（环境工程专业论文）突发性河流污染事故风险分析与应急管理研究.pdf

摘要 摘要 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，而且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 已经成为我国用水安全和水环境质量的一个潜在威胁，因此，从风险的角度出 发，开展突发性水污染事故风险分析与应急管理的理论及实证研究，具有一定 的现实意义。 本文以突发性河流污染事故为主要研究对象，依据历史事故数据及实地观 测对突发性河流污染事故规律进行深入研究分析，重点研究了突发性事故排放 的有毒有害污染物在水体中浓度时空变化的数学模拟问题，并在此基础上进行 突发水污染事故后果分析和预警应急研究。本文主要进行了以下几个方面的工 作： ( 1 ) 在对历史事故统计分析的基础上详细分析了突发性水污染事故的类 型、特点及产生原因。给出了突发性水污染事故风险分析的程序及内容，重点 研究了突发性水污染事故源概率风险及有毒化学物质事故泄漏对河流水质影 响、健康风险的定量估计方法。提出用水风险分级法进行污染物的水环境风险 分组及重点污染源的筛选。针对事故内在的不确定性，应用随机理论的泊松过 程探讨了污染源事故发生规律，给出了事故发生概率的估计模型。 ( 2 ) 针对突发性河流污染事故水质预测模拟问题，在研究了污染物在河流 中的迁移扩散规律及其影响因素的基础上，引入了死区模型，来模拟污染物在 水体中的时空变化，预测污染物到达下游特定断面的浓度值及相应时间。该模 型基于一维河流水质基本方程，考虑死区对污染物沿河流传输的影响，用一阶 物质交换项表示污染物与死区之间的物质交换。经过简化推导给出了污染物在 水体扩散的解析模式，用于事故状态下对河流水质进行大尺度预测。 ( 3 ) 从保证水质安全、快速反应、妥善应对的角度出发，在事故风险分析 和水质预测的基础上，重点研究了突发水污染事故预警、应急响应和应急处置 等方面的内容。基于污染物浓度时空分布的解析模式，给出了突发性河流污染 事故预警模型；综合考虑突发水污染事故本身的各种不确定性( 如，事故发生 的时间、事故中污染物的泄漏量等) 以及水质预警模型参数的不确定性，文中 摘要 利用蒙特卡罗模拟方法对预警监测站潜在位置的选择进行了研究。 ( 4 ) 依据本文所探讨的理论方法，以松花江流域为应用实例进行了案例研 究。结合2 0 0 5 年松花江污染事故实地观测数据及相关水文水利资料，利用论文 中给出的水质预测模型和蒙特卡罗模拟方法，对该事故进行了详细的工程计算。 结果表明浓度预测预警模型很好地反映了污染带迁移状况和污染物在时间、空 间上的变化。蒙特卡罗模拟技术可用于指导应急监测断面、监测频次的选择。 结合浓度预测模拟的结果对此次事故中硝基苯排放对水生生物和人体健康风险 进行了评估并给出了应对此类突发性水污染事故的应急对策建议。 最后，作者在总结全文的基础上，指出突发性水污染事故风险分析与应急 管理的数学模型、技术支持、应用等方面需要进一步完善的地方。 关键词：突发性水污染事故；环境风险评价；水质预测；预警；应急管理 i i a b s t r a c t a b s t r a c t o v e rt h ey e a r s ，al o to fs e r i o u ss u d d e nw a t e rp o l l u t i o na c c i d e n t st o o kp l a c ei n o u rc o u n t r ys u c c e s s i v e l yw h i c hh a v ed r a w ng r e a tp u b l i ca t t e n t i o n t h ea c c i d e n t s h a v en o t o n l yc a u s e de n o r m o u se c o n o m i cl o s s e s ，b u ta l s ob r o u g h to ns o c i e t y i n s t a b i l i t ya n ds e r i o u sd e s t r u c t i o no fe c o l o g i c a le n v i r o n m e n t t h ea c c i d e n t a lw a t e r p o l l u t i o n sh a v ea l r e a d yb e c o m eap o t e n t i a lt h r e a tt ow a t e rr e s o u r c es e c u r i t ya n d w a t e re n v i r o n m e n tq u a l i t y t h e r e f o r e ，i ti so fg r e a t