汾河水庫(kù)上游河流水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

趙海生 朱文濤 鄭彥強(qiáng)

（山西省生態(tài)環(huán)境研究中心 山西太原 030002）

1 汾河水庫(kù)上游水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的意義

隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，流域尺度上的產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛，日益增強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展迫切性使得河流水環(huán)境污染負(fù)荷正在持續(xù)加重[1]，特別是我國(guó)北方地區(qū)河流由于受降雨量不足且年內(nèi)分布不均的影響，河道清水流量較少甚至斷流更加劇了河流污染水體的增多和污染程度的加重，河流水環(huán)境安全問(wèn)題日益突出。汾河作為山西省內(nèi)最大的河流，隨著近年來(lái)流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展加速，尤其是煤炭、鐵礦資源相對(duì)豐富而經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)的汾河水庫(kù)上游山區(qū)，發(fā)展工業(yè)經(jīng)濟(jì)的要求十分強(qiáng)烈，煤炭、電力、化工行業(yè)發(fā)展迅速，使得突發(fā)河流水環(huán)境污染事故的風(fēng)險(xiǎn)不斷增大，而汾河水庫(kù)作為太原市集中飲用水源地，水庫(kù)上游河流水環(huán)境功能變得尤為敏感和重要。因此，開展汾河水庫(kù)上游河流水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，對(duì)于提高應(yīng)對(duì)突發(fā)河流水環(huán)境污染事故風(fēng)險(xiǎn)決策的科學(xué)性[2]，切實(shí)保障太原市集中飲用水源安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

國(guó)內(nèi)對(duì)河流水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的研究通常分為突發(fā)性風(fēng)險(xiǎn)和非突發(fā)性風(fēng)險(xiǎn)兩類[3]。本研究主要通過(guò)對(duì)突發(fā)性河流水環(huán)境污染事故風(fēng)險(xiǎn)演變過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算及后果分析，綜合評(píng)價(jià)汾河水庫(kù)上游的河流水環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)。

2 水環(huán)境現(xiàn)狀與重點(diǎn)保護(hù)目標(biāo)分析

2.1 水環(huán)境現(xiàn)狀

汾河水庫(kù)上游干流選取東寨、頭馬營(yíng)、寧化堡、靜樂(lè)站、河岔5個(gè)斷面作為汾河干流的水質(zhì)控制站。選取2007—2008年的5個(gè)代表性監(jiān)測(cè)斷面CODcr、氨氮兩種主要污染物監(jiān)測(cè)值來(lái)反映汾河水庫(kù)上游河流的水質(zhì)變化（見(jiàn)圖1）。汾河水庫(kù)現(xiàn)狀除總氮屬劣Ⅴ類外，其他指標(biāo)均可達(dá)到Ⅱ類。相比汾河自然河流水質(zhì)來(lái)說(shuō)，水質(zhì)相對(duì)較好。

圖1 汾河水庫(kù)上游河流水質(zhì)CODcr、氨氮變化情況

2.2 重點(diǎn)保護(hù)目標(biāo)分析

（1）汾河上游飲用水源保護(hù)區(qū)范圍。雷鳴寺泉上游大廟、涔山兩溝兩側(cè)高程2200m以下的河谷陸地范圍；汾河干流雷鳴寺泉至入汾口沿河道及河道兩側(cè)各3km的水域、陸域范圍；環(huán)汾河水庫(kù)庫(kù)區(qū)最大興利水位線向四周外延3km形成的邊界線內(nèi)水域和陸域范圍；主要支流為河道及兩側(cè)1km陸域范圍。汾河水庫(kù)及上游流域水環(huán)境重點(diǎn)保護(hù)區(qū)總面積645km2。

（2）水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)受體水質(zhì)要求。本次研究的水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)受體水質(zhì)按照汾河水庫(kù)上游干流二級(jí)保護(hù)區(qū)邊界斷面達(dá)到GB3838-2002中的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的各項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值為標(biāo)準(zhǔn)，一級(jí)保護(hù)區(qū)邊界斷面達(dá)到GB3838-2002中的Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)限值。

3 突發(fā)水環(huán)境事故風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

工業(yè)風(fēng)險(xiǎn)源與優(yōu)先控制污染物質(zhì)見(jiàn)表1，交通風(fēng)險(xiǎn)源及優(yōu)先控制污染物質(zhì)見(jiàn)表2。

表1 工業(yè)企業(yè)主要風(fēng)險(xiǎn)源及風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)

表2 公路交通運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)路段及風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)

4 突發(fā)水環(huán)境污染事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

4.1 一維流場(chǎng)點(diǎn)源瞬時(shí)排放危害模擬

小河流中彌散作用大于擴(kuò)散作用，故瞬時(shí)事故排放可使用一維河流水質(zhì)擴(kuò)散模型計(jì)算。

式中，C—河流中污染物濃度，(mg/L)；t——時(shí)間，s；x——下游距離，m；u——河流流速，m/s；k——反應(yīng)速度常數(shù)，s-1；M——事故瞬時(shí)排入河流的污染物量，mg；A——河流斷面面積，m2；Dx—河流縱向彌散參數(shù)，m2/s。

（1）控制斷面處的污染物最大允許排放量閾值估算。在距事故源下游某控制斷面X0處，要防止發(fā)生某級(jí)危害，則事故排放量必須小于某一閾值。由物理概念知在控制斷面X0處，污染物濃度最大值發(fā)生在t=X0/u的時(shí)候，可得控制斷面處的污染物最大允許排放量閾值：

