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）

1 汾河水库上游水环境风险评价的意义

随着我国工业化进程的不断加快，流域尺度上的产业经济发展迅猛，日益增强的经济发展迫切性使得河流水环境污染负荷正在持续加重[1]，特别是我国北方地区河流由于受降雨量不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，煤炭、电力、化工行业发展迅速，使得突发河流水环境污染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，对于提高应对突发河流水环境污染事故风险决策的科学性[2]，切实保障太原市集中饮用水源安全具有重要的现实意义。

国内对河流水环境风险的研究通常分为突发性风险和非突发性风险两类[3]。本研究主要通过对突发性河流水环境污染事故风险演变过程进行模拟计算及后果分析，综合评价汾河水库上游的河流水环境安全风险。

2 水环境现状与重点保护目标分析

2.1 水环境现状

汾河水库上游干流选取东寨、头马营、宁化堡、静乐站、河岔5个断面作为汾河干流的水质控制站。选取2007—2008年的5个代表性监测断面CODcr、氨氮两种主要污染物监测值来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。

图1 汾河水库上游河流水质CODcr、氨氮变化情况

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2200m以下的河谷陆地范围；汾河干流雷鸣寺泉至入汾口沿河道及河道两侧各3km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3km形成的边界线内水域和陆域范围；主要支流为河道及两侧1km陆域范围。汾河水库及上游流域水环境重点保护区总面积645km2。

（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

表2 公路交通运输风险路段及风险物质

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。

式中，C—河流中污染物浓度，(mg/L)；t——时间，s；x——下游距离，m；u——河流流速，m/s；k——反应速度常数，s-1；M——事故瞬时排入河流的污染物量，mg；A——河流断面面积，m2；Dx—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X0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X0处，污染物浓度最大值发生在t=X0/u的时候，可得控制断面处的污染物最大允许排放量阈值：

（2）危害半径估算[4]。式1做变形可得式3，式3中的x-ut即为危害半径R

即：

（3）危害水团存在最长时间及危害影响的全部距离估算[4]。式（4）明显表达了R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t（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XD（t）∈[ut-R（t），ut+R（t）]。令式（4）中的第2个根号内的值等于0，可得危害水团存在的最大时间TM：

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：

由此，可求出以阈值浓度C00*为危害判别标准的危害影响全部距离为：

（4）最大危害半径估算[4]。污染物在事故排放瞬时排入河流，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C00*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（2RM）以后，又随时间t收缩，直到缩小至0。为求最大危害半径值RM，可对危害半径公式（4）求导，并令 ∂R/∂t=0，先求得最大危害半径出现时刻 t=τ：

对于不可降解的污染物，当k=0时则可得出下式直接解出τ：

将求出的τ代人危害半径表达式4，即得最大危害半径RM，它在时刻τ出现于uτ处：

对于不可降解污染物，k=0，则有：

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

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

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

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

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41.19m区域，危害最迟处置时间控制在4h之内，沿河道纵向控制最长距离为10.39km；涧河风险源控制范围为半径36.17m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6.3km。汾河水库上游水环境风险模拟结果分析见图3。

图3 汾河水库上游水环境风险模拟结果分析

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。

[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.河流水环境突发性与非突发性风险分析比较研究[J].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.