南水北調中線突發水污染應急調控策略研究

梁建奎，龍 巖，郭 爽

（1.南水北調中線干線工程建設管理局，北京 100038；2.河北工程大學水利水電學院，河北 邯鄲 056038；3.河北工程大學河北省智慧水利重點實驗室，河北 邯鄲 056038）

南水北調中線工程作為跨流域調水工程，具有輸水線路長、涉及區域廣、參與工程多、調水規模大、輸水工況多變等特點[1-2]，對緩解北京、天津、河南和河北等城市的用水短缺問題起著重要作用。自2004 年竣工以來至2021 年7 月，南水北調中線優化京、津、冀、豫的供水格局，累計調水超400 億m3，直接受益人口達7 900 萬[3-5]。由于中線工程對緩解我國北方地區的水資源短缺問題有很大的作用，一旦發生水污染事件會影響下游城市的正常供水，因此在眾多的污染事件中，我們應更加重視中線工程的突發水污染問題。

針對調水工程突發水污染事件，紀風蘭[6]認為，當長距離明渠輸水工程一旦發生突發水污染事件，最根本的要求是盡量縮小污染水域范圍的前提目標。練繼建等[7]研究了將污染云團控制在事故渠段內的水力過渡過程。房彥梅等[8]針對南水北調中線渠首段，模擬了突發水污染事件下應急處理模式，包括不開啟退水閘將污染物攔截在事故渠段等待后續處理和啟用退水閘將污染水體外排兩種方案。桑國慶等[9]針對南水北調東線工程，研究了突發重大水污染時將污染水源攔截在渠池內進行物理化學處理和開啟退水閘進行污水外排兩種方案。突發性水污染事故的時間演變風險對于選擇實時措施，有效降低時間增長風險具有十分重要的意義[10]。王萬紅等運用數據采集、數值模擬和理論分析等方法，對水污染控制進行了研究，研究結果表明，水質模型可以計算水環境容量和污染能力，從而減少水污染物量，實現了河流水污染的有效控制。

突發性水污染事故的頻繁發生，給水環境安全帶來了巨大的風險。因此，我國當前水污染形勢迫切需要建立和開發預警系統和快速反應程序。突發水污染事故具有不確定性強、危害程度高、處理時間緊、管控難度大等問題。而在南水北調工程中，突發水污染問題是工程實施和發揮效益的主要制約因素，這就急需制定科學和有效的應急管理調控策略，從而盡可能地降低突發水污染事故帶來的危害，保證供水安全。

1 研究區域

南水北調中線工程的水源取自漢江下游丹江口水庫，從陶岔渠首將水引入渠道，水流沿唐白河平原和華北平原西部邊緣，中途經過長江、淮河、黃河和海河四大流域，最終將江水輸送至北京、天津，設計多年平均年調水量94.93 億m3，河南、河北、北京、天津4 省市年調水量分別為37.70 億、34.71 億、12.37億、10.15億m3[11]。中線工程全長1 432 km，沿途設置了64座節制閘、97座分水口。其中，總干渠從陶岔渠首至北京團城湖，全長1 277 km，共分為8個渠段，即陶岔—沙河南段、沙河南—黃河南段、穿黃工程段、黃河北—漳河南段、穿漳工程段、漳河北—古運河段、古運河—北拒馬河中支段、北京段。從陶岔渠首開始，沿線經過河南、河北、北京、天津4個省市，向北京、天津、石家莊、鄭州等數十座城市供水，以解決城市的用水問題。南水北調中線工程路線，如圖1所示。

圖1 南水北調中線工程路線

2 應急調控策略

南水北調中線工程輸水距離長，在輸水過程中易發生突發水污染事件及存在突發水污染事件導致的中線工程斷水風險。因此，需要制定高效的應急調度策略以解決突發水污染問題，可最大程度降低污染事件的危害，保證用水安全。以中線工程為研究對象，充分考慮中線工程污染物途徑的多樣性、污染物類型和污染物發生位置的不確定性，可將中線干渠分為事故渠池上游、事故渠池和事故渠池下游三部分，如圖2所示。

