梯級水庫群環(huán)境風(fēng)險分析

湯正陽 ，汪 磊 *，任玉峰 ，林俊強(qiáng) ，羅小林

（1.中國長江三峽集團(tuán)公司，北京 100038；2.三峽水利樞紐梯級調(diào)度通信中心，湖北 宜昌 443133;3.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

我國水電能源發(fā)展迅速，在長江上游、瀾滄江、黃河上游等流域形成了規(guī)模龐大的梯級水電站群[1]，為社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供持續(xù)的清潔能源，并在流域聯(lián)合防洪、航運、供水、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等方面發(fā)揮綜合效益[2-3]。梯級電站水庫群運行對流域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響，諸多學(xué)者對此開展了研究。紀(jì)道斌等[4]系統(tǒng)歸納了梯級水庫運行對流域水質(zhì)、泥沙、水溫的影響，認(rèn)為梯級水庫使庫區(qū)水體自凈能力降低、營養(yǎng)物沉積，水體富營養(yǎng)化程度加重，同時也能使下游水質(zhì)得到一定改善?？軙悦返萚5]認(rèn)為梯級布局對水環(huán)境的影響較大，河段控制性水庫的布局和調(diào)節(jié)方式?jīng)Q定了對水質(zhì)的影響作用，且大型水庫對污染物的稀釋作用明顯。李蘭等[6]利用美國三維水環(huán)境流體動力學(xué)模型對特大型水庫水流進(jìn)行了耦合預(yù)測，認(rèn)為夏季水庫水溫較天然水溫偏低，但冬季水溫明顯高于天然水溫，對魚類活動有一定影響。我國對流域梯級電站水庫群的運行管理，一般采用以水電企業(yè)為責(zé)任主體、進(jìn)行流域統(tǒng)一管理模式。在流域聯(lián)合防洪和發(fā)電方面，研究成果豐碩，實際應(yīng)用廣泛[7-8]。由于梯級水庫群上下游之間水力聯(lián)系緊密，流域上游水庫水環(huán)境問題會隨著水流傳播給下游水庫，并持續(xù)向流域下游傳播，加劇環(huán)境問題的嚴(yán)重程度。此外，水環(huán)境問題可能以電流和結(jié)構(gòu)力學(xué)流的方式傳遞給電網(wǎng)和電站機(jī)組、水工建筑物，事故后果嚴(yán)重，傳遞方式和機(jī)理復(fù)雜。因此，梯級水庫水環(huán)境及其風(fēng)險管控得到廣泛關(guān)注，相關(guān)研究卻較為缺乏。本文研究梯級水庫群環(huán)境風(fēng)險管控問題，在單個水庫風(fēng)險控制基礎(chǔ)上，探索梯級水庫群環(huán)境風(fēng)險耦合傳播機(jī)理，構(gòu)建風(fēng)險管控方法，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 方法

1.1 貝葉斯概率計算理論

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是目前不確定知識表達(dá)和推理領(lǐng)域最有效的理論模型之一[9]，由Pearl在1988年提出，在水文、環(huán)境等領(lǐng)域有廣泛的研究[10-11]。在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)確定的節(jié)點拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和條件概率分布，可以使用貝葉斯理論，對未知數(shù)據(jù)計算條件概率或后驗概率，從而達(dá)到診斷、預(yù)測或分類目的。通過給定的樣本數(shù)據(jù)，建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和節(jié)點的條件概率分布參數(shù)，通常借助先驗知識和極大似然估計來完成。把某個研究系統(tǒng)中涉及的隨機(jī)變量，根據(jù)是否條件獨立繪制在一個有向圖中，就形成了貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，又稱有向無環(huán)圖模型。它是一種概率圖模型。由有向無環(huán)圖可以得知一組隨機(jī)變量（X1，X2，…，XN）及其n組條件概率分布的性質(zhì)。

