南水北調中線工程突發水污染下游供水方式研究

摘 要：南水北調中線工程以明渠調水的形式進行輸水，具有投資小、費用低、流量大的優勢，但敞開的輸水線路也帶來了水源保護難度大、容易引發突發水污染事故的風險。系統總結國內外研究成果，以南水北調中線工程為研究區，以蘭河節制閘—潁河節制閘段發生水污染事件為例，重點開展突發水污染事故期事故段下游供水時間的研究，基于明渠調水的常規供水方式，采用常規和優化兩種供水方式對事故段下游供水時間進行模擬，提出了延長事故段下游供水時間的優化分區供水方式。結果表明，采用優化分區供水方式在面對渠池下游大流量分水情況下可以維持下游渠池長時間的供水穩定，有效地延長下游不利渠池的供水時間，保障區域供水安全。

關鍵詞：南水北調中線工程；突發水污染；明渠調水；優化分區；供水安全

中圖分類號：ＴＶ２１３．９ 文獻標志碼：Ａｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０４．０１１

引用格式：張乃豐，任紅蕾，林飛．南水北調中線工程突發水污染下游供水方式研究［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（４）：６３－６９．

１ 引 言

明渠調水是大型調水工程中的常用輸水方式，以天然河道或人工渠道為主要輸水載體，具有投資小、運行費用低、輸水流量大的特點［１］ 。明渠調水工程中，水質安全是調水工程發揮經濟效益和社會效益的重要保障。但是近些年來突發水污染事故頻繁發生，不僅給環境帶來不可估量的影響，還給社會和經濟發展帶來威脅，引發人們對明渠調水工程用水安全的擔憂［２］ 。突發水污染事故是指突然發生的且由人為因素或自然因素等引起大量污染物進入水體事故［３］ ，從而導致水質惡化，影響生活生產用水安全，造成巨大經濟損失，并且危害生態環境、帶來惡劣的社會影響［４］ ?，F階段針對明渠調水工程突發水污染事故，主要通過構建機理模型，預測分析突發水污染事故后污染物的遷移過程，結合渠道的水工建筑物進行聯合調控，從而實現對突發水污染事故的應急調控［５］ 。Ｇｒｉｆｏｕｌｌ等［６］ 在巴塞羅那港建立三維水質模型，結合港內的節制閘進行調控，實現對突發水污染事件的應急處理。Ｓａａｄａｔｐｏｕｒ 等［７］ 在伊拉姆水庫建立二維水質模型，利用水庫內的退水閘實現對污染水體的精準退水。Ｈｏｕ等［８］ 建立可模擬突發水污染事故的實時動態預警模型，模擬了新安江苯酚泄漏事故后苯酚在錢塘江的擴散過程。吳輝明等［９］ 建立淮河干流一維水動力－水質模型，分析了在支流不同流量情況下干流突發水污染事件時污染物濃度隨時間、空間變化規律，據此并結合邊界退水閘可實現突發水污染的應急調控。Ｔａｎｇ等［１０］ 基于ＭＩＫＥ１１ 建立一維水動力－水質模型，分析了南水北調工程中線干渠突發水污染事故后的污染物擴散過程，研究３ 種流量工況下的４ 種污染物（磷肥、氰化物、石油、鉻）的擴散規律，結合水工建筑物實現對４ 種污染物精準控制。周超等［１１］ 建立南水北調中線邢臺和石家莊交界處至古運河南段一維水質模型，通過分析突發水污染事件后污染物的擴散規律和退水閘的響應時間，建立了污染物溯源應急決策系統。王昭亮等［１２］ 選取淮河流域沙潁河下游及淮河干流作為研究區域，考慮沙潁河潁上閘的調度調控作用，建立以目標節點幾種典型污染物濃度最小為優化目標、考慮閘壩利用和調度約束的優化調度模型，并對比在同樣入河污染物荷載的情況下常規調度和優化調度模型得到的調度結果，結果表明，經過優化后潁上閘的調度調控能夠有效地降低目標節點污染物濃度，且污染物峰值濃度明顯降低。

