南水北调中线丹江口段水质安全评价模型研究

李莉 孙勇 曹俊 潘坤

摘  要：南水北调中线由一条长长的开放运河和复杂的水力结构组成。它以极其严格的水质要求为城市提供饮用水。近几十年来，调水工程中经常发生水污染事故。需要进行科学有效的风险评估，以评估其对整体应急管理的影响，应将其纳入社会，经济和環境问题，以便及时应对和管理突发事件。在这项研究中，我们以丹江口段为研究对象，组建了一个综合的水质安全评价模型，主要为协调发展度模型。该模型的建立可以用于更科学，更通用地评估事故，从而帮助管理人员或专家做出更快，更有效的决策。

关键词：南水北调;中线;丹江口;水质安全;模型

中图分类号：X824          文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）11-0070-02

Abstract： The middle route of the South-to-North Water Diversion Project consists of a long open canal and complex hydraulic structures. It provides drinking water for cities with extremely stringent water quality requirements. In recent decades， water pollution accidents often occur in water diversion projects. Scientific and effective risk assessment is needed to assess its impact on overall emergency management and should be integrated into social， economic and environmental issues， in order to respond to and manage emergencies in a timely manner. In this study， we take the Danjiangkou section as the research object to set up a comprehensive water quality safety evaluation model， mainly the coordinated development degree model. The establishment of the model can be used to assess accidents more scientifically and generally， so as to help managers or experts make faster and more effective decisions.

Keywords： South-to-North Water Diversion; middle route; Danjiangkou; water quality safety; model

1 概述

可持续发展已成为各国政治议程中至关重要的问题[1]。水资源的使用是可持续发展的重要方面，尤其是在水资源短缺的地区[2]。为了解决华北地区，特别是河南省，河北省，天津市和首都北京的缺水问题，中国政府启动了具有战略意义的南水北调中线工程。南水北调中线工程于2014年12月开始。主渠长1277km，总水头的长度<100m，有1800种不同类型的结构。南水北调中线工程的供水已成为许多受水地区的主要水源。它影响了华北地区的饮用水安全，极大地影响了工业生产和人民生活。但是，南水北调中线工程的特点是渠道开放，操作条件复杂，对水质的要求更高，类型多样且水污染风险源越来越多。因此，评估与南水北调中线工程相关的突发性水污染事件具有重要意义。

利用预警和预测，应急控制和风险评估系统对突发水污染事故进行了多项研究。Long等提出了一套全面的应急控制系统，用于应急风险评估和控制。徐等提出了一种实时，快速的应急控制模式，以应对与长距离输水工程有关的突发性水污染事故。Wang等提出了一种识别河流中污染源的方法，该方法可用于快速控制污染扩散。Lei等开发并实施了决策支持系统，该系统为污染事故的管理提供了技术支持。尽管这些研究为减少污染事故的影响提供了有价值的工具，但对这些系统的仔细分析显示它们仍然存在一些局限性：（1）它们只关注总分;（2）在评估标准和替代方案时，他们主要考虑自然语言表达方式，而不是确切的数字;（3）他们主要关注各个指标，而忽略了它们之间的联系。

因此，需要一种综合的风险评估方法，该方法基于一系列定量的静态或动态指标来反映突发性水污染事故的风险水平，并考虑这些指标之间的关系。在综合风险过程中，迫切需要解决的问题是如何建立一个涵盖各个方面的指标体系，并考虑系统各相关指标之间的关系[3]。

突发的水污染事件对人类的生活，社会，环境和经济发展具有重大影响。为了澄清这些部门之间的关系，DPSIR框架受到了越来越多的关注。DPSIR框架使我们能够以简单的方式描述和阐明社会及其生态系统之间的关系。由于其简单性和可理解性，它已被用于各种目的。驱动程序-压力-状态-冲击-响应（DPSIR）模型源自压力-状态-响应（PSR）框架，可用于捕获社会，经济和环境系统;它已被广泛用于分析人类与环境系统之间的相互作用。DPSIR框架在简化复杂的人环境系统，定性描述其相互关系以及支持相关政策制定方面具有概念上和实践上的优势。DPSIR框架是一种有效的方法，可用于探索突发性水污染事故与社会经济系统之间的关系，因为它提供了一种有组织的方法来分析突发性水污染事故的影响，后果和响应[4]。

基于历史事件的统计数据和主观专家判断的决策模型已广泛用于评估领域。突发水污染事故的风险水平是通过使用与理想解决方案的偏好相似性，模糊综合评价方法进行技术排序来分析影响突发水污染事故的重要指标来确定的，脆弱性模型，多标准分析以及其他方法。这些方法用于不同的情况，并将结果与其他多准则决策分析方法进行比较。FCEM具有许多优点，例如，它可以用于解决特别难以量化的模糊问题和各种不确定性问题。由于其实用性和科学性，FCEM已被广泛用于项目投资，安全建设和教育系统。模糊综合评价法（FECM）可以处理“定性定量问题”。它基于从属度理论，可以在一定程度上将定性评估转换为定量评估[5]。在综合风险评估过程中对每个指标进行了综合分析和评估，而不是单独进行。对于基于多个指标之间关系的多个系统，协调发展模型（CDDM）是一种有效的方法，并且显示出更好的性能[6]。

2 材料与方法

2.1 区域描述

南水北调是中华人民共和国的一项战略项目，分为三条路线：东，中和西。东线工程的起点是江苏省扬州市的江都水利枢纽。中线工程的起点是汉江上游和中游的丹江口水库。中线工程供水区域包括河南，河北，北京和天津市。

