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1、1感潮河网区突发性水污染事故预警预报关键技术探讨感潮河网区突发性水污染事故预警预报关键技术探讨翁士创1 杨静2 廉浩1（1.珠江水资源保护科学研究所，广东 广州 510611；2.环境保护部华南环境科学研究所，广东，广州）摘要：摘要：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，事故一旦发生，引发的环境问题将十分严重。本文在分析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个特点的基础上，指出感潮河网区突发性水污染事故预警预报存在着污染物传播扩散规律复杂、事故要求响应时间短、边界条件预报难度大、污染物特征参数设置复杂等难点，进而从预警预报模型的选择、事故污染物参
2、数设置、预见性边界条件设置三个方面探讨感潮河网区突发性水污染事故预警预报的关键技术。关键词：关键词：感潮河网；突发性水污染事故；预警预报；关键技术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。根据原国家环保总局的调查显示，2006 年全国 10 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1。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
3、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。但是，目前国内尚未建立起比较完善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预警预报技术的研发工作。1 1 突发性水污染事故的突发性水污染事故的特点特点造成水污染事故的污染源，按照属性可分为物理、化学和生物污染源，其中化学污染源是最主要的污染源，也是危害最大的一类污染源。本文所述突发性水污染事故的污染物主要指化学性污染物。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点23。（1）不确定
4、性：突发性水污染事故的不确定性包括事故发生时间、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径流、潮汐、气象条件，事故影响范围和持续时间等。（2）危害紧急性：突发性水污染事故涉及因素较多，且事发突然，事故发生后的短时间内就可能会对水源地造成影响，迅速进入城市供水系统，引发重大社会问题。（3）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 2 突发性水污染事故预警预报原则突发性水污染事故预警预报原则鉴于突发性水污染事故的发生、发展、危害具有很大的不确定
5、性，为了将污染事故的影响降至最低，必须采取及时有效地措施，模拟预测污染事故事态的发展，对下游受影响区域或用户提出快速预警。因此，笔者认为，突发性水污染事故预警预报不同于一般的水质预测模拟，必须遵循以下原则：（1）快速性原则：预警预报应能在事故发生后的第一应急响应时间内作出反应，为决策者提供最初的应急决策依据，因此首要原则就是快速。主要包含两个方面，一是模拟计算速度快，对事故的模拟计算要快，最好能够在几分钟之内完成参数设置并在 10 分钟之内完成模拟计算；二是反应速度快，预警预报启动后能够立即查询调出有用的数据，如污染事故发生后，水厂取水口的最大可能预警时间、污染带的影响时间等。（2）科学性原则