縱觀國內外眾多學者的研究成果，運用模型模擬突發水污染事件污染物的遷移規律、實現污染渠池的精準退水技術已十分完善，但對突發水污染事故段下游不同供水方式的供水時間研究較少。調水工程多服務于沿線城市的供水［１３］ ，當渠池發生突發水污染事件時，維持事故段下游渠池的供水時間顯得尤為重要。故本文針對明渠調水工程渠池突發水污染事件時如何保障事故段下游供水時間進行研究，提出基于不同分水等級的優化分區方法，從而延長事故段下游渠池的供水時間。

２ 研究區域與方法

２．１ 研究區域概況

南水北調中線工程從漢江中上游的丹江口水庫引水，途經河南、河北兩省，橫穿海河、黃河、淮河和長江四大流域［１４］ ，自流輸水將“南水”送至北京的團城湖和天津的外環河［１５］ 。工程全程長１ ４３２ ｋｍ，沿線共布置６１ 座節制閘、９５ 座分水口、１ 座泵站以及倒虹吸、渡槽、無壓涵洞等眾多類型建筑物［１６－１７］ 。南水北調中線工程于２０１４ 年１２ 月１２ 日正式通水，迄今已安全輸水近３ ０００ ｄ，累計輸水超過４４１ 億ｍ３，使沿線６ ０００ 萬人從中獲益［１８］ 。本次研究的區域為南水北調中線工程蘭河節制閘—北拒馬河節制閘段，區域內共有４５ 座節制閘、５８ 座分水口、４１ 座退水口。

２．２ 研究方法

２．２．１ 水動力模型構建

南水北調中線工程總干渠被６１ 座節制閘劃分為６０ 個渠池，每一個渠池水面線受設計水深和當前流量影響、也受相鄰渠池間的耦合影響［１９］ 。在推求渠池蓄水量時，假定每一個渠池的水面線為恒定的，然后對這個渠池進行恒定流計算。

式中： Ｅｓｄ 為欲求斷面的斷面比能； Ｅｓｕ 為已知斷面的斷面比能； ΔＳ 為欲求斷面和已知斷面之間的間距； Ｊ為欲求斷面和已知斷面之間的水力坡度平均值。以已知斷面為控制斷面，可根據式（３）推導出欲求斷面。連續推求則水面線便可確定。

２．２．２ 分水口等級劃分

對于突發水污染事故下游段，在事故發生后由于進口的供水被中斷，處于一種利用渠池內蓄水量給分水口門供水的工況。因此，在事故發生后，給不同的分水口門持續供水，事故段下游須采用不同的應急調控策略，首先應對事故段下游的分水口門持續供水情況進行等級劃分。根據沿線供水對象的重要程度，將分水口分為４ 個等級，依次對應北京供水口門（Ⅰ級）、省會城市供水口門（Ⅱ級）、普通地級市供水口門（Ⅲ級）和其他城市供水口門（Ⅳ級）。受限于篇幅，本文只列舉Ⅰ級分水口門、Ⅱ級分水口門以及Ⅲ級分水口門的具體信息，見表１、表２ 和表３。

按照突發水污染事故期事故段下游分水口門供水對象的不同，可分為Ⅰ級分水口門供水、Ⅰ＋Ⅱ級分水口門供水、Ⅰ＋Ⅱ＋Ⅲ級分水口門供水、下游所有分水口門供水工況。Ⅰ級供水是將中線的水全部用于北京的城市供水；Ⅰ＋Ⅱ級供水主要保障北京和其他地區省會（包括天津）的供水；Ⅰ＋Ⅱ＋Ⅲ級供水主要保障北京、省會和地級市城市的供水。這種等級劃分可服務于調度人員，在不同的應急工況以及供水矛盾情況下，快速合理地決策事故段下游的分水供給情況。

