长江下游水源地突发性水污染事故预警应急系统研究-有拓扑图

1、生态与农村环境学报 2010, 26(增刊1 :34-40J ournal of Ecology and R ural Environ m ent长江下游水源地突发性水污染事故预警应急系统研究庄 巍1, 李维新1, 周 静2a, 赵 爽2b(1 环境保护部南京环境科学研究所, 江苏南京 210042;2 河海大学a . 环境学院;b . 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室, 江苏南京 210098摘要:针对长江下游主要水源地特点及水污染事故特征, 以长江江苏段为例, 建立整体一维、分段二维的水量水质预测模型, 构建适用于该地区的水源地风险预警模型, 实现对于固定源、移动源等水污染事故风险过

2、程的动态模拟及风险预警; 将水质预测模型、风险预警模型、地理信息系统、远程控制及自动化等技术有机耦合, 研发水源地突发性水污染事故预警应急系统, 可准确直观地表现水污染事故的影响范围及发展趋势, 为水源地水污染事故风险预警应急工作决策提供科学依据。关键词:水质模型; 风险预警; 地理信息系统; 长江下游; 江苏段中图分类号:X507 文献标志码:A 文章编号:1673-4831(2010 S1-0034-07Early W arn ing System for Sudden W ater Poll u ti on Inc i den ts in W a ter Source Areas in

3、L o w er R eaches of th e Yangtze R iver . Z H UAN G W ei 1, LI W ei x in 1, Z H OU J ing 2a , ZHAO Shuang 2b (1. N anji ng Instit ute o f Env iron m enta l Sc i ences , M inistry o f Env iron m ental P ro tecti on , N an ji ng 210042, Ch i na ; 2. a . Co ll ege of Env ironment ; b . State K ey Labo

4、 ra tory of Hydrology W ater R esources and H ydrau lic Eng i nee ri ng , H oha iU n i versity , N an ji ng 210098, Chi naAbstract :Based on the features of the m a j o r wa ter sou rce areas i n the lo w er reaches of t he Chang jiang R i ver and charac ter i stics of w ater po ll u ti on acc i den

5、ts , a wa ter flow and qualit y pred icti on mode, l one di m ensiona l for the who l e and t wo d i m ensiona l for subsecti on , was estab lished , usi ng the Jiangsu secti on of the Chang ji ang R iver as a case for st udy , and fur ther on , a risk ear l y w arn i ng m ode lw as built up f o r w

6、 ater source areas i n tha t reg i on , t hus reali z i ng dyna m ic s i m u l ation of processes and early w arn i ng o fw ater po lluti on r isks o f fi xed and m ov i ng sources . By comb i n i ng t he w ater quality pred icti on m ode, l r isk ea rl y w arn i ng m ode, l G IS , remo te contro ll

7、i ng and autom ati on techno logy , a w ater source sudden w ater po ll u ti on i nci dent early w arn i ng syste m was dev eloped . The syste m m ay accurate l y and visuall y d i sp l ay scopes and trends o f the im pacts o f wa ter po ll u tion acc i den ts and prov i de sc i entific basis for de

8、cisi on mak i ng i n risk early w arn i ng and address i ng w ater po ll uti on acc i dents i n w ate r source areas . K ey word s :wa ter qua lity m ode; l risk ear l y warni ng ;g eog raph i c i nfor m ation syste m;l owe r reaches of t he Chang ji angR iver ;Ji ang su secti on基金项目:国家水体污染控制与治理科技重大

9、专项(2009Z X07528-005收稿日期:2010-11-05长江下游地区突发性水污染事故频发, 对周边水环境的影响和破坏巨大, 对于沿线水源地等敏感水体更是会带来灾难性后果, 而长江下游地区供水大部分取自长江, 长江沿线企业和长江航运的发展对水源地供水安全构成了严峻挑战。应对污染事故做出及时、快速、有效地处理和处置, 从而最大限度地阻止或降低水污染事故对水环境的影响和破坏作用。构建科学高效的水源地水污染事故预警应急系统, 提供迅捷的预警应急决策支持, 可及时有效地应对突发性水污染事故, 对保障水源地供水安全具有重要意义。长江干流江苏段全长425k m, 流经江苏省经济最发达的苏南、苏中

10、地区, 目前水量充沛, 水质较好, 是江苏省重要的供水水源地, 但其水环境形势不容乐观, 沿岸排污口众多, 港口、码头交错密布, 对长江水源安全构成了潜在的风险威胁。笔者以长江江苏段为例, 针对长江下游水源地的风险特征, 对水质预测模型、风险判别模型以及地理信息系统技术间的耦合集成进行研究, 建立水源地突发性水污染事故预警应急系统, 并对水质模型及地理信息系统辅助下的风险预警应急自动化进行了探讨和尝试。1 水质预测及风险预警数学模型建立水量水质实时预测可为及时分析、处置水污染事故提供决策依据, 是水污染事故预警应急系统的基础。基于长江江苏段水域分段模拟对计算边界条增刊1 庄 巍等:长江下游水源

