南水北调东线工程水质影响因素分析

南水北调东线工程水质影响因素分析

随着经济和社会的快速发展，人口的增加和气候变化等因素的影响，各种环境事故不断发生。例如，1984年印度巴博尔农药厂爆炸发生，1986年科齐诺贝利核电站泄漏发生，2005年中国松花江污染事件。分析这些突发性事故的原因,主要是由两方面原因造成:一是本身存在隐患,如管理不善、生产流程出现漏洞等;二是应对这些突发性事故的措施不力,不能在事故发生的第一时间控制污染传播,从而造成了极大危害。这些事故的发生为人类敲响了警钟,需要加强突发性环境风险方面的研究,增强环境保护意识以及安全意识。国内学者对突发性环境风险方面的研究,取得了一系列成果。何进朝等从危险源和环境因素两个方面进行河流突发性污染事故风险评价,引入加权危险河段长度和河段危害权重两个概念论述危险源风险评价,提出了环境因素定性评价方法。于长江根据污染物的迁移转化方程,建立了突发性水环境污染风险评估模式;龙铁宏引入有毒有害物质的毒理学资料,确定对预测结果适合的评估指标,进一步明确事故危害程度,提出可行的减缓措施。南水北调东线工程跨越四大水系,输水渠道与各主要河流平交,而淮河流域又是我国环境污染比较严重的地区之一,因此,水质问题是东线工程重要的环境问题,相应地水污染治理、水环境保护是南水北调东线工程成败的关键。为确保东线工程的水质达到输水要求,需要分析研究其输水过程中可能存在的突发性水环境风险,降低风险发生的概率。本文在分析突发性环境风险特点的基础上,结合南水北调东线工程实际,从环境风险管理的理论框架出发,阐述了东线工程的风险识别、风险评估与预测以及风险管理等内容,提出降低东线工程运行期突发性风险发生的预防对策。1水环境风险的事故类型风险一般定义为研究对象在某一特定环境下,在某一特定时间段内,其不能完成预期目标(功能)的概率与由此产生的后果的结合。但是,对于水环境风险的定义也较多,但很不统一。针对突发性水环境风险的定义为由于自然因素、社会因素以及其它不确定性因素引发固定或移动的潜在污染源偏离正常运行状况,而突然向水体排放污染物(或有毒有害物质),引起水体中的生态结构或物理化学组成发生严重破坏或改变,水体丧失了其部分或全部功能,给人类生存环境、水体生态系统、人体健康安全构成了严重危害的事件。引入工程系统风险定义的概念,在相应的风险准则条件下分析水环境系统的阻抗与负荷,计算系统失效概率,估算系统中风险发生的后果损失,并综合评价系统风险值。突发性水环境风险是由于自然或人为因素引起的,对环境造成突然性影响的事故。根据污染物的性质及经常发生的方式,突发性水环境污染事故可分为:①溢油事故。②有毒化学品的泄漏、爆炸、扩散污染事故。③非正常大量排放废水造成的污染事故。突发性水环境风险具有以下的特征。①发生的突然性。突发性水环境风险发生的比较突然,一般事先不易被人察觉,且发生的方式不固定,没有任何规律,如溢油事故,并不是每次运输中都会发生,必须当某种条件受到破坏或环境达到某种条件时才会发生。②影响的严重性。由于突发性水环境风险发生的突然性,管理人员没有充足的应对措施,使得事故发生后造成严重后果,同时突发性水环境事故来势比较凶猛,即使有一定的应急措施,但如果处理不够及时,也会对周围环境或人员造成严重危害。对于东线工程以水质合格作为管理目标,一旦发生突发性水环境风险,在风、水流的推动作用下,污染物的扩散范围将会在瞬间发生变化,影响取用水质量,从而增加东线工程的管理难度。③处理的艰巨性。突发性水环境风险的产生形式比较多,每类事故都需要相应的对策去处理,如果对策制定不合适,反而会增加风险产生的危害。如,有毒化学品泄漏事故由于其化学品的物理化学性质不同,必须采取针对性的应对措施,否则将会造成更大危害。此外,突发性水环境风险发生的突发性,瞬时产生的污染物很大,在外界因素作用下,污染物迁移转化过程也很复杂,增加了处理难度,尤其是在周围环境加剧风险恶化的条件下。2研究对象及运行风险南水北调东线工程是缓解我国苏北、鲁北、山东半岛、天津和河北部分地区水资源严重短缺,优化水资源配置,改善生态环境的战略举措,是一项经济、社会、生态协调发展的重大工程。东线工程从江苏省扬州附近的长江干流引水,利用京杭大运河及与其平行的河道向北输水,连通洪泽湖、骆马湖、南四湖、东平湖作为调蓄水库。本文的研究对象是东线一期工程,即黄河以南的输水路线,输水干渠长约646km,从长江至东平湖共设有13个低扬程大流量大型梯级泵站,总扬程65m。如图1所示。