基于GIS的三峡库区事故型水环境污染风险测评与水污染扩散模拟概述
第1章绪论
1.1选题背景
水是生命的源泉，保护水环境安全对人类社会的发展至关重要。长期以来，水环境污染始终是国内外水环境安全和保护的重要威胁，有的国家和地区水环境污染还呈上升和恶化的趋势。这些污染包括生活污水、工业废水、化学品污染、石油泄漏、暴雨径流污染、投毒、恐怖主义等引发的突发性水污染。相比而言，突发性水污染由于其爆发性、不可预见性和随机性，对水生态环境和人类的生产生活造成的损失更为重大，甚至会造成影响深远的后遗症。国际上，很多重大的突发性水污染事故不仅破坏生态环境，而且危及人类生存。1986年瑞士桑多斯化学公司仓库装有剧毒农药的储罐失火爆炸，1250t毒物有害化学品污染莱茵河，流经河段鱼类死亡，下游的瑞士、德国、法国、荷兰四国饮水困难。2000年，处于罗马尼亚境内某地的一处金矿污水沉淀池，由于积水暴涨引起的温漫坝，含有大量铜和氰化物等重金属的污水被流失到多墙河支流蒂萨河，很快的汇入多瑙河并向下游迅速的扩散，直接造成河鱼大量死亡，河水不能饮用。2009年3月香港货船太平洋冒险号在澳大利亚昆土兰州东南海岸泄漏250吨原油，油膜影响了东南昆土兰州75公里海岸。2021年4月美国墨西哥湾深水地平线号钻井平台爆炸导致的溢油事故，截止5月上旬，泄漏的原油估计己超过68.6万吨，给环境安全带来巨大威胁。近年来，我国水污染形势十分的严峻，水污染事故频发，每年的水污染事故次数上千次。2003年7月到9月国内共发生27起水资源污染事故，其中以上为突发事故。2004年四川花江因工厂故障严重超标排污近20天，导致多个城市长期停水，造成直接经济损失2.19亿元。2005年，中石油吉林石化分公司双苯厂发生爆炸，约100吨泄漏的苯类物质（苯和硝基苯等）进入松花江形成重大水污染事故，污染区域经黑龙江和吉林两省，导致哈尔滨市取水口关闭以及松花江吉林段取水口关闭，并引发成了跨省界、跨国界的重大水环境污染事件。据国家环境保护部统计显示，事故后2006-2021年国家己为松花江流域水污染防治累计投入治污染资金78.4亿元。2021年我国发生了起重金属污染事件。2021年四川涪江水污染事件导致沿岸约50万居民生活受到严重影响。2021年广西龙江镉污染事件影响河段约300公里，沿江居民的生活受到严重的影响。2021年初，山西长治苯胺泄漏事件，直接造成山西沿途80公里河道停止饮用水。2021年初，湖北宜昌河流污染事件。突发性水污染事故严重的影响水环境安全以及人们的生活健康状况，突发水污染事故的应急措施备受到了世界各国的广泛关注，研究突发性水污染事故的风险评估以及应急对策日益显示了它的重要性和重大意义。能否有效的对潜在的风险源进行风险评估，在故事前及时预警预报、事故时有效且快速的应急响应以便釆取有效的应急措施来应对，已经成为水环境公共安全与应急管理待于研究课题。
1.2研究现状
1.2.1水环境污染风险源辨识
环境风险源概念是最近两三年才出现的，以往人们更多的是使用危险源的概念。根据《重大危险源辨识GB18218-2000》，重大危险源定义为长期地或临时地生产、加工、搬运、使用或忙存危险物质，且危险物质的数量等于或超过临界量的生产装置、设施或场所。;自从20世纪70年代以来，世界各国把预防重大工业事故作为经济、社会和技术发展的重点研究目标之一，它引起国际社会的广泛关注。关于国际组织和工业化国家专门为此制定了一系列的重大危险源控制相关法规，要求对重大危险源进行定量定性的辨识、评价，采取相应的事故应急和预防响应措施。近10年来，我国慢慢的开始重视对重大危险源的辨识、评估和控制研究。山重大危险源辨识评价技术;、重大危险源评价和宏观控制技术研究;分别列入国家八五;、九五;科技攻关项目。通过精心的研究，提出了重大危险源辨识和重大事故预防控制思想、评价技术方法。国家十五;科技攻关计划中已将城市安全规划与重大事故应急技术;列入了攻关研究内容。我国2002年6月颁布的《安全生产法》和2002年1月颁布的《危险化学品安全管理条例》分别就生产经营单位具有重大危险源的管理和构成危险源的危险化学品管理进行了规范。