11、地突发性水污染事故预警应急系统研究 35件的要求, 采用总体一维模型配合局部二维模型的结构进行水流水质模拟:采用一维河网模型计算大区域的水流演进和污染物输移扩散, 并为二维模型提供边界条件; 二维水流水质耦合模型则用于模拟长江江苏段污染物输运扩散过程及各排污口的污染浓度和污染带的范围、大小。由此建立起长江下游江苏段整体一维非稳态水量水质数学模型和二维分段非稳态水量水质数学模型。在此基础上, 筛选风险事故危害指标, 采用模糊综合指数判别法建立风险等级判别及预测预警模型。1 1 一维水量水质模型1-2考虑到长江下游地势平坦, 为缓变水流, 同时可受上游洪水及下游潮水的顶托影响, 据此, 采用一维河

12、道非恒定流的圣维南方程组描述水流运动。于长江江苏段的大通站至吴淞站之间建立长江江苏段整体一维非稳态水量计算模型, 用于潮位流量过程预报。水量计算模型在经过模型率定后, 取大通站预报水位过程作为预报时的上边界, 吴淞站风暴潮预报结果作为下边界, 各水文站点的预报值由水文部门提供。由此可实现对长江江苏段各分段水文边界的实时预报, 为二维水量计算提供动态的水文边界过程。同时, 建立一维非稳态水质模型, 其水动力条件及水质边界由一维水量模型提供, 以实现对长江江苏段各分段计算边界的实时预报, 为二维水量计算提供动态的计算边界过程。1 2 二维水量水质模型考虑到水源地分布以及模型计算的可操作性, 将长江

13、江苏段划分为9个分段进行二维水流水质模拟计算, 包括南京江段(梅子洲段和八卦洲段 、镇扬江段(三江口 永定河口、扬州四水厂 南桥汽渡 、扬中江段(五峰山 轮船沙 、靖江江段(轮船沙 鹅鼻嘴 、张家港江段(鹅鼻嘴 天生港 、南通江段(天生港 新江海河、徐六径 杨林 青龙港 。南北范围为:南岸, 南京慈湖河河口 苏州浏河河口; 北岸, 南京驷马山河河口 南通青龙港。研究区域示意见图1。 图1 研究区域示意F ig . 1 Sketch of th e study region应用守恒的二维非恒定流浅水方程组描述长江江苏段各分段的水流运动, 并用二维对流扩散方程描述污染物的输运扩散3-4。应用有限体

14、积法及黎曼近似解对方程组逐时段、逐单元进行数值求解, 从而模拟出各分段的水流过程和相应的污染物输运扩散过程。为此, 在前述水域网格离散的基础上, 逐时段地用有限体积法对每一单元建立水量、动量和浓度平衡, 确保其守恒性, 用黎曼近似解计算跨单元的度2。采用各典型年代表水期水文资料、流速监测资料及卫星图片, 包括研究江段枯水期1979年1月、1999年1月, 平水期2005年5月的水文、流速资料, 以及1999年、2005年同期水质监测资料和法国SPOT 卫星图片等, 对上述水流水质模型的模型参数进行率定验证。1 3 风险预警模型选取最大水质超标倍数、污染团到达时间、水质36 生 态 与 农 村

15、环 境 学 报第26卷述风险事故的危害性、紧迫性及持久性, 各指标的含义及确定方法见表1。在开展沿江各地区饮用水源供水保证能力调查, 以及环境污染事件应急处置预案调研和专家意见咨询的基础上, 参考各地区对突发事故的应急处理能力及效率确定最大水质超标倍数及污染团到达时间, 依据各地水厂在出现水污染事故后的供水保证能力确定水质超标持续时间5-7。通过层次分析法、模糊划分法、专家评判法等方法确定风险预警模型中各项指标的标准值及权重系数, 根据风险事故的模拟计算结果结合模糊综合指数判别法确定风险等级8-9。表1 风险事故危害评价指标Table 1Indexes for risk eval uation

16、指标描述特征指标含义最大水质超标倍数危害性:风险事故对受体的危害影响程度(C 实际-C 标准 /C 标准, C 实际为污染团到达取水口时污染物的最大浓度值, C 标准参考GB 3838 2002! 地表水环境质量标准中#类水标准确定污染团到达时间紧迫性:发生事故排放后下游水源地可采取应急措施的时间长短污染团刚到达风险受体处且污染物浓度刚好超标的时刻水质超标持续时间持久性:影响供水的时间长短从污染团刚到达风险受体处且污染物浓度刚好超标的时刻开始, 至污染团离开风险受体且污染物浓度刚好不超标的时间段2 水源地突发性水污染事故动态模拟及风险预警借助建立起的长江江苏段整体一维、各分段二维水量水质预测模