一般而言，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)有向無環(huán)圖總的節(jié)點表示隨機(jī)變量，可以是觀察變量、隱變量、未知變量參數(shù)等。連接兩個節(jié)點的箭頭表示此兩個隨機(jī)變量有因果關(guān)系（或非條件獨立）。若兩個節(jié)點間以一個單箭頭連接在一起，表示其中一個節(jié)點是“因（Parents）”,另外一個是“果（Children）”，兩個節(jié)點就會產(chǎn)生一個條件概率值。每個節(jié)點在給定其直接前驅(qū)時，條件獨立于其后續(xù)。

1.2 風(fēng)險分析方法

1.2.1 風(fēng)險源識別

風(fēng)險源識別是災(zāi)害風(fēng)險管理的基礎(chǔ)工作。根據(jù)流域梯級水電站及其水庫群運行管理特點，劃分安全運行風(fēng)險評價單元，識別各風(fēng)險評價單元中的環(huán)境風(fēng)險源。

風(fēng)險源識別的常用方法有頭腦風(fēng)暴法、問卷調(diào)查法、德爾斐法、失效模式與效應(yīng)分析法、故障樹分析法等。頭腦風(fēng)暴法是通過專家的知識經(jīng)驗和對風(fēng)險的認(rèn)識來進(jìn)行風(fēng)險源窮舉的辦法。通過專家之間信息交流，找出全局風(fēng)險因素，綜合專家意見，做出判斷，找到梯級水庫群面臨的環(huán)境風(fēng)險。問卷調(diào)查法的調(diào)研對象廣泛。通過向調(diào)查者發(fā)出調(diào)查問卷，收集盡可能多的風(fēng)險源調(diào)查樣本。問卷調(diào)查的對象不僅包括樞紐運行管理人員，還包括來自樞紐設(shè)計、建設(shè)等單位的專業(yè)人員。德爾斐法是對專家進(jìn)行3～5次輪流征求意見，對每輪風(fēng)險源的調(diào)查結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計匯總，再進(jìn)行下一輪征求意見，最后歸納出的是基本一致的風(fēng)險源。在實際操作過程中，本文使用德爾斐法進(jìn)行關(guān)鍵風(fēng)險要素的甄別，在對風(fēng)險要素全面分析的基礎(chǔ)上把握重點與關(guān)鍵。

1.2.2 梯級水庫環(huán)境風(fēng)險分析

在梳理梯級水庫運行期環(huán)境影響因子及其特征基礎(chǔ)上，向源頭追溯所有可能的風(fēng)險源，并深入分析作用于風(fēng)險源的風(fēng)險誘因。根據(jù)實際運行管理情況，提出阻斷風(fēng)險源發(fā)展成風(fēng)險事件的預(yù)防手段。從結(jié)果追溯所有可能的環(huán)境風(fēng)險后果，以及緩解風(fēng)險后果擴(kuò)大成次生風(fēng)險或次生災(zāi)害的緩解手段。形成環(huán)境風(fēng)險事件的拓?fù)鋫鬟f關(guān)系，并繪制風(fēng)險關(guān)系領(lǐng)結(jié)圖，以達(dá)到識別環(huán)境風(fēng)險形成和傳遞機(jī)理的目的。

風(fēng)險源與風(fēng)險事件因果關(guān)系分析采用思維導(dǎo)圖法和風(fēng)險關(guān)系領(lǐng)結(jié)圖法。單體水庫風(fēng)險傳遞分析基于系統(tǒng)動力學(xué)[12-13]，研究風(fēng)險在單個水庫庫區(qū)的傳遞關(guān)系。由環(huán)境風(fēng)險誘因影響風(fēng)險源，作用于風(fēng)險承載體，導(dǎo)致環(huán)境風(fēng)險事件，繪制單體水庫風(fēng)險傳遞鏈圖。梯級電站風(fēng)險拓?fù)潢P(guān)系利用系統(tǒng)動力學(xué)方法，識別環(huán)境風(fēng)險在梯級水庫間的疊加、累積和傳遞的拓?fù)潢P(guān)系，繪制梯級水庫風(fēng)險傳遞轉(zhuǎn)化拓?fù)鋱D，揭示梯級水庫風(fēng)險的相互影響因素、關(guān)聯(lián)機(jī)理及傳遞特性等。在此基礎(chǔ)上，可利用梯級水庫耦合風(fēng)險管控的措施，截斷環(huán)境風(fēng)險隨水流向下游傳播的路徑，從而緩解和控制風(fēng)險。