2.2 综合风险评估

基于静态和动态指标体系的评估结果，将协调发展模型应用于中线工程的风险评估，重点是静态和动态风险评估指标体系之间的关系。

（1）当0≤D≤0.35时，两个系统之间的协调发展表现出巨大的不平衡。如果SI>DI，则选择静态指标系统的FCEM结果作为突发水污染事故最终风险的评估结果。如果SI

（2）当0.35≤DD≤0.7时，两个系统之间的协调发展严重失衡。在这种情况下，两个系统的评估结果可能会有很大差异。因此，应添加乘法算法以消除差异。无论情况如何，应将静态和动态指标系统的FCEM结果相乘，以获得突发水污染事故的最终风险评估结果。

（3）当0.7≤DD≤0.85时，两个系统之间的协调发展代表了适度的不平衡。将静态和动态指标系统的FCEM结果相乘，以获得突发水污染事故的最终风险评估结果。

（4）当0.85≤D≤1.0时，两个系统之间的协调发展表现为低不平衡。将两个系统的FCEM结果相加，以获得突发水污染事故的最终风险评估结果。

3 结果与讨论

3.1 突发性水污染事故风险评估框架

3.1.1 基于DPSIR模型的索引分类

考虑到南水北调中线工程的风险及其对突发性水污染事故的影响，已经建立了标准层，包括五个方面：驱动因素，压力，状态，影響和响应。结合研究区域的实际情况，提出了索引层系统。经过一系列定量分析，将该系统分为动态指标和静态指标，并结合每个指标的特征。还考虑了索引的属性，即正数或负数。然后将结果分为四个级别以指示风险级别，即低，中，严重和巨大风险。同样，张等为南水北调中线工程建立了有效的水环境预警系统，其突发水污染事故指标包括社会经济和自然环境影响指标。

基于DPSIR模型的理论，使用了新的综合评估方法来评估南水北调中线工程。该指标体系由16个指标组成，其中包括7个静态指标和9个动态指标。六个指标是肯定的，即“污染事故特征”，“供水状况”，“事故区域状况”，“水质恢复”，“公众满意度”和“紧急程度”。其他十项指标为负。根据MRP的实际情况进行计算和评估后，将结果分为四个风险级别：低，中，严重和巨大。

3.1.2 各指标值的分析结果

新的综合评估方法已应用于南水北调中线工程。基于DPSIR模型的指标体系，使用FCEM和CDDM评估了突发水污染事故的风险。FCEM用于评估突发性水污染事故的风险评估指标，而CDDM用于描述两个指标体系之间的关系。Long等将AHP与CDDM集成在一起，为南水北调中线工程开发了应急控制系统。

为了评估紧急开发的风险，我们在与水利工程或环境科学专业的相关专家以及南水北调中线工程经理进行了广泛协商之后，建立了以下三个评分方案。分析结果表明，风险评估指标的总体趋势是一致的。指标值的小幅波动主要是由于所选专家都是环境和水上运输工程师，而且他们的知识水平和经验差别不大。因此，有必要进一步完善专家数据库。专家不应局限于他们的专业;还应咨询熟练的管理人员和技术人员。关于“污染路径”指数，考虑了七个方面：人为中毒，交通事故，内部排水系统的洪水和地下水污染，企业偷污，填埋解决方案指数，藻类繁殖指数和沉降指数。将来，需要根据项目的实际运行情况进一步完善指标体系。

3.2 提出方法的优点

根据Long等人提出的基于AHP和CDDM的应急风险评估方法。两个系统之间的CDDM为0.72，风险级别代表中等风险，比综合风险评估方法的结果低一个级别。在对这两种风险评估方法进行比较的基础上，得出以下结论：（1）结合考虑更多客观数据属性的熵方法和结合考虑更多主观数据特征的AHP方法，得出最终指标权重合理可行;（2）FCEM在评估中包括了人的经验，从而根据实际情况进行了更加客观的评估。FCEM还可以用于结合定性和定量因素，扩大信息量并提高评估数量，从而获得可靠的评估结果。因此，本文提出的综合评价方法是比较合理的。

4 结束语

我们以丹江口段为研究对象，组建了一个综合的水质安全评价模型，主要为协调发展度模型。该模型的建立可以用于更科学，更通用地评估事故。政府部门要加强污染源控制、开展生态建设、合理利用资源，提高资源的利用率以及加快水土保持工程的建设，为南水北调中线工程的水质安全提供技术保障。

参考文献：

[1]朱媛媛，田进军，李红亮，等.丹江口水库水质评价及水污染特征[J].农业环境科学学报，2016（1）：139-147.

[2]陈华，郭生练，柴晓玲，等.汉江丹江口以上流域降水特征及变化趋势分析[J].人民长江，2005（11）：29-31.

[3]王志杰，苏嫄.南水北调中线水源地生态脆弱性评价与特征分析[J].生态学报，2018，38（2）：1-12.

[4]秦福来，王晓燕，王丽华，等.基于DEM的流域特征提取及应用[J].河北师范大学学报（自然科学版），2006（1）：109-112.

[5]岳丹丹，梁海涛，王天慧，等.BP人工神经网络模型在西鞍山铁矿地下水水质评价中的应用[J].环境监测管理与技术，2016（4）：23-26.

[6]雷沛，张洪，单保庆，等.丹江口库区及上游COD和氨氮工业污染源解析[J].长江流域资源与环境，2014（2）：243-251.