所有鱼虾、贝壳动物全部死亡；2 0 0 6 年白洋淀死鱼事件造成 9 6 万亩水域全部污染，水色发黑，有臭味，网箱中养殖鱼类全部死亡；2 0 0 6 年 8 - 9 月间珠江佛山水道“海北化工购销部偷排化工废酸液案”，致使偷排口附近 的底栖动物生存环境受到破坏，造成底栖动物数量严重减少。 2 4 突发性水污染事故风险分析 原国家环保总局统计的数据显示，2 0 0 5 年年底松花江事件后，中国平均每 两天发生一起环境突发事故，其中7 0 是水污染事故。本文收集统计了 1 9 8 5 2 0 0 6 年全国县级以上对城市饮用水源造成影响的突发污染事案例【4 1 】【4 2 】和 2 0 0 4 年2 0 0 7 年广东省突发性水污染事故案例，从污染事故的风险源、污染事故 的污染物种类、发生污染事故主体的薄弱环节三方面进行突发性水污染事故风险 分析。 2 4 1 风险源分析 1 9 8 5 年2 0 0 6 年全国县级以上城市饮用水源突发污染事件统计分析结果见 表2 1 。从污染事故风险源来看，交通运输、生产储存、非正常排污造成的污染 事件分别占总数1 7 7 起的3 1 6 、2 8 2 、2 2 0 ，合计为8 1 9 ，表明这三者为 我国城市水源突发污染事件的主要风险源。 表2 1 中国县级以上城市饮用水源突发污染事件风险源分析 注：“其它”主要有人为投毒事故、水利上程放水和溃坝事故等。 2 0 0 4 年- 2 0 0 7 年广东省突发性水污染事件统计分析结果见表2 2 。其中，交 通运输、生产储存、非正常排污造成的污染事件分别占总数2 0 起的2 5 0 、3 0 0 、 2 5 O ，合计为8 0 O ，与全国比例相近。说明近年来生产储存、交通事故、非 正常排污也是广东省突发水污染事件的主要风险源。 表2 2 广东省突发水污染事件风险源分析 ( 一) 交通运输 在原辅料或产品的运输途中，由于各种意外原因，引起汽车碰撞翻车、船只 碰撞沉落等，造成液体泄漏、固体散落，引发水污染事故。如1 9 9 7 年3 月广西 梧州翻车氰化钠泄入桂江事故，2 0 0 7 年9 月广东韶关南雄失火槽罐车烧碱泄漏 事故。 】3 ( 二) 生产储存 一方面在生产过程中，若涉及到有毒有害物质或危险化学品，由于潜在危险 的操作部件多，如果存在管理不善、人员安全生产意识薄弱、设备老化等因素， 极易引起火灾、爆炸、泄漏，进而污染水环境。另一方面，在储存过程中，如果 安全管理不严格，某些具易然、易爆或强腐蚀性物质问相互接触而引起火灾、爆 炸事故，或仓库不具备储存化学危险品的条件，未经批准擅自储存有毒有害危险 品而引起的泄漏污染事故。 ( 三) 非正常排污 非正常排放主要包括：厂矿废水、污废水未经处理超标排放，通过暗道非法 排放，或在设备停机或部分设备检修时进行排放，或是设备或环保设施未达到设 计规定指标运行时排污，或各种意外泄漏等。 2 4 2 事故污染物种类分析 化学污染物可分为非金属有毒物、重金属、放射性物质、酸碱盐类、致色物 质、致臭物质、植物营养物质、需氧有机物、易分解有机毒物、难分解有机毒物、 油类等1 1 类，各类化学污染物及其危害见表2 3 。其中，突发污染事故多集中在 有机有毒类、非金属有毒类、重金属、有机耗氧类、酸碱类、油类、其他等化学 物质。 表2 3 化学污染物的分类及其危害4 3 】 1 4 中国城市饮用水源突发污染事件、广东省近年突发水污染事件统计结果分别 见表2 4 、表2 5 。由以上两表可见，有机有毒类、油类和有机耗氧类为当前突 发水污染事故的主要污染物。 其中统计的有机有毒类污染物主要包括芳香烃、农药类、烯烃等。芳香烃有 苯系物、硝基苯、苯酚、苯胺等，广泛用于染料、橡胶、塑料、香料、制药等工 业中，其特点为易挥发、易燃，生产、储运使用过程中易发生意外污染事故；农 药类有敌敌畏、异稻瘟净、菊脂类等，主要用作农业、公共卫生用杀虫剂，主要 事故源于人为投毒或储运过程中发牛意外污染；烯烃有丙烯酸丁脂、丙烯腈等， 用于橡胶、染料、塑料、树脂、制药等工业中，其特点为易燃，生产、使用储运 过程中易发生意外污染事故。 统计的非金属有毒类污染物有氰化物、砷化物、硫化物等，其中氰化物尤为 突出，占该类污染物统计的7 3 3 。氰化物主要用于提炼金、银等贵重金属和淬 火、电镀、制药、农药生产等，其特点为剧毒，多易在储运过程中发生意外污染 事故。 统计的有机耗氧类污染物主要来源于城镇生活污水或受污染的河涌及印染、 造纸企业的突然排污。 表2 4 中国县级以上城市饮用水源突发污染事件污染物类型 2 4 3 发生污染事故主体的薄弱环节 ( 一) 运输有毒有害物质途经的敏感地域 运输有毒有害物质的车辆，途经水系发达、崎岖不平的山区道路等敏感地域， 易发生意外碰撞、翻车事故：运输有毒有害物质的船只，在码头前沿区域，通航 密度高、水流条件复杂的水域，易发生碰撞、搁浅、沉船、爆炸等意外事故。 车船意外事故致使有毒有害物质进入水体，不仅污染水域，而且将对水域的 生态环境和水域沿岸的人群健康构成威胁。 ( 二) 地处敏感区域的污染行业企业和河涌 地处饮用水源上游的矿厂、生产使用化学危险品的工厂和电镀、印染等污染 行业企业存在发生突发水污染事故的隐患。位于饮用水源上游的工4 矿企业，一 旦发生污染泄漏，将会对下游的水源地造成严重污染。化学危险品生产具有高温 高压、易燃易爆、有毒有害、连续作业的特点，不少化工企业靠近江河湖海，处 于居民稠密区，一旦发生突发事故，极易造成次生灾害，潜在危险性大。此外与 水源地相衔接的未截污河涌在不利水文条件下亦存在突发污染事故隐患。 ( 三) 管理不善的薄弱环节 既已发生的突发污染事故，绝大多数存在违规作业、管理失控的问题。如陆 路运输过程中，超载、超速、疲劳驾驶、驾驶技术不过关等；水路运输过程中， 航道秩序不良、对船舶监督管理不严、航标设置、航行通告