2018, Vol. 10
2. 上海市环境科学研究院, 上海 200233
2. Shanghai Academy of Environmental Sciences, Shanghai 200233, China
近年来频繁发生的突发性水污染事件对社会经济和人民生活造成了极大的影响和损失，引起了全国关注，也敲响了杭州市水源地安全保障的警钟。2016年9月在杭州召开的国际经济合作峰会——G20峰会，对杭州的大气和水环境质量保障、钱塘江流域的饮用水源地安全保障和突发污染事故防范等提出了高标准、高要求。同时，为贯彻落实国家“水十条”和进一步巩固展现全省“五水共治”成果，促使全面控制污染物排放、深化河道水质改善，作为浙江省和杭州市最重要、最广阔的水体之一，钱塘江流域饮用水源安全显得尤为重要。新安江—富春江—钱塘江等主要干流沿线分布有多处饮用水源取水口，如三江口、珊瑚沙、南星桥等，是杭州市的重要原水水源地，保障新安江—富春江—钱塘江等骨干河流的水质安全是保障城市水安全的重要基础，但是目前在钱塘江流域尚未形成有效的水污染事故应急预警和水环境安全保障体系。
国外突发性污染事故预报模型的研究始于20世纪70年代。早期的经典理论是Fay静水或恒定流环境下的油膜扩散三阶段模式[1]。在此基础上，很多学者考虑了海洋环境动力学的影响而提出了一系列的改进模式，其中Machay公式考虑了风速的影响，分别建立了厚油膜和薄油膜的扩展公式[2]；Lehr等对Fay理论进行了修正，考虑了流场及风场对油膜扩展的影响，认为油膜在海洋中的扩散不是圆形而是椭圆形的, 长轴方向与风向一致[3]。MIT则突破了传统理论模式，建立了油膜扩展—分散的微分方程的数值求解模式。在此基础上，许多国家建立了突发性污染事故的预报系统。目前国际上比较著名的水环境溢油、化学品泄漏事故应急模拟系统主要有丹麦水环境研究所开发的MIKE PA/SA系统，美国应用科学协会（ASA）开发的OilMap（溢油模型）、ChemMap（化学品模型），英国的OSIS，挪威的OILSPILL/STAT，比利时的MU-SLICK，荷兰的SM4等。欧洲多瑙河流域的德国、奥地利等9个国家针对多瑙河这一跨国河流的突发性事故，主要是船舶溢油泄漏事故，设计了“多瑙河突发性事故应急预警系统”，该系统为多瑙河突发性污染事故风险评价和应急响应的主要工具[4]。
我国对突发性污染事故模型的研究始于20世纪80年代，大多数属于Fay理论模型改进版。如成都科技大学的溢油行为预测组合模型，中国科学院的胶州湾溢油范围预测模型，青岛海洋大学的海洋溢油轨迹分析预报模型，国家海洋局的基于油粒子概念的溢油软件包等。我国频繁发生的油类、有毒化学品突发性重大水污染事故促使长江、黄河等流域先后建立了重大水污染事件应急机制：三峡库区综合运用了GIS、RS、网络、三维仿真等技术建立了突发性水污染事件应急响应系统[5, 6]；黄委建成黄河水污染预警预报系统[7]；上海市环境科学研究院建立了业务化运行的长江口突发污染事故应急响应系统，对我国建立典型水源地水污染突发事故的实时预警和应急处理系统做出了有益的探索[8]。
本研究以数学模型作为水污染事故应急预警的核心手段，基于网络GIS技术框架和空间关系型数据库，研发覆盖钱塘江水系主要河流的突发水污染事故应急响应系统，为保障钱塘江流域饮用水源安全提供快速应急响应和管理决策支持。该系统的研发可为浙江及全国其他重要水体的应急管理提供技术思路和有益借鉴。
2 突发水污染事故应急系统构架设计系统采用目前广泛应用的浏览器/服务器(Browser/ Server)构架设计。用户通过网络浏览器操作系统界面，系统内部的模型运算和数据分析在服务器端进行（图 1）。系统在服务器端的核心模块包括：
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图 1 突发水污染事故应急系统构架 |
（1）空间关系型中央数据库：用于组织系统内所有数据的地址、结构和相关拓扑关系；
（2）化学品/溢油模型：用于突发水污染事故的化学品/油品的应急演算；
（3）水动力模型：用于模拟生成化学品/溢油模型所需的水动力流场数据；
