小清河分洪道子槽輸水段水質風險分析

劉志峰，宋茂斌，張 游，溫靜靜，趙婷婷，劉恒洋

(1.山東省海河淮河小清河流域水利管理服務中心，山東 濟南 250100；2.水發規劃設計有限公司，山東 濟南 250100；3.山東省湖泊流域管理信息化工程技術研究中心，山東 濟南 250100；4.山東省調水工程運行維護中心濱州分中心，山東 濱州 251700)

0 引 言

水質安全保障是長距離調水工程運行管理的重要內容，加強水質風險管控、確保水質穩定達標是實現工程效益的關鍵所在。南水北調東線工程利用京杭大運河及其沿線現有的湖泊調蓄和河道輸水，工程設計中主要通過截蓄導用工程、穿渠或跨渠建筑物全部立體交叉等方式，阻斷了輸水渠道與外界水體的水力聯系，基本消除了沿線生產生活廢水直接進入渠道的可能，有效保障了調水期輸水水質安全。但在全球氣候變化、城市化和其他因素共同作用下，流域水文循環過程被強烈改變，極端水文事件如洪澇高溫等災害事件頻發[1-2]，部分輸水渠道作為區域防洪排澇通道被啟用的概率進一步增大。以東線山東段工程為例，2018年受溫比亞臺風影響，聊城段輸水渠道(小運河、趙王河、周公河)承泄當地洪澇水通過引江節制閘分洪至馬頰河[3]；2019年受利奇馬臺風影響，小清河多斷面發生超警戒水位洪水，歷史首次啟用小清河分洪道子槽(淄博—濱州—東營段輸水渠道)分洪；2021年黃河中下游干支流發生較大洪水，黃河東平湖蓄滯洪退水首次通過柳長河、梁濟運河向南四湖分洪。需要注意的是，輸水渠道作為防洪除澇通道為沿線水安全保障發揮了重要作用，但同時也為當地洪澇水與封閉的輸水渠道建立了特定的水力聯系，流域下墊面污染負荷將通過淋溶、沖刷等作用隨洪澇水進入輸水渠道，有可能對后期輸水水質造成威脅和風險。目前，已有部分學者關注到該問題的嚴峻性[4-5]，但尚未見學術報道展開系統研究與論述。

本研究選取南水北調東線小清河分洪道子槽段開展研究。該渠段地處南水北調與引黃濟青工程的重要交匯點，東線工程借用小清河分洪道子槽作為輸水干渠，于引黃濟青上節制閘(濱州博興)接引黃濟青工程；同時，汛期遭遇較大洪水時還需承擔小清河分洪任務，多種來水匯合，水文情勢復雜，是重要的水質敏感區。本文通過梳理該區域工程設計、調度運行、水質例行監測等相關資料，分析子槽段同時作為輸水渠道與行洪排澇通道可能存在的水質風險，并給出相應的風險防范建議，相關成果可為后期風險評估、對策制定等深度研究提供重要的基礎資料，同時也為類似長距離調水工程應對平交河流超標準洪水突發污染風險分析提供研究思路。

1 研究區域概況

分洪道子槽是典型的輸水渠道與行洪除澇通道共用區段。小清河干流分洪道工程興建于1966年，自勝利河口至蘆清溝，全長83.3 km，與小清河干流形成“兩河三堤”并行段。分洪道灘地內開挖排水子槽，南水北調東線(2013年)與引黃濟青工程(1987年)借用部分子槽作為輸水渠道，自入分洪道涵閘至引黃濟青下節制閘，借用長度約70 km[6]。總的來看，分洪道子槽不僅是山東省引江水與引黃水等客水資源優化配置的重要樞紐，還是小清河流域行洪排澇工程體系的重要組成內容，區域位置顯著。

本文研究區域位于小清河流域，流域整體地形為南高北低，一級支流幾乎全部由南岸注入干流。流域屬于暖溫帶大陸型季風氣候，降水量年內、年際間變化均較大，年內降水量汛期(6月～9月)占比約70%左右[7]，且主要集中在一兩場暴雨。分洪道并行段(流域中下游段)途經淄博市高青縣、桓臺縣、濱州市博興縣、東營市廣饒縣，沿線工農業經濟發達，是山東省優質糧棉生產區及石油、化工產業集聚地[8]。研究區域見圖1。