2 研究區(qū)概況

金沙江流域水電能源基地是我國十三大水電能源基地之首，近年來已建成投產(chǎn)了多座大型水庫電站，形成了混聯(lián)式流域梯級水庫群[14]。金沙江下游梯級水電站群，包括烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩四座巨型電站，總裝機(jī)超過4.6×107kW，為我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了持續(xù)穩(wěn)定的清潔能源。目前溪洛渡-向家壩梯級電站已投產(chǎn)運行，是西電東送的骨干工程，為華東地區(qū)電力供應(yīng)提供了有效的保障。同時金沙江下游流域，緊鄰長江上游珍稀特有魚類國家級自然保護(hù)區(qū)，是長江上游重要生態(tài)屏障和水源涵養(yǎng)地，自然資源豐富、生態(tài)環(huán)境敏感，環(huán)境風(fēng)險管理至關(guān)重要。本文以溪洛渡和向家壩梯級水庫群為研究對象（圖1），根據(jù)水庫運行管理資料、水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究區(qū)自然地理數(shù)據(jù)和社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，基于災(zāi)害系統(tǒng)理論和系統(tǒng)動力學(xué)，識別梯級水庫環(huán)境風(fēng)險承載體、風(fēng)險源、風(fēng)險誘因、單體電站風(fēng)險傳遞鏈和梯級水庫風(fēng)險拓?fù)潢P(guān)系，并嘗試性地提出梯級耦合風(fēng)險的截斷措施，為流域梯級水庫環(huán)境風(fēng)險控制和管理提供基礎(chǔ)。

圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig.1 Location of the study area

3 計算與分析

水庫建成投產(chǎn)后，對流域水環(huán)境的影響主要分為兩個方面[15]：（1）庫區(qū)流速減緩，稀釋和復(fù)氧能力下降。庫區(qū)人口集中的城鎮(zhèn)排放的廢水在城鎮(zhèn)附近水域?qū)⑿纬梢欢ǚ秶奈廴編?，局部水域可能發(fā)生季節(jié)性富營養(yǎng)化現(xiàn)象。（2）水庫建成蓄水將導(dǎo)致庫區(qū)水動力條件減弱。倘若庫區(qū)排污控制不當(dāng)，將造成庫區(qū)水質(zhì)超標(biāo)、水體富營養(yǎng)化等風(fēng)險事件。溪洛渡和向家壩梯級電站投產(chǎn)運行后，分別形成了總庫容為1.26×1010m3和5.1×109m3的兩座水庫，在兩座巨型電站運行帶動下，沿岸社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，人口增多，環(huán)境風(fēng)險增大，環(huán)境問題需引起高度重視。

3.1 環(huán)境風(fēng)險承載體

根據(jù)災(zāi)害系統(tǒng)理論，風(fēng)險承載體是指風(fēng)險的直接承受體，即風(fēng)險事故直接指向的對象。溪洛渡-向家壩梯級水庫群環(huán)境風(fēng)險承載體為溪洛渡和向家壩庫區(qū)的水體。