p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et oc a r r yo u t e m p i r i c a ls t u d i e so nt h ea c c i d e n t a lw a t e rp o l l u t i o ne v e n t se m p l o y i n gt h er i s k a s s e s s m e n tt h e o r ya n d e m e r g e n c ym a n a g e m e n tm e t h o d t h et h e s i si sd e v o t e dt ot h es t u d yo fa c c i d e n t a lr i v e rp o l l u t i o ne v e n t s w eg i v ea t h o u r o u g hi n v e s t i g a t i o nt ot h et r e n do ft h ea c c i d e n t a lr i v e rp o l l u t i o ne v e n t sb a s e do n t h eh i s t o f i a ld a t aa n df i e l ds u r v e y ，f o c u s i n go nt h em a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o np r o b l e m o fn l et e m p o r a l s p a t i a le v o l u t i o no ft h eh a z a r dm a t e r i a l sp o l l u t i o nc o n c e n t r a t i o n a l o n gt h er i v e r t h e nt h ee f f e c ta n a l y s i sa n dw a r n i n ge m e r g e n c ym a n a g e m e n to ft h e a c c i d e n t a ie v e n t sa r ep r e s e n t e d t h em a i nw o r ko f t h i st h e s i si sa sf o l l o w s ： ( i ) a n a l y z et h ec a u s e ，t y p ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs u d d e nw a t e rp o l l u t i o n a c c i d e n t si nd e t a i l t h e nt h ep r o c e d u r ea n dt h ec o n t e n t so fr i s ka n a l y s i so fa c c i d e n t a l w a t e rp o l l u t i o ne v e n t sa r eg i v e n w ec o n c e n t r a t eo nt h es t u d yo ft h ep r o b a b i l i s t i c r i s ko f p o l l u t i o ns o u r c es y s t e m ，a sw e l la st h eq u a n t i t a t i v ee s t i m a t i o no ft h ee f f e c to f a c c i d e n t a ls p i l lt ow a t e r q u a l i t ya n dh e a l t hr i s k w a t e rr i s kc l a s s e sm e t h o di su s e dt o e v a l u a t et h ep o t e n t i a ld a n g e r sw i t hr e f e r e n c et op o s s i b l ew a t e rp o l l u t i o nr e s u l t i n g f r o ma c c i d e n t s s t o c h a s t i ct h e o r yi s a p p l i e dt oa n a l y z et h ef a i l u r er a t em o d e lo f p o l l u t i o ns o u r c es y s t e ma n dt oe s t i m a t et h ei n i t i a lr e l e a s ef a i l u r er a t e t h i st h