區(qū)域水環(huán)境安全預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)建

區(qū)域水環(huán)境安全預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)建

水環(huán)境安全通常是指在人類社會的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中發(fā)生的與水有關(guān)的問題，包括洪水、水庫破壞、水量不足、水污染等。這將給人類社會帶來損害，如財產(chǎn)損失、人口死亡、健康狀況惡化、環(huán)境適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)發(fā)展嚴(yán)重制約等。由于水環(huán)境安全在人與自然均衡發(fā)展中的重要性日益明顯,近年來針對保障水環(huán)境安全的研究逐漸興起。世界衛(wèi)生組織(theWorldHealthOrganization,WHO)提出的水安全計劃(WaterSafetyPlans,WSP)包括系統(tǒng)評價、有效的運行監(jiān)控及管理措施。區(qū)域水環(huán)境安全預(yù)警系統(tǒng)的研究目的是為區(qū)域水環(huán)境風(fēng)險管理提供直接信息,包括風(fēng)險起因、發(fā)生概率、影響過程、后果等,從而為管理者提供決策依據(jù)。比較典型的國外研究實踐包括德國和奧地利聯(lián)合開發(fā)的多瑙河流域水污染預(yù)警系統(tǒng)、德國在萊茵河流域開發(fā)的水污染預(yù)警系統(tǒng)等,國內(nèi)有桂江、漢江、遼河流域水質(zhì)預(yù)警系統(tǒng)等。然而,目前國內(nèi)還缺乏對構(gòu)建區(qū)域水環(huán)境安全預(yù)警系統(tǒng)的一般性理論和方法的研究,已有的預(yù)警系統(tǒng)對水環(huán)境安全與區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間深刻關(guān)系的體現(xiàn)不夠系統(tǒng)。1建立區(qū)域水環(huán)境安全預(yù)警系統(tǒng)風(fēng)險包含兩個要素,即不良影響的可能性與嚴(yán)重性。環(huán)境風(fēng)險評價即評估事件的發(fā)生概率及在不同概率下事件后果的嚴(yán)重性,并決定適宜采取的對策。其主要特點是評價環(huán)境中的不確定性和突發(fā)性問題,人們關(guān)心的事件發(fā)生的可能性及其發(fā)生后的影響。環(huán)境風(fēng)險評價處理了危險物、人類系統(tǒng)和生態(tài)資源之間的關(guān)系,為環(huán)境現(xiàn)狀評價和設(shè)定情景下的狀態(tài)預(yù)測提供了技術(shù)基礎(chǔ)。亞洲開發(fā)銀行(AsianDevelopmentBank)1997年出版的《環(huán)境影響評價》一書中指出,環(huán)境風(fēng)險評價需要解決4個問題:①什么因素可能引起不良影響;②不良影響發(fā)生的概率是多大;③不良影響的范圍和程度是多大;④如何進(jìn)行風(fēng)險管理及減少風(fēng)險與危害的發(fā)生,管理成本是多少。建議的環(huán)境風(fēng)險評價程序見圖1。相對于事故發(fā)生后所采取的末端管理而言,針對尚未發(fā)生的隱患事件的風(fēng)險管理能為保障環(huán)境安全提供更有效的信息,也更有利于可持續(xù)發(fā)展。因此,基于環(huán)境風(fēng)險評價理論建立區(qū)域水環(huán)境安全預(yù)警系統(tǒng)具有現(xiàn)實意義。基于環(huán)境風(fēng)險評價理論的區(qū)域水環(huán)境安全預(yù)警系統(tǒng)概念框架包括風(fēng)險分析、狀態(tài)預(yù)測與評價、預(yù)警與決策響應(yīng)3個重要部分及其相互關(guān)聯(lián),其對應(yīng)的概念框架見圖2。模型通過在環(huán)境風(fēng)險評價程序中對預(yù)警功能的嵌入,建立了針對系統(tǒng)狀態(tài)變化作出響應(yīng)的基本過程,從而形成一個完整的“風(fēng)險—安全—預(yù)警—控制”系統(tǒng)。此框架模型將預(yù)警系統(tǒng)的運作方式概括為:根據(jù)水環(huán)境安全風(fēng)險壓力作用信息,一旦區(qū)域水體無法滿足預(yù)定的功能要求(由水體狀態(tài)反映),就可以認(rèn)為水環(huán)境在安全上存在風(fēng)險,需要發(fā)出警報,并由相關(guān)信息作出響應(yīng),以實現(xiàn)對系統(tǒng)的調(diào)控。