17、型, 结合监测、网络通讯等手段, 可实现对固定源与移动源这2种水污染事故类型的模拟预测; 同时, 结合风险预警模型, 可对突发水污染事故进行风险等级判别, 响应相应应急措施, 为水源地水污染事故风险预警应急工作提供科学、高效的技术支持。2 1 固定源水污染事故模拟固定源水污染事故的主要风险源为工业污染源、污水处理厂等, 主要表现为污水排放口的非正常超标排放, 其泄漏、排放地点一般固定, 以化学性污染为主, 事件的污染影响范围从局部水域向整个水域扩展。由于工业污染源、污水处理厂等事故风险源普遍配备了有效的监控设备和管理程序, 一旦发生突发性污染事件, 事发单位可通过污染监测和控制设备等确定事故排

18、放污染物种类、排放浓度及排放总量等信息, 将风险信息输入水量水质模型, 即可对事故污染物的时空变化趋势进行预测, 从而为突发性事故管理决策提供技术支持。在GIS 平台上, 借助在线监测、网络通讯、水环境数值模拟等技术, 对固定源水污染事故进行模拟预测, 可得到随计算时间推进的事故污染浓度场的演变情况, 在事故水域中以不同颜色来区分显示污染物的浓度分布, 具有直观明晰的优点(图2 。2 2 移动源水污染事故模拟移动源水污染事故的主要风险源为航运船舶、货运车辆等, 主要表现为燃油溢出、化学品货物泄漏入水等事故, 该类事件具有发生位置随机, 极短时间内污染物大量倾泻, 发生时间、泄漏物质以及泄漏量不

19、确定等特点, 风险事故信息具有较大的不确定性, 主要污染表现为油品及化学性污染由点及面或带状漂移, 如不及时采取应对措施, 有可能对事故发生的整个水域的水质安全构成极大危害。移动源水污染事故的风险事故信息可经由航运等监管单位获取, 如对于航运船舶, 可通过护航液位计、海事货运登记及海事通讯等获取泄漏物质及泄漏量等信息; 也可由现场报警人员初步估测事故性质, 并上报事故信息收集系统。同时, 需调度应急监测人员赶赴现场, 增设应急监测设备进行应急监测并及时反馈, 这种反馈体制可确保对水污染事故评价的合理性和可靠性。将由事发地点调查所得的移动源水污染事故的污染物质种类、排放量等风险信息提交水质预测模

20、型, 由模型对事故污染物的时空变化规律趋势进行预测, 结合实时的污染控制措施, 在G I S 平台上对移动源水污染事故状况进行模拟及演示, 可直观表达事故污染团浓度场随事故发生时间推进的演变情况(图3 。2 3 水源地风险预警突发性水污染事故从事发到水体局部污染, 再到形成灾害性的后果, 一般会历经一个相对较长的时间过程, 也就是说, 突发性污染事件的发生, 并不增刊1 庄 巍等:长江下游水源地突发性水污染事故预警应急系统研究 37立即利用一段时间对事件进行危害性评估, 以确定是否要对该突发性事件采取应急响应行动, 或采取什么级别的响应。此时, 针对风险事件及风险受体特征, 借助水质预测模型与

21、风险预警模型快速生成有效应急方案,具有指导意义。 38 生 态 与 农 村 环 境 学 报第26卷当水源地取水口附近发生突发性水污染事故时, 应采取先生活后生产%的供水原则, 把确保生活用水放在第1位。具体来说, 针对突发事故对于水厂取水口的风险等级, 可按照如下事故应急分级机制响应应急措施10:(1 正常供水, 对应于低风险等级, 即事故排放的污染物质数量较少, 对取水口正常取水、供水不构成威胁;(2 预警级, 对应一般风险等级, 即事故发生地点与水体有一定的距离, 或发生在水边, 但污染物质尚未或仅有小部分进入水体且危害程度不大, 可通过强化常规工艺和应急处理措施, 保障水厂不减产或适度减

