南水北調穿黃隧洞水質安全保障措施及應用

祝亞平，楊育紅

（1.南水北調中線干線工程建設管理局河南分局，河南鄭州450006；2.華北水利水電大學水利學院，河南 鄭州450046；3.河南省水環境模擬與治理重點實驗室，河南 鄭州450002；4.河南省水環境治理與生態修復院士工作站，河南鄭州450002）

南水北調中線水源和總干渠水質情況決定著工程的效益與成敗［1-2］,中線工程實時運行過程中能否保障輸水水質安全是評價其成功與否的重要依據［3］。中線總干渠采取單向單線明渠輸水,沿程交叉建筑物和控制建筑物密集,水污染防控面臨嚴峻挑戰［4］。調干凈水、保證輸水過程中水不臟是中線水源保護面對的兩大難題。除了丹江口水庫庫區水源地水質保護研究外,針對中線干渠地下水內排段,左海鳳等［5-7］研究顯示,排入渠道的劣質地下水對渠系水質基本不構成影響；針對工程調度、控制和運行管理等技術難題,王浩等［8-9］通過研究可能發生的突發水污染事故,建立了“數值模擬—評價診斷—溯源預測—應急調控—污染處置”調控體系；趙蓉等［10］對北京段應急工程全封閉管涵輸水水質進行了預測。

南水北調中線干渠采取隔離防護、截流溝、防滲土工膜等工程措施,結合日常巡查、水質日常監控、漂浮物與污染源管理等,通過加強干線水質監測預測預報能力建設、提高水污染風險防控能力、提升突發水污染事故應急處置能力,初步建立了較為完善、效果顯著的水質保障體系［11］。截至2018年12月31日,南水北調中線工程從丹江口水庫陶岔渠首調水入渠水量達164.7億m3,從穿黃隧洞入渠水量達129.6億m3,各項水質指標穩定達到或優于《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002)Ⅱ類標準［12］。 目前,中線干渠上的固定實驗室、移動實驗室和自動監測系統組成的水質監測站網的主要業務是監控《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002)規定的氨氮、高錳酸鹽指數、溶解氧等24項基本項目指標,包括集中式生活飲用水、地表水水源地補充項目硫酸鹽、硝酸鹽等5項以及林丹、樂果等特定項目在內的共計109項指標的水質信息的采集。

有學者圍繞渠道水質變化規律、水質預測理論和方法,對突發和非突發污染條件下渠道水質預測［13］、突發性水污染事故應急處置能力等進行了大量研究［14-16］,但對影響水面外觀、視覺感受以及可能導致水質惡化的大體積經常性污染物處理的重視程度不夠。筆者以中線穿黃隧洞為研究對象,對重要輸水建筑物水質保障措施和漂浮物打撈技術進行研究。

1 穿黃隧洞水質概況

1.1 穿黃隧洞工程特點

穿黃隧洞是中線穿黃工程的重要組成部分。穿黃工程作為穿越黃河的重要輸水建筑物和關鍵工程,是整個南水北調中線工程的標志性、控制性工程,位于黃河南岸的滎陽市和黃河北岸的焦作市溫縣境內,總長19.305 km,包括穿黃隧洞（含3 450 m過河隧洞段和800 m邙山隧洞段)及其進出口建筑物、退水建筑物、南岸連接渠道和北岸連接渠道等。穿黃隧洞由邙山隧洞、過河隧洞和北岸豎井組成,其中邙山段屬于斜管段,整體上為南斜北豎“大型倒虹吸”形式,見圖1。倒虹吸是在渠道與道路、河流發生交叉或在渠道穿越山谷時經常采用的一種立交水工建筑物,工作原理是利用上下游水位差,在重力作用下通過管道或隧洞向下游輸水,長度為10～1 000 m；兩側水位差0～1 m,而且上下游兩側要么都是斜管式,要么都是豎井式。而穿黃隧洞上下游水位差為10 m,單洞長4 250 m,上游斜管式,下游豎井式,穿黃隧洞特色明顯。

圖1 南水北調中線穿黃隧洞縱剖面示意

1.2 穿黃隧洞水質保障現狀

穿黃隧洞工程水質安全意義重大。2014年12月至2016年6月共計19個月的水質數據分析發現,穿黃前、穿黃后水質監測斷面水質可達到《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002)Ⅱ類標準,但高錳酸鹽指數、氨氮、總氮、總磷等的濃度均高于中線工程河南渠段的平均值,說明有影響穿黃隧洞水質的外在因素存在。目前穿黃隧洞水質保障措施主要有以下4個方面。