（4）地图服务器：用于展现静态图层和网络地图；静态图层为操作人员在系统界面中制作的点、线、面图层，网络地图取自国家地理信息公共服务平台“天地图”等网络公开地图。
（5）IIS网络服务器：用于在网络端发布系统平台界面；
（6）数据网络服务器：提供发布动态空间地图、模型结果、环境数据分析等数据在线可视化服务。
3 系统开发技术 3.1 系统客户端开发技术系统客户端是基于ArcGIS Viewer for Flex框架开发的。Flex Viewer是ESRI公司推出的基于WEB地理信息应用系统的一种免费应用程序框架。使用该框架可以通过简单配置的方法快速搭建起一个基于ArcGIS Server的、以地图为中心的富互联网应用（RIA）的原型。浏览器利用FLASH播放器来加载和运行FLASH文件，FLASH与服务器中的应用程序接口（API）进行数据交互，从而启动FLEX VIEWER的应用程序。用户可以通过操作浏览器中的各种窗口部件（WIDGETS）来配置系统文件，运行FLEX VIEWER，读取数据库中的各类信息，实现系统的各种功能。
3.2 系统数据库开发技术系统数据库的开发采用开源数据库POSTGRESQL，并用POSTGIS为数据库提供空间地理数据支持。PostgreSQL是一款强大的开源软件数据库管理系统，其覆盖了SQL-2/ SQL-92和SQL-3/SQL-99等多种数据库标准，包含了丰富的数据类型支持，其中有些数据类型连商业数据库都不具备，如IP类型和几何类型等。PostgreSQL是支持事务、子查询、多版本并行控制系统、数据完整性检查等特性的唯一一款开源软件数据库管理系统。它采用经典的C/S（Client/Server）结构，即一个客户端对应一个服务器端守护进程的模式，这个守护进程分析客户端来的查询请求，生成规划树，进行数据检索并最终把结果格式化输出后返回给客户端。不同的客户端可以通过各类接口，如ODBC、JDBC、Python、Perl、Tcl、C/C++和ESQL等进行连接。PostgreSQL对接口的支持非常丰富，几乎支持所有类型的数据库客户端接口。PostGIS为对象—关系型数据库PostgreSQL提供了存储空间地理数据的支持，使PostgreSQL成为一个空间数据库，能够进行空间数据管理、数量测量与几何拓扑分析。
系统数据库内建立了12个模式（SCHEMA），在这些模式下，总共有132基本表格（table）及相应的视图（VIEWS）和功能（FUNCTIONS）组成了系统数据库的核心结构。新添入的GIS图层，底图、溢油和化学品模型图层都可作为新的表格分别在GIS模式、公共模式、及场景模式下储存。
3.3 系统数据网络服务开发技术系统数据网络服务是在微软的DOTNET FRAMEWORK4环境下用C#开发的网络服务（WEB SERVICE）。基于XML技术的网络服务是一种新的分布式计算模式，其松散耦合结构、多平台兼容和开放性编译的特点使得它将成为下一代电子商务的标准架构。用户可以跨平台访问服务，但考虑到网络的安全性，平台设计中的每个服务功能都需要用户端在登录成功后经过验证才能进行访问。系统中各类模型的模拟数据以NetCDF（Network Common Data Form）的形式储存在服务端数据库中[9-13]，用户需要通过网络界面访问，经过系统进行过滤和分析才能下载或展示。系统支持对模型数据的查询、读取及储存。数据分析结果及地图的发布直接由服务器端的应用程序转化成相应的图层和地图。
3.4 水污染应急模型开发技术系统中可通过网络平台界面实现在线实时运算的水污染应急模型是通过集成美国应用科学咨询有限公司（ASA）开发的溢油（OILMAP）和化学品溢漏模型（CHEMMAP）开发而成的。OILMAP和CHEMMAP在美国本土、中东以及欧洲等地区应用广泛，在溢油/危化品风险分析、应急处置等方面具有较为强大功能。OILMAP的轨迹和归宿计算模型用于快速、第一时间估计溢油的运动情况。它在物质平衡的基础上预测泄漏的油品在水体表面的运动轨迹。可以用模型计算瞬间或持续的溢油事件。溢油最初用一系列的溢油点表示，每个溢油点平均表示溢油总量的一部分。溢油点在风和流的作用下结合随机扰动分散进行平流输送。同时，油品会发生蒸发、扩散、进入水体、乳化以及吸附到岸边的现象。所有这些过程都将影响油品的物化状态、环境分布以及归宿[14-17]。CHEMMAP的设计原理和OILMAP类似，通过输入相关环境数据和泄漏化学品的物理化学性质数据，考虑化学品在水体中的蒸发、溶解、吸附、沉降和降解等过程，模拟其迁移转化过程[18, 19]。
