南水北调中线突发水污染应急调控策略研究

梁建奎，龙 岩，郭 爽

（1.南水北调中线干线工程建设管理局，北京 100038；2.河北工程大学水利水电学院，河北 邯郸 056038；3.河北工程大学河北省智慧水利重点实验室，河北 邯郸 056038）

南水北调中线工程作为跨流域调水工程，具有输水线路长、涉及区域广、参与工程多、调水规模大、输水工况多变等特点[1-2]，对缓解北京、天津、河南和河北等城市的用水短缺问题起着重要作用。自2004 年竣工以来至2021 年7 月，南水北调中线优化京、津、冀、豫的供水格局，累计调水超400 亿m3，直接受益人口达7 900 万[3-5]。由于中线工程对缓解我国北方地区的水资源短缺问题有很大的作用，一旦发生水污染事件会影响下游城市的正常供水，因此在众多的污染事件中，我们应更加重视中线工程的突发水污染问题。

针对调水工程突发水污染事件，纪风兰[6]认为，当长距离明渠输水工程一旦发生突发水污染事件，最根本的要求是尽量缩小污染水域范围的前提目标。练继建等[7]研究了将污染云团控制在事故渠段内的水力过渡过程。房彦梅等[8]针对南水北调中线渠首段，模拟了突发水污染事件下应急处理模式，包括不开启退水闸将污染物拦截在事故渠段等待后续处理和启用退水闸将污染水体外排两种方案。桑国庆等[9]针对南水北调东线工程，研究了突发重大水污染时将污染水源拦截在渠池内进行物理化学处理和开启退水闸进行污水外排两种方案。突发性水污染事故的时间演变风险对于选择实时措施，有效降低时间增长风险具有十分重要的意义[10]。王万红等运用数据采集、数值模拟和理论分析等方法，对水污染控制进行了研究，研究结果表明，水质模型可以计算水环境容量和污染能力，从而减少水污染物量，实现了河流水污染的有效控制。

突发性水污染事故的频繁发生，给水环境安全带来了巨大的风险。因此，我国当前水污染形势迫切需要建立和开发预警系统和快速反应程序。突发水污染事故具有不确定性强、危害程度高、处理时间紧、管控难度大等问题。而在南水北调工程中，突发水污染问题是工程实施和发挥效益的主要制约因素，这就急需制定科学和有效的应急管理调控策略，从而尽可能地降低突发水污染事故带来的危害，保证供水安全。

1 研究区域

南水北调中线工程的水源取自汉江下游丹江口水库，从陶岔渠首将水引入渠道，水流沿唐白河平原和华北平原西部边缘，中途经过长江、淮河、黄河和海河四大流域，最终将江水输送至北京、天津，设计多年平均年调水量94.93 亿m³，河南、河北、北京、天津4 省市年调水量分别为37.70 亿、34.71 亿、12.37亿、10.15亿m³[11]。中线工程全长1 432 km，沿途设置了64座节制闸、97座分水口。其中，总干渠从陶岔渠首至北京团城湖，全长1 277 km，共分为8个渠段，即陶岔—沙河南段、沙河南—黄河南段、穿黄工程段、黄河北—漳河南段、穿漳工程段、漳河北—古运河段、古运河—北拒马河中支段、北京段。从陶岔渠首开始，沿线经过河南、河北、北京、天津4个省市，向北京、天津、石家庄、郑州等数十座城市供水，以解决城市的用水问题。南水北调中线工程路线，如图1所示。

图1 南水北调中线工程路线

2 应急调控策略

南水北调中线工程输水距离长，在输水过程中易发生突发水污染事件及存在突发水污染事件导致的中线工程断水风险。因此，需要制定高效的应急调度策略以解决突发水污染问题，可最大程度降低污染事件的危害，保证用水安全。以中线工程为研究对象，充分考虑中线工程污染物途径的多样性、污染物类型和污染物发生位置的不确定性，可将中线干渠分为事故渠池上游、事故渠池和事故渠池下游三部分，如图2所示。