1.2.1 法律制度保障

南水北調工程的運行管理需要切實保障水質達標,除了《中華人民共和國水法》《中華人民共和國水污染防治法》等法律外,2014年《南水北調工程供用水管理條例》施行,針對南水北調輸水工程規定了嚴格的水質保障措施。南水北調中線干線工程建設管理局（簡稱建管局)出臺了《突發環境事件應急管理辦法》《南水北調中線干線工程投放危險物質舉報處置管理辦法（試行)》《南水北調中線干線工程突發事件應急管理辦法》《南水北調中線干線工程突發事件綜合應急預案》《南水北調中線干線工程突發事件應急調度預案》《南水北調中線干線工程水污染事件應急預案》《南水北調中線干線工程水污染事件應急處置技術手冊》《南水北調中線干線藻類防控預案》等一系列部門規章和規范性文件,為南水北調中線水質保護提供了技術支撐和制度保障。《南水北調中線一期工程總干渠河北段飲用水水源保護區劃定和完善方案》《南水北調中線一期工程總干渠（河南段)兩側飲用水水源保護區劃》等是防范南水北調中線工程水質污染,有效控制和清除危害,確保南水北調中線和穿黃隧洞輸水水質安全的重要舉措。

南水北調中線干線穿黃管理處根據《南水北調中線干線工程運行期工程巡查管理辦法（試行)》《南水北調中線干線工程建設管理局水環境日常監控規程》（Q/NSBDZX J012-2016)、《關于進一步加強水質安全管理完善水質安全兩級管理框架的通知》《關于印發南水北調中線干線工程建設管理局河南分局水質監測實施方案的通知》《關于印發南水北調中線干線建設管理局河南分局水質數據管理辦法的通知》《南水北調中線干線工程汛期水質安全保障工作方案》《總干渠大流量輸水期間水質安全保障實施方案》等文件要求,同步印發了《穿黃管理處水質安全巡查制度》《穿黃管理處水質污染源巡查辦法》《穿黃管理處渠道垃圾清理規程》和《穿黃管理處藻類監測實施操作規程》等規章制度,有效保障了穿黃工程水質安全。

1.2.2 人員保障

穿黃管理處成立水質安全管理領導小組,明確了水質保護工作的分管領導和水質專員,進一步完善了水質安全管理組織體系。明確了水質安全管理領導小組的職責分工,責任到人,要求各成員熟悉相應水質保護管理基本知識和管理規定,使得水質保護工作在組織上得到可靠保障,責任上人人把關,工作上層層到位,確保水質保護工作萬無一失。水質專員每半月按要求進行總結,并向分管處長匯報水質保護工作。

穿黃管理處分管處長和水質專員等每月對日常巡查人員進行一次監督檢查,并將檢查結果作為每月對巡查單位考核的依據,對其形成約束力,保證巡查和垃圾打撈效果。

1.2.3 渠道全封閉管理

采取劃定渠道兩側飲用水水源保護區、設置渠道隔離帶、架設跨渠橋梁和道路防護網等措施防止人為污染渠道水質。為防止無關人員進入渠道,南水北調中線干線渠道是國內外長距離調水工程中唯一渠道兩側全部有隔離圍欄,頂部加裝滾刀刺絲,而且每座跨渠橋4個角均安裝有鋼大門,鋼大門頂部也加裝滾刀刺絲的大型輸水工程。

為確保南水北調中線工程水質安全,建管局還專門配置了一定數量的工巡人員和安保人員。工巡人員按照《南水北調中線干線工程運行期工程巡查管理辦法》全天巡視,安保人員不間斷巡邏,發現異常情況及時報告管理處,快速妥善處置。日常巡查主要指對跨渠橋梁、穿越建筑物等水質風險源進行排查,重點巡查有無外水通過橋梁排入渠道、穿越建筑物有無滲漏液體浸入渠道等。日常巡查人員做好水質風險源巡查記錄,記錄巡查時間、巡查位置、風險源狀況。若巡查中發現問題,則應1 h內上報建管局河南分局水質監測中心,同時采取臨時處置措施,處置完成后,編寫事件報告存檔備案。

