供水管网突发污染事故的应急响应与控制策略 6页

'第7卷第6期供水技术Vol．7No．62013年12月WATEＲTECHNOLOGYDec．2013供水管网突发污染事故的应急响应与控制策略项宁银，信昆仑，尹兆龙，邹俊，李飞(同济大学环境科学与工程学院，上海200092)摘要:针对我国现阶段供水管网突发污染事故应急响应技术体系尚不成熟完善的现状，在回顾近年来典型突发水源污染事故和局部管网污染事故的基础上，从解决供水管网突发污染事故应急处理的具体措施展开研究，阐述了包括监测点优化布置和污染源追踪定位技术在内的管网突发污染事故的预警及响应研究进展，并系统总结了以应急水处理、污染范围及影响评估、停水或者降压供水、管网冲洗为主要技术控制策略的污染事故响应流程，提出供水管网突发污染事故的应急响应与控制策略。关键词:供水管网;突发污染事故;应急响应中图分类号:TU991．33文献标志码:A文章编号:1673－9353(2013)06－0022－06doi:10．3969/j．issn．1673－9353．2013．06．006EmergencyresponseandcontrolstrategyofsuddencontaminationaccidentinwatersupplynetworkXiangNingyin，XinKunlun，YinZhaolong，ZouJun，LiFei(CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering，TongjiUniversity，Shanghai200092，China)Abstract:Aimedattheimprovementonemergencyresponsesystemforsuddencontaminationaccidentinpresentwatersupplynetwork，andconsideredthetypicalsuddenwatersourcecontaminationaccidentandlocalnetworkcontaminationaccidentinrecentyears，thespecificmeasureswerecarriedout．Theearlywarningandresponseofsuddennetworkaccident，includingoptimizationarrangementofmonitoringpointsandtracingpositioningofcontaminantsourceswereelaborated．Thecontaminationaccidentresponseprocessesofmaincontrolstrategies，suchasemergencywatertreatment，contaminatedrange，impactevaluation，pressurereductionofwatersupplyandpipelinecleaningweresummarizedsystematically．Theemergencyresponseandcontrolstrategyofsuddencontaminationaccidentinwatersupplynetworkwereputforward．Keywords:watersupplynetwork;suddensedimentationaccident;emergencyresponse随着社会的进步和人民生活水平的提高，供水染物瞬时或短时间内被排放，且排放途径和时间不企业和用户对饮用水的需求不仅局限于水压和水确定，由此造成的社会危害也较大。目前我国供水量，更多则是关注如何进一步改善水质以及保障水行业针对突发污染事故的预防及应急均集中在水源质的安全。城市供水系统是用户获得饮用水的主要地及水厂处理工艺环节，而针对供水管网中突发污来源，供水系统安全与否直接影响用户能否饮用到染的识别、发生污染后的事故评估以及应急响应技符合水质安全标准的水。突发性水源污染事故中污术尚比较缺乏。笔者在回顾供水系统突发污染事件·22· 2013年12月项宁银，等:供水管网突发污染事故的应急响应与控制策略第7卷第6期的基础上，系统阐述了针对城市供水管网突发污染染，造成大量水生生物死亡，波及两岸4个国家数百事故的应急响应策略。万人的生活和生产。1突发污染事故的类型近年来我国水污染事故频发，监察部统计显1.1水源污染示我国每年水污染事故发生1700起以上。最新历史上影响重大的水源污染事故包括:1950—公布的《2012中国环境状况公报》显示2012年1960年的日本熊本县水俁湾发生甲基汞污染事件全国共发生542起突发环境事件，环境保护部直(“水俁病”公害事件)，造成439人死亡，上千人健接处理突发事件33起，其中水污染事故30起，康受损;1977年，美国拉夫运河发生有毒废物排放包括4起海洋污染，其他26起均不同程度影响事件，当地居民不得不全体搬迁;1986年，莱茵河沿到饮用水水源地。2005年至今典型水源污染事岸化工厂排放的30余种有机物流入河流导致水污故如表1所示。表1典型突发水源污染事故Tab．