e s i s d e v e l o p sas t a t i cp o i s s o np r o g r e s s - b a y e s i a np r o c e d u r ef o r p o l l u t a n t sa c c i d e n t a l d i s c h a r g ep r o b a b i l i t ye s t i m a t e ，w h i c hi sv a l u a b l ef o rr a r ei n c i d e n t se s t i m a t e ( 2 ) t h ed e a dz o n em o d e li si n t r o d u c e dt ot h et h e s i s ，w h i c hi sa i m e d t oa s s e s s t h ee x p e c t e dc o n c e n t r a t i o no fa p o l l u t i o np l a c ea n di t st i m eo fa r r i v a la tap a r t i c u l a r n v e rs e c t i o nd o w n s t r e a m t h ei n f l u e n c eo fd e a dz o n e s ( o r t r a n s i e n ts t o r a g ez o n e s 1 i i i 尘堕幽二 o nt h et r a n s p o r to fas p i l li nar i v e rh a sb e e nc o n s i d e r e d t h em o d e lb a s e do na o n e - d i m e n s i o n a la p p r o a c hf o rt h et r a n s p o r to fd i s s o l v e d m a t t e r t h et r a d i t i o n a l a d v e c t i o n - d i s p e r s i o ne q u a t i o nf o rt r a n s p o r ti nt h em a i nc h a n n e li sl i r 墩e dt oaf i r s t o r d e rm a 8 8e x c h a n g et e r mb e t w e e n t h em a i nc h a n n e la n dt h ed e a dz o n e s t h i ss y s t e m o fe q u a t i o n si ss o l v e da n a l y t i c a l l yf o rt h ec a s eo fa l li n s t a n t a n e o u si n j e c t i o no f a p o l l u t i o nm a s si nar i v e rw i t hc o n s t a n ta n du n i f o r mf l o w t h es o l u t i o nc a l lb eu s e d t o f o r c a s tt h ew a t e rq u a l i t yi nl a r g es c a l e ( 3 ) o nt h eb a s i so fr i s ka n a l y s i sa n dw a t e r q u a l i t yf o r e c a s t ，t h et h e o r yo fe a r l y w a r n i n ga n qe m e r g e n c ym a n a g e m e n ti sd i s c u s s e d t h em a i np o i n t sc o n t a i n w a r n i n g ， e m e r g e n c yr e s p o n s ea n de m e r g e n c yt r e a t m e n t m o n t ec a r l os i m u l a t i o ni su s e dt o t r e a tt h eu n c e r t a i n t y s o u r c e so f u n c e r t a i n t yc o n s i d e r e di nt h i sr e s e a r c hi n c l u d em a s s 0 ias p i l le v e n ta sw e l la st h ef l o wa tt h et i m eo f t h es p i l la n d t h ew a t e rq u a l i t