圖1 研究區域

2 工程運行現狀

南水北調東線工程借用小清河分洪道子槽承擔常態化輸水任務，工程運行情況見圖2。自入分洪道涵閘進入子槽，于引黃濟青上節制閘(濱州博興)處接引黃濟青工程，后通過引黃濟青下節制閘(東營廣饒)南下向青島、煙臺、濰坊、威海等膠東4市輸水。輸水時段一般在非汛期(一般為每年11月至翌年5月)進行，子槽輸水段設計流量為50 m3/s，加大流量為60 m3/s，目前工程運行流量為32～36 m3/s。

分洪道子槽作為小清河干流分洪道工程的重要組成部分，其啟用是有條件的。根據小清河分洪道調度方案[9]，當干流金家堰閘過水流量達到或超過260 m3/s且水位持續上漲，則考慮啟用分洪道。根據洪水規模分級啟用子槽及灘地，分別由分洪道進口閘的深孔閘及淺孔閘控制。流域除澇標準以內的洪水由子槽行洪，最大控泄流量為200 m3/s，更大規模洪水則由子槽及灘地共同行洪，分洪道分洪流量50年一遇防洪標準按1 300 m3/s控制?，F深孔閘上游段泄洪溝及分洪道子槽已全線貫通，當啟用子槽分洪時，子槽沿線節制閘將全開度開啟，洪澇水一路敞泄至分洪道泄洪閘，后通過蘆清溝(小清河一級支流)重新匯入小清河干流。分洪道的啟用將極大減輕小清河干流中下游段的行洪壓力，有利于支流洪水及洼地澇水的有效排泄[5- 6]。

圖2 區域水利工程運行情況

一般來說，小清河分洪道子槽承擔輸水與分洪任務是錯時段進行的，且分洪道啟用幾率通常比較小，兩者時間遭遇的可能性較低。但近年來受全球氣候變化的影響，極端水文事件導致洪澇高溫災害頻發[1-2]，一方面表現為流域汛期遭遇較大規模洪水，啟用分洪道的可能性增加，輸水渠道作為行洪排澇通道使得小清河流域陸源污染物通過洪澇水進入子槽系統；另一方面連續干旱年間實行汛期應急供水的可能性也進一步增加，加之南水北調東線二期規劃在即，對山東半島的輸水規模將進一步加大，輸水時段可能延長[10]，汛初(6月)與汛末(9月)也將承擔常態輸水任務。諸多外部形勢將共同促使子槽承擔分洪與輸水任務在時間上重疊的可能性進一步加強，分洪期間小清河干流及排澇干渠輸入的污染負荷將對子槽調水水質造成不確定性的風險。如何平衡該區域的防洪與調水矛盾，并切實保障輸水水質安全，是該區域亟待解決的運行管理難題。

3 區域洪澇水污染形勢分析

小清河與南水北調東線干渠發生直接水力聯系一般僅在啟用分洪道期間，破堤后小清河流域洪澇水進入子槽，攜帶的污染負荷部分殘留在渠道內的積水或吸附在渠槽底部，短時間內無法通過水體自凈作用去除，可能對調水初期水質造成不確定的風險。因此，其水質風險輸入主要受區域洪澇水(即小清河上中游)污染形勢影響。

由于缺乏實測的流域雨洪過程水質同步監測資料，以小清河干流汛期水質監測數據作為評估區域洪澇水污染形勢的主要依據。分洪道進口閘位于鄒平市、高青縣、桓臺縣交界處，其所在的水功能二級區為小清河濱州淄博農業用水區，水質目標為V類。根據小清河干流近5年水質例行監測數據，以相鄰監測斷面污染物濃度平均值作為分洪道進口閘的水質參考值，結果表明，分洪道進口閘汛期(6月～9月)水質總體上處于IV類，區域整體上面臨較為嚴峻的氮磷污染及復合有機污染問題，尤其值得警惕的是，該區域的總氮、氟化物、硫酸鹽等特征污染物可能成為威脅分洪道子槽水質的重要風險物質。