1Contaminationaccidentoftypicalsuddenwatersource时间地点污染原因影响和危害2005年11月吉林松花江硝基苯水污染哈尔滨市停水4天，引起中俄两国政府关注2006年4月广东吴川企业非法排污大量鱼虾死亡，近4万居民饮水困难2007年5月太湖蓝藻大规模暴发至少100万无锡市民生活用水困难2008年6月云南省宗海砷污染沿湖居民2．6万余人饮用水水源中断2009年2月江苏盐城酚类化合物污染两家水厂关闭，20万市民停水66h32010年7月福建上杭废水外渗9100m废水造成鱼类大面积死亡和水质污染2011年6月浙江新安江苯酚污染5个水厂停止取水，55万居民用水困难2012年1月广西龙江河镉污染超标龙江下游300km河段受到波及，引发市民抢购瓶装水2013年1月山西长治苯胺泄露导致下游山西、河北、河南水体污染1.2局部管网污染致自来水中出现虫卵和黑色沉淀物。一般情况下，经过水厂处理过的出水都能达到2突发污染事故的预警及应急响应措施国家所要求的饮用水水质标准，但出厂水往往要经随着突发污染事故的日益增加，事故的应急处过复杂庞大的管网系统才能输送到用户，期间可能置受到世界各国的高度关注。莱茵河流域突发事件发生复杂的物理、生化反应导致水质发生变化，以至应急机制的制定、多瑙河突发性水污染事件预警系被污染。而且任何能使水回流进管网的水流出口统的建立以及“美国911事件”后突发污染应急管(如消火栓、家用水龙头等)以及停水施工、水锤造理工作等，均表明各国对应对突发污染事故十分重成负压、管网局部损坏等都有可能引起局部管网污视。2006年我国国务院发布《国家突发环境事件应染。因管网问题引起的突发污染也时有发生，主要急预案》应对突发环境事故，各级地方人民政府、流有以下几种情况。域机构及相关部门均陆续制定了相应的突发环境事(1)管道施工件应急预案。在这些预案中，针对突发环境事件的管道施工未冲洗干净而携带污染物进入管网，组织协调制定了分级响应机制，预案内容结构如表如2013年4月重庆江北区、渝北区因管网维修停2所示。水，泥沙进入供水管网而导致水质发黄。应急预案是对突发污染事件的应对和缓解(2)停水压力改变或水锤负压措施的程序化、规划化、详细的操作性文件和规停水或水锤负压的压力影响，使管道内水流方定，其制定的应急响应机制是保障应急预案得以［1］向改变，管道内长期的沉淀物被冲出，如2013年5月顺利实施的人员组织、机构设置和条件保障。四川泸州市因水厂电路检修停水导致水质浑浊。但我国现阶段供水企业的应急预案大都仅从组(3)管网局部损坏织管理上进行规定，对于具体的业务技术层面的管网局部损坏致污染物和细菌进入管网而引发处置尚缺乏相应的指导，对供水企业水质保障的［2］污染，如2013年2月，陕西西安因管网局部破损导具体实施是远远不够的。·23· 第7卷第6期供水技术2013年12月表2应急预案内容结构Tab．2Contentstructureofemergencyplan总则组织指挥与职责预防和预警应急响应应急保障后期处置编制目的组织体系信息监测分级响应机制资金保障善后处置编制依据综合协调机构预防工作应急响应程序装备保障保险事件分级有关类别环境事件专业指挥机构预警及措施信息报送与处理通信保障适用范围地方人民政府突发环境事件应急领导机构预警支持系统指挥和协调人力资源保障工作原则专家组应急监测技术保障信息发布安全防护应急终止笔者基于对国内外供水系统突发事故、应急事故的技术研究与工程措施等的总结和分析，以解决供水管网突发污染事故应急处理的具体措施为核心目标，通过细化污染事故应急处理的一般步骤和技术方法，提出了针对突发污染事故的应急响应措施流程，如图1所示。根据响应流程图，突发污染事故应急措施主要有以下几个方面。(1)水质监测点的优化布置水质监测点的优化布置是进行高效水质监测的保障，根据不同的监测目的，可以将现有的监测方式归纳为常规监测和预警监测两类。常规监测是指在供水范围内对所选代表性的点进行定期水质采样检测和其他常规日常管理下的水质实时监测。预警监测则是应付突发事件而设置的监测设备，尤其是低［3］概率、高影响的污染事件。常规水质监测方法主要包括:Lee等提出的覆盖水量法以及伍悦滨、许仕荣等提出的节点水图1供水管网突发污染事故响应流程［4－7］龄法。Fig．1Ｒesponseflowchartofsuddencontamination预警监测点优化布置研究进展如表3所示。accidentinwatersupplynetwork表3预警监测点优化布置研究进展Tab．3Studyprogressofoptimalarrangementofearlywarningmonitoringpoints时间学者方法概述［8］提出“污染矩阵”的概念，利用最短水流路径和监测重合度计算在监测到污染物质之前，管网1998年Kessler等对外供出的总水量的最大体积［9］对Kessler的方法进行改进，用随机污染矩阵代替污染矩阵，运用遗传算法对矩阵求最大列覆盖2004年Ostfeld等获得最优监测点2005年Berry等［10］提出了以遭受污染人数最少为目标函数，利用混合整数规划求解的监测点布置方法［11］2006年Grayman等提出红蓝对抗演习法，通过污染物的防御进行监测点设置［12］利用多目标混合整数规划模型，利用改进的贪心随机自适应性搜索算法，求解得到针对突发污2010年陶涛等染事件的监测点优化布置方案(2)污染源的定位与辨识术是根据管网水质信息结合供水管网属性，推求污供水管网突发性污染事故的污染源追踪定位技染物注入节点位置和其他信息的一种反演技术。