ym o d e l p a r a m e t e r s p r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o n sf o re a c ho ft h e s eu n c e r t a i n t i e sw e r ed e f - m e da n d am o n t ec a r l oe x p e r i m e n tw a sc o n d u c t e dt o s t a t i o n d e s i g nt h ee a r l yw a r n i n gm o n i t o r i n g ( 4 ) t h em e t h o d o l o g ya n dp r o c e d u r ed e v e l o p e di nt h et h e s i sa r e a p p l i e dt o 她 s o n g h u ar i v e ra sac a s es t u d y w a t e rq u a l i t ys i m u l a t i o na n dr i s ka n a l y s i si sa p p l i e d a n dt h er e s u l t so fs t u d ys h o w st h em o d e l s r a t i o n a l i t yi nc o m p a r i s o nw i t h m e a s u r i n g d a t a ，e s p e c i a l l yf o rt h ep e a kc o n c e n t r a t i o no ft h ep o l l u t i o na n dt l l et i m ew h e nt h e p e a kc o n c e n t r a t i o na p p e a r e d ，t h es i m u l a t e dv a l u ea n dm o n i t o r e dv a l u ec o r r e s p o n d e d v e r yw e l l m o n t ec a r l os i m u l a t i o nc a l lb eu s e dt o d e s i g nt h ee a r l y 咖g m o n i t o r i n gs t a t i o n s c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fn i 仃o b e n z e n e ，t l l e r e l a t e d e m e 略e n c vr e s p o n s em e a s u r e so fa c c i d e n t a lw a t e rp o l l u t i o na r ed i s c u s s e d a tl a s t ，b a s e do nt h ef u l lt e x t ，t h ea u t h o rp o i n t so u tt h e r ea r es t i l ls o r e ea s d e c t s n e e d e dt ob ep e r f e c t e df u 恤e r ，s u c ha ss i m u l a t i o nm o d e l ，t e c h n i c a l s u p p o r t a n d s y s t e ma p p l i c a t i o n , e t c k e y w o r d sw a t e rp o l l u t i o na c c i d e n t ； s i m u l a t i o n ；e a r l yw a r n i n g ；e m e r g e n c y e n v k o n m e n t a lr i s ka s s e s s m e n t ；w a t e rq u a l i t y m a n a g e m e n t i v 符号说明 符号说明 x i 图目录 图目录 图1 1 论文的技术路线1 7 图2 119 8 5 2 0 0 5 年突发水污染事故数统计17 图2 2 突发性河流污染事故风险评价程序框图2 l 图2 3 贝叶斯概念图2 8 图3 1 污染物和水体混合过程示意图4 1 图3 2 观测值和t a y l o r 模型预测浓度分布的不同4 6 图3 3 暂存的物理机制4 6 图3 4 概念模型：主流和死区4 7 图3 5 由c h a t w i n 与t a y l o r 模型预测浓度分布情况比较5 4 图3 6 污染物在横向分布情况5 5 图3 7 分流过程污染物横向浓度分布的变化情况5 7 图3 8 汇合过程的横向浓度分布变化情况5 8 图3 9 四点隐式有限差分6 l 图3 1 0 分为许多离散片段( 控制体积元) 的概念系统。