淮河流域水污染事故全过程预警预报技术研究

陈炼钢 施 勇 徐时进 赖晓珍金 秋

淮河流域水污染事故全过程预警预报技术研究

陈炼钢1施 勇1徐时进2赖晓珍3金 秋1

1 引言

淮河作为国家重点治理的“三河三湖”之一，历史上因水污染事故多发而备受关注。根据发生原因的不同，淮河流域水污染事故可以分为以下两种：①闸蓄污水、洪污遭遇集中大量下泄导致的污染事故，以1994年7月和2004年7月这两起流域性特大污染事故为典型代表，这类事故具有固定的风险源和特定的诱发条件，属于可以预测的非突发性水污染事故；②企业违规/事故性排污、水陆交通事故和管道破裂等导致的污染事故，以2008年大沙河砷污染事故为典型代表，这类事故的风险源和诱发条件均是不确定的，属于不可预测的突发性水污染事故。

历经多年流域水污染综合治理，淮河流域水污染恶化的趋势得到了有效控制，但形势依然不容乐观：2010年，水功能区水质达标率仅为30.8%，达标河长仅占35.8%。因此，虽然淮河流域再次发生闸蓄重污染水体集中下泄从而引发流域性特大水污染事故的可能性在降低，但其风险仍不可忽视。面对突发性水污染事故，由于其不确定性和不可预知性，水污染事故不可能完全避免，只能有效预防和积极应对，其中预警是将被动应战转变为积极主动备战迎战的关键技术之一。因此非常有必要在分析流域水污染事故发生发展过程及演变机理的基础上，从事前预防和事后应急两个层面建立水污染事故全过程预警预报技术体系，尽量降低污染事故发生的可能和减轻事故发生后的影响范围和损失。

2 事故演变机理

发生以闸蓄污水成团下泄引发的非突发性水污染事故，其原因在于入河污染负荷超出水域纳污能力，其发生发展的全过程与演变机理如图1所示。

从图1可以看出，淮河干流非突发性水污染事故具有特定的风险源，即淮北重污染支流——沙颍河与涡河非汛期蓄积污水的闸坝；其诱发条件也是特定的，即淮北支流发生洪水，而同期淮干及淮南来水偏枯；其风险受体也是特定的，即水质较好的淮干河段，特别是淮南和蚌埠这2个国家级重要饮用水水源地。因此，这类事故的发生在一定程度上是可以预知的，可以有针对性地进行预防和应急。

突发性水污染事故是指河道外大量污染物突然介入江河湖泊水体，造成水体污染事件。这类事故最大特点就是不确定性，发生的时间和地点不确定,污染物的类型、数量、危害方式和环境破坏能力也不确定。因此很难预防，重点是通过事后的有效应急尽可能减轻事故的危害和损失。

3 整体框架

针对淮河流域水污染事故发生的时序性特点，事故全过程预警预报技术体系由事前防范预警和事后应急预警2个部分组成，通过防范预警来减少事故发生的可能，通过应急预警为事故发生后采取应对措施提供科学依据、尽量减小污染的影响范围和破坏程度。整体框架如图2所示。

针对淮河流域以闸蓄污水洪污遭遇、集中大量下泄为典型的水污染事故对策是防范闸蓄污水集中大量下泄。根据闸坝管理的需要，防范预警可以进一步细分为常态预警和临洪预警，其中常态预警是非汛期的常规预警，目的是为非汛期闸坝的防污管理服务，其核心技术手段是闸蓄污水水污染事故风险评估。临洪预警是在汛初洪水特别是第一场洪水已经真实发生的情况下的临灾预警，目的是为汛初的防污调度服务，其核心技术手段是实时洪水预报。应急预警是指在污染事故已经发生的情景下，预报污水团推移变化的时空过程，重点针对下游居民点、取水口、水生态保护区等敏感点与敏感区，预报污染的时空变化过程，为及时采取应对措施提供科学依据，目的是尽量减小污染的影响范围和损失，其核心技术手段是建立基于水文—水动力—水质集成的水情水质预报模型，包括水情预报模型、一维水质预报模型和二维水质预报模型。

4 常态预警

常态预警主要针对蓄积污水的闸坝，通过构建闸蓄污水水污染事故风险评估模型，评估闸坝在汛初第一场洪水期间发生大量污水集中下泄引发重点保护河段水污染事件的风险，来识别流域内非汛期需要进行重点防污管理的闸坝，目的是减少大量集中下泄的污水导致全流域特大水污染事件的可能。

