長距離明渠輸水工程突發水污染事件的應急調控

練繼建，王 旭，劉嬋玉，馬 超

(天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072)

長距離明渠輸水工程突發水污染事件的應急調控

練繼建，王 旭，劉嬋玉，馬 超

(天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072)

以南水北調中線總干渠典型明渠段為例，開展長距離明渠輸水工程突發水污染事件應急調控研究.采取數值模擬手段分析了不同閉閘調控方式和閉閘時間條件下渠段水流運動和污染物輸移擴散規律，探討了污染云團峰值輸移距離和縱向長度計算方法，推導得出了將污染云團控制在事故渠段內的應急閉閘時間計算公式.在此基礎上，提出了長距離明渠輸水工程突發水污染事件的應急調控方案，并結合案例驗證了方案的可行性.結果表明：針對突發水污染事件，應通過對比明渠輸水工程各渠段的最大水流傳播時間和將污染云團控制在事故渠段內的閉閘時間來確定閉閘調控時間，從而同步實現降低工程運行安全風險和控制污染物范圍的目的.

明渠；輸水工程；突發水污染事件；應急調控；南水北調中線工程

長距離明渠輸水工程沿程控制建筑物和交叉建筑物眾多，存在突發水污染事件隱患.水污染事件如處置不當和不及時，將造成難以估量的后果.水污染事件突發后，應提出閘群應急調控方案，以實現從穩定輸水狀態到污染物處置狀態的轉變，同時應提供污染事件發生時到調控過渡時段末的污染物范圍，為應急處置提供決策信息.

針對明渠輸水工程突發水污染事件應急調控，國內學者開展了一系列研究．阮新建等[1-2]采用現代控制理論研究了明渠自動控制設計方法，設計了多渠段多級閘門渠道系統最優控制器．丁志良等[3]運用特征線法建立輸水渠道一維非恒定流數學模型，模擬了在不同的閘門調節組合及渠道運行方式下，閘門調節速度對渠道水面線變化的影響．方神光等[4]利用南水北調中線電子渠道模型，對比了時序控制和同步控制兩種調度方式下干渠水流過渡過程．張成等[5]以南水北調中線工程總干渠典型渠段為例，模擬分析了非正常工況下退水閘的退水作用．聶艷華[6]在一維數學模型基礎上建立應急反應模塊，分別從事故閘關閉速率、陶岔首閘及閘前控制水位等方面對節制閘的運行調度進行模擬．蔣旭光等[7]分析了引水工程特點，開發了引灤入津工程輸水安全應急系統軟件．練繼建等[8-12]針對復雜輸水工程的水力控制及事故情況下的水力過渡過程進行了研究．楊敏等[13]對明渠輸水工程下節制閘聯合控制中的同步控制法和順序控制法進行了研究．張晨等[14-15]運用數值模型對引黃濟津河道和于橋水庫下游渠道段進行了突發水污染事件下的水動力、水質模擬和驗證．朱德軍[16]利用一維模型對南水北調中線典型明渠段事故處置過程中，采用閘前定水位控制運行方式下的非恒定流場和濃度場進行了模擬研究，推導出渠道中擾動的傳播速度，進而分析了上游節制閘后水位變化與閘門啟閉速度之間的關系；比較了恒定流和非恒定流中污染物的輸移規律.

綜合而言，長距離輸水工程根據運行控制要求制定閘門調控方式，依據水位波度幅度安全限幅設定閘門關閉時間和速率．本文結合已有成果，以南水北調中線工程某典型渠段為例，開展突發水污染事故應急調控研究．在數值分析閉閘調控下明渠水流運動和污染物輸移擴散規律的基礎上，提出考慮輸水明渠運行安全的閘控方案，并給出污染物輸移擴散信息，為快速應對突發水污染事件提供決策支持.

1 研究思路

1.1 研究對象

選取南水北調中線總干渠京石應急段起點至西黑山分水口之間的渠道作為研究對象，渠道基本特征如表1所示.

假定渠段中間位置發生污染事件，污染事件特征參數如表2所示．本研究僅考慮污染物的輸移擴散，不考慮生化反應.

表1 京石應急段起點至西黑山分水口之間的渠道基本要素Tab.1 Basic elements of channel from Jingshi to Xiheishan

表2 突發水污染事件的特征參數Tab.2 Characteristic parameters of sudden water pollution accidents

1.2 情景設定

1.2.1 水閘調控情景

(1) 同步調控方式：閉閘時間為15～180,min，以15,min為間隔設定12種典型方案，方案不啟用退水閘.