按·24· 2013年12月项宁银，等:供水管网突发污染事故的应急响应与控制策略第7卷第6期照定位依据的数据可分为基于水质监测数据和基于源追踪定位方法，该方法首先利用CSA用户投诉信息两种定位方法，其中基于水质监测数(contaminationstatusalgorithm)法确定所有可能的据的定位方法研究较早，主要研究进展见表4。污染源，再根据全概率法计算每个可能污染源污染［21－22］基于监测数据的定位辨识方法以供水管网中水的概率，从而确定污染源节点。虽然基于用户质在线监测数据充足且准确为前提，而国内城市管投诉信息的污染源追踪方法研究较少，但其应用成网中的水质监测设备大多不完善，并且监测数据准本较低，对模型精度要求也较低，应用前景较好，因确度较低。Taotao等提出基于用户投诉信息的污染此其研究将逐渐得到重视。表4基于监测数据的定位辨识方法研究进展Tab．4Studyprogressofpositioningidentificationmethodsbasedonmonitoringdata时间学者方法概述2005年Laird等［13］提出了非线性化的程序方法直接求解逆水质问题来估算配水管网中污染源的时间和地点［14］2006年Laird等改进方法，可从非唯一的方案中选取最可能的注入情景2006年Guan等［15］提出了模拟最优化方法来解决供水系统中的非线性的污染源和释放历史问题［16］通过比较最小化模拟值和测量值之间的差值，利用比例矩阵转化成线性求解最优化问题来确定污2008年Cristo等染源［17］2009年Propato等提出了一种利用线性代数的方法缩小污染源范围，通过求最小相对熵的方法确定污染源［18］利用关系树———线性规划算法对供水管网污染源进行追踪，通过求解线性规划问题，得到污染源节2010年王康乐等点位置及污染注入属性2011年Liu等［19］探究了一种基于种群的遗传算法，利用自适应动态优化技术对污染事件进行实时响应，以识别污染源［20］2012年信昆仑等提出负梯度法进行供水管网突发污染事故时的污染源识别(3)应急水处理续表5(Continue)应急水突发性水污染事故中水源污染占绝大多数，当研究与应用实例处理方法发现水源污染时，城市水厂应尽快采取措施控制污去除汞、铬［31］化学沉淀染物扩散，在了解应急水处理技术研究的基础上，结［32］广西龙江镉污染应急处理［33］合近年来突发污染事故的处理实例，总结出水源污活性炭过滤松花江硝基苯污染应急处理［6］。TiO2膜催化染应急水处理方法，如表5所示除上述应急水处理措施外，还应设置应急水源，(4)污染范围及影响评估在污染发生时可采取从应急储水设施(储水池、储突发污染发生后，应及时了解事故所造成的供水罐)调水、铺设应急供水管道、从邻近城市调水等水系统破坏状况，并进行状态评估，以便为应急措施方式保障供水。提供科学依据。评估对象主要包括水源与取水构筑表5应急水处理方法与研究、应用实例物、应急处理设施以及管网，评估内容包括受损原Tab．5Emergencywatertreatmentmethods，［34］因、影响范围、受损程度及修复时间等。对于污studiesandexamples染物在管网的扩散范围和影响评估，可借助于管网应急水中的在线水质监测、应急水质采样检测等手段，同时研究与应用实例处理方法结合管网水力水质模拟进行。根据评估结果，对不［23］应急处理突发离子表面活性剂污染原水同的污染区域采用相应的措施进行污染控制。［24］活性炭吸附类有机污染物的吸附模型［25］(5)停水或者降压供水突发性石油水污染处理贵州柳江砷污染应急处理［26］停水是控制污染物继续向用户扩散的最直接有预氯化［27］应急处理除高浓度氨氮等污染因子效的措施。然而当污染问题尚不明确时，盲目大范预氧化+［28］围停水将可能导致更大的社会恐慌。因此在经过对无锡自来水应急除臭活性炭吸附污染物生物毒性等初步评估、条件许可的情况下，考［29］预臭氧化强化突发有机氯农药污染的应急处理虑消防安全、社会稳定等因素，在尚未取得政府部门调节pH值，强化混凝，控制铅、镉、镍强化混凝［30－31］污染关于停水许可时可考虑降压供水。降压供水可减少·25· 第7卷第6期供水技术2013年12月用户用水量，同时也可有效减缓污染物的扩散速度。实保障居民的用水安全。(6)阀门隔离由于污染物在管网中的扩散需要时间，在此时参考文献:间内可通过对管网中的相关阀门进行操作，以控制［1］张勇，王东宇，杨凯．饮用水源突发污染事件应急管污染物继续向下游用户扩散。但由于供水管网为有理体系［J］．中国给水排水，2007，23(14):8－11．［2］李保刚，周克梅，林涛，等．水源地保护及突发性水污压系统，大口径管道上的阀门操作往往需要较多的染事件预警应急的研究与实施进展［J］．水资源保人力和时间，因此针对污染物扩散的阀门隔离，应借护，2008，24(1):87－91．