在过去的近20年中，对于危险源的工作主要集中在工业生产领域，对危险源的关注主要集中在危险化学品上，从环境和生态安全的角度来研究危险源则十分少。最近几年内，由于我国多次重大环境事件的发生，环境风险越来越受到关注和重视，环境风险源的概念才得以提出，并且赋予了比危险源更广更宽的含义，对环境风险源的研究也逐步增多，2007年国家863计划重大环境污染事件应急技术系统研究开发与应用示范;重大项目立项，其中课题之一就是对重大环境污染事件风险源进行研究。但是，由于对环境风险源的研究在我国刚刚开始，很多工作还仅仅停留在概念阶段，已有的一些探讨和研究都是零散的，专门针对水环境风险源开展的系统研究工作目前我国还没有很好开展，水环境风险源的辨识、分级和标准、定性定量评估等都还缺乏研究，对水环境风险源的研究工作亟待加强。
第2章研究区概况及数据处理
2.1研究区域概况
2.1.1自然环境概况
研究区的地理位置跨东经105°47'26''~111°12'17''〃，北纬28°56'35''~31°24'1''，东至湖北省宜昌，南起武隆县，西迄重庆江津区，北到开县。库区范围涉及湖北省宜昌、巴东、兴山、姊归，重庆市巫溪、巫山、云阳、奉节、忠县、开县、丰都、万州区、武陵、石柱、渝北区、涪陵区、长寿区、巴南区以及重庆市七个主城区、江津区等26个区县，幅员面积5.4万m2（图2.1）。三峡库区跨越川东平行峡谷低山丘陵区和鄂、川中低山峡谷，南依云贵高原北麓，北靠大巴山麓。处于川东裙皱带、大巴山断裙带和川鄂湘龄隆起稱皱带三大构造单元交汇处。
该地区地形大致为东高西低，西部大多是低山丘陵地貌，』东慢慢的变为低中山地貌，并由南北向长江河谷倾斜。库区重庆段位的东部边缘东北西南向和北部为巫山山地和大巴山山地等中低山地，低山丘陵是该线的主要特点。地貌发倉以流水作用为主，库区以丘陵和山地为主，区内地形高低悬殊，地貌极其复条，地势起伏大，层状地貌明显，内西北地势低，东南地势高。
三峡库区属〒湿润亚热带季风气候，夏热伏早，冬暖春早，秋雨比较多，湿度相对大和云雾多等是其明显的特征。库区无霜期大约300-340天，年平均气温大概17-19°C，年度平均气温西部高于东部，库区年有雾日大概达30-40天，万州年均气温高峰分别出现6在月份和10月份。因受地形因素的影响，气候垂直变化显著，一般海拔每升高100m，平均气温下降0.4-0.6°C。库区平均风速为1.4m/s。各站风速范围为0.3~2.0m/s，风速季节变化小，春季和夏天风速相当，为1.4m/s，冬季风速最小，为1.2m/s。
2.2数据收集与处理
2.2.1数据源
本研究采用的原始数据主要有1：25万的三峡库区电子地图以及库区调查实地获取的风险源和敏感目标的信息统计表，另外还有部分主要的社会经济统计资料。电子地图的坐标系统采用1980西安坐标系，具体地图图层信息见表2.1。
2.2.2数据处理
利用电子地图的等高线图层，通过ArcGIS的工具3D Analyst，把等高线转换为TIN，然后再把RIN转换为栅格地图，最后利用高程值的大小，制作为级的地形专题图，分别是平原、低丘陵、中丘陵、高丘陵、低山、中山、高山；以长江干流以及重要的河流支流为目标，向河流两岸延伸10m为缓冲区，得出库区的风险评估区域（图2.2）利用从库区调研获取的风险源以及敏感目标等excel表数据，通过ArcGIS转换工具把风险源和敏感目标数据转换为shp格式的点数据，然后导入三峡库区的电子地图（图2.3）以研究的河流域为目标，10m为一个区段，并给每个区段一个编号，区划出来（图2.4）。
第3章突发性水环境污染事故的风险源以及敏感目标分级评估方法研究..........17
3.1风险源分级评估方法........17
3.2敏感目标环境风险分级评估方法......23
第4章突发性水环境污染事故的风险分区评估方法研究........33
4.1分区原则和分区单元...........33
4.2分区指标体系及模型构建............33
第5章突发性水环境污染扩散的元胞自动机方法研究..........39
5.1三峡库区水污染扩散的指标因子.............39
5.2面向三峡库区的元胞自动机模型构建.........40
