重大調水工程水質風險影響分析

石全 顏志俊 張玉珍 趙海濤 王會容 張森

摘要：指出了江蘇段是南水北調東線調水工程的源頭，調水水質達標風險來源于沿線城市經濟社會發展和城鎮化進程加快的各種人類活動，特別是輸水干線區域污染源種類多、來源廣、排放量大。建立了東線江蘇段水環境數學模型，進行了水質風險影響計算分析，結果表明：輸水主干線調藺家壩、張樓和塔集水質監控斷面水質不能持續穩定達標，存在水質污染風險。

關鍵詞：南水北調;東線江蘇段;水環境模型;水質風險

中圖分類號：X143

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）6-0009-04

1東線江蘇段污染治理現狀

根據《南水北調東線工程治污規劃》（2001年），東線工程2013年初步調水通水。《南水北調東線工程江蘇段控制單元治污實施方案>確定東線江蘇段14個考核斷面，要求一期工程輸水干線水質（高錳酸鹽指數、氨氮）必須穩定達到《地表水環境質量標準>（ GB3838 -2002）Ⅲ類水質標準 。

東線江蘇段沿線區域水網密布，河流交叉.河湖貫通，涉及長江水、淮河水和當地水，運行環境復雜且沿線污染來源廣泛，影響水質因素眾多，既有工業和城市點源污染.又有農業面源、航運和養殖業污染等，呈現結構性污染的復雜特征。目前，南水北調東線江蘇段治污工程已基本完成，輸水干線控制斷面水質基本達標，但隨著東線江蘇段輸水干線沿線地區經濟社會快速發展和城鎮化進程加快，水污染壓力日益增加，環境負荷越來越大。因此，建立東線江蘇段東線江蘇段水環境數學模型，分析東線江蘇段水質風險，評估重點控制斷面污染和水質影響，確保輸水干線水質持續穩定達標意義重大。

2東線江蘇段水環境數學模型

2.1水量模型基本方程

水量計算的微分方程是建立在質量和動量守恒定律基礎上的圣維南方程組，以流量Q（x，t）和水位Z（x，t）為未知變量，并補充考慮了漫灘和旁側人流的完全形式圣維南方程組如下：

式（1）中：Q為流量;x為沿水流方向空間坐標;BW為調蓄寬度;Z為水位;t為時間坐標;q為旁側人流流量，人流為正，出流為負;u為斷面平均流速;g為重力加速度;A為主槽過水斷面面積;B為主流斷面寬度;n為糙率;R為水力半徑。

對上述方程組以Preissmann四點線性隱式差分格式將其離散，輔以連接條件，形成河道方程，以微段、河段、汊點三級聯解的方法求解。

2.2水質模型基本方程

河網對流傳輸移動問題的基本方程如下：

河道方程：

式（2）、（3）中：Q、Z是流量及水位;A是河道面積;Ex是縱向分散系數;C是水流輸送的物質濃度;Ω是河道叉點一節點的水面面積;j是節點編號;I是與節點j相聯接的河道編號;Sc是與輸送物質濃度有關的衰減項，例如可寫為Sf=KdAC;Kd是衰減因子;S是外部的源或匯項。

對時間項采用向前差分，對流項采用上風格式，擴散項采用中心差分格式。

2.3輸水河道與排污口概化

南水北調東線江蘇段輸水干線，南起長江，北達南四湖，總長約300km。區域涉及揚州市、泰州市、淮安市、宿遷市、徐州市5個市17個縣（市、區），主要河流有三陽河，里運河，中運河，徐洪河和不牢河等，湖泊有高郵湖、洪澤湖和駱馬湖等 。

為便于模型計算，首先必須將東線江蘇段沿線輸水干線河道進行概化，形成一個有河道、有節點的概化河網。將天然河網進行合并、概化，概化為河道為水平底坡、梯形斷面.概化斷面用底高、底寬和邊坡三要素來描述。東線江蘇段輸水河道進行模型概化，見圖1。

根據東線江蘇段的工業直排污染源、污水處理廠污染源及城鎮生活直排污染源的調查，根據沿線區域地形條件以及各類污染源的空間分布，將區域所有污染源概化到27個排污口，見圖2;概化排污口具體信息，見表1。

2.4模型參數率定

水量模型參數率定。根據2010年1月1日-12月31日東線江蘇段樊川站、宿遷閘水文站逐日水文資料，利用建立的河網模型和設定的邊界條件，對水量模型進行率定。率定后的段樊川站、宿遷閘水位相對誤差，分別為0.69%和1.07%，表明水量模型可用于描述東線江蘇段沿線區域的水量變化過程，率定得到河道糙率為0.018--0.025。