3.5 水动力模型开发技术由于钱塘江流量主要受富春江大坝人工控制，因此采用三维水动力模型与一维河网模型相结合的方式来模拟钱塘江流域的水动力流场。
采用三维水动力模式ECOMSED开发建立富春江大坝—杭州湾段的钱塘江干流三维水动力模型[20]。该模型的流场模拟结果将作为溢油模型和化学品模型计算油膜和化学品漂移轨迹所需的流场数据。ECOMSED是在普林斯顿海洋模式(POM)基础上发展起来的三维水动力和泥沙输运模式。采用源代码模式可以有效地进行模式二次开发，便于实现计算结果的NetCDF格式自动转换，便于钱塘江突发水污染事故应急系统的整合和集成开发。
采用丹麦DHI公司开发的MIKE11一维河网水动力模式构建新安江大坝—杭州湾段的钱塘江流域主要河流的一维河网模型[21]。该模型的流场结果同样作为溢油模型和化学品模型计算油膜和化学品漂移轨迹所需的流场数据。采用一维河网模型可以实现对钱塘江流域干流和各支流的模拟覆盖，并再现富春江大坝的人工调度对其上下游流速和水位的影响。由于MIKE11属于商业软件，代码封闭，无法对其进行二次开发，因此另行开发数据转接口程序，将MIKE11的计算结果转换为NetCDF格式的二维流场，供钱塘江突发水污染事故应急系统调用。
4 钱塘江流域水动力模型构建突发水污染事故应急系统要实现溢油和化学品溢漏的应急模拟，需要导入事故发生水域的流场数据作为污染物漂移扩散的水动力条件。流场数据则需要依靠水动力模型来模拟提供。因此，高精度的水动力模型是实现应急系统溢油和化学品溢漏高精度应急模拟的基础。
4.1 钱塘江干流三维水动力模型构建陆海交界、咸淡水混合的杭州湾河口，其动力机制非常复杂。该区域内的水体运动受到地形岸线分布、上游径流量、外海潮波、表面风场、水体温盐梯度等多种因子的影响。水动力模型研究范围包含钱塘江干流富春江大坝—杭州湾大范围水体在内。上游边界设在富春江大坝，海域边界在东经121.7°、北纬30.1° ~ 30.8°左右。模型水平网格数832×30，垂向分为5层，计算时间步长为10s，网格最大分辨率50~ 60m（图 2）。模型边界涉及富春江大坝下泄流量边界和外海开边界。外海开边界采用水位开边界，通过16个分潮（M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、MU2、NU2、T2、L2、2N2、J1、NO1和OO1）的调和常数来计算水位边界。富春江大坝下泄流量采用实测流量数据。模型中启用盐度模拟模块来反映斜压力对流场的影响。盐度边界采用流入定常，流出无梯度的辐射边界条件。上游边界盐度取0，外海边界盐度取观测典型值。
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图 2 钱塘江三维水动力模型网格设计 |
利用2011年6月和2014年5月的钱塘江干流各水文监测点位的实测水位资料对模型进行率定和验证（图 3）。根据率定和验证结果可知，钱塘江干流水位计算结果与实测值吻合较好，水位平均误差小于5%。该水动力模拟结果能够为后续溢油和化学品数值模拟提供较准确的流场条件。
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图 3 测站2011年6月水位率定和2014年5月水位验证图（点为实测值，实线为计算值） |
一维河网水动力模型概化了钱塘江水系的主要河流：兰江、新安江、富春江、钱塘江等干流以及浦阳江、分水江等主要支流（图 4）。水系河网上游覆盖至新安江水库大坝，下游覆盖至钱塘江河口，覆盖干流河道长约210km。模型上游边界以水文站流量（水位）作为河网模型上游入流边界条件，下游以河口附近潮位站潮位数据作为河网模型下游水位边界条件；区间其他汇入支流如寿昌江、大源溪、渌渚江等在模型中以点源形式考虑其汇流影响。模型中设置富春江大坝的运行调度规则，以此模拟大坝人工调度对河流水动力的影响过程。
