海河流域突发水污染风险等级图绘制理论与实践

孔凡青，梁舒汀，崔文彦

(海河流域水环境监测中心，天津 300170)

突发性水环境风险事件对经济、社会、生态环境及人民的生产生活均造成极大的威胁。随着我国城镇化与工业化进程的持续推进，水污染事件呈现高发的态势[1]。本研究以海河流域的重要子流域永定河流域为例，提出了流域陆域控制单元划分的方法，构建了以陆域控制单元为基础的流域突发水污染风险等级评价指标体系，并开展了风险等级评价，绘制了永定河流域突发水污染风险等级图，以期为有效应对区域突发水污染事件，保护水资源和水环境，以及人民的生命和财产安全提供技术支持和决策借鉴。

1 流域陆域控制单元的划分

陆域控制单元作为流域水质目标管理多层次体系“流域-区域-控制单元”中的一个组成层次[2]，可作为流域复杂水环境问题的基础单元。由于陆域控制单元划分时需充分考虑小流域的完整性及河流的上下游关系，可作为流域水污染防治和风险管理的重要单元。

水文单元的划分是通过GIS(Geographic Information System)手段，以永定河流域为例，首先基于该区域的数字高程模型(DEM)，如图1所示，利用水文分析模块提取子流域边界。通过永定河流域DEM数据可知，永定河流域大部分属于山区。子流域划分后，与DEM数据共同作为输入数据，根据河流水系的实际情况进行修正，并在Arc-SWAT中的汇水单元的节点进行定位标注。进一步划分剪裁获取永定河流域数字河网图，如图2所示。根据行政区划与子流域融合原则和便于管理原则，永定河流域共划分出109个陆域控制单元，如图3所示。

图1 永定河流域数字高程图

图2 永定河流域数字河网图

图3 永定河流域109个陆域控制单元分布图

2 环境风险源的识别

环境风险源主要指事故发生后对环境和人群产生影响的单元或对象[3]。从风险的源头去规避突发重大突发性环境污染事件的发生，是防范环境突发事件的有效途径，这就要求对可能导致突发环境事件的风险源进行科学识别、分类分级和有效管理，这也符合当前环境风险防范的需求。

2.1 环境风险源的调查

为全面摸清环境风险源情况，需对该区域环境风险源基本情况进行调查。

(1)环境风险源基本情况：包括企业的名称、所属行业、企业位置，企业生产或使用的危险物质类型和数量，掌握风险源的总体分布概况。

(2)危险物质：是对企业生产或使用的主要危险物质的调查，主要参考GB 12268—2005《危险货物品名表》。

(3)周边环境状况：主要针对的是风险源场界内的环境敏感点和工业企业的调查等。

2.2 环境风险源分类与分级

环境风险源的分类方式有多种，包括基于环境受体的分类方法、基于物质状态的分类方法、基于传播途径的分类方法等[4]。然而，目前国内尚未形成统一的环境风险源分类分级方法。

风险源所属的行业类别与风险源的危险性关系较大。考虑本研究区域的实际情况，参照曲常胜及宋雅珊等人的研究[5- 6]，确定风险源所属行业类别，作为风险源危险性的一个重要评价指标。风险源的分级方面，根据化学品环境风险源危险物质的种类、危害等和及发生突发事故后的后果程度，将风险源分为重大、较大、一般和轻微风险源四个等级。

3 突发水污染风险等级图绘制

在对陆域控制单元划分和流域污染源进行识别的基础上，通过构建流域突发水污染风险评价指标体系及指标体系中各指标的计算，对控制单元存在的风险进行量化，可以更加深入和直观地了解风险的内容和程度，并使事故发生后采取的处置措施更具有针对性和可操作性。

3.1 风险等级评价指标体系构建

突发水污染风险等级评价指标体系的构建是流域突发水污染风险评价的关键环节。风险等级划分和评价的核心在于指标的选取、赋值和标准值的建立。建立突发水污染风险等级评价指标体系是风险等级划分和评价的基础。

基于压力-状态-响应(P-S-R)理论，综合国内外研究成果[7- 9]，以陆域控制单元为基础，将单元内的风险(R)表示为区域危险性(C)、风险发生的概率(P)和区域受体的脆弱性(V)三者的乘积。即：

R=C·P·V

(1)

式中，R—风险；C—危险性或后果严重性；P—风险发生的概率；V—风险受体的脆弱性。

评价指标体系中，目标层为突发水污染风险等级评价；主题层为风险等级计算的3个要素，即危险性或后果严重性、风险发生的概率和风险受体的脆弱性；指标层的设置主要根据主题层的内涵和组成要素，且考虑风险源危险程度的影响因素以及描述系统状态和变化建立的。基于此构建出永定河流域突发水污染风险等级评价指标体系，如图4所示。