无论是调水线路长度,还是调水规模,东线工程都是世界上大型调水工程之一。东线工程的运行过程中存在各种不确定性因素,可能导致输水系统破坏,引发供水危机。尤其是东线一期工程黄河以南段,跨长江、淮河、沂沭泗、黄河多个水系,与沿途河流、湖泊连通构成了一个复杂的水系,沿线区域的工农业和生活污水排放严重影响到东线的供水水质,区域内的环境不确定因素复杂而众多,都关系到东线水质是否能实现全线Ⅲ类目标。水系中各种不确定性因素引起的水环境风险备受关注,相关的东线工程运行风险分析和风险管理也是迫在眉睫。东线工程运行时能否保证持续正常调水和保证供水水质,是判断其成功与否的关键指标,尤其是保证供水水质。3运行期水环境风险防范根据东线工程输水干渠承担的航运任务和受水区的用水要求,分析在运行期可能存在的突发性水环境风险主要有船舶漏油事故、有毒化学品泄漏事故以及非正常大量排放污水事故,本文采用环境风险管理的理论框架,对这3类事故进行水环境风险管理。3.1船舶溢油事故风险源识别环境风险识别是运用因果分析的原则,采用一定的方法(筛选、监控、诊断等),从纷繁复杂的环境系统中找出具有风险因素的过程。环境风险识别不仅要分析环境风险因子的作用机理,明确环境风险的来源,还要明晰环境风险的作用过程,也要掌握环境风险在作用过程中内部和外部的保护屏障。通过环境风险识别,分析各个传播环节的作用,选择适当的控制目标与控制方式使风险得到避免、转移或降至一个可被接受的水平。目前常用的风险识别方法有:专家经验法、德尔菲法、故障树分析法、事件树分析法、层次分析法以及新发展起来的贝叶斯网络分析法等。故障树分析法是一种比较成熟的方法,本文采用故障树分析法对船舶漏油事故、有毒化学品泄漏事故以及非正常大量排放污水事故分别进行风险识别,并阐述其风险作用过程。船舶溢油事故的主要风险来源是船舶交通事故和船舶操作引起的油类污染物排放。其中,船舶交通事故排放主要是由于船舶发生碰撞、搁浅等严重事故时造成的油类污染,或者是在装卸过程和驳油过程中出现的油类泄漏污染。船舶操作主要是指船舶在航行过程中,由于操作需要,排放一部分机舱含油舱底水(船舶机械在运转过程中需要排放一些污水,含有燃料油、润滑油等)、含油压载水和洗舱水,这些污水所引起的油类污染。有毒化学品泄漏事故主要是由于输水干渠与沿线公路立交,一旦运输车辆发生事故,将会导致有毒化学品泄漏进入输水干渠中,此外由于输水干渠承担一定的运输功能,也会导致有毒化学品泄漏到输水干渠,影响水质。本文主要从两个方面来考虑该事故的风险源:一是贮存罐发生故障导致有毒物质泄漏;二是在装卸过程中发生的泄漏。在装卸过程中发生的有毒物质泄漏和船舶装卸过程发生的泄漏原因几乎是相同的,只是污染物不同,主要是作业人员在操作过程中的失误以及贮存有毒化学品的设备出现密封不好引起的。而贮存罐发生故障主要是贮存罐破裂或者腐蚀、或者保险控制失效造成的。非正常大量排放污水事故发生的原因主要有3个方面。①在污水量增加、污水处理厂设计处理能力不高的情况下,污水就没法全部进行处理,不得不将一部分污水直接排入输水干渠中,影响输送的水质;此外,由于部分企业为了一时的利益,减少污水处理的费用,在某一时间段内将没有经过处理的污水集中排入河流中,这对输水干渠的水质也有很大威胁。②污水处理厂运行事故发生,将会影响污水处理力度,无法达到国家规定的标准,一时间无法修复该事故,导致污水排入到输水干渠中。③一旦截污导流工程失效的话,就不能保证水质是否可以达到要求,而且部分污水可能未经处理就直接排入干渠中。根据南水北调截污规划,如果截污导流工程运行良好,则进入输水干渠的污染物将为零,在截污导流工程失效的情况下,大量污水将直接进入输水干渠中。3.2事故发生率估算环境风险评估是指对各种社会经济活动所引发或面临的危害(包括自然灾害)造成的人体健康、社会经济、生态系统等可能损失进行评估。一般来说,水环境系统的风险评估需要阐述3个根本性的问题:①可能出现什么故障?②它的可能性怎样?③有哪些损失(后果)对于特定的水环境风险(如船舶漏油、存储有毒物质的容器泄漏等),风险评估是根据已有资料,统计分析该类水环境风险发生的概率,预测工作主要集中在对已经发生的该类风险进行分析,评估风险发生的概率和总结风险发生前的异常特征,然后提出相应预防措施或做好风险预警和紧急防治措施等;同时在风险发生之后,根据水体流动方向,向风险转移方向提出预警和防范措施。由于突发性水环境风险具有发生的突然性、处置的艰巨性和影响的危害性等特点,在评估和预测突发性水环境风险时,只能通过统计该类水环境事故的历史资料,分析事故发生的次数、产生的危害,估算该类水环境事故发生的频率及损失。