6 5 图3 1 1 用于数值模拟的段分割图解6 5 图3 1 2 以固定浓度值形式定义的上边界条件7 0 图3 1 3 以固定扩散通量形式定义的下游边界条件7 1 图3 1 4o t i s 软件的输入输出文件7 3 图4 1 突发性水污染事故应急一般程序7 7 图4 2 预警时间计算8 3 图4 3 不确定性来源8 4 图5 1 松花江流域地理位置示意图9 3 图5 2 松花江流域概况9 4 图5 3 松花江流域主要企业排污分布图9 5 图5 4 爆炸现场图片9 6 图5 52 0 0 5 年11 月，航拍受污染的松花江9 7 图5 6 贮存罐泄漏的后果排放事件树分析1 0 0 图5 7 松花江分段和主要监测断面图。1 0 2 图5 8 断面l 污染物浓度的模拟值和监测值1 0 4 图5 9 断面2 污染物浓度的模拟值和监测值1 0 4 图5 1 0 断面3 污染物浓度的模拟值和监测值1 0 4 图5 1 l 断面4 污染物浓度的模拟值和监测值1 0 4 图5 1 2 桦川断面硝基苯浓度模拟1 0 5 图5 1 3 富锦断面硝基苯浓度模拟1 0 5 图5 1 4 同江断面硝基苯浓度模拟1 0 5 图5 1 5 沿程不同距离控制断面质量浓度时变图1 0 5 v i 图目录 图5 1 6 取水口上游1 6 k i n 断面的预警时间( 采样间隔1 小时) 1 0 7 图5 1 7 取水口上游1 6 k i n 断面的预警时间( 采样间隔o 5 小时) 1 0 7 图5 1 8 取水口上游5 0 k i n 断面的预警时间( 采样间隔l 小时) 1 0 7 图5 2 l 预警时间累计概率分布1 0 8 i x 表目录 表目录 表1 1 突发性水污染事故统计3 表2 1 中国城市水源地突发污染事件污染物种类统计分析18 表2 2 中国城市水源地突发污染事件风险源统计分析1 8 表2 3u s e p a 毒物储存总量阈限值2 3 表2 4 物质基础特性m r p h r a s e 2 4 表2 5 哺乳动物的急性毒性的r p h r a s e 和评分2 5 表2 6 水生物急性毒性( 鱼、水蚤或藻) 生物降解性和生物累积性不同组合的r p h r a s e 和评分2 6 表2 7 水风险等级2 6 表2 8 根据混合物质成分比例进行混合物的风险分级2 7 表2 9w 鼬计算示例2 7 表2 1 0 确定参考剂量时典型的不确定系数( u f ) 和修饰系数( m f ) 3 4 表2 1 lb m d 法的主要步骤3 5 表3 1 根据示踪试验( 0 4 8 9 ，0 9 9 0 和0 6 9 1 ) 数据通过指数法得到的g ，值5 3 表3 2 河流纵向扩散系数经验公式6 4 表4 1 预警系统的通讯连接方式8 0 表4 2 采样垂线数的设置8 7 表4 3 采样垂线上的采样点数的设置8 7 表4 4 常见水污染事故应急监测技术8 8 表4 5 一些易造成水污染的有毒有害物质应急处理方法9 l 表5 1 不同目值的贝叶斯估计计算结果。1 0 0 表5 2 松花江四河段的主要水力学特征值101 表5 3 松花江干流各断面的河宽和流速1 0 3 表5 4 研究断而的信息10 4 表5 6 松花江干流固定监测断面1 0 6 表5 7 硝基苯对水生生物的9 6 h l c 5 0 ( m g l ) 1 0 8 表5 8 事故排放对哈尔滨下游河段鱼类所致的急性致死风险1 0 9 表5 1 0 松花江六断面污染团通过时间统计结果1 1 2 x 第一章引言 1 1 1 研究的背景 第一章引言 第一节研究背景与意义 进入2 1 世纪，长期累积的环境风险开始以频频发生的突发环境污染事件的 形式出现在我们面前。2 0 0 4 年1 1 月，东航包头空难造成南海湖及省级湿地自 然保护区污染，2 0 0 5 年3 月江苏淮安车祸氯气泄漏；2 0 0 5 年1 1 月中石油吉化 公司爆炸造成松花江污染，哈尔滨停水4 天，全城恐慌，并几近造成我国与俄 罗斯的外交危机；2 0 0 5 年1 2 月广东省北江镉污染事件，导致下游1 0 万人无法 饮用北江水；2 0 0 6 年1 月河南巩义二电厂柴油泄漏污染黄河事件；2 0 0 6 年7 月 江苏射阳氟源化工公司爆炸事件；2 0 0 6 年1 1 月四川沪州柴油泄漏污染长江， 致使沪州市部分城区暂停供水。短短两年间，发生了多起举国震惊的重、特大 突发环境污染事件。 数量激增的突发环境污染事件严重威胁着人民的身体健康、生命和财产安 全，给国家和人民造成巨大的经济损失及环境影响。据国家环保总局通报，2 0 0 3 年全国共发生1 7 起特大和重大污染事故，共造成2 4 9 人死亡6 0 0 多人中毒，波 及群众近3 万人。