图4 永定河流域突发水污染风险等级评价指标体系

3.2 流域突发水污染风险等级计算

3.2.1危险性或后果严重性计算

经数据收集和现场调查，永定河流域共筛选出风险源69个，划分为化学原料及化学制品制造业、食品饮料加工制造业、黑色金属冶炼及压延加工业等12个行业类别(I1)，并分别统计风险源的规模信息(I2，包括注册资金、年销售额等)。风险源与河流的距离(I3)主要基于Arc-GIS中的距离测算(near)和测量(measure)工具，获得各相应排入河流的距离。风险源影响范围(I4)是指风险源产生的污染物随着河流迁移扩散到下游陆域控制单元，对下游单元产生的影响。基于

F=∑Ci(i=1，2，3……n)

(2)

Ci=C0×e-0.000045x

(3)

式中，Ci—上游风险源对陆域控制单元的影响得分；n—上游风险源数量；C0—上游风险源得分；x—河流长度，m；F—对受上游风险源影响得分。

此外，对于移动风险源，本研究将其概化处理，设置沿河公路长度(I5)和过河桥梁个数(I6)两个指标，代表移动风险源发生风险事故的概率。

3.2.2风险控制能力计算

区域风险控制机制及控制水平，从一定程度上可以代表控制和阻碍环境风险源与环境风险受体接触的能力。本研究选择突发事故防范能力(I7)、区域人均GDP(I8)、事故应急响应能力(I9)等3个指标对危险控制能力进行评价。突发事故防范能力主要从风险源内部风险控制机制，是否发生过环境事故等进行统计；区域人均GDP数据主要从陆域控制单元所在行政区的经济社会统计年鉴获取，按与危险控制能力呈正相关进行数据处理；事故应急响应能力指标主要设置事故应急响应的时间和是否具备独立应急响应能力两个评价要素进行划分。

3.2.3脆弱性或敏感性计算

脆弱性或敏感性主要考虑突发水污染事件危险的潜在承受体，包括风险因子在传输、转运过程中，可能受到影响的村镇、人群或生态系统等。其中，受影响村镇面积(I10)和受影响耕地面积(I11)主要统计河道两侧2km内的村镇和耕地面积。受影响水功能区类别(I12)即陆域控制单元内水功能区的水质目标，水质类别要求越严格，该单元越敏感。河流级别(I13)即单元内的河流为干流、一级支流或二级支流等，级别越高，风险传导至下级水体的机率越大，敏感性越高。

3.2.4突发水污染风险分级

对指标体系中的各指标均设置为4个等级，并对各陆域控制单元的指标数据统计，采用模糊综合评价法和最大隶属度原则，可获得各指标的评价等级。同理可获得各陆域控制单元各主题层等级结果如图5所示。

3.3 突发水污染风险等级图绘制

依据环境风险在时间上的演替和空间上的分布规律，对其进行区域差异性和一致性的划分，且区划单元满足单元内相似性最大，而单元间差异性最大的特点，确定各单元之间的等级从属关系。根据所研究区域3个主题层的评价结果，使用特定的方

图5 永定河流域突发水污染风险等级各主题层评价结果

法将评价结果进行处理得到该区域的风险等级分区，将风险等级反映在所研究区域的地理区划中即得到该区域的风险等级图。

风险大小往往用期望值代替概率分布或对有关的量进行数学组合[10]。根据突发水污染风险计算的公式，在3个主题层等级评价的基础上，借助风险等级矩阵可得到每个陆域控制单元的风险等级。风险矩阵有多种形式，本研究中危险性等级和脆弱性等级都划分为4个风险等级[11]，如图6所示。具体计算时，先将陆域控制单元的危险性和危险控制能力等2主题层进行矩阵计算获得等级结果，再将该等级结果与脆弱性主题层等级进行矩阵计算，即获得该陆域控制单元的突发水污染最终风险等级。

图6 风险等级矩阵分析图

图7 永定河流域突发水污染风险等级图

综合图5的风险评价结果，利用风险矩阵分析，可得到永定河流域109个陆域控制单元风险等级，如图7所示。可以看出，永定河流域多为较低风险区(49个陆域控制单元)，其次为较高风险区(30个陆域控制单元)，高风险区(9个陆域控制单元)和低风险区(21个陆域控制单元)较少。空间上看，大同、张家口等地市级城市突发水污染风险整体较高。

4 结语

本研究以永定河流域为例，主要介绍了突发水污染风险等级图绘制的理论及方法，并形成以陆域控制单元为单位的流域突发水污染风险等级图。突发水污染风险等级评价的结果对水污染的预警和处置，以及进一步制定风险防控技术方案都具有参考意义。然而，由于数据获取方面的限制，风险等级图绘制所采用的风险源资料(如移动风险源)以及评价指标体系中一些指标数据的统计范围尚有待加强；风险控制能力主题层的评价多为风险源外部控制能力，在生产工艺流程等风险源内部层面的控制能力考虑尚有不足，这也是今后开展突发水污染风险等级评价尚需完善之处。