3.2 環(huán)境風(fēng)險源

利用頭腦風(fēng)暴法、問卷調(diào)查法和專家咨詢法，從水質(zhì)風(fēng)險識別和預(yù)警角度出發(fā)，上游溪洛渡環(huán)境風(fēng)險源識別指標(biāo)包括COD、總磷、總氮、pH、重金屬等。以溪洛渡庫區(qū)目前水質(zhì)類別作為風(fēng)險識別閾值，當(dāng)溪洛渡水質(zhì)指標(biāo)超過目前水質(zhì)類別最大值，則認(rèn)為有環(huán)境風(fēng)險事件發(fā)生。根據(jù)下游向家壩電站金沙江干流水質(zhì)監(jiān)測研究報告，向家壩水庫蓄水后庫區(qū)干流斷面水質(zhì)不斷好轉(zhuǎn)，水質(zhì)評價類別均達(dá)到Ⅲ類，甚至還出現(xiàn)Ⅱ類水質(zhì)的良好現(xiàn)象。以向家壩庫區(qū)各水質(zhì)指標(biāo)，即COD、總磷、總氮、pH、重金屬等，作為環(huán)境風(fēng)險識別指標(biāo)，以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)作為風(fēng)險識別的預(yù)警值。

3.3 環(huán)境風(fēng)險誘因

溪洛渡庫區(qū)，主要是永善縣溪洛渡鎮(zhèn)、雷波縣、上田壩鎮(zhèn)、黃華鎮(zhèn)和對坪鎮(zhèn)工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活污染物存在超標(biāo)排放。向家壩庫區(qū)，主要是新灘壩、書樓村、新壽村、綏江縣會議鎮(zhèn)、新灘鎮(zhèn)、錦屏鎮(zhèn)、綏江縣中城鎮(zhèn)、新安鎮(zhèn)、新市鎮(zhèn)和檜溪鎮(zhèn)工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活污染物超標(biāo)排放。

3.4 環(huán)境風(fēng)險傳遞分析

3.4.1 風(fēng)險傳遞分析

溪洛渡-向家壩梯級水庫環(huán)境風(fēng)險分為突發(fā)環(huán)境污染對水質(zhì)影響（圖2）和水動力減弱對水質(zhì)（圖3）影響兩類。由于庫區(qū)沿岸人口眾多，城鎮(zhèn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，沿岸礦產(chǎn)較為豐富，航運日益頻繁，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，溪洛渡-向家壩庫區(qū)均有船只運輸化學(xué)原料。在水庫調(diào)峰運行或泄洪時，水位波動頻繁，且泄洪霧化可能使庫區(qū)邊坡不穩(wěn)。水位陡增陡降，可能致使船只傾覆，使運輸?shù)幕瘜W(xué)原料進(jìn)入庫區(qū)，污染水體，導(dǎo)致水電站被迫停機(jī)，進(jìn)入非正常運行狀態(tài)，影響機(jī)組安全穩(wěn)定運行。此外，污染還可能導(dǎo)致魚類大量死亡，若不快速有效處理，死亡后的魚類有機(jī)質(zhì)分解可能進(jìn)一步污染庫區(qū)水體。

圖2 突發(fā)環(huán)境污染對水質(zhì)影響風(fēng)險傳遞鏈圖Fig.2 Risk transfer chain of water qulity in the reservoir area due to sudden environmental pollution

圖3 庫區(qū)水動力減弱對水質(zhì)影響風(fēng)險傳遞鏈圖Fig.3 Risk transfer chain of water quality in the reservoir area due to the impact of weakened hydrodynamics

根據(jù)實地調(diào)查，溪洛渡和向家壩庫區(qū)沿岸城鎮(zhèn)均存在生產(chǎn)和生活污水直接排放入庫區(qū)的情況。水庫流速較天然條件慢，在適宜的溫度前提下，易造成水體富營養(yǎng)化，導(dǎo)致水中藻類爆發(fā)式生長，水體含氧量下降，魚類大量死亡，若不快速有效處理，有機(jī)質(zhì)分解可能進(jìn)一步污染庫區(qū)水體。溪洛渡壩址和向家壩壩址直線距離不足120 km，水流傳播時間為3～6 h，水力聯(lián)系緊密。因此，如果溪洛渡水庫發(fā)生環(huán)境事故，污染物隨水流向下游傳播，使向家壩水庫遭受污染，并可能傳播至向家壩下游，污染下游河道水體。溪洛渡-向家壩梯級風(fēng)險傳遞拓?fù)鋱D，如圖4所示。