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图 4 一维河网模型全区域概化河网图 |
利用2011年6月模型区域内河道的水位实测结果进行模型验证，水位的模拟和实测结果比较如图 5所示。
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图 5 2011年6月各测站水位的验证结果图（点为实测值，实线为计算值） |
由模型验证结果可知，水位的计算结果与实测值吻合较好，水位平均误差小于5%。该水动力模拟结果同样可为后续溢油和化学品数值模拟提供较准确的流场条件。
4.3 钱塘江流域典型流场库构建在钱塘江杭州段水动力模型构建的基础上，针对钱塘江水系的典型水文特征，设计模拟不同富春江大坝下泄流量情景的模拟方案进行数值计算，并将模拟结果以NETCDF格式保存在典型流场数据库中，以备G20峰会期间水生态安全评估时调用。模拟方案中富春江大坝下泄流量范围设计在300m3/s~7 000m3/s范围内：300m3/s~ 1 000m3/s的方案，各方案按照100m3/s逐步增加下泄流量；1 000m3/s~ 7 000m3/s的方案，各方案按照500m3/s逐步增加下泄流量。由于模型分为干流三维模型和一维河网模型，水动力模拟方案也同样分为干流水动力方案和一维河网水动力方案。
5 钱塘江流域历史事故反演分析利用开发构建的钱塘江突发水污染事故应急系统对钱塘江流域2014年5月发生的四氯乙烷泄漏事件进行模拟反演，验证系统在水污染事故中的模拟精度和可靠性。
5.1 事故概况及模型设置2014年5月18日凌晨3时许，桐庐县境内发生化学品运输车辆侧翻事故。泄漏四氯乙烷约25.8t，经应急处置被拦截吸附17.8t，进入事发地点附近溪沟8t左右，该溪沟距离富春江2km左右。事发后，桐庐县有关部门对有四氯乙烷泄漏的溪沟两端及下游水沟设置8道围坝。由于围坝无法完全封闭污染物泄漏，富春江干流受到污染物影响。四氯乙烷初始进入富春江干流的时间为2014年5月18日凌晨5点左右，总量约1t；5月19日11点左右约0.5t四氯乙烷进入富春江干流；5月20日6点左右约2t四氯乙烷进入富春江干流。采用本次研究中构建的三维钱塘江干流水动力模型为化学品泄漏模拟提供事发时段的高精度水动力数据，通过化学品泄漏模型对事故的后续监测数据进行反演和验证。
5.2 事故模拟结果分析根据事故实测数据与模拟结果比对可知（图 6）：5月18日9~ 10点，污染团抵达窄溪大桥。5月18日19~ 20点，污染团抵达中埠大桥，5月19日0~ 1点，污染团抵达富春江大桥，5月19日15~ 16点，污染团抵达渔山和萧山南片水厂，5月20日6~ 7点，污染团抵达九溪水厂。从模拟和实测值比对结果可知，在5月20—21日，渔山、萧山南片水厂和九溪水厂均出现污染团随涨潮流回溯的现象，这表明当上游取水口确认污染团已经过境后，下游取水口不能停止监测，必须确保污染团完全排出钱塘江后才可解除警报。通过对该次事故的验证反演表明，本系统在突发水污染事故的应急模拟中具有较高的精度和可靠性，可为钱塘江流域的突发水污染事故的应急决策提供可靠的事故反演和事态推演等信息支持。
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图 6 事故实测数据与模拟结果比对图 注：事故中污染物浓度数据均做归一化处理。 |
为了快速有效应对G20峰会期间钱塘江流域可能发生的突发水污染事故，构建典型突发水污染事故情景库，本研究分别模拟峰会前后（2016年8月底至9月初）钱塘江沿线不同地点不同泄漏时刻发生不同类型化学品泄漏，进入钱塘江干流的化学品在水体中的迁移转化过程和对沿线各取水口的影响情况。一旦峰会期间发生突发水污染事故，即可利用该情景库迅速查询最为接近的情景案例，根据案例模拟结果对事故可能造成的影响在第一时间做出初步判断，为应急处置提供有力支撑。
