南水北調(diào)中線(xiàn)突發(fā)水污染應(yīng)急調(diào)控策略研究

梁建奎，龍 巖，郭 爽

（1.南水北調(diào)中線(xiàn)干線(xiàn)工程建設(shè)管理局，北京 100038；2.河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院，河北 邯鄲 056038；3.河北工程大學(xué)河北省智慧水利重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 邯鄲 056038）

南水北調(diào)中線(xiàn)工程作為跨流域調(diào)水工程，具有輸水線(xiàn)路長(zhǎng)、涉及區(qū)域廣、參與工程多、調(diào)水規(guī)模大、輸水工況多變等特點(diǎn)[1-2]，對(duì)緩解北京、天津、河南和河北等城市的用水短缺問(wèn)題起著重要作用。自2004 年竣工以來(lái)至2021 年7 月，南水北調(diào)中線(xiàn)優(yōu)化京、津、冀、豫的供水格局，累計(jì)調(diào)水超400 億m3，直接受益人口達(dá)7 900 萬(wàn)[3-5]。由于中線(xiàn)工程對(duì)緩解我國(guó)北方地區(qū)的水資源短缺問(wèn)題有很大的作用，一旦發(fā)生水污染事件會(huì)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(yīng)更加重視中線(xiàn)工程的突發(fā)水污染問(wèn)題。

針對(duì)調(diào)水工程突發(fā)水污染事件，紀(jì)風(fēng)蘭[6]認(rèn)為，當(dāng)長(zhǎng)距離明渠輸水工程一旦發(fā)生突發(fā)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(biāo)。練繼建等[7]研究了將污染云團(tuán)控制在事故渠段內(nèi)的水力過(guò)渡過(guò)程。房彥梅等[8]針對(duì)南水北調(diào)中線(xiàn)渠首段，模擬了突發(fā)水污染事件下應(yīng)急處理模式，包括不開(kāi)啟退水閘將污染物攔截在事故渠段等待后續(xù)處理和啟用退水閘將污染水體外排兩種方案。桑國(guó)慶等[9]針對(duì)南水北調(diào)東線(xiàn)工程，研究了突發(fā)重大水污染時(shí)將污染水源攔截在渠池內(nèi)進(jìn)行物理化學(xué)處理和開(kāi)啟退水閘進(jìn)行污水外排兩種方案。突發(fā)性水污染事故的時(shí)間演變風(fēng)險(xiǎn)對(duì)于選擇實(shí)時(shí)措施，有效降低時(shí)間增長(zhǎng)風(fēng)險(xiǎn)具有十分重要的意義[10]。王萬(wàn)紅等運(yùn)用數(shù)據(jù)采集、數(shù)值模擬和理論分析等方法，對(duì)水污染控制進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，水質(zhì)模型可以計(jì)算水環(huán)境容量和污染能力，從而減少水污染物量，實(shí)現(xiàn)了河流水污染的有效控制。

突發(fā)性水污染事故的頻繁發(fā)生，給水環(huán)境安全帶來(lái)了巨大的風(fēng)險(xiǎn)。因此，我國(guó)當(dāng)前水污染形勢(shì)迫切需要建立和開(kāi)發(fā)預(yù)警系統(tǒng)和快速反應(yīng)程序。突發(fā)水污染事故具有不確定性強(qiáng)、危害程度高、處理時(shí)間緊、管控難度大等問(wèn)題。而在南水北調(diào)工程中，突發(fā)水污染問(wèn)題是工程實(shí)施和發(fā)揮效益的主要制約因素，這就急需制定科學(xué)和有效的應(yīng)急管理調(diào)控策略，從而盡可能地降低突發(fā)水污染事故帶來(lái)的危害，保證供水安全。