图2 渠段示意

2.1 事故上游段调控策略

（1）确定下游节制闸的实时流量和退水闸的设计流量。

（2）比较下游节制闸的实时流量和退水闸的设计流量。

（3）设退水闸的设计流量为Q1、下游节制闸的实时流量为Q2，若Q1＞Q2，说明退水闸能保证退走事故上游段的水量，则下游节制闸的闸门不调节；若Q1＜Q2，说明事故上游渠段来水量多，退水量少，处于蓄水状态，则需根据下游节制闸和退水闸的流量差值设计此时上游节制闸所需的调节方式，改变上游闸门开度，使得调节最优，调节流量按式（1）计算：

2.2 事故渠段调控策略

（1）首先根据式（2）和（3），计算污染物的前锋到达退水闸前500 m 所用的时间T1。此时，开启退水闸，关闭下游节制闸。

式中：L 为污染源距离退水闸的距离（km）；v 为渠池平均流速（m∕s），采用v = Q∕A；M 为瞬时投放的污染物总量（g），采用M = 10 t，；DL为弥散系数（m2∕s）；m为自定义倍数，通常取1，采用m=1；B为河渠平均宽度（m）；h为平均水深（m）；J为水力梯度；T1为污染物前锋到达退水闸所需的时间（s）。

（2）其次根据式（4），计算下游节制闸持续关闭所用的时间T2，即由求出来污染水体的水量V 除以退水闸的设计流量得到污染水体经退水闸排出所用的时间T2。

2.3 事故下游段调控策略

对于事故下游段调控策略而言，采取2 种调控方案：不考虑城市级别，每个分水口按比例调减或者根据下游城市的优先级别依次供水。2 种方案具体调控步骤如下。

方案1：

（1）首先计算事故段下一渠池蓄水量和每个分水口的流量。

（2）设V为下一渠池蓄水量、Q分为各分水口流量，若V＞Q分，即V∕Q分＞T2，则说明可以满足下游分水的总体需求，下游分水口不用进行调控，正常供水，保持现状即可；若V＜Q分，即V∕Q分＜T2，则说明不能满足下游分水的总体需求，则按V∕T2计算出每个分水口最多可以满足的流量，对下游每个分水口成比例地进行调减。

方案2：

（1）首先计算事故段下一渠池蓄水量和每个分水口的流量。

（2）设V 为下一渠池蓄水量、Q分为各分水口流量，根据中线沿线供水对象的重要程度，将分∕退水口划分为4个等级，依次对应首都供水（Ⅰ级）、省会城市供水（Ⅱ级）、普通地级市供水（Ⅲ级）和其他口门供水（Ⅳ级），按级别供水。

（3）按Ⅰ级分水口，Ⅰ级和Ⅱ级分水口，Ⅰ级、Ⅱ级和Ⅲ级分水口，全线供水的顺序依次供水。

3 结论与建议

3.1 结论

本文以南水北调中线工程区域概况为基础，结合南水北调中线的实际情况，研究中线工程突发性水污染应急调控策略，考虑到污染源不同位置和渠段的划分，针对不同情况，运用事故区段分段调控的手段，以事故发生地为中心，将干渠划分为上游段、事故段和下游段，进行分段调控。

（1）对于事故上游段，根据事故渠段中的下游节制闸的实时流量与退水闸的设计流量的大小关系，分情况处理：若前者大于后者，则上游节制闸的闸门不调节；若前者小于后者，则需根据二者差值对上游节制闸的开度进行相应调节。

（2）对于事故段，根据污染物快速计算公式，计算污染物的前锋到达退水闸前所用的时间T1，此时，开启退水闸，关闭下游节制闸。再用求出来污染水体的水量V除以退水闸的设计流量得到污染水体经退水闸排出所用的时间T2，即退水闸持续关闭时间。

（3）对于事故下游段，根据事故段所计算出的退水闸持续关闭时间，判断事故渠池下一个渠池的蓄量与下游分水的关系，并以此为依据来判断蓄水量能否正常向下游城市供水，结果表明无论是否按城市优先级都可以正常供水。

3.2 建议

（1）我们需构建应急调控策略数据库和智能技术来自动生成调控预案，这样可以提高生成应急预案的速度，对于不同的情景可快速制定不同类别的调控预案，尽可能地减少水污染带来的危害。

（2）对于闸门关闭设施，可以制定闸门自动关闭算法，这样可以保障闸门正常关闭，从而保障应急调控措施的正常实施。