第３期（总第１８９期） 山西水利科技 ５３ 文章编号：１００６—８１３９（２０１３）０３—０５３－０４ 汾河水库上游河流水环境风险评价 赵海生朱文涛郑彦强 （山西省生态环境研究中心山西太原０３０００２） 摘要：研究以满足太原市集中饮用水源地水质要求为前提，采用河流一维水质模型，模拟和定量评价了汾河水库 上游突发性水环境污染事故风险。具体包括：识别污染事故风险危害，表征水环境危害大小，估算事故危害区范围以及危 害期长短；最终定量评价了汾河上游水环境风险，为制定汾河上游水环境风险防范与控制对策提供了技术依据。 关键词：汾河水库；河流水环境；事故风险；定量分析 中图分类号：ｘ５２２ 文献标识码：Ａ Ｗａｔｅｒ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｒｉｓｋ Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｆｏｒ Ｕｐｓｔｒｅａｍ ｏｆ Ｆｅｎｈｅ Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ＺＨＡＯ Ｈａｉ－ｓｈｅｎｇ，ＺＨＵ Ｗｅｎ－ｔａｏ，ＺＨＥＮＧ Ｙａｎ－ｑｉａｎｇ （Ｓｈａｎｘｉ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒｆｏｒ Ｅｃｏ—Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ，Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３０００２，Ｓｈａｎｘｉ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ ｄｒｉｎｋｉｎｇ ｗａｔｅｒ ｓｏｕｒｃｅ ｓｔａｎｄａｒｄｓ，ｏｎｅ＂ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｌｙ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ ｒｉｓｋ ｆｏｒ Ｆｅｎｈｅ Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ｉｎ ｅａｓｅ ｏｆ ａｃｃｉｄｅｎｔｌａ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｕｐｓ￣ｅａｍ ｗａｔｅｒ ｂｏｄｙ．Ｓｐｅｃｉｉｆｃａｌｌｙ ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄ ｔｈｅ ｒｉｓｋ ｓｏｕｒｃｅｓ，ａｎａｌｙｚｅｄ ｒｉｓｋ ｌｅｖｅｌ，ｅｓｔｉｍａｔｅｄ ｉｔｓ ｓｐａｔｉａｌ ａｎｄ ｔｅｍｐｏｒａｌ ｉｍｐａｃｔ ｓｃａｌｅｓ，ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｆｉｎｎ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｉｓｋ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｆｅｎｈｅ Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ． ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｆｅｎｈｅ Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ；ｒｉｖｅｒ ｗａｔｅｒ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ；ａｃｃｉｄｅｎｔ ｒｉｓｋ；ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ 国内对河流水环境风险的研究通常分为突发性风险和非 １汾河水库上游水环境风险评价的意义 突发性风险两类１３］。本研究主要通过对突发性河流水环境污染 随着我国工业化进程的不断加快，流域尺度上的产业经济 事故风险演变过程进行模拟计算及后果分析，综合评价汾河水 发展迅猛，日益增强的经济发展迫切性使得河流水环境污染负 库上游的河流水环境安全风险。 荷正在持续加重【ｌ１，特别是我国北方地区河流由于受降雨量不 ２水环境现状与重点保护目标分析 足且年内分布不均的影响，河道清水流量较少甚至断流更加剧 了河流污染水体的增多和污染程度的加重，河流水环境安全问 ２．１水环境现状 题日益突出。汾河作为山西省内最大的河流，随着近年来流域 汾河水库上游干流选取东寨、头马营、宁化堡、静乐站、河 社会经济发展加速，尤其是煤炭、铁矿资源相对丰富而经济欠 岔５个断面作为汾河干流的水质控制站。选取２００７－－２００８年 发达的汾河水库上游山区，发展工业经济的要求十分强烈，煤 的５个代表性监测断面ＣＯＤｃｒ、氨氮两种主要污染物监测值来 炭、电力、化工行业发展迅速，使得突发河流水环境污染 氨氮变化情况 事故的风险不断增大，而汾河水库作为太原市集中饮用 水源地，水库上游河流水环境功能变得尤为敏感和重 要。因此，开展汾河水库上游河流水环境风险评估，对 ｒ＿＝＝＝＝＝ ——］ ｒ＿二二二 二二］Ｉ 圈 于提高应对突发河流水环境污染事故风险决策的科学 ５ 砸葫菊 雨 磷０ 硒 菊 而 性闭，切实保障太原市集中饮用水源安全具有重要的现 图１ 汾河水库上游河流水质ＣＯＤｃｒ、氨氮变化情况 实意义。 收稿日期：２０１３－０４—１７ 修回日期：２０１３－０５—０２ 基金项目：本研究获得“山西省基础研究计划项目（自然）”（编号２００９０１１０４２—２）的资助。 作者简介：赵海生（１９６８一），男，１９９３年毕业于太原理工大学水利水电工程建筑专业，工学硕士，工程师；主要从事水资源、水环境及 水生态系统保护研究。 赵海生，等：汾河水库上游河流水环境风险评价 ２０１３年８月 反映汾河水库上游河流的水质变化（见图１）。汾河水库现状除 总氮属劣Ｖ类外，其他指标均可达到Ⅱ类。相比汾河自然河流 水质来说，水质相对较好。 ２．２重点保护目标分析 （１）汾河上游饮用水源保护区范围。雷鸣寺泉上游大庙、涔 山两沟两侧高程２ ２００ ｍ以下的河谷陆地范围；汾河干流雷鸣 寺泉至人汾口沿河道及河道两侧各３ ｋｍ的水域、陆域范围；环 汾河水库库区最大兴利水位线向四周外延３ ｋｍ形成的边界线 内水域和陆域范围；主要支流为河道及两侧１ ｋｍ陆域范围。汾 河水库及上游流域水环境重点保护区总面积６４５ ｋｍ。。 （２）水环境风险受体水质要求。本次研究的水环境风险受 体水质按照汾河水库上游干流二级保护区边界断面达到 ＧＢ３８３８—２００２中的Ⅲ类标准所规定的各项目标准限值为标 准，一级保护区边界断面达到ＧＢ３８３８—２００２中的Ⅱ类标准限 值。 ３突发水环境事故风险识别 工业风险源与优先控制污染物质见表１，交通风险源及优 先控制污染物质见表２。 表１ 工业企业主要风险源及风险物质 企业 产品 规模 风险物质 ①山西天柱山 焦炭、煤气 ２６万ｆｆａ 煤焦油、粗苯、 酚氰废水、液氨 化工有限公司 合成氨、尿素 １８／３Ｑ 页ｆｆａ 液氨、甲醇 ②静乐发电厂 电力 ２－４ＭＷｌ，ａ 含油废水、锅炉 酸洗废液等 ③岚县化肥厂 碳酸氢铵 合成氨、 ３万ｆｆａ 液氨、氨氮废水 ④岚县金龙化 工有限公司 尿素合成氨、 １８／３０／１０／３万 液氨甲醇 ｆａ 、甲醇 、表２公路交通运输风险路段及风险物质 主要风险路段 邻近 风险 车流量，ｄ 风险 河流 部位 物质 ①宁白线公路ｓ；东 寨桥—娄烦峰岭底 汾河干流 静乐桥 ４００～７０ｏ ②宁白线公路ｓ；娄 烦峰岭底一下石家庄 汾河干流 ２００－５００ 汽油、 柴油、 静游镇一下石家庄 汾河水库 ③岚古线Ｓ； 西街桥 娄烦 ８００ 煤焦油粗苯、 、 县城④岚古线Ｓ； 岚河 ５０ｏ 二甲醚、甲醇、 —静游镇 液氨、 ⑤忻黑线公路ｓ； 汾河干流 静乐桥 ７０００ 其他 西坡崖一静乐县城 煤化 ⑥忻黑线Ｓ； 工副 静乐县城东碾河 东碾河桥 ７０００ 产品 —新店 ； Ｉ大夫庄一尹家窑 ⑦岚古线ｓ； 涧河 娄烦县城 下游段 ４突发水环境污染事故风险评价 ４．１一维流场点源瞬时排放危害模拟 小河流中弥散作用大于扩散作用，故瞬时事故排放可使用 一维河流水质扩散模型计算。 ｃ（ ＝ Ｍ ｅＡ ４订Ｄ毒 ｘｐｌ＿ ｑ王Ｊ １１ ｅｘｐ（－ｋｔ）（１） 式中，ｃ—河流中污染物浓度，（ｍｇ ；￡——时间，ｓ； —＿下 游距离，ｍ；“——河流流速，ｍ／ｓ； ——反应速度常数，ｓ。；＾卜 事故瞬时排人河流的污染物量，ｍｇ；Ａ——河流断面面积，ｍ ； Ｄ 一河流纵向弥散参数，ｍ２／ｓ。 （１）控制断面处的污染物最大允许排放量阈值估算。在距 事故源下游某控制断面‰处，要防止发生某级危害，则事故排 放量必须小于某一阈值。由物理概念知在控制断面‰处，污染 物浓度最大值发生在ｔ＝Ｘ。／ｕ的时候，可得控制断面处的污染 物最大允许排放量阈值： ＝（Ｃ０ｏ 一ｃ０Ｍ、／４彻 ０／ｕ ｅｘｐ（ＫＸ￣ｕ） （２） 式中， ｛一控制断面处的污染物最大允许排放量阈值； Ｃ００ 敏感保护目标断面处的污染物浓度阈值，ｍｇ／Ｌ； 一河流 中的污染物背景上游浓度，ｍｇ／Ｌ；Ｘｏ－下游某控制断面距事故 源的距离，ｍ。 （２）危害半径估算Ｈ。式１做变形可得式３，式３中的 一 即为危害半径Ｒ （ ） －－４Ｄ ｔ［１ｎ １ｎ 、／ 一）一１ｎ（Ｃ伽 ） ￡］ （３） 即：Ｒ＿２、／ Ｖ ｌｎＭ－ｌｎ（Ａ、／４仃Ｄ ）一ｌｎ（Ｃ￣－Ｃ０） （４） （３）危害水团存在最长时间及危害影响的全部距离估算 。 式（４）明显表达了 存在的条件与随时间变化规律。存在条件 是根号内的值必须大于０，即事故排放必须达到一定强度，否则 不会造成某级危害。事故危害半径Ｒ一开始主要受第１个根号 控制，随 （事故发生经历时间）变大，变到最大值后，就主要受 第２个根号控制，随ｔ缩小直到０。显然此危害水团中心位于ｕｔ 处，半径随时间在变化，危害范围Ｘ （ｔ）∈［ｕｔ—Ｒ（ｔ），ｕｔ＋Ｒ（ｔ）】。令 式（４）中的第２个根号内的值等于Ｏ，可得危害水团存在的最大 时间 ： １ｎ——＝＝＝＝ —＿—＿ （５） ｋ Ａ ４ Ｄ Ｍ Ｃ 一Ｃ 许多情况，事故排放的危险品属于保守物质，在水中不会 衰减，此时ｋ＝０。