1.2.4 水質巡查監測

水質監測采用常規監測和自動監測與應急監測相結合的方式,當出現突發性水污染事件時,采用移動實驗室對水質進行動態跟蹤監測,以積極應對各種突發事件。建管局河南分局在所管轄范圍內設置了1個水質實驗室、15個水質監測站,配備了1臺移動應急監測車。其中水質監測站又分為6個一般監測站、6個重點監測站和3個自動監測站,自動監測站采用自動水質監測系統獲取監測數據或成果,一般監測站和重點監測站由水質專員負責記錄監測數據。穿黃隧洞前固定水質監測點屬一般監測站,穿黃隧洞后水質監測點位于鄭州市和焦作市分界線處,屬重點監測站。

自動水質監測系統是一套以在線自動分析儀為核心,運用現代傳感器技術、自動測量技術、自動控制技術、計算機應用技術以及相關專用分析軟件和通信網絡組成的綜合性在線自動監測系統,可統計和處理監測數據,并可打印監測成果等。實施水質自動監測可以實現水質的實時連續監測和遠程監控,達到及時掌握重點斷面水體水質狀況的目的。

水質專員主要對渠道水體表面特性進行日常巡查,記錄水體顏色、氣味、渾濁度等整體狀況,若發現渠道水體顏色、氣味、渾濁度異常,則1 h內及時上報建管局河南分局。

按照《南水北調中線干線工程藻類監測方案》,每天10：00、15：00在穿黃前固定水質監測點開展浮游生物網捕集觀測工作,觀測記錄水體中藻類顏色及狀態變化,17：00前將《水中浮游生物取樣報告》上報建管局河南分局水質監測中心,并將觀測照片、原始記錄進行電子版和紙質版存檔。具體浮游生物網捕集操作方法：采用25號浮游生物網,在離岸1 m位置讓網口浸沒于水面下方,在水表層1 m范圍內呈“∞”形左右緩慢拖曳捕集20次,將捕集到的水中生物從網底放出,用水洗滌幾次,使網壁上浮游生物全部流入到準備好的燒杯中,將燒杯中的樣品加水定容到200 mL,放置30 min,分別從正面和側面拍照,同時測量絮狀物高度,目測藻類等水中生物的顏色及狀態變化,并做好記錄。

按照《穿黃管理處水質污染源巡查辦法》,每半月對南水北調中線渠道及周邊巡查1次,并填寫水質污染源巡查記錄。對于隔離網內污染源及時發現及時處理,避免影響輸水水質安全。建立水質污染應急物資臺賬,配備有WGV600、WGV700、WGV750三種型號的圍油欄各3節和10 kg吸油氈、200 m麻繩,專人管理,隨時準備應急處置。根據《穿黃管理處渠道垃圾清理規程》,自2014年12月通水以來,為保持渠面水體干凈、無漂浮物,要求安保單位增加垃圾清理工作,填寫垃圾清理日志、垃圾打撈記錄,并對其進行監督檢查,保證垃圾打撈工作的安全、有效開展。

2 穿黃隧洞進出口漂浮物清理

南水北調中線總干渠水質變化趨勢表明,大部分水質指標呈現南低北高的特點,且丹江口水庫陶岔斷面近幾年水質指標保持穩定,總氮含量有降低趨勢,說明總干渠輸水沿線仍然有污染源匯入。雖然目前干渠采取了隔離防護、截流溝、防滲土工膜等防污措施,但由于明渠輸水、流速慢等特點,因此仍然存在一些潛在污染源對水質產生一定影響。特別是渠道輸水建筑物進出口處極易聚集漂浮物,既影響水面環境,又可能因有機漂浮物腐爛變質而產生有毒或有害物質。漂浮物清理成為南水北調中線各個運行管理處的日常工作。為了有效攔截、打撈進入穿黃隧洞進口和滯留在穿黃隧洞出口的漂浮物,減小漂浮物帶來的潛在水質危害,結合現場實際情況,穿黃管理處在南岸進口位置安裝了自行研制、設計、制造的自動打撈攔污柵,在北岸出口增加了自行研制、設計、制造的永久高分子聚乙烯浮排設施。

2.1 穿黃南岸進口漂浮物清理設施

從穿黃隧洞上游最近的枯河倒虹吸出口一直到穿黃隧洞,10.8 km渠道內無其他渠道水工建筑物,水流速度1.00～1.63 m/s,在穿黃南岸進口形成了匯水區。渠道上游攜帶流入和飄落到穿黃隧洞進口安全柵前區域的漂浮物匯集較多,有金屬、玻璃、紙類、塑膠、織物、食品、木竹、水草、枯枝落葉、動物尸體等。原來的打撈工作平臺狹窄,只能容納1人,打撈費用高,人員勞動強度大、效率低,且有掉進渠道內的風險,安全隱患極大。因此,在穿黃隧洞進口安全柵前安裝了包括攔污柵垃圾槽和固定式卷揚機的漂浮物打撈設施——自動打撈攔污柵,主要材料為60 mm×60 mm的方鋼等,見圖2。同時,在退水洞前靜水區設置不銹鋼空心管自動升降攔擋漂浮物,使得漂浮物順水漂浮至進口垃圾打撈設施中,然后人工清理,有效保障了水質安全。