２．２．３ 優化分區方法

明渠調水工程正常輸水狀態通常采用局部分區方法（見圖１）對渠池下游城市進行供水，局部分區的供水方法是指將當前渠池上游節制閘與下游臨近第１ 個分水口的節制閘作為１ 個供水分區，當前渠池的水量僅供給當前渠池或臨近下游分水口。局部分區在面向突發水污染事件時，上游長時間不能提供來水的情況下，就可能出現渠池的蓄水量不能滿足城市供水的問題。

面對明渠突發水污染事件，為延長不利渠池的供水時間，提出了一種通過合理分區從而延長不利渠池的持續供水時間的優化分區方法（見圖２）。首先運用水動力模型計算研究區段中每１ 個渠池的蓄水量，利用式（４）計算當前渠池向下游依次累加后的供水時間，再按照式（５）找出不利渠池；然后關閉不利渠池下游的節制閘，將不利渠池及以上所有的渠池當作１ 個供水分區，不利渠池的下１ 個渠池將作為新的第１ 個渠池，重復以上的工作，重新識別不利渠池，直至識別出不利渠池為最后１ 個渠池，優化分區工作完成。

式中： Ｔ１ 為第１ 個渠池供水時間； Ｔ１＋２ 為第１ 個渠池和第２ 個渠池累加后供水時間； Ｔ１＋２＋···＋Ｎ 為第１ 個渠池依次累加至第Ｎ 個渠池后供水時間； Ｖ１ 為第１ 個渠池蓄水量； Ｑ１ 為第１ 個渠池分水量； Ｖ２ 為第２ 個渠池蓄水量； Ｑ２ 為第２ 個渠池分水量； Ｖｉ 為第ｉ 個渠池蓄水量；Ｑｉ 為第ｉ 個渠池分水量。Ｔ１＋２＋…＋（Ｎ－１） ＜ Ｔ１＋２＋…＋Ｎ ＜ Ｔ１＋２＋…＋（Ｎ＋１） （５）式中：Ｔ１＋２＋…＋Ｎ 為從第１ 個渠池到下游第Ｎ 個渠池的累計供水時間。

上述方法計算的供水時間為下游所有渠池的平均供水時間，由于從第１ 個渠池累加至第Ｎ ＋ １ 個渠池的供水時間大于從第１ 個渠池累加至第Ｎ 個渠池的供水時間，因此從以下兩點進行分析：① 從蓄水量的角度分析，當累加到第Ｎ ＋ １ 個渠池時，整個系統的供水時間增加，說明第Ｎ ＋ １個渠池的蓄水量被平均分配到上游的渠池中，致使上游所有渠池的平均供水時間增加，因為中線調水工程渠池的水量無法倒流，所以應該將第Ｎ 個渠池下游的節制閘關閉；② 從分水量的角度分析，當發生上述情況時，說明第Ｎ 個渠池的分水量較大，對整個供水系統影響較大，無法繼續向下游供水，此時可關閉第Ｎ 個渠池下游的節制閘，從而達到延長下游供水時間的效果。

３ 案例分析

渠池發生突發水污染事件時，發生污染的渠池被稱為事故段，渠池從發生污染至污染物從退水口全部退出這段時間稱之為事故期。當發生突發水污染事件后事故段渠池下游節制閘關閉，將明渠調水工程分成事故段上游、事故段以及事故段下游，分段示意見圖３。

本文以南水北調中線干渠工程蘭河—潁河節制閘段發生突發水污染事件為例，將中線干渠所有的分水口按照重要等級分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級。為了體現優化分區適應于不同的供水模式，當發生突發水污染事件時，本文選用４ 種不同的供水模式來展示優化分區相較于局部分區的供水方法可以延長不利渠池供水時間的效果。對于事故段，無論下游采用何種供水模式，事故段都應當關閉其下游的第１ 個節制閘（即潁河節制閘），使得污染團在事故段全部排出，降低污染物擴散的范圍；對于事故段下游，首先按照分級將供水方式分為Ⅰ級供水、Ⅰ＋Ⅱ級供水、Ⅰ＋Ⅱ＋Ⅲ級供水以及全線供水４ 種供水模式，再按照不同的等級串聯渠池，利用渠池自身的蓄水量，向相應等級的供水口門進行供水，從而生成４ 種供水方案。本文選擇流量工況為渠首（陶岔渠首工程）３５０ ｍ３ ／ ｓ，此工況下事故段下游渠池蓄水量見表４。