闸蓄污水集中大量下泄是由于重污染支流发生洪水、闸坝出于防洪安全的要求开闸放水降低蓄水位所致，其风险率的大小由洪水强度和闸坝防洪能力两者共同决定，洪水强度超过闸坝的防洪能力越大，闸蓄污水集中大量下泄的可能性也就越大；闸蓄污水集中大量下泄后果的严重性由闸蓄污水的水量、水质及淮干同期来水量共同决定，污水水量越大、水质越差，且同期淮干来水量越少，相应的后果也就越严重。因此，根据这一分析，基于层次分析法，可以构建如图3所示的淮河流域非突发性水污染事故风险评估指标体系，对非汛期蓄积污水的闸坝逐一进行评估，识别出需要进行重点防控的高风险闸坝。

5 临洪预警

淮河干流发生闸蓄污水下泄引发的非突发性水污染事故，其直接诱因就是淮北重污染支流发生洪水，闸坝必须下泄非汛期蓄积的污水以保证行洪安全。因此，临洪预警就是减少闸坝群在行洪压力下集中大量下泄污水导致全流域特大水污染事件的可能。

临洪预警的重点是对最易引发闸蓄污水集中下泄的汛初第一场洪水进行预报，目的是为闸坝水量水质联合调度决策提供依据。根据淮河流域水情预报的长期业务实践，构建了由马斯京根河道洪水演进模型、新安江降雨径流预报模型、经验降雨径流预报模型和实时校正模型组成的临洪预警技术，如图4所示。

6 应急预警

应急预警是指在水污染事故已经发生的情况下，向下游的水质重点控制断面发出污染预警。针对淮河流域闸坝众多、水系复杂的特点，构建了由河道洪水实时预报模型、区间洪水预报模型、枯期径流预报模型、一二维嵌套的水动力—水质耦合模型组成的应急预警技术。针对汛期的水情特点，河道洪水实时预报模型、区间洪水预报模型与水动力—水质耦合模型组合构建汛期（特别是汛初第一场洪水）水污染事故应急预警模型。针对枯水期的水情特点，枯期径流预报模型与水动力—水质耦合模型组合构建枯水期水污染事故应急预警模型。

由淮干王家坝至蚌埠河段、淮北沙颍河、涡河组成的淮河中游区域是淮河流域水污染联防工作的核心区域。本次研究根据淮河中游河网水系的水流水质特点，构建了分块组合、一二维嵌套、基于水文—水动力—水质集成的水污染事故应急预警模型，结构如图5所示。

应急预警技术中的水情预报模型为水质预报模型提供边界水情预报数据和区间产流预报数据。水质预报模型采用的是一二维嵌套、分块组合的积木架构，应用时可根据实际工作的需要和数据的情况进行灵活的组合，实现预报范围的多种变化。淮河中游河网一维水动力—水质模型由三个模块组成：淮河干流模块、沙颍河模块、涡河模块，通过模块之间的组合可以实现快速模拟预报大范围的水质时空变化情况，以满足污染事故应急处理的要求。在整体一维模型的基础上，为精细反映淮北两大重污染支流——沙颍河、涡河污水下泄在淮河干流形成的污染带的时空变化情况，分别针对鲁台子河段和蚌埠闸河段构建平面二维水动力—水质模型，嵌套入整体一维水质数学模型中，可为污染事故的应急决策提供更为精细的支撑数据。

7 结语

在分析淮河流域水污染事故发生发展过程及演变机理的基础上，针对其时序性特点构建了由事前防范预警和事后应急预警两个部分组成的全过程预警预报技术体系。其中，事前防范预警由以风险评估为核心的非汛期常态预警和以实时洪水预报为核心的汛初洪水期临洪预警两个环节组成，目的是通过非汛期闸坝的防污管理及汛初洪水期闸坝的防污调度来尽可能减少事故发生的可能，防范事故于未然；事后应急预警以水情水质预警预报为技术核心，目的是通过预报事故污染团的时空变化为应急响应提供科学依据，以尽量降低事故的影响范围和损失

1.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室 210029 2.淮河水利委员会水文局（信息中心） 233001 3.淮河流域水资源保护局 233001）