梯级水库群环境风险分析

汤正阳 ，汪 磊 *，任玉峰 ，林俊强 ，罗小林

（1.中国长江三峡集团公司，北京 100038；2.三峡水利枢纽梯级调度通信中心，湖北 宜昌 443133;3.中国水利水电科学研究院，北京 100038）

我国水电能源发展迅速，在长江上游、澜沧江、黄河上游等流域形成了规模庞大的梯级水电站群[1]，为社会经济发展提供持续的清洁能源，并在流域联合防洪、航运、供水、生态环境保护等方面发挥综合效益[2-3]。梯级电站水库群运行对流域生态环境产生影响，诸多学者对此开展了研究。纪道斌等[4]系统归纳了梯级水库运行对流域水质、泥沙、水温的影响，认为梯级水库使库区水体自净能力降低、营养物沉积，水体富营养化程度加重，同时也能使下游水质得到一定改善。寇晓梅等[5]认为梯级布局对水环境的影响较大，河段控制性水库的布局和调节方式决定了对水质的影响作用，且大型水库对污染物的稀释作用明显。李兰等[6]利用美国三维水环境流体动力学模型对特大型水库水流进行了耦合预测，认为夏季水库水温较天然水温偏低，但冬季水温明显高于天然水温，对鱼类活动有一定影响。我国对流域梯级电站水库群的运行管理，一般采用以水电企业为责任主体、进行流域统一管理模式。在流域联合防洪和发电方面，研究成果丰硕，实际应用广泛[7-8]。由于梯级水库群上下游之间水力联系紧密，流域上游水库水环境问题会随着水流传播给下游水库，并持续向流域下游传播，加剧环境问题的严重程度。此外，水环境问题可能以电流和结构力学流的方式传递给电网和电站机组、水工建筑物，事故后果严重，传递方式和机理复杂。因此，梯级水库水环境及其风险管控得到广泛关注，相关研究却较为缺乏。本文研究梯级水库群环境风险管控问题，在单个水库风险控制基础上，探索梯级水库群环境风险耦合传播机理，构建风险管控方法，具有重要的现实意义。

1 方法

1.1 贝叶斯概率计算理论

贝叶斯网络是目前不确定知识表达和推理领域最有效的理论模型之一[9]，由Pearl在1988年提出，在水文、环境等领域有广泛的研究[10-11]。在贝叶斯网络确定的节点拓扑结构和条件概率分布，可以使用贝叶斯理论，对未知数据计算条件概率或后验概率，从而达到诊断、预测或分类目的。通过给定的样本数据，建立贝叶斯网络的拓扑结构和节点的条件概率分布参数，通常借助先验知识和极大似然估计来完成。把某个研究系统中涉及的随机变量，根据是否条件独立绘制在一个有向图中，就形成了贝叶斯网络，又称有向无环图模型。它是一种概率图模型。由有向无环图可以得知一组随机变量（X1，X2，…，XN）及其n组条件概率分布的性质。

一般而言，贝叶斯网络有向无环图总的节点表示随机变量，可以是观察变量、隐变量、未知变量参数等。连接两个节点的箭头表示此两个随机变量有因果关系（或非条件独立）。若两个节点间以一个单箭头连接在一起，表示其中一个节点是“因（Parents）”,另外一个是“果（Children）”，两个节点就会产生一个条件概率值。每个节点在给定其直接前驱时，条件独立于其后续。

1.2 风险分析方法

1.2.1 风险源识别

风险源识别是灾害风险管理的基础工作。根据流域梯级水电站及其水库群运行管理特点，划分安全运行风险评价单元，识别各风险评价单元中的环境风险源。

风险源识别的常用方法有头脑风暴法、问卷调查法、德尔斐法、失效模式与效应分析法、故障树分析法等。头脑风暴法是通过专家的知识经验和对风险的认识来进行风险源穷举的办法。通过专家之间信息交流，找出全局风险因素，综合专家意见，做出判断，找到梯级水库群面临的环境风险。问卷调查法的调研对象广泛。通过向调查者发出调查问卷，收集尽可能多的风险源调查样本。问卷调查的对象不仅包括枢纽运行管理人员，还包括来自枢纽设计、建设等单位的专业人员。德尔斐法是对专家进行3～5次轮流征求意见，对每轮风险源的调查结果进行统计汇总，再进行下一轮征求意见，最后归纳出的是基本一致的风险源。在实际操作过程中，本文使用德尔斐法进行关键风险要素的甄别，在对风险要素全面分析的基础上把握重点与关键。