6、：科学性是保证预警预报能够发挥积极作用的关键。虽然预警预报系统首要的任务并不是精确模拟，其结果不可能十分精确，但必须能够反映出水动力、潮汐动力等物理现象的客观规律，能够反映污染物运动的轨迹、前锋的位置。2（3）实用性原则：由于在事故发生后的一段时间内，污染物的种类、化学性质、泄流量等信息可能仍不明确，因此预警预报的参数设置不宜过多、专业性过强，参数设置要简单化、有一定的弹性。3 3 感潮河网突发性水污染事故预警预报难点感潮河网突发性水污染事故预警预报难点（1）从污染物传播扩散规律来看：河网区河流纵横交错，水网复杂，加之受潮汐影响，潮流反复，污染物传播扩散规律复杂，增加了准确预警预报的难度。（2
7、）从污染事故的响应时间要求来看：预警预报最基本的要求就是在事故发生后极短时间内提出预警，即有快速的事故响应时间。而事故响应时间主要受限于两个方面：模型的前处理，包括污染物参数设置、水文边界条件的设置等；模型的运行计算时间，视事故地点与水动力条件的不同，一般要求 15 天以上的计算时间。基于这两个限制因素，要求预警预报模型具有简便的模型前处理、优化的算法和高速的计算速度。（3）从边界条件的获取来看：上边界径流短期预报难度大，技术不成熟，枯水期径流预报更处于探索阶段；下边界潮位受上游径流和口门潮流的双重影响，水流变化表现出高度的非线性。这两个问题使得污染事故发生后的极短时间准确设置上、下边界条件的
8、难度增大。（4）从污染物特征参数来看：事故污染物种类繁多、性质（溶解性、挥发性、降解性、比重等）各异，在水体中的迁移、扩散、吸附、解析的机理也尚在研究阶段，这种污染物的特殊性使得不可能预先建立严格适应所有污染物的数学模型。针对上述预警预报难点，下文从预警预报模型的基本要求、事故污染物参数设置、预见性边界条件设置三个方面探讨突发性水污染事故预警预报的关键技术。4 4 预警预报模型的选择预警预报模型的选择4.14.1 预警预报模型的基本要求预警预报模型的基本要求感潮河网是一个受径流和潮汐联合作用的复杂河网，干、支流系统复杂，边界条件多样，要满足对突发性水污染事故测算准确、预警快速的要求，必须合理选
9、择模拟技术。突发性水污染事故预警预报模型必须具备以下要求：（一）必须具有较快的计算速度。以珠江下游及三角洲河网为例，自梧州到出海口门约 200km，视流速的不同水流传输时间一般为 25 天；受潮流顶托影响，污染物传输时间更长。因此能在极短时间内完成长时间的水动力、水质模拟计算，是对模型选择的首位要求。（二）必须具有较快的收敛速度。要求模型计算迭代次数一般为 1-2 次，个别时间不超过 10 次，这样才能提高整体的模拟效率，在污染事故发生后迅速作出预报。（三）必须具有很好的稳定性。在各种河道地形、旁侧入流或出流条件、水文边界条件下均有较好的稳定性，能够计算出合理的解。（四）要求操作简单参数意义明
10、确。在污染事故发生后通过简单的操作、简便的参数设置就能迅速获得满足一定精度要求的数值解与模拟预测结论。4.24.2 预警预报模型的基本要求预警预报模型的基本要求综合上述四项基本要求，建议采用感潮河网一维水动力水质数学模型作为突发性水污染事故预警预报的模拟计算工具。具体方程如下：连续性方程：动量方程：对流输移方程：式中，为计算断面水位（潮位） ，m2；为流量，m3/s；，为断面平均流速，m/s；为有效HQAQu/A过水断面面积，m2；为重力加速度，m2/s；为有效过水断面的水面宽，m；为侧向入流或出流(入流为正，出gBLq流为负)，m3/s；是水力半径；是谢才(Chezy)系数；为沿主流向的纵向
11、距离，m；为计算时间，s；为RSCxtC0)()()( SSxCAExxQC tACcXLqxQ BtH102 RCuugxHgxuutuS3污染物浓度，mg/L；为河段纵向离散系数，m2/s；是与污染物浓度有关的衰减项；是外部的源、汇项。xEcSS上述方程的解法已有很成熟的算法，如张二俊提出的河网非恒定流的三级联合解法4；褚君达提出的对流输移方程的隐式差分迎风格式法5等，本文不再赘述。5 5 事故污染物参数设置事故污染物参数设置不同性质的污染物，其比重、溶解性、挥发性、降解性等性质各异，在水体中的迁移、扩散、吸附、解析的机理也尚在研究阶段，不可能预先建立严格适应所有污染物的数学模型。因此，下