1 研究區(qū)域

南水北調(diào)中線(xiàn)工程的水源取自漢江下游丹江口水庫(kù)，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(jīng)過(guò)長(zhǎng)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(shè)計(jì)多年平均年調(diào)水量94.93 億m3，河南、河北、北京、天津4 省市年調(diào)水量分別為37.70 億、34.71 億、12.37億、10.15億m3[11]。中線(xiàn)工程全長(zhǎng)1 432 km，沿途設(shè)置了64座節(jié)制閘、97座分水口。其中，總干渠從陶岔渠首至北京團(tuán)城湖，全長(zhǎng)1 277 km，共分為8個(gè)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(yùn)河段、古運(yùn)河—北拒馬河中支段、北京段。從陶岔渠首開(kāi)始，沿線(xiàn)經(jīng)過(guò)河南、河北、北京、天津4個(gè)省市，向北京、天津、石家莊、鄭州等數(shù)十座城市供水，以解決城市的用水問(wèn)題。南水北調(diào)中線(xiàn)工程路線(xiàn)，如圖1所示。

圖1 南水北調(diào)中線(xiàn)工程路線(xiàn)

2 應(yīng)急調(diào)控策略

南水北調(diào)中線(xiàn)工程輸水距離長(zhǎng)，在輸水過(guò)程中易發(fā)生突發(fā)水污染事件及存在突發(fā)水污染事件導(dǎo)致的中線(xiàn)工程斷水風(fēng)險(xiǎn)。因此，需要制定高效的應(yīng)急調(diào)度策略以解決突發(fā)水污染問(wèn)題，可最大程度降低污染事件的危害，保證用水安全。以中線(xiàn)工程為研究對(duì)象，充分考慮中線(xiàn)工程污染物途徑的多樣性、污染物類(lèi)型和污染物發(fā)生位置的不確定性，可將中線(xiàn)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(diào)控策略

（1）確定下游節(jié)制閘的實(shí)時(shí)流量和退水閘的設(shè)計(jì)流量。

（2）比較下游節(jié)制閘的實(shí)時(shí)流量和退水閘的設(shè)計(jì)流量。

（3）設(shè)退水閘的設(shè)計(jì)流量為Q1、下游節(jié)制閘的實(shí)時(shí)流量為Q2，若Q1＞Q2，說(shuō)明退水閘能保證退走事故上游段的水量，則下游節(jié)制閘的閘門(mén)不調(diào)節(jié)；若Q1＜Q2，說(shuō)明事故上游渠段來(lái)水量多，退水量少，處于蓄水狀態(tài)，則需根據(jù)下游節(jié)制閘和退水閘的流量差值設(shè)計(jì)此時(shí)上游節(jié)制閘所需的調(diào)節(jié)方式，改變上游閘門(mén)開(kāi)度，使得調(diào)節(jié)最優(yōu)，調(diào)節(jié)流量按式（1）計(jì)算：

2.2 事故渠段調(diào)控策略

（1）首先根據(jù)式（2）和（3），計(jì)算污染物的前鋒到達(dá)退水閘前500 m 所用的時(shí)間T1。此時(shí)，開(kāi)啟退水閘，關(guān)閉下游節(jié)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(shí)投放的污染物總量（g），采用M = 10 t，；DL為彌散系數(shù)（m2∕s）；m為自定義倍數(shù)，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(dá)退水閘所需的時(shí)間（s）。

（2）其次根據(jù)式（4），計(jì)算下游節(jié)制閘持續(xù)關(guān)閉所用的時(shí)間T2，即由求出來(lái)污染水體的水量V 除以退水閘的設(shè)計(jì)流量得到污染水體經(jīng)退水閘排出所用的時(shí)間T2。

2.3 事故下游段調(diào)控策略

對(duì)于事故下游段調(diào)控策略而言，采取2 種調(diào)控方案：不考慮城市級(jí)別，每個(gè)分水口按比例調(diào)減或者根據(jù)下游城市的優(yōu)先級(jí)別依次供水。2 種方案具體調(diào)控步驟如下。