这种情况下危害水团存在的最长时间可以直 接计算，表达式为： （６） 由此，可求出以阈值浓度Ｃ 为危害判别标准的危害影响 全部距离为： （７） 第３期（总第１８９期） 赵海生，等：汾河水库上游河流水环境风险评价 ５５ （４）最大危害半径估算［４１。污染物在事故排放瞬时排人河 流，一开始形成一个浓度极高（数学上 ）的污染团块。随着 时间的推移，污染物随河水往下游推流，同时由于弥散等作用， 其中心浓度及其浓度梯度不断变小。浓度在Ｃ 以上的危害区 域，一开始随时间ｔ扩大，在其范围达到最大值（２Ｒ ）以后，又 随时间ｔ收缩，直到缩小至０。为求最大危害半径值Ｒ ，可对危 害半径公式（４）求导，并令ＯＲ／￣＝Ｏ，先求得最大危害半径出现 时刻ｔ＝Ｔ： ．ｒ＝ 且 汾 ！源１ 风险 单元２ 河 一 【［ １ｎ－ＡＡ、 面Ｍ ／ （ ｜－ ） ｊ－ｏ．５］ （８） 干 涧ｉ 汾河水 荤二 级保护Ｊ 对于不可降解的污染物，当ｋ－－－Ｏ时则可得出下式直接解出 ： ｒ：—４＂ｎ＇Ｄ￣—ｅＡ ２（Ｃ 一Ｃ Ｕ （９） 将求出的 代人危害半径表达式４，即得最大危害半径 ，它在时刻 出现于ｕ 处： Ｒ ２ ×＼／ｈ ｒ（１ ０） 对于不可降解污染物，ｋ＝０，则有： ． —．＿＝二 ＿ （１１） ２、／７ｒｅ Ａ（ｃ０ ） ４．２参数确定 模型计算参数见表３、表４。 表３模型计算参数 平均流量 平均坡降 纵向弥散参数 平均反映速度 河流 １（ｍａ／ｓ） ，（‰） ／（ｍ２／ｓ） Ｃ０Ｄ常数ｋ／（１／ｄ） ｃｒ ＮＨ—Ｎ 汾河干流 ７．０５ ４．４ ０．１６ ０．３４ ０．２２ 岚河 ２．２８ ３．２ ０．０１４ ０．１２ ０．１０ 涧河 Ｏ．２８ ３２ ０．０２ｌ Ｏ．２０ Ｏ．１５ 表４控制断面水质阈值浓度、上游背景浓度及风险 断面与控制断面距离 河流 风险源 Ｃｏｏ＊（ＣＯＤ）／ Ｃｏ（ＣＯＤ）／ Ｃ （ＮＨ Ｃｏ（ＮＨ３－Ｎ） Ｘｄ（ｍｙｉ） （ｍｒＣＬ） Ｎ）／（ｍｇ／Ｌ） ／（ｍｇ／Ｌ） ｍ 汾河 干流 １ ２０ １ｌ－３ １．０ ０．１０ １６０００ 岚河 ２ ２０ １１．７ １．Ｏ ０．２３ １ｏｏｏｏ ３ ２０ ｌ１．７ １．０ ０－２３ ４Ｏ０ｏ ４ １５ １０．２ ０．５ ０．１５ ６Ｏ００ 涧河 ５ １５ １．Ｏ ０．５ ０．１５ ２Ｏ０ｏ ６ １５ １０．２ Ｏ．５ Ｏ．１５ ｌ０００ ４．３风险源及河流计算单元概化 概化结果见表５、图２。 表５汾河上游水环境风险源概化结果 河流 概化风险源 原识别出的风险源 汾河干流 １ 工业源①，②和交通源①，②，③ 岚河 ２ 工业源③，④ ３ 交通源④ ４ 交通源⑦ 涧河 ５ 交通源③ ６ 交通源② 水库＝ 级，０ ｝护区ｊ ．暖 河ｉ ｌ界 —■■ ０风险扭 流 （ 盼水河库 ） ｊ【险娄源烦 且 ’风险涛 汾河水Ｊ 一 爱保护ｆ 河 ２界 河 单元１ 单元３ 图２汾河水库上游水环境风险模拟计算单元概化 ４．４计算结果分析 模拟计算结果见表６。 表６汾河水库上游水环境风险模拟计算结果 计算单元 汾河干流 岚河 伺河 风险源 源１ 源２ 源３ 源４ 源５ 源６ Ｍ （ＣＯＤ）／ｓ ２５５６８４６．４５ １３２０．４５ ８２５．５３ １２８．３８ ７２．９２ ５１．３５ Ｍ＊（ＮＨ３一Ｎ） １７７８６４＿３１ １２２．１１ ７６．４９ ９－３Ｏ ５．３１ ３．