12、文从实用性原则出发，介绍污染物参数设置的原则，并以六类污染物为例，探讨污染物特征参数的设置方法。5.15.1 污染物特征参数的设置原则污染物特征参数的设置原则6作为突发性水污染事故预警预报，最重要的任务就是在最短的时间内提出预警，而不是对污染影响进行精确计算，因此污染物特征参数的设置应遵循以下三个原则：（1）简单化原则：即参数的设置不宜过细、理论性过强，应适当简单化；在很多基本参数不完全准确或尚未获取的情况下，也应能提供相应的或定制的参数供用户选择。（2）偏安全性原则：参数设置应从偏安全角度出发，对污染物的降解、挥发、沉降等属性的设置留有一定余地。（3）兼容性原则：事故污染物种类繁多，性质各异
13、，不可能对每一种污染物都预先进行深入的研究，因此参数设置必须能够对同类污染物均具有兼容性。5.25.2 事故污染物参数设置事故污染物参数设置根据常见事故污染物的理化性质，可将常见事故污染物归纳为常规污染物、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、其它类型等六类污染物。下文所指的事故污染物参数是特指预警预报模型计算中所涉及的与污染物性质（降解、挥发、沉降等）关联的衰减项 Sc和与污染物排放量、排放方式（连续排放、瞬时排放、某时间段连续排放）关联的外源项 S。根据上述污染物特征参数设置原则，可将此六类污染物的参数做如下处理：5.2.15.2.1 常规污染物常规污染物常规污
14、染物以 CODCr、NH3-N 为代表，主要的事故风险源为工矿企业或城镇污水处理厂的事故排放。衰减项 Sc主要体现为污染物的降解系数，其中 CODCr可取 0.10/d 0.15/d， NH3-N 可取 0.05/d0.10/d；外源项 S 由事故发生源的排放量与排放方式决定，排放方式一般为某段时间的连续性排放。5.2.25.2.2 重金属离子重金属离子重金属离子如 Cu2+、Cd2+、Pb2+等，主要的事故风险源为电镀废水、冶炼废水、尾矿废水的事故排放。重金属离子在水体中具有可溶性，且化学性质稳定，不易降解，除小部分吸附在底泥中外，大部分随水流向下游迁移传输，对于污染影响的短期预报可视为保守
15、物质，因此取衰减项 Sc为 0；外源项 S 的设置同常规污染物。5.2.35.2.3 可溶性非金属有毒物可溶性非金属有毒物有毒无机物以氰化物最为典型。氰化物具有很大的可溶性，进入水体后氰化物水解形成剧毒的氰化氢。由于氰化氢的沸点为 25oC，在常温下具有挥发性，可在模型中加入降解项。由于氰化物的挥发与水体流速、温度、酸度、大气温度、气压等均有关系，其机理比较复杂，且氰化物一旦泄露，危害巨大。因此，从偏安全角度可考虑氰化物的衰减项Sc为 0；外源项 S 的设置同常规污染物。5.2.45.2.4 难溶性非金属有毒物难溶性非金属有毒物难溶性非金属有毒物以砒霜最为典型，主要的风险源是运输。这类污染物最
16、大的特点是进入水中后，大部分沉入水中，仅小部分溶解；其中溶解部分随着水体向下游迁移传输，而沉入水中部分被不断释放出来。基于这个特性，在外源项 S 的处理上，可以假定此类污染物的排放方式为溶解性持续排放，其饱和排放源强在理论上约为砒霜在常温下的溶解度（D）与河流流量（Q）之积，即 DQ104，单位 g/s。5.2.55.2.5 可溶性有机物可溶性有机物可溶性有机物最为典型的是甲醇、可溶性有机农药等，此类物品在运输、储存及使用过程中均有泄露的风险。可溶性有机物在水体中化学性质稳定，不易降解，因此可视为保守物质，衰减项 Sc取 0。外源项 S 的设置同常规污染物。45.2.65.2.6 其它污染物其它污染物由于突发性水污染事故特征污染物种类繁多，尤其是大部分事故在发生后一段时间内，仍不清楚哪种污染物产生泄露。因此，为了有较好的兼容性，对于上述未提到的突发性水事故特征污染物，可参考上述五类污染物的特征进行设置。另外，需特别明确的是，对于比重轻于水的难溶性有机物，如石油类，