1.2.2 梯级水库环境风险分析

在梳理梯级水库运行期环境影响因子及其特征基础上，向源头追溯所有可能的风险源，并深入分析作用于风险源的风险诱因。根据实际运行管理情况，提出阻断风险源发展成风险事件的预防手段。从结果追溯所有可能的环境风险后果，以及缓解风险后果扩大成次生风险或次生灾害的缓解手段。形成环境风险事件的拓扑传递关系，并绘制风险关系领结图，以达到识别环境风险形成和传递机理的目的。

风险源与风险事件因果关系分析采用思维导图法和风险关系领结图法。单体水库风险传递分析基于系统动力学[12-13]，研究风险在单个水库库区的传递关系。由环境风险诱因影响风险源，作用于风险承载体，导致环境风险事件，绘制单体水库风险传递链图。梯级电站风险拓扑关系利用系统动力学方法，识别环境风险在梯级水库间的叠加、累积和传递的拓扑关系，绘制梯级水库风险传递转化拓扑图，揭示梯级水库风险的相互影响因素、关联机理及传递特性等。在此基础上，可利用梯级水库耦合风险管控的措施，截断环境风险随水流向下游传播的路径，从而缓解和控制风险。

2 研究区概况

金沙江流域水电能源基地是我国十三大水电能源基地之首，近年来已建成投产了多座大型水库电站，形成了混联式流域梯级水库群[14]。金沙江下游梯级水电站群，包括乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝四座巨型电站，总装机超过4.6×107kW，为我国社会经济发展提供了持续稳定的清洁能源。目前溪洛渡-向家坝梯级电站已投产运行，是西电东送的骨干工程，为华东地区电力供应提供了有效的保障。同时金沙江下游流域，紧邻长江上游珍稀特有鱼类国家级自然保护区，是长江上游重要生态屏障和水源涵养地，自然资源丰富、生态环境敏感，环境风险管理至关重要。本文以溪洛渡和向家坝梯级水库群为研究对象（图1），根据水库运行管理资料、水质监测数据，研究区自然地理数据和社会经济数据，基于灾害系统理论和系统动力学，识别梯级水库环境风险承载体、风险源、风险诱因、单体电站风险传递链和梯级水库风险拓扑关系，并尝试性地提出梯级耦合风险的截断措施，为流域梯级水库环境风险控制和管理提供基础。

图1 研究区地理位置图Fig.1 Location of the study area

3 计算与分析

水库建成投产后，对流域水环境的影响主要分为两个方面[15]：（1）库区流速减缓，稀释和复氧能力下降。库区人口集中的城镇排放的废水在城镇附近水域将形成一定范围的污染带，局部水域可能发生季节性富营养化现象。（2）水库建成蓄水将导致库区水动力条件减弱。倘若库区排污控制不当，将造成库区水质超标、水体富营养化等风险事件。溪洛渡和向家坝梯级电站投产运行后，分别形成了总库容为1.26×1010m3和5.1×109m3的两座水库，在两座巨型电站运行带动下，沿岸社会经济发展迅速，人口增多，环境风险增大，环境问题需引起高度重视。