2水環(huán)境安全評價以區(qū)域水環(huán)境安全預(yù)警為目的的水環(huán)境安全評價工作,其實質(zhì)是通過評價結(jié)果來完成或輔助完成以下任務(wù):①判定水體安全受到威脅的程度,尤其是一些極端情況,以便在預(yù)警系統(tǒng)中實現(xiàn)狀態(tài)報警功能;②掌握水安全狀態(tài)的變化趨勢,以便在預(yù)警系統(tǒng)中實現(xiàn)趨勢報警功能;③確定導(dǎo)致水環(huán)境處于不安全狀態(tài)的風(fēng)險因素,例如主要污染物及其來源、污染時段、位置區(qū)間及其發(fā)展趨勢等,以便在預(yù)警系統(tǒng)中實現(xiàn)警源回溯功能,進(jìn)而尋找造成水環(huán)境不安全的人類活動,以便予以適當(dāng)干預(yù)。區(qū)域水環(huán)境安全評價指標(biāo)主要反映以下內(nèi)容:①能夠使水環(huán)境發(fā)生變動的因素,如化肥和農(nóng)藥的使用強(qiáng)度、灌溉用水量、工業(yè)廢水排放量、生活污水排放量等;②在外界壓力作用下,水環(huán)境所呈現(xiàn)出的安全或不安全的狀態(tài),如河道、湖泊、水庫等水體中主要污染物的含量、富營養(yǎng)化程度等;③系統(tǒng)通過狀態(tài)評價作出的決策,如BMP措施使用率、節(jié)水灌溉面積和比例等。評價結(jié)果將為發(fā)出水環(huán)境安全預(yù)警信號、為解除警報而實施干預(yù)行為等后續(xù)工作提供科學(xué)的決策依據(jù)。3建立區(qū)域水環(huán)境安全預(yù)警系統(tǒng)的方法3.1影響水環(huán)境安全因素分析區(qū)域水環(huán)境是一個結(jié)構(gòu)復(fù)雜的綜合系統(tǒng),其涵蓋的層面廣闊,包括社會子系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)、水量與水質(zhì)子系統(tǒng)等。水環(huán)境安全的風(fēng)險壓力源于各種工農(nóng)業(yè)和生活活動,以及作為響應(yīng)過程的政策措施等,它們直接體現(xiàn)為影響水質(zhì)狀態(tài)的污染物排放與水量條件。因此,需要從人類社會經(jīng)濟(jì)活動的角度綜合考慮影響水環(huán)境安全的因素。在建立區(qū)域水環(huán)境安全預(yù)警系統(tǒng)時,對可能影響其安全的各項因素進(jìn)行定性和定量相結(jié)合的分析稱為風(fēng)險分析。風(fēng)險分析的基本內(nèi)容可以劃分為風(fēng)險識別和風(fēng)險框定兩個部分。其中風(fēng)險識別指根據(jù)預(yù)警對象的基本情況、歷史觀測數(shù)據(jù)和機(jī)理模型研究系統(tǒng),分析各種相關(guān)因素及所有水環(huán)境安全隱患,識別出影響環(huán)境安全的各種風(fēng)險因素;風(fēng)險框定指根據(jù)風(fēng)險因素發(fā)生變化的趨勢,預(yù)測未來可能出現(xiàn)的環(huán)境污染和生態(tài)惡化事故,識別事故發(fā)生的主要途徑和原因,并在此基礎(chǔ)上對各種可能發(fā)生的事故所造成的損失進(jìn)行評估,得出環(huán)境可能受到的風(fēng)險壓力的大小及發(fā)生的概率,從而為狀態(tài)預(yù)測與評價提供必要的數(shù)據(jù)支持。3.2狀態(tài)預(yù)測與評價方法水環(huán)境功能的價值不僅在于水是可以供人類直接消費和利用的資源,而且通過保護(hù)和改善水環(huán)境,可以使其發(fā)揮更大的間接價值。在對水環(huán)境安全進(jìn)行評估和研究的過程中,雖然無法也不必要確切地測算出水環(huán)境的價值,但可以通過一定的評價指標(biāo)來衡量其相對變化和損失,以便明確水環(huán)境安全預(yù)警的重點和實施方向。建立了合理的預(yù)警評價指標(biāo)體系后,狀態(tài)預(yù)測與評價環(huán)節(jié)的主要任務(wù)就是利用所建立的評價指標(biāo)體系,選擇適當(dāng)?shù)脑u價方法和模擬預(yù)測模型,作為主要的測算手段,將水環(huán)境風(fēng)險和水環(huán)境狀態(tài)予以定量化的關(guān)聯(lián),以便考察水體狀態(tài)在風(fēng)險因素下是否發(fā)生變化及如何發(fā)生變化。安全狀態(tài)評價方法很多,可以從不同角度予以劃分,如按狀態(tài)參數(shù)的選擇方法劃分、按數(shù)學(xué)手段劃分、按指數(shù)繁簡劃分等。