助于污染物扩散范围模拟和管网GIS空间分析等技［3］马力辉，信昆仑，刘遂庆．供水管网水质监测点综合术手段完成。优化布置研究［J］．给水排水，2009，35(5):202－(7)管网冲洗205．管网冲洗方式包括常规冲洗、单向冲洗和连续［4］LeeBH，DeiningerＲA，ClarkＲM．Locating排放，常规冲洗是指在管网特定的区域内，利用消火monitoringstationsinwaterdistributionsystems［J］．J栓放水产生的水流对管道进行冲洗，当该区域内的AWWA，1991，83(7):60－66．水质达到预先设定的标准时关闭消火栓。单向冲洗［5］LeeBH，DeiningerＲA．Optimallocationsof是对常规冲洗方式的改进，通过阀门和消火栓的操monitoringstationsinwaterdistributionsystem［J］．JEnvironEng，1992，118(1):4－16．作，使管内水体达到足够流速而对管壁进行冲洗。［6］伍悦滨，赵洪宾，张海龙．用节点水龄量度给水管网连续排放是利用管道上的泄水阀或消火栓排除管中［35－36］的水质状况［J］．给水排水，2002，28(5):36－38．的水及沉淀物。［7］许仕荣，周书葵．基于节点水龄的供水管网水质监测发生突发污染事故时，需要尽快排除管网中的点的优化布置［J］．南华大学学报:理工版，2003，17污染物，以减少污染危害，然而一般的管网冲洗方式(3):13－16．不足以应付突发污染事故。城市供水管网应设置专［8］KesslerA，OstfeldA，SinaiG．Detectingaccidental门的泄水口，通过管道定向冲洗使受污染的水尽快contaminationsinmunicipalwaternetworks［J］．Journal从泄水口排出，并利用阀门操作减少下游管网的污ofWaterＲesourcesPlanningandManagement，1998，染。而对于管网中针对突发污染事故设置的泄水口124(4):192－198．位置、数量等的确定，也应借助于针对管网突发污染［9］OstfeldA，SalomonsE．Optimallayoutofearlywarningdetectionstationsforwaterdistributionsystemssecurity事故的扩散以及事故冲洗仿真，通过最优化技术等［J］．JournalofWaterＲesourcesPlanningand完成。Management，2004，130(5):377－385．3结语［10］BerryJW，FleischerL，HartWE，etal．Sensor供水系统突发污染事故是我国饮用水安全的重placementinmunicipalwaternetworks［J］．Journalof要威胁。目前我国供水行业针对突发污染事故的预WaterＲesourcesPlanningandManagement，2005，131防及应急均集中在水源地及水厂处理工艺环节，而(3):237－243．针对供水管网中突发污染的识别、发生污染后的事［11］GraymanWM，OstfeldA，SalomonsE．Locating故评估以及应急响应技术的研究尚比较缺乏。针对monitorsinwaterdistributionsystems:redteam-blue我国现阶段供水管网突发污染事故应急响应技术体teamexercise［J］．JournalofWaterＲesourcesPlanningandManagement，2006，132(4):300－304．系尚不成熟完善的现状，在回顾近年来典型突发水［12］陶涛，吕存阵，信昆仑，等．基于突发污染事件的管网源污染事故和局部管网污染事故的基础上，阐述了水质监测点优化布置［J］．同济大学学报:自然科学包括监测点优化布置和污染源追踪定位技术在内的版，2010，38(11):1621－1625．管网突发污染事故的预警及响应研究进展，并提出［13］LairdC，BieglerL，vanBloemenWaandersB，etal．了以应急水处理、污染范围及影响评估、停水或者降Contaminationsourcedeterminationforwaternetworks压供水、管网冲洗为主要技术控制策略的污染事故［J］．JournalofWaterＲesourcesPlanningand响应流程。供水管网突发污染事故的应急响应与控Management．2005，131(2):125－134．制策略应从具体实施手段出发，并结合管理，才能切［14］LairdCD，BieglerLT，WaandersB．Mixed-integer·26· 2013年12月项宁银，等:供水管网突发污染事故的应急响应与控制策略第7卷第6期approachforobtaininguniquesolutionsinsource西安建筑科技大学，2011．inversionofwaternetworks［J］．JournalofWater［25］王旭，罗彬，林涛，等．突发性石油水污染的应急水处ＲesourcesPlanningandManagement，2006，132(4):理技术［J］．