6.1 模拟事故点及源强选取常见的突发水污染事故主要有运输危化品的车辆、船舶事故以及企业突发事故排放，前一类事故易发生在桥梁、码头等处，后一类事故泄漏危化品通常通过支流汇入钱塘江干流，因此选取钱塘江沿线主要桥梁、渡口和支流汇入口作为模拟事故点，共24个点位。由于大部分取水口位于富春江大坝以下，大坝上游发生的泄漏事故由于水动力条件、自身扩散、挥发和降解以及大坝阻隔等因素对下游取水口影响相对较小，因此重点模拟富春江大坝以下18个点位。
6.2 模拟化学品选取危险化学品数量繁多，选取典型化学品进行模拟既可以反映大部分化学品进入钱塘江水体后迁移转化过程，又可避免情景数据库过于庞大繁杂。因此，研究中综合考虑了钱塘江流域生产、使用、贮存和运输的主要危化品以及历史突发水污染事故涉及的危化品，选取了溶解型化学品四氯乙烷、漂浮型化学品甲苯和不溶沉降型化学品1, 2, 4-三氯苯等作为事故情景库主要模拟的化学品。四氯乙烷作为溶解型化学品，密度大于水，溶解性较强，挥发性较高；苯系物中的甲苯作为漂浮型化学品，其密度小于水，溶解性不强，挥发性较高；1, 2, 4-三氯苯作为不溶沉降型化学品，密度大于水，溶解性弱，不易挥发，进入水体后基本分布于水中和沉积物上。
6.3 主要模拟条件及参数选取模拟时间段根据G20峰会召开时间选择了2016年8月底至9月初，具体模拟泄漏时刻则选取了该时间段内的大潮涨憩、大潮落憩、大潮落急、小潮涨憩、小潮落憩、小潮落急等典型时刻；富春江大坝上游由于无明显潮汐现象，因此模拟泄漏事故不区分潮时。水动力条件则根据一旦发生事故后富春江大坝可能的下泄流量条件，选择1 000m3/s、1 500m3/s、2 000m3/s、3 000m3/s下泄流量条件下的水动力模拟文件。由于风对大部分进入水体的化学品迁移转化过程影响较小，因此风场参数选择为无风。模拟时长根据泄漏点位置及水动力条件并经过初步试算后选择7~ 13天。
6.4 模拟化学品毒性及阈值选取四氯乙烷是有氯仿样气味的无色液体，不燃，有毒，具刺激性。地表水环境质量标准（GB3838—2002）中无四氯乙烷项目，美国EPA制定的四氯乙烷水环境目标值（以对水生生态系统影响为依据）为97ppb，取该限值为四氯乙烷阈值。甲苯为无色澄清液体，属低毒类，对皮肤、黏膜有刺激性，对中枢神经系统有麻醉作用。在地表水环境质量标准（GB3838—2002）中甲苯限值为700ppb，取该限值作为甲苯阈值。1, 2, 4-三氯苯为无色或微黄色透明液体，有特殊气味。对眼、上呼吸道、粘膜、皮肤有刺激作用。在地表水环境质量标准（GB3838— 2002）中1, 2, 4-三氯苯限值为20ppb，取该限值作为1, 2, 4-三氯苯阈值。
6.5 构建钱塘江流域典型水污染事故情景库对上述各模拟事故点各不同模拟条件下的情景案例逐个进行计算，将污染物到达各取水口的时刻、各取水口水体中污染物超阈值时刻、持续超阈值时间和峰值浓度逐个进行统计，形成钱塘江流域突发水环境事故应急速查表，将情景案例及速查表统计信息设计成系统功能模块，构建成钱塘江流域典型水污染事故情景库（图 7）。
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图 7 系统中水污染事故情景库示意图 |
针对钱塘江流域突发性水污染事故风险，为实现应急管理部门和应急人员快速且较为准确地掌握事故现状、发展趋势以及对周边环境的危害程度，为保障G20峰会期间钱塘江流域的饮用水源地安全，本研究以水动力模型、溢油和化学品泄漏模型为核心，采用空间关系型中央数据库作为数据管理系统，基于网络GIS技术研发了钱塘江突发水污染事故应急系统，并通过对钱塘江流域历史事故的反演，验证了该系统的准确度和可靠性。鉴于钱塘江流域地形和人工构筑物特点，研究中采用三维水动力模型与一维河网模型相结合的方式构建了钱塘江流域水动力模拟体系。研究中针对钱塘江水系的典型水文特征和突发水污染事故特点，建立了典型流场库和突发水污染事故情景库，以此实现快速有效地应对G20峰会期间钱塘江流域可能发生的突发水污染事故。该系统可为钱塘江流域的水环境应急管理部门提供快速而准确的事故反演和事态推演信息，为保障钱塘江流域饮用水源地安全提供有力的技术支持，并可为浙江及全国其他重要水体的应急管理提供技术思路和有益借鉴。
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