2 0 0 4 年，全国发生6 7 起突发环境事件，造成2 1 人死亡、7 0 5 人中毒( 受伤) ，直接经济损失5 5 亿多元。2 0 0 5 年，国家环保总局共接到7 6 起突发环境事件报告，5 3 6 人中毒受伤。2 0 0 6 年1 月至2 0 0 6 年5 月1 5 日，环 保总局共接到各类突发环境事件4 9 起，突发性环境污染事件涉及2 2 个省、自 治区和直辖市。其中，重大事件4 起，较大的1 3 起，一般的3 2 起；按污染的 诱因分，由安全生产事故引发的环境事件2 2 起，由企业违法排污造成的突发环 境事件1 2 起，由交通事故引发的突发环境事件1 1 起，第三者责任引发的环境 事件和气象条件改变引发的环境事件4 起，按污染结果分，造成大气环境污染 的1 5 起，造成水污染的3 2 起，造成水气综合污染的2 起。加强突发环境事件 风险管理，提高突发环境事件的应急能力迫在眉睫。 第一章引言 1 1 2 研究的意义 突发性水污染事故为由于自然灾害、机械故障、人为因素及其他不确定性 因素引发固定或移动的潜在污染源偏离正常运行状况突然地排放污染物，经过 各种途径进入水体，从而造成水环境污染的事件。近年来，我国水污染事故频 繁发生，据统计仅2 0 0 1 年到2 0 0 4 年就发生水污染事故3 9 8 8 件。2 0 0 3 年第三 季度，国内共发生2 7 起水资源污染事故，8 0 以上均为突发性事故。在发达国 家，人们发现当正常排放进入地表水环境的污染负荷逐步削减的时候，污染物 的事故性排放对水体影响的重要性却在逐渐上升，其危害也日益受到人们的重 视。事故排放的结果，甚至可能抵消人们期望通过污染源负荷消减措施改善水 环境质量所作的努力。随着我国社会工业化和城市化的发展，工业生产和城市 社会经济生活引起的污染事故可能性大大增加；河流和水域上的船舶和路上交 通量日益繁忙，交通事故时有发生。事故污染虽不是日常发生的，但其来势急、 强度大，往往引起较大危害的急性效应，其慢性效应影响也可能延续较长时间。 这些频发的事故对于我国本来就脆弱的水污染防治来说无异于雪上加霜，水污 染状况触目惊心。据有关部门对全国1 3 4 6 万公里河流和3 2 2 座水库进行的水 质评价，近4 0 的河水受到了严重污染。全国七大水系4 1 2 个监测断面中，劣 v 类的水占2 7 9 ，即近1 3 用于农业灌溉的水都不合格，9 0 城市的地下水 已经被污染。在部分地区和流域，水污染已经明显呈现出从支流向干流延伸、 从城市向农村蔓延、从地表向地下渗透、从陆地向海洋发展的趋势。 在与人们生活生产活动关系最密切的河流上，污染事故是经常发生的，事 故可以来自水上和陆地的很多方面。通过相关统计文献检索、报刊查阅、互联 网搜索等方式，对国内近2 0 年来( 1 9 8 7 2 0 0 5 ) 公开报道的主要水源地突发性污染 事件进行了筛选，从发生时间、发生地点、事故形式，泄漏污染情况和事件影 响等五个方面作了不完全统计( 表1 1 ) ，可以得到以下几点分析结论：突发污 染事件数量日益增多，环境风险不断加大；运输事故和企业事故性排放是两 种主要的风险事件类型；泄漏排放物质主要为各类油品和化学品；事件造 成的直接后果之一就是威胁城市供水系统，其中大型污染事件甚至可能导致大 面积、长时间的停水( 如“沱江污染事件”、“松花江污染事件”等) ，严重影响 了城市的正常运转。因此，突发性污染事故的防范工作显得尤为重要。 2 第一章引言 表1 1 突发性水污染事故统计 3 第一章引言 续表 突发性水污染事故风险分析与应急技术研究的目的在确保流域水安全的前 提下，满足社会对水资源的需求。通过风险分析可以及早发现事故隐患，合理 预测事故相应的影响，可以为事故预防措施提出科学依据。减少突发性水污染 事故的发生，降低沿线影响区域的人口暴露风险，同时获得良好的经济效益和 4 第一章引言 社会效益，给主管部门和相关企业提供科学、经济、实用的风险管理模式及应 急决策技术支持。因而，突发性水污染事故风险分析及应急技术研究十分必要， 有重要的现实意义和应用价值。 本研究主要针对江河突发性水质污染事故风险评价和应急管理问题，重点 研究了突发性水质污染事故排放的有毒有害污染物在水体中浓度时空变化的数 学模拟问题，构建了突发性水质污染事故预警模型和应急管理体系，可直接服 务于河流水质安全的风险评价和应急处理。 第二节国内外相关研究进展 1 2 1 突发性水污染事故风险评价 突发性水污染事件同时具备了风险事件的两大基本要素：瞬时突发性( 概率 事件) 和后果严重性( 影响损失) ，是典型的风险事件。具体地，突发性水污染事 件( 如，交通事故污染物泄漏或企业事故排放等导致污染物进入水环境，发生水 污染事故) 具有明显的偶然突发性，属于概率事件；同时，突发性水污染事件无 论发生在海域还是内陆河流湖泊，都会造成不同程度的生态环境、社会经济和 人体健康的损失影响。 因为风险本身是源于对未来环境的不确定性因素，所以不确定性理论和方 法是对风险进行定量分析的最主要的理论根据。