由于东线工程尚未完全投入运行,缺少水环境事故的资料,可借鉴类似地区的相关资料或已有的研究成果进行分析,粗略估算船舶漏油事故、有毒化学品泄漏事故以及非正常大量排放污水事故发生的概率,并采用简化的模型对这3类事故产生的危害进行评估与预测,为减少风险的危害奠定基础。文献认为船舶事故概率服从离散二项概率分布,并假设航运中油船占的比例为R,将船舶事故溢油风险概率看成是油轮碰撞风险概率、油轮搁浅风险概率和油轮溢油风险概率之和。本文以船舶溢油事故的水环境风险为例,将该方法应用在东线工程运行期的风险管理中,结合东线工程各航道管理部门的统计资料,得出输水干渠发生较大规模溢油事故的概率为每25年1次。随着船舶数量的增加,油轮比例的增大,溢油风险率也将随之上升。此外,通过Blokker经验模型来预测不同泄漏量情景下油膜随时间的扩散过程,结果见表1。从表1的结果中也可以看出,随着泄漏量的增加,油膜的扩散直径随着时间在不断扩大。对于有毒化学品泄漏事故和非正常大量排放污水事故,可以通过统计已有的资料或类似资料进行分析,但由于缺少统计资料,本文查阅类似研究成果来估算东线工程运行期该类事故的发生概率。胡二邦利用故障树法计算一年工作日中贮存罐毒物泄漏事故的发生概率为6.0×10-7,而且压力控制系统失控和吸收池无水而使保险控制失效造成泄漏事件的可能性最大,占全体概率的83%。非正常大量排放污水事故可以通过统计东线工程周围工业的分布状况及主要污染源来分析,初步统计该类事故发生的概率为0.5%。此外,采用一维瞬时排污模型的解析解来预测有毒化学品泄漏事故和非正常大量排放污水事故的污染物随时间的浓度变化过程,反推水体达到调水水质标准范围。由于不同污染物衰减系数不同,在相同时间、相同流速条件下,相同距离的污染物浓度也不相同,分别见表2、表3。当有毒化学品突发性事故发生在长江引水口处,泄漏量达到0.03t时,1446km长的输水渠道的水都将受到不同程度的污染。同理,当污水排放突发性事故发生在长江引水口处,泄漏量达到17t时,输水渠道的水都将受到不同程度的污染。此外,污染物衰减过程也受到水体流速、外界风速影响,随着水体流速增加,污染物扩散速度也增加,受风速等外界条件影响,其扩散速度会更快。由上可知,从不同河段的水环境风险来看,长江-洪泽湖的水环境风险较大,其次是洪泽湖-骆马湖段、骆马湖-南四湖段、南四湖-东平湖段,需要对水环境风险大的河段进行优先管理。从3类事故的风险源、传播过程、对风险接受者的影响来看,船舶溢油事故风险发生的概率相对较大,且对水质的影响较大,故应对该类事故进行优先管理,其次是有毒化学品泄漏事故以及非正常大量排放污水事故。3.3风险管理与对策3.3.1降低风险实施安全控制通过风险识别和风险评估之后,下一步工作就是采取管理措施对风险实施安全控制,以确保风险被降低或消除。根据东线工程运行期突发性水环境风险分析的结果,从风险源、风险传播过程、风险接受者3方面制定各种措施,降低风险发生概率,减小其影响。加强储存罐区监测对于3类水环境风险事故,它们之间既存在相同的风险因子,也存在不同的风险源,必须针对不同事故的风险源进行管理。船舶漏油事故,可以通过减少航运船舶,缩减航运规模来降低风险发生的概率;有毒化学品泄漏事故,必须在罐区安装特殊的仪器和监测报警装置,加强储存罐区指标的监测工作;非正常大量排放污水事故,不仅要加强污水处理厂运行监督管理,也要定期对处理设备进行检查。此外,加强截污导流工程运行管理有利于保证调水工程水质。确定补水工程周围的水口水口分布,降低风险因子的危害根据东线工程水环境风险发生的特点及传播途径,制定相应的管理措施:根据输水沿线取水口分布特点来调整调水工程周围的工业布局;降低风险因子的危害;加强水体环境的监测工作。居民及农作物东线工程环境风险的承受者主要是工程周围的居民、饮用工程输送水的居民以及农作物等。因此,在水环境风险发生之前,通过在风险影响范围内减少居民的数量和提高居民的安全意识来加强措施管理。3.3.2使用“优先管理”的方法为了降低或消除水环境系统的风险,管理部门应选择合理有效的安全控制,使风险降低到可接受的水平。安全控制的选择应以风险评估的结果作为依据,与威胁相关联的薄弱点表明什么地方需要保护,且应该采取何种形式的控制。然后管理部门应根据控制费用与风险平衡的原则,严格实施并保持所选择的安全控制。根据南水北调东线工程的运行特征,对风险区、风险事件进行优先管理