3.1 环境风险承载体

根据灾害系统理论，风险承载体是指风险的直接承受体，即风险事故直接指向的对象。溪洛渡-向家坝梯级水库群环境风险承载体为溪洛渡和向家坝库区的水体。

3.2 环境风险源

利用头脑风暴法、问卷调查法和专家咨询法，从水质风险识别和预警角度出发，上游溪洛渡环境风险源识别指标包括COD、总磷、总氮、pH、重金属等。以溪洛渡库区目前水质类别作为风险识别阈值，当溪洛渡水质指标超过目前水质类别最大值，则认为有环境风险事件发生。根据下游向家坝电站金沙江干流水质监测研究报告，向家坝水库蓄水后库区干流断面水质不断好转，水质评价类别均达到Ⅲ类，甚至还出现Ⅱ类水质的良好现象。以向家坝库区各水质指标，即COD、总磷、总氮、pH、重金属等，作为环境风险识别指标，以《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅲ类水标准作为风险识别的预警值。

3.3 环境风险诱因

溪洛渡库区，主要是永善县溪洛渡镇、雷波县、上田坝镇、黄华镇和对坪镇工业、农业和生活污染物存在超标排放。向家坝库区，主要是新滩坝、书楼村、新寿村、绥江县会议镇、新滩镇、锦屏镇、绥江县中城镇、新安镇、新市镇和桧溪镇工业、农业和生活污染物超标排放。

3.4 环境风险传递分析

3.4.1 风险传递分析

溪洛渡-向家坝梯级水库环境风险分为突发环境污染对水质影响（图2）和水动力减弱对水质（图3）影响两类。由于库区沿岸人口众多，城镇规模不断扩大，沿岸矿产较为丰富，航运日益频繁，根据现场调查，溪洛渡-向家坝库区均有船只运输化学原料。在水库调峰运行或泄洪时，水位波动频繁，且泄洪雾化可能使库区边坡不稳。水位陡增陡降，可能致使船只倾覆，使运输的化学原料进入库区，污染水体，导致水电站被迫停机，进入非正常运行状态，影响机组安全稳定运行。此外，污染还可能导致鱼类大量死亡，若不快速有效处理，死亡后的鱼类有机质分解可能进一步污染库区水体。

图2 突发环境污染对水质影响风险传递链图Fig.2 Risk transfer chain of water qulity in the reservoir area due to sudden environmental pollution

图3 库区水动力减弱对水质影响风险传递链图Fig.3 Risk transfer chain of water quality in the reservoir area due to the impact of weakened hydrodynamics

根据实地调查，溪洛渡和向家坝库区沿岸城镇均存在生产和生活污水直接排放入库区的情况。水库流速较天然条件慢，在适宜的温度前提下，易造成水体富营养化，导致水中藻类爆发式生长，水体含氧量下降，鱼类大量死亡，若不快速有效处理，有机质分解可能进一步污染库区水体。溪洛渡坝址和向家坝坝址直线距离不足120 km，水流传播时间为3～6 h，水力联系紧密。因此，如果溪洛渡水库发生环境事故，污染物随水流向下游传播，使向家坝水库遭受污染，并可能传播至向家坝下游，污染下游河道水体。溪洛渡-向家坝梯级风险传递拓扑图，如图4所示。

图4 溪洛渡-向家坝梯级环境风险传递拓扑图Fig.4 Topological diagram of environmental risk transfer in Xiluodu-Xiangjiaba cascade reservoirs

3.4.2 风险概率计算

上述分析表明，溪洛渡-向家坝梯级水库群环境风险传递机理较为复杂，具有突发环境污染和库区水动力减弱两条风险传递链。在电站调峰运行、泄洪洞等水工建筑物运用、雾化侵蚀边坡、城镇污水排放多因素影响下，风险以一定概率向机组、下游水库和河道传播。由于资料限制，文中仅分析水库富营养化造成藻类爆发和死鱼整个事件的风险传播途径及其概率计算结果。如图5所示，溪洛渡-向家坝梯级水库发生富营养化的风险源为库区水体的富营养化相关指标。风险诱因主要包括3部分：库区污染物排放、水动力减弱和适宜水温，风险事件后果为藻类爆发和死鱼。

图5 溪洛渡-向家坝梯级水库发生富营养化风险传递拓扑图Fig.5 Topological diagram of eutrophy risk in Xiluodu-Xiangjiaba cascade reservoirs