(2) 異步調控方式：根據渠道內水流傳播時間tb(tb=25,min)設定異步調控下的下游閘延遲關閉時間．閉閘時間為30～180,min，以30,min為間隔，共設定6種方案.

(3) 同步調控和啟用退水閘方式：閉閘時間為30～90,min，以30,min為間隔設定3種典型方案，退水閘在閉閘開始時刻同步開啟．另設定3種不啟用退水閘的對比方案.

1.2.2 污染物輸移擴散情景

(1) 閘控前響應時間：分別為3,min、10,min、20,min、30,min、40,min、50,min、60,min、120,min和180,min．所謂響應時間，是指水污染事故發生到管理人員得知事故發生的時間跨度.

(2) 無響應時間：閉閘時間為15～180,min，以15,min為間隔共設定12種典型方案.

(3) 存在30,min響應時間：閉閘時間為30～180,min，以30,min為間隔，共設定6種方案.

1.3 模型構建和參數設定

采取Hec_ras軟件構建渠段一維水動力和水質耦合模擬模型，計算時間根據模擬情景設定，計算時間步長為5,s.

2 閉閘控制下渠段水流運動規律

(1) 同步閉閘方式.特征斷面(上游節制閘后和下游節制閘前)不同情景下水位變化特征值曲線如圖1和圖2所示．下游閘前斷面水位最高漲幅和上游閘后水位下降速度隨閉閘時間的延長逐漸降低；當閉閘時間介于30～60,min(大約1～2倍tb)時，水位最高漲幅和水位下降速度均顯著降低．因此，同步閉閘方式下，閉閘調控時間應大于2倍水流傳播時間.

(2) 異步閉閘方式．同步和異步閉閘方式下斷面水位變化特征值對比如圖3和圖4所示．相比同步閉閘方式，異步閉閘方式的下游閘前水位最高漲幅均明顯降低，最大降幅可達40,cm(30,min閉閘方案)．當閉閘時間小于120,min時，異步閉閘方式下的上游閘后水位最大下降速度也有所降低，最大降幅可達0.32,m/h(30,min閉閘方案)．對于長距離明渠輸水工程，采取異步閉閘方式操作復雜．越往下游，閘門延遲關閉時間越長，不利于污染物控制．因此，同步閉閘方式更滿足應急調控需求.

(3) 同步閉閘和啟用退水閘方式．如圖5和圖6所示，啟用退水閘后，下游節制閘前水位最高漲幅和上游節制閘后斷面水位下降速度均明顯降低，最大降幅分別為0.32,m/h(30,min閉閘方案)和0.19,m/h(90,min閉閘方案)．因此，如果事故渠段存在退水閘，應根據污染云團到達退水閘的時間制定退水閘開啟方案，及時將污染水體排出事故渠段.

圖1 同步閉閘方式下水位最高漲幅曲線(下游閘前)Fig.1 Highest rise curve of water level for synchronization gate falling method(before the downstream gate)

圖2 同步閉閘方式下水位下降速度曲線(上游閘后)Fig.2 Descent velocity curve of water level for synchronization gate falling method (after the upstream gate)

圖3 不同閉閘方式下水位最高漲幅曲線對比(下游閘前)Fig.3 Highest rise curve of water level for different gate falling methods(before the downstream gate)

圖4 不同閉閘方式下水位下降速度曲線對比(上游閘后)Fig.4 Descent velocity curve of water level for different gate falling methods(after the upstream gate)

圖5 考慮退水閘的水位最高漲幅曲線(下游閘前)Fig.5 Highest rise curve of water level with regard to escape gate(before the downstream gate)

圖6 考慮退水閘的水位下降速度曲線(上游閘后)Fig.6 Descent velocity curve of water level with regard to escape gate(after the upstream gate)

3 閉閘調控下渠段污染物輸移擴散規律

3.1 不同響應時間下渠段污染物輸移擴散規律

閉閘前不同響應時間下，渠段內污染云團輸移擴散過程如圖7和圖8所示．由圖7可知，污染云團峰值輸移距離與閉閘前響應時間呈正比，等于輸水流速與響應時間的乘積.污染云團縱向長度在tb時間內隨響應時間延長而迅速增加，隨后近似線性增加．由圖8可知，污染云團峰值濃度衰減為冪次降低過程．峰值濃度在tb時間內隨響應時間延長而迅速衰減；隨后衰減趨于平緩．