但目前对环境风险分析定量的 计算方法还不是很多，也不够成熟。人们更多的是考虑用概率论方法和模糊论 方法等不确定性的理论和方法对环境风险进行分析研究，而用其它的理论方法 来计算风险则显得薄弱。通过一些总结，风险分析的理论和方法常常有如下几 类：概率论方法、模糊论方法和风险指数法。用概率来描述风险的大d , 贝l j 是一 种比较简单、直观的方法。同时，与概率论相关的理论如统计理论，随机理论 也为用概率论方法研究环境风险问题提供了理论基础和有效的方法。 目前，专门针对突发性水污染事件的风险研究不是很多，因此在概率预测 方面大多借用一些已成熟运用于其他风险预测领域的方法，如系统工程中的初 步危险分析法、故障树分析法、事件树分析法及应用随机理论的泊松过程来探 讨源事故发生概率。对于估计事件发生概率方法，多采用随机和模糊的方法进 行不确定性的识别和预测，目前有许多技术来处理不确定性，灵敏度分析、先 5 第一章引言 验统计( 贝叶斯) 、复杂统计和概率分析、蒙特卡罗模拟等，还有许多数学方法 来处理不确定性，概率理论、马尔可夫模型、事件树。对于突发性水污染事故 后果评估主要是数理模拟、指数评估等。 文献i lj 介绍了在荷兰有关污染物突发性泄漏事故的风险分析方法，对减少、 减轻可能发生的水质污染事故的发生概率、危害后果及事故的预防工作有指导 意义。该方法对常见的事故隐患行为及其幕景分类，提出相应的事故发生概率， 根据对风险源实际调查的运行情况乘以适当的修正系数得到事故发生概率。根 据具体的环境条件用校正系数乘以贮存量或流量得到初始事故污染物泄漏量。 然后采用目前已有的各种简单的水质模型来预测污染物到达敏感点的污染物浓 度、油膜长度或是否会对污水处理厂的运行构成损害。a s as c o t t 2 1 针对突发性 化学品污染事故，主要考虑三个方面：化学物质对水生生物急性毒性、存贮或 运输化学物质的量以及影响化学物质迁移的因素，建立评估模型。先将决定事 故影响后果的各因素进行分级，再运用评价模型对事故风险进行识别和快速半 定量分级。 j e n k i n s 3 j 提出对历史数据中几个信息量记录丰富的突发性事故进行深度分 析，找出所有可能发生的潜在事故都具有的相似信息，并以其中某几次典型的 溢油事故为标准，对所有可能发生的事故进行生态和经济损失评估，得到相对 的损失评估值。由于环境污染事故的危害评价因为剂量效应关系及生态系统状 态的确定目前存在很大困难，h e n g e l 和k r u i t w a g e n 以污染物浓度值来表示危害 后果的大小，用风险分级评分方法评定了内陆河流运输环境污染事故的风险 4 1 。 r l n o r t o n 等人【5 】建议用x 处的最大浓度c x 与无负效应浓度的比值来表征污染 物对水生动物与人体的危害指数。 相比与其他一些风险事件的风险评价理论研究，国内外对突发性水污染事 件的系统、专项探讨相对薄弱。国外的研究基本集中在对海域突发性污染事件 的风险分析和评估上，对非海域突发性水污染事件风险评价的体系理论关注不 多。国内方面，胡二邦等 6 1 概括了突发性水污染事件的概念，并对河流突发性 污染事件的风险评价理论作了一定的梳理和归纳，提出了对突发性水污染事件 进行风险评价的设想，所建议的评价内容和体系基本参考化工、工程类风险评 价，即包含危害识别、事故频率和后果估算、风险计算以及风险减缓四个阶段。 另外还有一些单一、分散的专题研究。具体包括污染物质在水体中扩散行为的 模型模拟 7 , 8 1 以及污染事件事后的水质健康风险评估。 6 第一章引言 1 2 2 水质预测模型研究进展 第一个水质模型是1 9 2 5 年由美国的工程师s t r e e t e r 和p h e l p s 提出的氧平衡 模型【9 1 ，由p h e l p s 在1 9 4 4 年总结和公布，即经典的s t r e e t e r - p h e l p s 水质模型。 这个模型的基本原理是相当合理的，所以模型及其某些修正形式至今仍被用于 模拟水质。自s t r e e t e r - - p h e l p s 模型诞生以来，人们已对河流、河口以及湖泊等 水体进行研究，建立了各种类型的水质模型 1 0 , 1 1 】。根据模型的特征可把水质模 型分成三个阶段，即简单的氧平衡模型阶段、形态模型阶段和多介质环境综合 生态模型阶段。污染物质进入河流水体后，将在复杂的物理、化学及生物过程 综合作用下发生输移、转化、沉淀、吸附及复杂的生化作用、对水体及相关环 境单元产生影响，水体中的污染物之间也会发生相互作用。文献【1 2 j 详细描述了 污染物在河流中的传输现象及规律。给出了污染物在河流中的一维，二维，三 维迁移转化模型以及相应的数值算法。文献【1 3 l 给出了污染物在河流中的迁移扩 散模型中的参数优化方法。随着对污染物污染机理的深入研究，很多科研组织 己开发了不少综合水质模型。