圖2 穿黃隧洞進口自動攔污柵系統

2.2 穿黃北岸出口漂浮物清理設施

穿黃北岸出口兩條平行隧洞出流形成的匯水區水面相對平靜,致使從隧洞內沖出來的和周圍落到該區域的漂浮物滯留匯集較多。作為南水北調中線干線的形象工程,到平臺參觀、考察、調研的人數非常多、頻次非常高,因此出口漂浮物清理工作非常重要。但是,穿黃隧洞出口工作平臺與水面高差達20 m,用傳統長桿網打撈垃圾存在較大安全隱患,清理工作難度極大。2017年初增加了漂浮物清理浮排設施。浮排采用高分子聚乙烯浮筒組裝而成,采取螺栓固定滑軌套住浮排主體、兩邊安裝護欄等措施,增強安全性、穩定性。

出口區域浮排包括鋼爬梯、固定升降滑輪、浮筒、打撈小船。鋼爬梯方便工作人員上下操作平臺,固定升降滑輪保證浮排隨水面波動或升降時不脫離軌道,打撈小船用于打撈、采集距離浮排較遠的漂浮物。浮筒采用添加抗紫外線物質的高分子聚乙烯生產的新型環保材料,韌性強、硬度大,能經受自然環境變化和低溫侵襲,具有質量輕、浮力大、耐酸堿、零維護、組合變換靈活、壽命長、顏色鮮艷美觀、抗腐、防凍、防紫外線、抗老化等特性,不受化學品、藥劑、油漬及水生生物的侵蝕,無二次污染,整個浮筒一次無縫成型,無滲水、存水等問題,并可回收再利用。浮筒上部表面采用防滑花紋設計,安全穩固,四角皆為圓弧鈍角造型,為避免出現滑倒被碎木屑、銹釘刺傷等意外情況,可在水面風浪5級內安全使用。

2.3 穿黃隧洞進出口漂浮物清理效果

穿黃隧洞進出口漂浮物清理設施的安裝和應用,不僅提升了南水北調中線干線穿黃工程的形象、改善了操作人員的工作環境,而且提高了漂浮物打撈的機械化程度和打撈效率,增大了人員安全操作系數。

2.3.1 穿黃隧洞進口自動攔污柵應用效果

采用自動攔污柵裝置清理渠道漂浮物效果明顯。高效、不間斷攔截各種漂浮物和水體中的絲團狀藻類等有機生物；漂浮物清理效率明顯提高,減少了人工直接在水體中打撈漂浮物的勞動量,提高了安全系數,有效保障了漂浮物清理人員的安全；漂浮物清理后,減少了漂浮物對水質的潛在影響,同時提高了水體的潔凈程度；進入隧洞漂浮物的減少有效緩解了隧洞出口漂浮物的打撈工作量。

2.3.2 穿黃隧洞出口打撈浮排應用效果

穿黃隧洞出口浮排的應用兼具美化環境和提高漂浮物清理效果的功能。浮排平臺美麗的外觀增添了出口匯水區的景色,提升了穿黃工程形象；為漂浮物清理人員提供了操作平臺,提高了工作人員的安全操作系數；同時解決了突發事件下水難題,提供了應急操作平臺。

3 結 語

不同于常規水質監測系統和非常規突發性水污染事件應急處置等水質保障研究成果,針對南水北調中線渠道輸水建筑物進出口潛在水質影響因素——物理性狀漂浮物關注不夠的問題,對穿黃工程的水質保障措施進行了梳理、分析。穿黃前后固定水質監測斷面數據顯示,基本監測項目指標穩定,物理、化學指標達到Ⅱ類水質標準,但在增加漂浮物打撈設施前穿黃隧洞進口漂浮物打撈效率低、出口清理工作危險系數大,碎屑等雜物及腐敗變質的有機漂浮物對水質有潛在安全隱患。穿黃隧洞進口自動打撈攔污柵系統和出口打撈浮排的安裝提升了工程形象,改善了水面潔凈程度,提高了漂浮物清理效率,增大了清理人員的安全操作系數。