圖7 峰值輸移距離和污染云團縱向長度變化曲線Fig.7 Variation of peak transport distance and longitudinal length of pollution at peak

圖8 峰值濃度及其衰減率變化曲線Fig.8 Variation of peak concentration and attenuation rate at peak

3.2 閉閘過程中渠段污染物輸移擴散規律分析

不同閉閘時間和有無閉閘前響應時間條件下，同步調控過程中渠段內污染云團輸移擴散過程如圖9和圖10所示．由圖9可知，當閉閘時間小于120,min(約為4倍tb)時，污染云團峰值輸移距離隨閉閘時間的延長而增加；當閉閘時間超過120,min后，峰值輸移距離趨于穩定．隨著閉閘時間的延長，污染云團縱向長度近似線性增加，但受漲水逆波和跌水順波及其反射疊加作用的影響，增加速率不一致.如圖10所示，污染云團峰值濃度隨閉閘時間延長而呈現冪次降低過程.

圖9 無響應時間和30,min響應時間下污染云團峰值輸移距離和縱向長度變化曲線Fig.9 Variations of peak transport distance and longitudinal length of pollution cloud at 30,min response time and without response time

圖10 無響應時間和30,min響應時間下污染云團峰值濃度及其衰減率變化曲線Fig.10 Variations of peak concentration and attenuation rate of pollution cloud at 30,min response time and without response time

3.3 閉閘過程中污染云團特征值計算

3.3.1 污染云團峰值輸移距離計算

閉閘調控下，污染云團峰值輸移距離受到閉閘后水流輸移和水流往復運動的疊加影響，表3列出了兩種作用下的污染云團峰值輸移距離.獨立考慮兩種影響，采取式(1)計算閉閘時間內水流輸移引起的污染云團峰值輸移距離DM，采取式(2)計算水流往復運動作用下的污染云團峰值輸移距離DF，則閉閘調控下污染云團峰值輸移距離DR表達式如式(3)所示.

式中：vs為前的輸水流速，m/s；tclose為閉閘調控時間，s；Ca和Cb分別為擬合參數.

表3 閉閘調控下的污染云團峰值輸移距離Tab.3 Peak transport distance of pollution cloud when sluice gates closed

3.3.2 污染云團縱向長度計算

所采用的水質模型僅模擬離散區階段的污染云團輸移擴散過程.離散區階段，縱向污染云團斷面平均濃度分布的方差σx采取式(4)計算.文獻[16]研究表明：離散區階段，∝t/ D，定義v=/dt，則xx

v具有速度量綱，表征污染云團縱向長度變化快慢，即污染云團縱向拉伸速度，如式(5)所示.因此，T時間內污染云團縱向長度W可采取式(6)計算.

式中：t為時間；x為距離；xxD為橫向擴散系數，m2/s； C為無量綱系數.

3.4 考慮控制污染范圍目標的閉閘調控時間

突發水污染事故下，已知得知事故發生時刻的污染云團縱向長度W0和此時污染云團最上游斷面距事故渠段下游閘的距離LD，采取同步閉閘調控方式，將污染云團控制在事故渠段內的閉閘調控時間的計算思路如下所述．

(1) 根據W0及式(6)，計算水污染事故發生到得知發生的時間和t0時間內污染云團峰值輸移距離D0=vst0.

(2) 閉閘過程中，峰值輸移距離DR可采用式(3)計算，污染云團縱向長度增幅

(3)根據LD，污染云團峰值所在斷面距渠段下游閘的距離為LD-0.5W0.

(4)將污染云團控制在事故渠段內需滿足：閉閘調控結束時，事故渠段污染云團縱向長度的1/2與閉閘時間內污染云團峰值輸移距離之和小于LD-0.5W0，即

由此，得到將污染云團控制在事故渠段內的閉閘調控時間tclose的計算表達式為

4 突發水污染事件下明渠輸水工程應急調控方案

突發水污染事件下明渠輸水工程應急調控方案的制定策略為：綜合考慮水力調控安全和控制污染擴散范圍的目標，采取同步閉閘調控方式，通過對比渠段最大水流傳播時間tb,max和污染云團控制在事故渠段內的閉閘調控時間tclose來確定應急調控的閉閘時間.