然而由于真实环境的复杂性和人类对扩散规律认 识的局限性，预测模型要完全真实地反映事故排放的动态、瞬时特性，是很困 难的，实际上只能通过简化来近似表征。 在2 0 世纪6 0 年代以前，有关水质问题的研究多是从确定性角度出发的， 所建立的水质模型也多为确定性模型。6 0 年代后，人们开始着手研究水环境系 统中的不确定性，并在污染物运移、扩散规律的研究方面取得了丰硕成果，建 立了各种类型的随机水质模型。如t h a n d a r a m a n 和e w i n g 在河流水质模拟预测 中，通过把d o b b i n s 方程的流速项处理为随机变量，提出了随机水质微分方程。 该方程较为真实地反映了水质变化是外在水文因素不确定性随机变化和水质自 身确定性固有变化的统一。研究表明，如果在微分方程中将水质参数处理成服 从截头尾正态分布的随机变量，也能够模拟实测水质的随机变化l l 引。l o u c k s 等 u 5 1 ，t a b i o s 等 1 6 1 从水质参数、水力参数不确定性或水文因素不确定性角度，运 用随机理论建立了随机水质模型。事实上，后来的研究基本上都采用了类似的 处理方式。现有随机水质模型大致可以归纳为离散随机过程、适时估计和微分 方程三大类，已提出的随机分析技术主要包括随机游走、m a r k o v 链、a r i m a 模型、k a l m a n 滤波、一阶分析、m o n t ec a r l o 模拟及随机微分方程模型等。但 也存在一些有待进一步改进的地方，如m o n t ec a r l o 模拟技术，当考虑的随机变 7 第一章引言 量数目较多时，计算不经济且精度难以掌握：一阶分析法对非线性问题容易产 生较大误差等。除随机水质模型外，b a f f a u t 等【1 7 1 还将模糊集理论引入水质模型 研究，建立了模糊水质模拟模型。 在早期大量的基础研究数据的基础上，国外建立了一系列的水质模型，目 前比较成熟的模型有：( 1 ) q u h l 系列模型美国环保局( u s e p a ) 于1 9 7 0 年推出 q u a l - - i 水质综合模型，1 9 7 3 年开发出q u a l i i 模型【1 8 , 1 9 】，其后又经多次修 订和增强，推出了q u a l 2 e 、q u a l 2 e u n c a s 、q u a l 2 k 版本。( 2 ) b l t m ( t h e b r a n c h e dl a g r a n g i a nt r a n s p o r tm o d e l ) 即分支拉格朗臼输移模型，由美国地质调 查局( u s g s ) 开发。它没有模拟水动力情况，水动力条件要由其它模型提供。 这个模型包括q u a l - - i i 所含所有的水质变化过程，而且是时变的。( 3 ) o t i s t 2 0 】 ( o n e d i m e n s i o n a lt r a n s p o r tw i t hi n s t r e a ms t o r a g e ) 即带有内部调蓄节点的一维 输移模型，u s g s 开发的可用于对河流中溶解物质的输移进行模拟的一维水质 模型。模型中的控制方程是对流扩散方程，并综合考虑了暂存、纵向入流、一 阶衰减和吸附现象。( 4 ) w a s p t 2 1 i 模型( w a t e rq u a l i t ya n a l y s i ss i m u l a t i o np r o g r a m ， 水质分析模拟程序) 美国环保局提出的水质模型系统，可用于对河流、湖泊、河 口、水库、海岸的水质进行模拟。w a s p 最原始的版本是于1 9 8 3 年发布的，它 综合了以前其它许多模型所用的概念，之后w a s p 模型又经过几次修订，逐步 成为u s e p a 开发成熟的模型之一。另外丹麦、德国、荷兰等也分别开发了比较 有效的水质模型如丹麦水利由丹麦水动力研究所( d h i ) 开发的m i k e 模型体系 2 2 1 、荷兰开发的p r o t e u s 体系【2 3 1 、德国的g r e a t - e r 模型口4 】，在水质模拟和 环境管理中发挥了重要的作用。 水质数学模型方面，国内也做了不少工作。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数学 模型；长江水保局以武汉段为重点，探讨了长江干流岸边污染带的紊动扩散和 弥散的内在机理，提出了二维模型f 2 5 1 。现有水质模型和软件用于突发性水污染 事故的水质模拟存在模型参数众多，参数率定困难；模型结构复杂，分析工作 量大等问题，很难满足应急预警的需要。 1 2 3 突发性水污染事故预警系统 河流污染事故预警系统在一些经济发达国家发展较早，北美洲( 美国、加拿 8 第一章引言 大) 欧洲、和亚洲的日本、韩国都有所发展，这些国