方案1：

（1）首先計(jì)算事故段下一渠池蓄水量和每個(gè)分水口的流量。

（2）設(shè)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(shuō)明可以滿(mǎn)足下游分水的總體需求，下游分水口不用進(jìn)行調(diào)控，正常供水，保持現(xiàn)狀即可；若V＜Q分，即V∕Q分＜T2，則說(shuō)明不能滿(mǎn)足下游分水的總體需求，則按V∕T2計(jì)算出每個(gè)分水口最多可以滿(mǎn)足的流量，對(duì)下游每個(gè)分水口成比例地進(jìn)行調(diào)減。

方案2：

（1）首先計(jì)算事故段下一渠池蓄水量和每個(gè)分水口的流量。

（2）設(shè)V 為下一渠池蓄水量、Q分為各分水口流量，根據(jù)中線(xiàn)沿線(xiàn)供水對(duì)象的重要程度，將分∕退水口劃分為4個(gè)等級(jí)，依次對(duì)應(yīng)首都供水（Ⅰ級(jí)）、省會(huì)城市供水（Ⅱ級(jí)）、普通地級(jí)市供水（Ⅲ級(jí)）和其他口門(mén)供水（Ⅳ級(jí)），按級(jí)別供水。

（3）按Ⅰ級(jí)分水口，Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)分水口，Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)分水口，全線(xiàn)供水的順序依次供水。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

本文以南水北調(diào)中線(xiàn)工程區(qū)域概況為基礎(chǔ)，結(jié)合南水北調(diào)中線(xiàn)的實(shí)際情況，研究中線(xiàn)工程突發(fā)性水污染應(yīng)急調(diào)控策略，考慮到污染源不同位置和渠段的劃分，針對(duì)不同情況，運(yùn)用事故區(qū)段分段調(diào)控的手段，以事故發(fā)生地為中心，將干渠劃分為上游段、事故段和下游段，進(jìn)行分段調(diào)控。

（1）對(duì)于事故上游段，根據(jù)事故渠段中的下游節(jié)制閘的實(shí)時(shí)流量與退水閘的設(shè)計(jì)流量的大小關(guān)系，分情況處理：若前者大于后者，則上游節(jié)制閘的閘門(mén)不調(diào)節(jié)；若前者小于后者，則需根據(jù)二者差值對(duì)上游節(jié)制閘的開(kāi)度進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)。

（2）對(duì)于事故段，根據(jù)污染物快速計(jì)算公式，計(jì)算污染物的前鋒到達(dá)退水閘前所用的時(shí)間T1，此時(shí)，開(kāi)啟退水閘，關(guān)閉下游節(jié)制閘。再用求出來(lái)污染水體的水量V除以退水閘的設(shè)計(jì)流量得到污染水體經(jīng)退水閘排出所用的時(shí)間T2，即退水閘持續(xù)關(guān)閉時(shí)間。

（3）對(duì)于事故下游段，根據(jù)事故段所計(jì)算出的退水閘持續(xù)關(guān)閉時(shí)間，判斷事故渠池下一個(gè)渠池的蓄量與下游分水的關(guān)系，并以此為依據(jù)來(lái)判斷蓄水量能否正常向下游城市供水，結(jié)果表明無(wú)論是否按城市優(yōu)先級(jí)都可以正常供水。

3.2 建議

（1）我們需構(gòu)建應(yīng)急調(diào)控策略數(shù)據(jù)庫(kù)和智能技術(shù)來(lái)自動(dòng)生成調(diào)控預(yù)案，這樣可以提高生成應(yīng)急預(yù)案的速度，對(duì)于不同的情景可快速制定不同類(lèi)別的調(diào)控預(yù)案，盡可能地減少水污染帶來(lái)的危害。

（2）對(duì)于閘門(mén)關(guān)閉設(shè)施，可以制定閘門(mén)自動(dòng)關(guān)閉算法，這樣可以保障閘門(mén)正常關(guān)閉，從而保障應(yīng)急調(diào)控措施的正常實(shí)施。