７４ ＲＭ（ＣＯＤ）／ｍ ５５０．９７ ４１．１９ ２５．７５ ３６．１７ ２０．５４ １４．４７ ＲＭ（ＮＨ３／一Ｎ） ３７６．７９ １２．１５ ７．６１ １３．Ｏ２ ７．４３ ５．２４ ｍ ＴＭ（ＣＯＤ）／ｈ ６６３．４８ ４．００ １．５７ ３．０９ １．０ｏ ０．４９ ＮＨ厂Ｎ）／ｌｌ ３２６．７７ ３．９８ １．５６ ３．０５ Ｏ．９９ ０．４９ Ｘ￣（ＣＯＤ）／ｋｍ １３３．７６ １０．３９ ４．Ｏ６ ６＿３０ ２．０３ １．０１ ＸＭ（ＮＨ３／ｋ－Ｎ） ６５．８８ １０．３３ ４．０５ ６．２２ ２．０２ １．０１ ｍ 模拟结果表明，敏感保护目标的可接受污染物排放浓度阈 值、影响半径、危害水团最长存在时间及危害影响距离，汾河干 流风险源１最大，岚河风险源２和风险源３次之，涧河风险源 ４、５、６最小；预测的特征污染物中ＮＨ４－Ｎ的可接受浓度阈值较 低，影响半径较小，但危害持续时间和最大影响距离与ＣＯＤｃｒ 的变化相近，无明显差别。因此，为及时有效控制风险发生和应 对其可能产生的污染危害，汾河水库上游的岚河风险源控制范 围为半径４１．１９ ｍ区域，危害最迟处置时间控制在４ ｈ之内，沿 河道纵向控制最长距离为１０．３９ ｋｍ；涧河风险源控制范围为半 径３６．１７ ｍ的区域，危害最迟处置时间控制在３．０９ ｈ之内，沿 河道纵向控制最长距离为６．３ ｋｍ。汾河水库上游水环境风险模 拟结果分析见图３。 ５６ 赵海生，等：汾河水库上游河流水环境风险评价 ２０１３年８月 件，利用一维流场点源瞬时排放危害模型 模拟突发河流水环境污染事故造成的危害 过程，通过估算风险源的危害特征值来定 量预测和评估突发水环境风险危害，可以 为及时控制和有效处置风险的决策提供科 学依据。 参考文献 ［１］郭仲伟．风险分析与决策［Ｍ］．北京：机械工业 出版社，１９８７． ［２］陆雍森．环境评价（第二版）［Ｍ］．上海：同济大 学出版社，１９９９． ［３］曾光明，何理，黄国和，等．河流水环境突发 图３汾河水库上游水环境风险模拟结果分析 性与非突发性风险分析比较研究ＥＪ］．水电能 源科学，２００２，２０（３）：２３—１５． ［４］徐峰，石剑荣，胡欣．水环境突发事故危害后果定量估算模式研究 ［Ｊ］．上海环境科学增刊，２００３，（Ｓ２）：６４—７１． ５结论 研究表明，在定性识别和筛选主要风险源、风险物质的基 础上，以水环境敏感保护目标的水质标准指标阈值为约束条 （上接第４７页） 经检验计算隧道进口由高程和投影两项引起的边长每千 米改正数为２．８ ｍｍ，部分支洞的改正数为一２．８ ｍｍ／ｋｍ、一１．５ ｍｍ／ｋｍ、一０．３ ｍｍ／ｋｍ，隧洞出口改正数为２．４ ｍｍ／ｋｍ。对于施工 坐标系统，在隧洞进口与出口之间边长每千米理论变形值不大 于３ ｍｍ。 减少或消除高差和高斯投影引起的边长变形对工程建设施工 的影响，满足了施工的要求和相应的工程规范，从而保证了工 程的顺利进行。 参考文献 ［１］李世安，刘经南，施闯．应用ＧＰＳ建立区域坐标系中椭球变换 的研究［Ｊ］．武汉大学学报信息科学版，２００５，３０（１Ｏ）：８８９—８９１． ［２］徐天河，杨元喜．坐标转换模型尺度参数的假设检验［Ｊ］．武汉大学 学报（信息科学版），２００１，２６（１）：７０—７３． ５结束语 本文通过介绍本工程输水隧洞施工控制网计算的电算化 方法，讨论了工程椭球的建立方法，建立了相应的椭球模型，编 制了相应的软件，结合实例计算，将国家坐标转化为施工坐标，