該研究綜合上述不同方法的特點,根據(jù)具體需要,如水體污染程度、主要污染物及其來源、污染時段、位置區(qū)間及其發(fā)展趨勢等,選擇多種評價方法,以便為水環(huán)境預(yù)警預(yù)測、水環(huán)境管理及水資源保護(hù)提供多角度的決策信息。鑒于CSTR模型(TheContinuously-Stirred-Tank-ReactorModel)原理具有普適性優(yōu)點,并曾在國外被廣泛地用于河流水質(zhì)模擬及河流規(guī)劃預(yù)測,該研究采用在國內(nèi)河流水質(zhì)模擬中曾被實際應(yīng)用、自主開發(fā)的CSTR模型進(jìn)行水質(zhì)模擬,初始狀態(tài)數(shù)據(jù)由實時動態(tài)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)提供。3.3預(yù)警方案的設(shè)計隨著人類認(rèn)識的不斷深入,由于現(xiàn)場觀測的局限性,對環(huán)境系統(tǒng)的認(rèn)識必然越來越多地建立在非結(jié)論性的模擬結(jié)果上。針對考察重點進(jìn)行情景分析,設(shè)置具體方案開展情景研究,已成為系統(tǒng)模擬預(yù)測最直接和有效的方法之一。該研究中,預(yù)警預(yù)測系統(tǒng)將在集中管理流域基本信息、識別區(qū)域水質(zhì)影響因素和建立狀態(tài)預(yù)測評價機(jī)制的基礎(chǔ)上,通過建立多種預(yù)警方案模擬區(qū)域水體水質(zhì)變化過程,預(yù)測水質(zhì)發(fā)展趨勢,以警報形式預(yù)報其不正常狀況的表現(xiàn)形式和影響范圍,為調(diào)整社會經(jīng)濟(jì)活動提供支持。其最終目的是實現(xiàn)現(xiàn)有措施評估和在未來一定經(jīng)濟(jì)條件約束下減少事故損失和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的最佳措施篩選。預(yù)警方案通過人為設(shè)置安全風(fēng)險壓力值來考察系統(tǒng)響應(yīng)情況。通過設(shè)計預(yù)警方案,可以提取和組合風(fēng)險事件,并針對所設(shè)定的風(fēng)險事件在設(shè)定環(huán)境中一旦以設(shè)定狀態(tài)發(fā)生,預(yù)測系統(tǒng)狀態(tài)可能發(fā)生的變化。典型預(yù)警方案可以最大限度地運用已知信息,設(shè)置常見或極端的情況,得到大概率或小概率大危害的事件組合,為用戶提供重要的決策支持信息。預(yù)警方案設(shè)計的基本思想見圖3。4安全預(yù)警系統(tǒng)研究南水北調(diào)東線工程是在江蘇省江水北調(diào)工程的基礎(chǔ)上,以京杭大運河為調(diào)水干線,利用現(xiàn)有京杭運河及與其平行的河道,從長江引水輸送到華北及膠東半島地區(qū)的大型工程。調(diào)水水質(zhì)要求為Ⅲ類水,以水體的高錳酸鹽指數(shù)和氨氮濃度作為評價標(biāo)準(zhǔn)。在深入分析該區(qū)域水安全預(yù)警需求的基礎(chǔ)上,為保障供水環(huán)境安全,以上述水環(huán)境安全預(yù)警系統(tǒng)概念框架為指導(dǎo),開發(fā)了南水北調(diào)東線工程水環(huán)境安全預(yù)警系統(tǒng)。其主要成果如下:(1)根據(jù)對典型區(qū)域47個污染控制單元和治污規(guī)劃中幾百個污染控制工程的具體分析,南水北調(diào)東線工程的水環(huán)境風(fēng)險因素涵蓋了點源、面源、內(nèi)源、水量變化等多個方面。研究應(yīng)用故障樹分析法(FaultTreeAnalysis),按照演繹法原則循序漸進(jìn)地逐層尋找破壞典型區(qū)域水環(huán)境安全的所有可能的直接原因,一直分解到基本底層事件為止,并對每個事件的發(fā)生概率及危害進(jìn)行了定量分析。(2)在風(fēng)險分析的基礎(chǔ)上,概化了典型區(qū)域的河流和各控制單元,對水環(huán)境狀態(tài)預(yù)測工具——CSTR模型進(jìn)行了參數(shù)率定和驗證。(3)建立了全面的預(yù)警機(jī)制,為用戶提供一系列預(yù)警功能,如根據(jù)具體需要有針對性地設(shè)定預(yù)警方案,進(jìn)行水質(zhì)模擬,最終輸出水質(zhì)分析結(jié)果并為決策管理提供重要依據(jù)等。(4)采用原型法的開發(fā)思想,完成了南水北調(diào)東線工程水環(huán)境安全預(yù)測預(yù)警示范系統(tǒng)的開發(fā),實現(xiàn)了數(shù)據(jù)儲存、分析計算、水質(zhì)模擬、預(yù)測預(yù)警、決策分析等功能。5水環(huán)境安全