圖4 溪洛渡-向家壩梯級環(huán)境風(fēng)險傳遞拓?fù)鋱DFig.4 Topological diagram of environmental risk transfer in Xiluodu-Xiangjiaba cascade reservoirs

3.4.2 風(fēng)險概率計算

上述分析表明，溪洛渡-向家壩梯級水庫群環(huán)境風(fēng)險傳遞機(jī)理較為復(fù)雜，具有突發(fā)環(huán)境污染和庫區(qū)水動力減弱兩條風(fēng)險傳遞鏈。在電站調(diào)峰運行、泄洪洞等水工建筑物運用、霧化侵蝕邊坡、城鎮(zhèn)污水排放多因素影響下，風(fēng)險以一定概率向機(jī)組、下游水庫和河道傳播。由于資料限制，文中僅分析水庫富營養(yǎng)化造成藻類爆發(fā)和死魚整個事件的風(fēng)險傳播途徑及其概率計算結(jié)果。如圖5所示，溪洛渡-向家壩梯級水庫發(fā)生富營養(yǎng)化的風(fēng)險源為庫區(qū)水體的富營養(yǎng)化相關(guān)指標(biāo)。風(fēng)險誘因主要包括3部分：庫區(qū)污染物排放、水動力減弱和適宜水溫，風(fēng)險事件后果為藻類爆發(fā)和死魚。

圖5 溪洛渡-向家壩梯級水庫發(fā)生富營養(yǎng)化風(fēng)險傳遞拓?fù)鋱DFig.5 Topological diagram of eutrophy risk in Xiluodu-Xiangjiaba cascade reservoirs

根據(jù)實地調(diào)研結(jié)果和溪洛渡-向家壩梯級電站水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法計算。圖6（a）所示的計算過程表明，由于水動力減弱和庫區(qū)污染物排放，導(dǎo)致庫區(qū)水體藻類爆發(fā)的概率為2.42%，死魚的概率為1.21%。相關(guān)研究表明，水體富營養(yǎng)化后[16]，藻類迅速生長，影響魚類的生存環(huán)境，與概率計算結(jié)果一致。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)事件的反向溯源計算。如圖6（b）所示，當(dāng)庫區(qū)發(fā)生死魚事件時，庫區(qū)排放污染物的概率為26.1%，水動力條件減弱的概率為5.23%，水溫不合宜的概率僅為1.87%。水動力條件減弱可能僅會導(dǎo)致溶解氧的些微下降，只會輕微增加魚類死亡的可能，與計算的5.23%概率定性一致。從國內(nèi)已發(fā)生的魚類死亡事件分析[17]，污染物排放是導(dǎo)致魚類死亡最主要的原因之一，該類原因概率較大。水動力條件減弱會導(dǎo)致溶解氧下降，對魚類生存條件產(chǎn)生影響，但非最主要原因，因而發(fā)生概率較污染物排放小。由于研究區(qū)水庫水體大，氣候條件良好，水溫隨氣候穩(wěn)定變化（局部區(qū)域受其他因素影響，可能有較小的異常變化）。因此，當(dāng)發(fā)生死魚事件時，水溫不合宜的概率最小，與計算結(jié)果吻合。

圖6 溪洛渡-向家壩梯級水庫貝葉斯概率計算Fig.6 Bayes probability calculation in Xiluodu-Xiangjiaba cascade reservoirs