３．１ Ⅰ級供水

采用Ⅰ級供水方式目的是保障北京的用水安全，不考慮沿線其他省市的供水問題，所以沿線的全部分水口門都關閉，只打開北拒馬河節制閘用于向北京供水。由于Ⅰ級供水只有１ 個節制閘進行分水，所以優化分區和局部分區的分區方法一致，供水時間都為３２．８１ ｄ。

３．２ Ⅰ＋Ⅱ級供水

Ⅰ＋Ⅱ級供水方式通過打開北京和沿線省會城市的分水口，保障北京和沿線省會城市的供水。分水口門的流量采用實測分水流量，北拒馬河節制閘采用實際過閘流量。按照局部分區方法可將事故段下游渠池分為潁河—古運河、古運河—磁河、磁河—西黑山、西黑山—北拒馬河４ 個分區，分別計算每個分區的供水時間；按照優化分區方法分別計算潁河—古運河、潁河—磁河、潁河—西黑山、潁河—北拒馬河４ 個分區的供水時間。

分別用局部分區方法和優化分區方法計算Ⅰ＋Ⅱ級供水方式的下游供水時間，計算結果見表５。

表５ 為采用兩種分區方法的供水時間，第１ 次分區，兩種方法都是將潁河—古運河作為第１ 分區；第２次分區，由于優化分區涵蓋潁河—古運河的蓄水量，分區的蓄水量遠遠大于該分區內分水口的分水量，采用優化分區方法較局部分區方法延長下游渠池供水時間１１．８５ ｄ；第３ 次分區，從局部分區方法來看，由于磁河—西黑山分區只串聯了７ 個渠池，但是西黑山分水口分水流量較大，所以局部分區的供水時間為８．１７ ｄ，但是采用優化分區方法，串聯了４０ 個渠池的蓄水量，大大減緩了西黑山大流量分水對整個分區蓄水量的影響，所以供水時間遠大于采用局部分區方法的供水時間；第４ 次分區，由于北拒馬河節制閘分水流量最大，所以采用局部分區方法只能維持１．３４ ｄ，但是采用優化分區方法供水時間可達３７．２１ ｄ，遠大于局部分區方法的供水時間。相較于第３ 次優化分區的供水時間，第４ 次優化分區的供水時間減少了０．３６ ｄ，說明優化分區方法在大流量分水情況下仍然能穩定維持下游的供水時間。

通過優化分區方法識別出事故段下游不利渠池為西黑山—北拒馬河節制閘，根據計算，得到選用優化分區方法可以使北拒馬河節制閘持續供水３７．２１ ｄ，但是采用局部分區方法僅使北拒馬河節制閘持續供水１．３４ｄ，所以通過優化分區的供水方法可延長不利渠池的供水時間為３５．８７ ｄ。

３．３ Ⅰ＋Ⅱ＋Ⅲ級供水

采用Ⅰ＋Ⅱ＋Ⅲ級供水方式的目的是保障全線所有地級市的供水安全，打開所有地級市的分水口門和北拒馬河節制閘，分水口門的流量采用實際分水流量，節制閘的流量采用實際過閘流量。

依據上述局部分區和優化分區兩種方法，渠池分區與渠池的供水時間見表６。

表６ 為在Ⅰ＋Ⅱ＋Ⅲ級供水工況下局部分區和優化分區的供水時間計算結果，可發現分區下游段為古運河節制閘、西黑山節制閘、北拒馬河節制閘的分區供水時間都特別短，原因是３ 個渠池的分水流量較大，遠大于事故段下游其他渠池的分水流量，對渠池的蓄水量影響較大。由表６ 局部分區供水時間可知，在經歷大流量分水的情況下，七里河—古運河渠池、崗頭隧洞—西黑山渠池、西黑山—北拒馬河渠池供水時間分別為１４．９５、０．６４、１．３４ ｄ，而優化分區方法在同樣經歷了大流量分水的情況下，西黑山節制閘可以持續供水３３．６８ ｄ，北拒馬河節制閘可以持續供水１７．６３ ｄ。優化分區方法相較于局部分區方法，同樣在大流量分水情況下可以維持更長時間的穩定供水。