洪澇水污染特征實質上是由流域污染輸出負荷所決定的，其強度高低與降水條件、地表覆蓋類型、地形特征等因素有關。其中，降水是決定流域污染輸出負荷重要的驅動因子[7]。分洪道子槽并行段小清河流域主要用地類型為農田，區域環境現狀決定了在強降雨徑流沖刷作用下，洪澇水將主要表現為面源污染特性，在負荷輸出強度上表現為污染物質量濃度先隨流量增大而增大、又隨流量減小而減小[11]。在污染物類型上表現為氮磷及復合有機污染。分洪道灘地還有較大范圍的農田分布，當同時啟用灘地行洪時，灘地澇水漫溢可能會進一步加劇農田面源污染對子槽的風險輸入。

此外，還需要特別警惕洪水期間化學品泄漏帶來的潛在風險。分洪道子槽并行段小清河南岸沿線部分區域位于易受洪澇水淹沒威脅的低洼地帶，分洪道進口處下游分布有省級化工產業園區，主要涉及石油煉化及化工、紙業、包裝印刷等相關產業。其中，危險化學品生產裝置、儲罐區、管道及廢水處理設施等遭受洪澇水作用(沖擊、淹沒等)，可能造成有毒有害類物質泄露、易燃易爆類物質燃爆或污水漫溢風險，一旦泄漏至地表水系統將會對子槽輸水系統及局部環境造成重大風險[12]。實際上，2019年利奇馬臺風過境期間緊急啟用分洪道子槽分洪，其啟用動機之一就是為了紓解小清河干流沿線某化工企業苯儲罐受洪澇水淹沒泄露風險。特別要指出的是，洪澇水沖刷流域下墊面可能會將其他的有毒有害物質攜帶進入河渠系統，如農田系統可能存在的化肥、農藥類污染物，道路橋梁系統可能存在的石油類污染物等，廢棄物場地可能產生的各種危險物質等[13]，都可能會對區域水環境系統造成不確定的風險輸入。

現狀條件下分洪道子槽輸水段水質基本能夠滿足地表水環境質量標準Ⅲ類水的要求，但仍存在總氮、總磷、硫酸鹽、氟化物等污染物偶有超標現象[14-16]。從超標污染物類型考慮，不排除子槽沿線小清河流域外源污染輸入是造成或加重子槽水質污染程度的可能來源。結合上述流域污染形勢分析，小清河流域洪澇水水質較差，且洪水過程起漲段的污染負荷輸入通量可能更大，對子槽輸水系統來說可能是重要的污染源和風險源。

4 分洪風險輸入分析

分洪道子槽作為行洪排澇通道被啟用的幾率較低，僅于2019年利奇馬臺風過境期間啟用過1次，因此有必要對其分洪風險輸入情況進行討論，可考慮將污染負荷輸入量作為評估風險水平的量化指標。受限于流域雨洪水過程水文水質同步監測資料的不足，特別是缺少懸移質泥沙量監測數據，本研究僅從水相污染負荷輸移的角度做初步討論，并將整個分洪過程概化處理為：①平均分洪流量為25 m3/s，歷時96 h；②平均分洪水質設計值TN為7.90 mg/L、NH3-N為0.80 mg/L、TP為0.30 mg/L、COD為22.40 mg/L、BOD為5.00 mg/L，由此求算的分洪污染負荷輸入量TN為68.26 t、NH3-N為6.91 t、TP為2.59 t、COD為193.54 t、BOD為43.20 t。

根據分洪水量及子槽容積估算，分洪結束后將仍有40%左右的澇水滯留在子槽中，殘留的污染負荷在水相與沉積物的吸附解吸過程、沉淀再懸浮過程等是影響子槽輸水水質的主要作用機理，其潛在風險程度還與污染物在不同介質中的遷移轉化特性有關。如硫酸鹽、氟化物等更易溶于水[17-18]，調水前的渠道沖刷會快速將該類污染物攜帶出子槽系統，不會對后續水質造成持久風險；復合有機污染物則更傾向于遷移、富集至沉積相中，調水初期在水動力擾動條件下通過解吸作用重新釋放至水體，可能成為長期影響輸水水質的重要風險源；氮、磷等營養鹽污染物則稍顯復雜，非點源的氮輸入主要以無機氮(硝酸鹽氮、氨氮)為主，而磷的形態分布以顆粒磷為主，富集在沉積物系統的風險仍不可忽視。