(1)當tclose＞2tb.max時，則應急調控的閉閘時間T=tclose．

(2)當tclose＜2tb,max時，若將水力調控安全作為首要目標，允許污染物擴散至事故渠段下游，則應急閉閘調控時間T=2tb.max；若將控制污染擴散范圍作為首要目標，則T=tclose.

5 應用案例及結果分析

應用案例中，明渠輸水工程由3個渠段和4個節制閘組成，渠段長度依次為20,km、12,km和20,km，渠系基本要素如表1所示.首渠段發生水污染事件，得知事故發生時刻的LD=15,000,m，W0=3,000,m，彌散系數為7.0,m2/s；Ca為-8.97,m/min，Cb為1,576.0,m，/C為0.024,m/s-0.5.

根據W0和響應時間t0計算公式，得出突發水污染事件發生到得知發生時間t0=86.4,min，對應的污染云團峰值輸移距離D0=3,680.6,m.根據D0得出突發水污染事件發生位置，距事故發生渠段下游截止閘17.18,km.

根據式(7)，將污染云團控制在事故渠段內的tclose=619.4 min，對應的DR+0.5(W0+ΔW)=13433m .

利用Hec_ras軟件構建應用案例的一維水動力和污染物輸移擴散模擬模型，在事故發生位置設定污染匯入源.根據計算結果，事故發生時刻，得知事故發生時刻及閉閘調控完成時刻的污染云團位置和縱向長度如圖11所示.結果表明：620,min閉閘時間下，DR+0.5(W0+ΔW)=8300+9 500/2= 13050 m ，小于LD-0.5W0，與式(7)計算結果十分接近.因此，所提出的應急調控方案合理，可將污染云團控制在事故渠道內.

由于tb,max=39.9 min，且tclose＞2tb.max，最終確定應急調控的閉閘時間為80 min.

圖11 不同特征時刻的污染云團位置和縱向長度Fig.11 Position and longitudinal length of pollution clouds at different characteristic times

6 結 論

(1) 突發水污染事件下，長距離明渠輸水工程應采取同步閉閘調控方式，考慮工程運行安全的閉閘調控時間應超過2倍渠段水流傳播時間.

(2) 如果事故渠段存在退水閘，應急調控中應根據污染云團到達退水閘的時間制定退水閘開啟方案，及時將污染水體排出事故渠段.

(3) 污染云團運動受渠段穩定輸水和閉閘調控下的水流運動影響，其縱向長度和峰值輸移距離變化過程以及峰值濃度衰減規律與閉閘前響應時間和閉閘調控時間顯著相關，呈現不同特征.

(4) 突發水污染事件下，長距離明渠輸水工程應急調控方案制定策略是采取同步閉閘調控方式，并通過對比明渠輸水工程各渠段的最大水流傳播時間和將污染云團控制在事故渠段內的閉閘時間來確定閉閘調控時間.

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Emergency Regulation for Sudden Water Pollution Accidents of Open Channel in Long Distance Water Transfer Project

Lian Jijian，Wang Xu，Liu Chanyu，Ma Chao
(State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Taking the typical main canal of the middle route of South-to-North Water Transfer project as an example，the research on emergency regulation of sudden water pollution accidents has been carried out for the long-distance open channel water transfer project. The numerical simulation is employed to analyze the water movement and pollutant transport law under the different conditions of the gate falling regulation and gate falling time. Calculation method of the pollution cloud peak transport distance and the longitudinal length is also discussed. Then the calculation formula of emergency gate falling time is proposed in order to control the pollution in the channel of accident. On this basis，emergency regulation rules are proposed for the solutions of sudden pollution accidents in long-distance open channel transfer projects，and the feasibility of the rules is verified by cases. The results show that for the sudden water pollution accidents，emergency gate falling time should be developed with a comparison of maximum wave propagation time in each section of open channel water transfer project and the time to control the pollution in the channel of accident. Regulation of the emergency gate falling time can reduce the security risks of operation and control the pollution area simultaneously.

open channel；water transfer project；sudden water pollution accident；emergency regulation；middle route of South-to-North Water Transfer project

X522

A

0493-2137(2013)01-0044-07

2012-09-17；

2012-10-22.

國家重大科技專項基金資助項目(2012ZX07205005)；國家自然科學基金青年基金資助項目(51109156)；教育部新教師青年基金資助項目(20100032120048).

練繼建（1965— ），男，博士，教授.

練繼建，tju_luntan@126.com.