根據優化分區方法，可以識別出不利渠池潁河—古運河段供水時間為５０．８０ ｄ、潁河—北拒馬河段供水時間為１７．６３ ｄ。由于優化分區方法計算的是分區內各子渠池的供水時間，因此在優化分區供水方法下，上述渠段內對應的子渠池分別為七里河—古運河、西黑山—北拒馬河，但在同樣條件下，采用局部分區方法計算出七里河—古運河渠池、西黑山—北拒馬河渠池的持續供水時間分別為１４．９５、１．３４ ｄ，通過對比分析，以上兩個不利渠池的供水時間分別延長了３５． ８５、１６．２９ ｄ。

３．４ 全部口門供水

采用全部分水口門供水方式的目的是保障全線所有沿線城市供水，打開所有的分水口門和北拒馬河節制閘，分水口門的流量采用實際分水流量，北拒馬河節制閘的流量采用實際過閘流量。分別用局部分區方法和優化分區方法計算全部口門供水方式的供水時間，計算結果如圖４、圖５ 所示。

圖４ 表示局部分區方法事故段下游供水時間，從圖中可以看出局部分區下游為西黑山、北拒馬河節制閘的分區供水時間較短，分別為０．６４、０．６９ ｄ。圖５ 為優化分區方法事故段下游供水時間，下游為西黑山節制閘的分區，雖然相較于Ⅰ＋Ⅱ＋Ⅲ供水方式減少了１３．０１ ｄ，但是也達到了２０．６７ ｄ，相較于局部分區方法延長供水時間為２０ ｄ 左右；同理，下游為北拒馬河節制閘的分區，相較于較于Ⅰ＋Ⅱ＋Ⅲ供水方式減少了４．３７ ｄ，但是比局部分區方法多向城市供水１３ ｄ。根據優化分區方法，可以識別出不利渠池潁河—須水河、潁河—穿黃、潁河—淇河、潁河—沁河、潁河—南沙河、潁河—古運河、潁河—放水河、潁河—西黑山、潁河—北拒馬河的供水時間分別為１７． ４８、１９． ７４、２９．７０、１５．８７、３３．２７、２６．５６、２６．４０、２０．６７、１３．２６ ｄ；根據優化分區方法的原理，上述渠段對應的子渠池分別為金水河—須水河、索河—穿黃、香泉河—淇河、牯牛河—沁河、洺河—南沙河、洨河—古運河、漠道溝—放水河、崗頭隧洞—西黑山、北易水—北拒馬河，但采用局部分區方法以上各不利渠池的供水時間分別為３．８０、０．６９、２５．８７、１５．８５、２５．６４、２．４６、１７．７５、０．６４、０．６９ｄ，通過對比分析，優化分區方法可以大大延長不利渠池的供水時間。

４ 結 論

國內外為應對突發水污染事件，開展了突發水污染事件事故段下游不同供水方式下供水時間的研究。本文基于不同分水等級，通過對南水北調中線干渠蘭河—潁河突發水污染事件進行研究，提出了優化分區的供水方法，相比較中線傳統局部分區的供水方法可以有效地延長下游供水時間。因此，通過４ 種不同工況的驗證，在下游分水口較大流量分水的情況下，優化分區的供水方法相比較于傳統局部分區的供水方法可以較好地緩解大流量分水對渠池蓄水量的影響，保障大流量分水情況下渠道下游供水的穩定。優化分區的供水方法識別出不利渠池為墳莊河—北拒馬河渠段，相較于局部分區的供水方法，優化分區大大地延長不利渠池的供水時間。

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【責任編輯 簡 群】