22、产;(3 现场级, 对应于高风险等级, 即数量较多的污染物已经部分或整体进入水体, 且危害程度较大, 可通过强化常规工艺和应急处理措施, 将水厂供水减量至50%70%;(4 流域级:对应于极高风险等级, 即污染物数量较大且已进入水体并扩散, 对取水口安全构成直接威胁, 可通过强化常规工艺和应急处理措施, 将水厂供水减量至50%, 若水源水中污染物严重超标, 且应急措施难以处理时, 应在请示当地政府后, 采取暂停自来水生产和供应、启用备用水源等措施。救险应急行动往往需要海事局、环境保护局、流域管理部门、应急工程队伍等多个职能部门及相关单位进行跨部门合作才能完成, 这在一定程度上增加了应急行动实施

23、的复杂性。此时, 在统一的风险事故应急平台中, 将风险预警与应急调度融为一体显得尤为必要。借助G I S 平台的数据传输功能, 将监测站监测得到或事故报警方提供的风险数据传输给系统, 系统通过调用水质预测模型, 对水质进行模拟预测, 随着计算时间的推进, 系统会自动计算突发事故对下游水源地的风险危害等级, 并根据不同的危害度发出不同的警报声, 提示受体位置、影响程度和应急措施, 实现水源地风险的实时预警监控(图4。 图4 水源地风险实时预警Fig . 4 R eal ti me w arn i ng of r isks at water source areas3 水源地突发性水污染事故预警应

24、急系统建设3 1 系统基本组成系统核心内容主要由空间数据库、模型库和决策分析库3大模块组成11。其中, 空间数据库是系统所有信息的集散地, 存储不同来源、不同类型的系统信息, 整合现有水文、排污口、风险源、水质监测点位资料以及水源地取水口、水功能区划等信息, 该数据库可不断扩充和更新; 模型库包括水质预测模型增刊 1 庄 巍等: 长江下游水源地突发性水污染事故预警 应急系统研究 39 及风险预警模型, 可为水环境要素模拟分析提供相 应的计算工具; 决策分析库则是根据决策要求驱动 预警模型进行风险计算。 3 2 系统功能设计 由突发性水污染事故预警应急的业务流程特点 分析, 可知应用 G IS技

25、术进行辅助决策的功能需求 主要集中在以下几方面: ( 1 风险源信息显示及查 询; ( 2 事故信息收集; ( 3 水污染事故预测; ( 4 事 故发生地环境敏感保护目标的风险预警; ( 5 预警 应急调度及信息发布。 3 3 系统流程 水污染事故预警应急系统流程主要包括: 事故 发生初始对事故发生位置、 原因、 主要污染物质、 泄 漏量、 周围环境敏感目标等基本信息的收集及确认; 利用水质模型对污染事故进行计算模拟, 并对敏感 保护目标进行风险影响计算; 根据不同级别的风险 等级自动生成预警应急决策方案; 根据事故处置及 控制进度情况进行阶段性的信息公布等 (图 5 。 3 4 系统运行环境

26、设计 考虑到系统通用及兼容性, 选择使用 C#. net 和 A rcEng ine开发组件 进行二 次平台 开发, A rcEng ine 开发工具包作为基于组件的软件开发产品, 在建立 定制地图接口 方面具有较高的灵活性。采 用 Geo datb ase数据库进行空间数据的存储和管理 12 。 图 5 水污染事故预警应急系统流程 Fig 5 F lowchar t of th e w ater pollut ion acc ident ear ly warn ing syste . m 同时, 根据系统运行的硬件及通讯需求, 系统的 软件体系结构采用 C / S和 B / S相结合的混合结

27、构。 排污企业的自动监测仪、 应急监测设备以及各监管 部门的 微机 等通 过局 域网、Internet GPRS 无 线公 、 网、 有线 Internet等以混合网络结构形式相结合, 构 成系统的硬件中心。系统运行及通讯的网络拓扑见 图 6。 础上基于 GIS平台研发水源地突发事故预警应急系 统, 可准确直观地表现固定源和移动源等水污染事 故的影响范围及发展趋势, 为水源地水污染事故风 险预警应急工作决策提供科学依据。水源地风险预 警应急工作在环境风险预测预警模型、 地理信息系 统以及远程控制等技术的支持下开展, 具有科学性 强、 效率高等优势, 发展和应用前景良好。但目前预 警系统在在线监

28、测数据实时接入与处理、 提高预警 预测结果精度及可信度, 以及根据风险预警结果驱 动应急预案等方面距离业务化运用还有一定距离, 需要在后续实践和研究中进一步完善。 4 结论 针对长江下游水源地特征, 以江苏段为例, 构建 适用于该地区的水源地风险预测预警模型, 在此基 40 生 态 与 农 村 环 境 学 报 第 26卷 图 6 系统运行、 通讯环境及网络拓扑 Fig 6 . Topo logical sk etch of th e water pollu tion acc iden t early warn ing syste m 实证研究 D . 上海: 华东师范大学, 2006 . 8 9 王万杰, 束龙仓, 毛旭