5 水質風險防范建議

綜上所述，兼做區域行洪排澇通道使用的輸水渠道，如何應對因流域陸源污染輸入而導致的水質安全風險，已經成為區域各方需要共同關注的問題?；诖?，本研究針對區域水質安全管理現狀存在的問題，提出以下建議。

(1)提高區域水質風險監測、評估能力。通過構建流域水文水質同步監測體系，重點開展洪水過程(起漲段、峰頂段、退水段)污染物濃度、通量現狀監測與趨勢預判，提高流域污染輸入負荷總量估算的精確度，同時還應加強退水后輸水渠道水體及沉積物質量的長期監測；此外，輸水渠道作為行洪排澇通道被啟用仍是低概率事件，難以通過經驗觀測建立風險水平的具體認知，應通過合理的情景設計及水文水質模型模擬分析不同分洪規模、分洪方式、污染情景等對輸水水質的潛在風險水平，提高風險預測的科學性、準確性。

(2)加強區域工程聯合調度能力。分洪道子槽與灘地、干流河槽等共同構成區域行洪通道[5]，且子槽內沿線分布提水泵站、節制閘、渡槽、倒虹吸、分水口等引(輸)水工程設施[19-20]，基于不同洪水規模的行洪通道分級啟用規則、工程聯合調度運行規則，為區域工程體系應對多目標(行洪、輸水等)的聯合調度運行管理提出了更高挑戰?；诖耍瑧浞忠劳行陆ǖ男∏搴幼詣踊{度指揮系統，加強干流與分洪道的控制性工程閘站群的自動化控制與聯合調度能力，在保障區域行洪排澇安全的前提下，適當考慮輸水水質保障需求，從流域暴雨徑流產生過程及污染物輸出特征出發，優化分洪方式(干流主動行洪、分洪道主動行洪)，科學確定分洪規模，盡可能減小對輸水渠道的污染負荷輸入。

(3)加強區域水質風險源的管控能力。重點識別處于洪水淹沒風險區的化工園區、污染企業、污水處理設施可能存在的風險環節，對儲罐、生產裝置、管道等安裝必要的圍堰防護、事故處理池等，避免泄漏污染物進入區域地表水系統，并制定針對洪水淹沒化學品泄露事故的應急預案。此外，還要進一步加強流域污染防治力度，減緩農田、公路、危廢場地等在洪水漫溢過程中可能產生的有毒有害物質對水質的不確定性影響。

6 結 語

本文以小清河分洪道子槽段作為典型案例，對輸水渠道與行洪除澇通道共用區段可能存在的水質風險進行研究，得出以下結論：

(1)受全球氣候變化、城市化、南水北調東線二期規劃等外部形勢影響，分洪道子槽同時承擔分洪與輸水任務的時間重疊的可能性將進一步強化，一旦作為行洪排澇通道被啟用，將為當地洪澇水與封閉的引調水系統建立了特定的水力聯系。

(2)將小清河干流汛期水質作為評估洪澇水污染形勢的依據的結果表明，氮磷污染、復合有機污染輸入可能對子槽輸水水質造成一定的風險，同時還要警惕氟化物、硫酸鹽等特征污染物的風險輸入；受區域產業布局影響，需要足夠重視洪水期間化學品泄漏帶來的潛在風險，如低洼地帶的化工園區、污染企業、污水處理設施在洪水作用下造成的化學品泄漏、燃爆等風險，農田、公路、危廢場地等在洪水漫溢過程中可能產生的有毒有害物質風險等。

(3)從水相污染負荷輸移的角度，初步評估了2019年小清河分洪道子槽啟用期間的污染風險輸入水平，分洪結束后滯流狀態下的積水是風險產生的重要作用過程，殘留污染物在水相與沉積物的吸附解吸過程、沉淀再懸浮過程等是其主要作用機理。

(4)針對小清河分洪道子槽這類輸水渠道與行洪除澇通道共用區段，需通過提高區域水質風險監測評估能力、區域工程聯合調度能力、風險源管控能力，進一步降低水質風險輸入的不確定性。