第5章突发性水环境污染扩散的元胞自动机方法研究
5.1三峡库区水污染扩散的指标因子
结合已有三峡库区水污染扩散方面的研究成果，对影响因素进行分析与归纳。首先，物质在水体中总会发生扩散作用。此外，岸边附着、气象因素和水文因素都是影响污染物扩散的重要因素。再者，三峡库区调度方案也对污染物的扩散有着巨大的影响。因此，本课题分析扩散作用、岸边附着、气象、水文、水库调度、其他因素对水污染扩散的影响，然后综合分析这些因素对水污染扩散的整体影响（图5.1）。
扩散作用是分子通过随机运动从高浓度区域向低浓度区域的传播，结果是慢慢的将物质混合起来。在温度恒定的空间中，忽略外部分子的互相作用力，扩散过程的结果是完全混合或达到一种平衡现实。由于在污染发生的初期，污染物的浓度不一致，因此，总会发生污染物之间的扩散。
风速和风向是气象因子中尤其活跃的因素。三峡库区蓄水之后，由于水面替代原来凹凸不平的陆面，这样总体上就增大库区的风速。三峡库区也会出现水陆风;现象，即白天风由水库吹向沿岸，而在夜间则相反，风由陆地吹响水面。一般情况下，顺风方向污染物扩散速度要快于逆风方向的污染物扩散速度，风速越大污染物扩散速度越快。在污染物扩散的过程中，需要充分考虑风速和风向对污染物扩散的影响。
第6章结论与展望
6.1主要结论
本文以三峡库区地理数据、风险源和敏感目标等为试验数据，借助GIS、Silverlight和等技术，参考相关研究结果，除了构建库区内的静态的风险源和敏感目标分级评估以及分区评估模型并实例化分析，还有就是构建基于元胞自动机的突发水污染事故扩散模拟的动态风险评估并实例化分析。主要研究结果如下：
（1）三峡库区的突发性水环境污染事故的风险源分级评估方法，分为3个不同的风险源级别：特大风险源、重大风险源和一般风险源，分别以红、蓝、绿不同颜色的圆形符号在地图上显示出来。模型验证显示：库区内的特大风险源主要集中在重庆段位的主城区、长寿区和洁陵区，少数分布在湖北省的兴山县；重大风险源分布除了重庆的主城区之外，还有就是丰都县、万州区、云阳县、奉节县、巫山县、巴东县。由于重庆的长寿区、洁陵区、江北区、南岸区、湖北的兴山县都是典型的重工业区，危险化学品种类以及数量比较多，毒性也比较大，存在比较大的危险隐患；重庆的丰都县、万州区等地区的企业也比较多，有些规模比较大，危险化学品的数量相对来说比较多，危险隐患相对大，所以结果表明，所建立的风险源分级评估模型可以获得比较准确的计算结果，具有良好的可靠性。
（2）三峡库区的突发性水环境污染事故的敏感目标分级评估方法，分为3个不同的敏感目标级别：特大敏感目标、重大敏感目标和一般敏感目标，分别以红、蓝、绿不同颜色的五角星符号在地图上显示出来。不同的蓄水期的水库水位高度不同，设枯水期高度为170m、平水期为155m、丰水期为148m，不同的蓄水期对库区的河流的流速有重要的影响，也对库内的与大顼高度的分界点也有重要的影响，所以敏感目标分级的主要差异在重庆主城区，其他地区几乎没什么差异。重庆主城区部分，枯水期的饮用水源地大多都是一般敏感目标，部分重大敏感目标，重庆洁陵区有2个特大敏感目标；而丰水期和平水期的重庆主城区的饮用水源地特大敏感目标数量明显增多，但是由于水位高度相差不大的缘故，丰水期和平水期的饮用水源地分级情况区别不大。由于饮用水源地受上游以及周边风险源的影响，所以敏感目标分级评估的结果与风险源的分级评估结果有对应的关系。
（3）三峡库区的突发性水环境污染事故的风险分区评估方法，以长江主干流以及重要的支流为主，以10m为一个单位区段，将不同风险区划分出3种类：高风险区、中风险区和低风险区，分别以红、蓝、绿不用颜色在地图上显示出来。研究结果显示：
基于风险源的区域风险分区分布情况如下：高风险区主要分布在重庆江北区、长寿区、涪陵区以及兴山县，这些地区的危险性很高，风险隐患极大，需要警惕；中风险区主要密集在重庆主城区（南岸区、九龙坡区、沙坪坝区、大渡口区、渝中区），其余分别分布在忠县、万州区、巴东县以及宜昌市夷陵区。这些地区危险性比较大，也存在较高的风险隐患，也是需要注意警惕的。低风险区主要分布在秭归县、巴东县、巫山县、巫溪县、奉节县、云阳县、开县、武隆县等县城地区。
参考文献（略）