3.4.3 環(huán)境風(fēng)險傳遞及管控

根據(jù)災(zāi)害風(fēng)險系統(tǒng)理論，流域梯級水庫對庫區(qū)水質(zhì)風(fēng)險事件的分析包括7個部分，分別為：風(fēng)險承載體、風(fēng)險識別、風(fēng)險誘因、防范措施、風(fēng)險后果、處置措施、風(fēng)險監(jiān)測。為揭示金沙江流域梯級水庫運行導(dǎo)致水環(huán)境污染的風(fēng)險相互影響因素、關(guān)聯(lián)機(jī)理及傳遞特性等，識別風(fēng)險在梯級水庫間的疊加、累積和傳遞的拓?fù)潢P(guān)系，在風(fēng)險指標(biāo)框架和風(fēng)險計算基礎(chǔ)上，繪制了金沙江流域梯級水庫群的風(fēng)險傳遞拓?fù)鋱D（圖7）。分析表明，梯級水庫水質(zhì)污染主要是由于風(fēng)險誘因（各類污染物排放）作用于庫區(qū)水體。主要的預(yù)防手段是在流域梯級水庫區(qū)域加強(qiáng)巡視檢查，禁止將生活和生產(chǎn)污染物直接排入水庫；同時，加強(qiáng)沿線地區(qū)的環(huán)境保護(hù)宣傳和教育，提高人民群眾環(huán)保意識。水庫運行管理單位應(yīng)加強(qiáng)水庫水文水質(zhì)監(jiān)測，對水庫水質(zhì)和水量進(jìn)行全方面管理，保障水庫群安全穩(wěn)定運行。流域水庫發(fā)生風(fēng)險事件后，如水動力減弱導(dǎo)致梯級水庫出現(xiàn)富營養(yǎng)化之后，應(yīng)立即采取應(yīng)急處置措施，包括人工打撈藻類和生物降藻。若發(fā)生地點在向家壩庫區(qū)，應(yīng)立即安排溪洛渡水庫進(jìn)行應(yīng)急補(bǔ)水，減少營養(yǎng)物質(zhì)濃度，并打撈死魚，防止污染范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。

圖7 環(huán)境風(fēng)險傳遞拓?fù)鋱DFig.7 Topology of environmental risk transfer in Xiluodu-Xiangjiaba cascade reservoirs

4 結(jié)論

流域梯級電站群對我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展意義重大，同時，其投產(chǎn)運行對流域環(huán)境也產(chǎn)生影響。根據(jù)水庫運行管理資料、水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究區(qū)自然地理數(shù)據(jù)和社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，基于災(zāi)害系統(tǒng)理論和系統(tǒng)動力學(xué)，提出了水質(zhì)污染風(fēng)險事件的風(fēng)險鏈邏輯，并建立水質(zhì)風(fēng)險指標(biāo)框架。從風(fēng)險源頭開始進(jìn)行排查，系統(tǒng)分析了風(fēng)險承載體、風(fēng)險源和風(fēng)險誘因，梳理建立了風(fēng)險鏈條關(guān)系，識別了梯級水庫環(huán)境風(fēng)險承載體、風(fēng)險源、風(fēng)險誘因、單體電站風(fēng)險傳遞鏈和梯級水庫風(fēng)險拓?fù)潢P(guān)系。結(jié)果表明，溪洛渡-向家壩梯級水庫環(huán)境風(fēng)險通過水流、電流、系統(tǒng)動力學(xué)流進(jìn)行傳播，并會影響電站機(jī)組和水工建筑物安全。以水庫富營養(yǎng)化為例，計算了相應(yīng)的風(fēng)險事件發(fā)生概率，繪制了水質(zhì)風(fēng)險傳遞拓?fù)鋱D，并嘗試性提出梯級耦合風(fēng)險的截斷措施，為流域梯級水庫環(huán)境風(fēng)險控制和金沙江流域梯級水庫區(qū)運行對水環(huán)境影響風(fēng)險管控提供支持。