根据实地调研结果和溪洛渡-向家坝梯级电站水质监测数据，通过贝叶斯网络方法计算。图6（a）所示的计算过程表明，由于水动力减弱和库区污染物排放，导致库区水体藻类爆发的概率为2.42%，死鱼的概率为1.21%。相关研究表明，水体富营养化后[16]，藻类迅速生长，影响鱼类的生存环境，与概率计算结果一致。贝叶斯网络可实现事件的反向溯源计算。如图6（b）所示，当库区发生死鱼事件时，库区排放污染物的概率为26.1%，水动力条件减弱的概率为5.23%，水温不合宜的概率仅为1.87%。水动力条件减弱可能仅会导致溶解氧的些微下降，只会轻微增加鱼类死亡的可能，与计算的5.23%概率定性一致。从国内已发生的鱼类死亡事件分析[17]，污染物排放是导致鱼类死亡最主要的原因之一，该类原因概率较大。水动力条件减弱会导致溶解氧下降，对鱼类生存条件产生影响，但非最主要原因，因而发生概率较污染物排放小。由于研究区水库水体大，气候条件良好，水温随气候稳定变化（局部区域受其他因素影响，可能有较小的异常变化）。因此，当发生死鱼事件时，水温不合宜的概率最小，与计算结果吻合。

图6 溪洛渡-向家坝梯级水库贝叶斯概率计算Fig.6 Bayes probability calculation in Xiluodu-Xiangjiaba cascade reservoirs

3.4.3 环境风险传递及管控

根据灾害风险系统理论，流域梯级水库对库区水质风险事件的分析包括7个部分，分别为：风险承载体、风险识别、风险诱因、防范措施、风险后果、处置措施、风险监测。为揭示金沙江流域梯级水库运行导致水环境污染的风险相互影响因素、关联机理及传递特性等，识别风险在梯级水库间的叠加、累积和传递的拓扑关系，在风险指标框架和风险计算基础上，绘制了金沙江流域梯级水库群的风险传递拓扑图（图7）。分析表明，梯级水库水质污染主要是由于风险诱因（各类污染物排放）作用于库区水体。主要的预防手段是在流域梯级水库区域加强巡视检查，禁止将生活和生产污染物直接排入水库；同时，加强沿线地区的环境保护宣传和教育，提高人民群众环保意识。水库运行管理单位应加强水库水文水质监测，对水库水质和水量进行全方面管理，保障水库群安全稳定运行。流域水库发生风险事件后，如水动力减弱导致梯级水库出现富营养化之后，应立即采取应急处置措施，包括人工打捞藻类和生物降藻。若发生地点在向家坝库区，应立即安排溪洛渡水库进行应急补水，减少营养物质浓度，并打捞死鱼，防止污染范围进一步扩大。

图7 环境风险传递拓扑图Fig.7 Topology of environmental risk transfer in Xiluodu-Xiangjiaba cascade reservoirs

4 结论

流域梯级电站群对我国社会经济发展意义重大，同时，其投产运行对流域环境也产生影响。根据水库运行管理资料、水质监测数据，研究区自然地理数据和社会经济数据，基于灾害系统理论和系统动力学，提出了水质污染风险事件的风险链逻辑，并建立水质风险指标框架。从风险源头开始进行排查，系统分析了风险承载体、风险源和风险诱因，梳理建立了风险链条关系，识别了梯级水库环境风险承载体、风险源、风险诱因、单体电站风险传递链和梯级水库风险拓扑关系。结果表明，溪洛渡-向家坝梯级水库环境风险通过水流、电流、系统动力学流进行传播，并会影响电站机组和水工建筑物安全。以水库富营养化为例，计算了相应的风险事件发生概率，绘制了水质风险传递拓扑图，并尝试性提出梯级耦合风险的截断措施，为流域梯级水库环境风险控制和金沙江流域梯级水库区运行对水环境影响风险管控提供支持。