东华大学学报:自然科学版，2009，35242－251．(3):346－350．［15］GuanJ，AralM，MasliaM，etal．Identificationof［26］张晓健，陈超，李勇．贵州省都柳江砷污染事件的应contaminantsourcesinwaterdistributionsystemsusing急供水技术与实施要点［J］．给水排水，2008，34simulation-optimizationmethod:casestudy［J］．Journal(6):14－18．ofWaterＲesourcesPlanningandManagement，2006，［27］李秋霞，孙洪伟，赖能城，等．预氯化去除饮用水水源132(4):252－262．中高浓度氨氮等污染因子的应急处理研究［J］．水处［16］CristoC，LeopardiA．Pollutionsourceidentificationof理技术，2010，36(3):99－103．accidentalcontaminationinwaterdistributionnetworks［28］张晓健，张悦，王欢，等．无锡自来水事件的城市供水应急［J］．JournalofWaterＲesourcesPlanningand除臭处理技术［J］．给水排水，2007，33(9):7－12．Management，2008，134(2):197－202．［29］吴永强．饮用水水源突发有机氯农药污染的应急处［17］PropatoM，SarrazyF，TrybyM．Linearalgebraand理研究［D］．哈尔滨:哈尔滨工业大学，2011．minimumrelativeentropytoinvestigatecontamination［30］刘雷斌，刘文君．高盐度对突发重金属污染水源水应eventsindrinkingwatersystems［J］．JournalofWater急处理的影响研究［J］．工业用水与废水，2011，42ＲesourcesPlanningandManagement，2009，136(4):(3):8－12．483－492．［31］何向明，章民驹，魏艳，等．南海饮用水水源突发性污［18］王康乐．供水管网污染源追踪定位技术与软件模拟染应急处理系统的研发和建立［J］．供水技术，2009，方法研究［D］．上海:同济大学，2010．3(1):32－35．［19］LiuL，ＲanjithanSＲ，MahinthakumarG．Contamination［32］张晓健，陈超，米子龙，等．饮用水应急除镉净水技术sourceidentificationinwaterdistributionsystemsusing与广西龙江河突发环境事件应急处置［J］．给水排anadaptivedynamicoptimizationprocedure［J］．Journal水，2013，39(1):24－32．ofWaterＲesourcesPlanningandManagement，2011，［33］张晓健．松花江和北江水污染事件中的城市供水应137(2):183－192．急处理技术［J］．给水排水，2006，32(6):6－12．［20］信昆仑，盛希夫，陶涛，等．基于负梯度法的供水管网［34］刘先品，李树平，王绍伟．突发事故下应急供水分析污染源识别［J］．同济大学学报:自然科学版．2013，［J］．四川环境，2009，28(3):109－113．41(1):116－120．［35］FriedmanM，KirmeyerGJ，AntounE．Developingand［21］TaoT，HuangH，XinK，etal．Identificationofcontaminationsourceinwaterdistributionnetworkbasedimplementingadistributionsystemflushingprogramonconsumercomplaints［J］．JournalofCentralSouth［J］．JAWWA，2002，94(7):48－56．University，2012，19(6):1600－1609．［36］吕存阵，陶涛．配水管网冲洗方案的制定［J］．给水［22］DeSanctisAE，ShangF，UberJG．Ｒeal-time排水，2009(S1):424－427．identificationofpossiblecontaminationsourcesusingnetworkbacktrackingmethods［J］．JournalofWater作者简介:项宁银(1989－)，ＲesourcesPlanningandManagement．2009，136(4):女，硕士研究生，研444－453．究方向为给水排水设计［23］夏晓萍．粉末活性炭应急处理模拟突发LAS污染源和运行最优化。水试验研究［J］．净水技术，2008，27(5):28－32．E-mail:b765915262@sina．com［24］李荣光．饮用水应急处理技术集成研究［D］．西安:收稿日期:2013－10－09·27·'