（2）危害半徑估算[4]。式1做變形可得式3，式3中的x-ut即為危害半徑R

即：

（3）危害水團(tuán)存在最長(zhǎng)時(shí)間及危害影響的全部距離估算[4]。式（4）明顯表達(dá)了R存在的條件與隨時(shí)間變化規(guī)律。存在條件是根號(hào)內(nèi)的值必須大于0，即事故排放必須達(dá)到一定強(qiáng)度，否則不會(huì)造成某級(jí)危害。事故危害半徑R一開始主要受第1個(gè)根號(hào)控制，隨t（事故發(fā)生經(jīng)歷時(shí)間）變大，變到最大值后，就主要受第2個(gè)根號(hào)控制，隨t縮小直到0。顯然此危害水團(tuán)中心位于ut處，半徑隨時(shí)間在變化，危害范圍XD（t）∈[ut-R（t），ut+R（t）]。令式（4）中的第2個(gè)根號(hào)內(nèi)的值等于0，可得危害水團(tuán)存在的最大時(shí)間TM：

許多情況，事故排放的危險(xiǎn)品屬于保守物質(zhì)，在水中不會(huì)衰減，此時(shí)k=0。這種情況下危害水團(tuán)存在的最長(zhǎng)時(shí)間可以直接計(jì)算，表達(dá)式為：

由此，可求出以閾值濃度C00*為危害判別標(biāo)準(zhǔn)的危害影響全部距離為：

（4）最大危害半徑估算[4]。污染物在事故排放瞬時(shí)排入河流，一開始形成一個(gè)濃度極高（數(shù)學(xué)上≈∞）的污染團(tuán)塊。隨著時(shí)間的推移，污染物隨河水往下游推流，同時(shí)由于彌散等作用，其中心濃度及其濃度梯度不斷變小。濃度在C00*以上的危害區(qū)域，一開始隨時(shí)間t擴(kuò)大，在其范圍達(dá)到最大值（2RM）以后，又隨時(shí)間t收縮，直到縮小至0。為求最大危害半徑值RM，可對(duì)危害半徑公式（4）求導(dǎo)，并令 ?R/?t=0，先求得最大危害半徑出現(xiàn)時(shí)刻 t=τ：

對(duì)于不可降解的污染物，當(dāng)k=0時(shí)則可得出下式直接解出τ：

將求出的τ代人危害半徑表達(dá)式4，即得最大危害半徑RM，它在時(shí)刻τ出現(xiàn)于uτ處：

對(duì)于不可降解污染物，k=0，則有：

4.2 參數(shù)確定

模型計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表3、表4。

表3 模型計(jì)算參數(shù)

表4 控制斷面水質(zhì)閾值濃度、上游背景濃度及風(fēng)險(xiǎn)斷面與控制斷面距離

4.3 風(fēng)險(xiǎn)源及河流計(jì)算單元概化

概化結(jié)果見(jiàn)表5、圖2。

表5 汾河上游水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源概化結(jié)果

圖2 汾河水庫(kù)上游水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)模擬計(jì)算單元概化

4.4 計(jì)算結(jié)果分析

模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 汾河水庫(kù)上游水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)模擬計(jì)算結(jié)果

模擬結(jié)果表明，敏感保護(hù)目標(biāo)的可接受污染物排放濃度閾值、影響半徑、危害水團(tuán)最長(zhǎng)存在時(shí)間及危害影響距離，汾河干流風(fēng)險(xiǎn)源1最大，嵐河風(fēng)險(xiǎn)源2和風(fēng)險(xiǎn)源3次之，澗河風(fēng)險(xiǎn)源4、5、6最?。活A(yù)測(cè)的特征污染物中NH4-N的可接受濃度閾值較低，影響半徑較小，但危害持續(xù)時(shí)間和最大影響距離與CODcr的變化相近，無(wú)明顯差別。因此，為及時(shí)有效控制風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生和應(yīng)對(duì)其可能產(chǎn)生的污染危害，汾河水庫(kù)上游的嵐河風(fēng)險(xiǎn)源控制范圍為半徑41.19m區(qū)域，危害最遲處置時(shí)間控制在4h之內(nèi)，沿河道縱向控制最長(zhǎng)距離為10.39km；澗河風(fēng)險(xiǎn)源控制范圍為半徑36.17m的區(qū)域，危害最遲處置時(shí)間控制在3.09 h之內(nèi)，沿河道縱向控制最長(zhǎng)距離為6.3km。汾河水庫(kù)上游水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)模擬結(jié)果分析見(jiàn)圖3。

圖3 汾河水庫(kù)上游水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)模擬結(jié)果分析

5 結(jié)論

研究表明，在定性識(shí)別和篩選主要風(fēng)險(xiǎn)源、風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)的基礎(chǔ)上，以水環(huán)境敏感保護(hù)目標(biāo)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)閾值為約束條件，利用一維流場(chǎng)點(diǎn)源瞬時(shí)排放危害模型模擬突發(fā)河流水環(huán)境污染事故造成的危害過(guò)程，通過(guò)估算風(fēng)險(xiǎn)源的危害特征值來(lái)定量預(yù)測(cè)和評(píng)估突發(fā)水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)危害，可以為及時(shí)控制和有效處置風(fēng)險(xiǎn)的決策提供科學(xué)依據(jù)。

[1]郭仲偉.風(fēng)險(xiǎn)分析與決策[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

[2]陸雍森.環(huán)境評(píng)價(jià)(第二版)[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，1999.

[3]曾光明，何理，黃國(guó)和，等.河流水環(huán)境突發(fā)性與非突發(fā)性風(fēng)險(xiǎn)分析比較研究[J].水電能源科學(xué)，2002，20(3)：23-15.

[4]徐峰，石劍榮，胡欣.水環(huán)境突發(fā)事故危害后果定量估算模式研究[J].上海環(huán)境科學(xué)增刊，2003，（S2）：64-71.