圖2 渠段示意

2.1 事故上游段調控策略

（1）確定下游節制閘的實時流量和退水閘的設計流量。

（2）比較下游節制閘的實時流量和退水閘的設計流量。

（3）設退水閘的設計流量為Q1、下游節制閘的實時流量為Q2，若Q1＞Q2，說明退水閘能保證退走事故上游段的水量，則下游節制閘的閘門不調節；若Q1＜Q2，說明事故上游渠段來水量多，退水量少，處于蓄水狀態，則需根據下游節制閘和退水閘的流量差值設計此時上游節制閘所需的調節方式，改變上游閘門開度，使得調節最優，調節流量按式（1）計算：

2.2 事故渠段調控策略

（1）首先根據式（2）和（3），計算污染物的前鋒到達退水閘前500 m 所用的時間T1。此時，開啟退水閘，關閉下游節制閘。

式中：L 為污染源距離退水閘的距離（km）；v 為渠池平均流速（m∕s），采用v = Q∕A；M 為瞬時投放的污染物總量（g），采用M = 10 t，；DL為彌散系數（m2∕s）；m為自定義倍數，通常取1，采用m=1；B為河渠平均寬度（m）；h為平均水深（m）；J為水力梯度；T1為污染物前鋒到達退水閘所需的時間（s）。

（2）其次根據式（4），計算下游節制閘持續關閉所用的時間T2，即由求出來污染水體的水量V 除以退水閘的設計流量得到污染水體經退水閘排出所用的時間T2。

2.3 事故下游段調控策略

對于事故下游段調控策略而言，采取2 種調控方案：不考慮城市級別，每個分水口按比例調減或者根據下游城市的優先級別依次供水。2 種方案具體調控步驟如下。

方案1：

（1）首先計算事故段下一渠池蓄水量和每個分水口的流量。

（2）設V為下一渠池蓄水量、Q分為各分水口流量，若V＞Q分，即V∕Q分＞T2，則說明可以滿足下游分水的總體需求，下游分水口不用進行調控，正常供水，保持現狀即可；若V＜Q分，即V∕Q分＜T2，則說明不能滿足下游分水的總體需求，則按V∕T2計算出每個分水口最多可以滿足的流量，對下游每個分水口成比例地進行調減。

方案2：

（1）首先計算事故段下一渠池蓄水量和每個分水口的流量。

（2）設V 為下一渠池蓄水量、Q分為各分水口流量，根據中線沿線供水對象的重要程度，將分∕退水口劃分為4個等級，依次對應首都供水（Ⅰ級）、省會城市供水（Ⅱ級）、普通地級市供水（Ⅲ級）和其他口門供水（Ⅳ級），按級別供水。

（3）按Ⅰ級分水口，Ⅰ級和Ⅱ級分水口，Ⅰ級、Ⅱ級和Ⅲ級分水口，全線供水的順序依次供水。

3 結論與建議

3.1 結論

本文以南水北調中線工程區域概況為基礎，結合南水北調中線的實際情況，研究中線工程突發性水污染應急調控策略，考慮到污染源不同位置和渠段的劃分，針對不同情況，運用事故區段分段調控的手段，以事故發生地為中心，將干渠劃分為上游段、事故段和下游段，進行分段調控。

（1）對于事故上游段，根據事故渠段中的下游節制閘的實時流量與退水閘的設計流量的大小關系，分情況處理：若前者大于后者，則上游節制閘的閘門不調節；若前者小于后者，則需根據二者差值對上游節制閘的開度進行相應調節。

（2）對于事故段，根據污染物快速計算公式，計算污染物的前鋒到達退水閘前所用的時間T1，此時，開啟退水閘，關閉下游節制閘。再用求出來污染水體的水量V除以退水閘的設計流量得到污染水體經退水閘排出所用的時間T2，即退水閘持續關閉時間。

（3）對于事故下游段，根據事故段所計算出的退水閘持續關閉時間，判斷事故渠池下一個渠池的蓄量與下游分水的關系，并以此為依據來判斷蓄水量能否正常向下游城市供水，結果表明無論是否按城市優先級都可以正常供水。

3.2 建議

（1）我們需構建應急調控策略數據庫和智能技術來自動生成調控預案，這樣可以提高生成應急預案的速度，對于不同的情景可快速制定不同類別的調控預案，盡可能地減少水污染帶來的危害。

（2）對于閘門關閉設施，可以制定閘門自動關閉算法，這樣可以保障閘門正常關閉，從而保障應急調控措施的正常實施。