水質模型參數率定。根據2010年1月1日-12月31日馬陵翻水站斷面水質監測資料，利用建立的河網模型和設定的邊界條件，對水質模型進行率定。率定后的馬陵翻水站斷面COD、氨氮相對誤差分別為5.7%和8.3%，表明水質模型可用于描述東線江蘇段沿線區域的水質變化過程。率定得到COD降解系數為0.08～0.12d^-1，氨氮降解系數為0.06～0.08d-1。3東線江蘇段水質風險影響分析

東線江蘇段14個國控水質監測斷面，其中有6個監測斷面位于輸水主干線上，分別為江都西閘（新通揚運河）、塔集（入江水道）、五叉河口（里運河）、馬陵翻水站（里運河）、張樓（中運河）和藺家壩（不牢河）。

經東線江蘇段水環境數學模型計算分析，輸水主干線的藺家壩、張樓和塔集3個監控斷面存在較大的水質風險。

3.1控制斷面污染源結構分析

東線江蘇段輸水干線的藺家壩、張樓、塔集3個重點監控斷面將受到周邊排污口污染帶的影響，水質持續穩定達標存在風險，污染源結構，見表2。

3.1.1藺家壩斷面

2號排污口COD入河量主要為養殖業、農田種植和農村生活，分別占26.5%、24.3%和20.9%;氨氮入河量主要為工業企業、城鎮生活和農村生活，分別占22.8%、21.2%和20.2%。

3.1.2張樓斷面

5號排污口COD入河量主要為城鎮生活、養殖業和農村生活，分別占28.8%、25.2%和22.O%;氨氮入河量主要為工業企業和城鎮生活，分別占30.9%和22.0%。

3.1.3塔集斷面

9號排污口COD入河量主要為養殖業、農村生活和城鎮生活，分別占36.6%、25.6%和21.6%;氨氮入河量主要為養殖業、農村生活和城鎮生活，分別占34.2%、20.5%和20.5%。

3.2排污口污染帶影響分析

（1）2號排污口污染帶對藺家壩斷面的影響。2號排污口在調水運行期的最大調水量的情況下將產生2600--2800m左右的排污帶，2號排污口距離藺家壩斷面3000m左右，在污染源排放情況波動30%的情況下，排污帶長度將達到3380--3640m，污染帶長度過長將威脅斷面水質達標。

（2）5號排污口污染帶對張樓斷面的影響。5號排污口在調水運行期的最大調水量的情況下將產生2400--2600m左右的排污帶，5號排污口距離張樓斷面3000m左右，在污染源排放情況波動30%的情況下，排污帶長度將達到3120--3380m，污染帶長度過長將威脅斷面水質達標。

（3）9號排污口污染帶對塔集斷面的影響。9號排污口在調水運行期的最大調水量的情況下將產生1700～1900m左右的排污帶，9號排污口距離塔集斷面2000m左右，在污染源排放情況波動30%的情況下，排污帶長度將達到221～24700m，污染帶長度過長將威脅斷面水質達標。

3.3水質監測指標最大值波動趨勢影響分析

（1）2004--2015年藺家壩斷面高錳酸鹽指數監測最大值在5～8mg/L之間，氨氮監測最大值在0.5～1mg/L之間，但兩項監測最大值與輸水干線水質目標Ⅲ類水質標準均較接近。在考慮到30%風險波動率的情況下，藺家壩斷面高錳酸鹽指數可能發生超標現象，因此水質持續穩定達標仍存在一定的風險。

（2）2004--2015年張樓斷面高錳酸鹽指數和氨氮年最大值逐漸降低，2009年之后相對較好。高錳酸鹽指數監測最大值基本在4～8mg/L之間，2004年和2005年存在超標現象;氨氮監測最大值基本在0.5～4mg/L之間，2004、2005、2006和2009年存在超標現象;在考慮到30%的風險波動情況下，張樓斷面高錳酸鹽指數和氨氮可能發生超標現象，因此水質持續穩定達標仍存在一定的風險。

（3）2004--2015年塔集斷面高錳酸鹽指數監測年最大值基本在4～6mg/L之間，氨氮年最大值均低于1mg/L，塔集斷面水質達標較好。在考慮到30%的風險波動情況下，高錳酸鹽指數略微超標，因此水質持續穩定達標仍存在一定的風險。

4結語

南水北調東線江蘇段輸水主干線江都西閘、塔集、五叉河口、馬陵翻水站、張樓和藺家壩6個監測斷面，經東線江蘇段水環境數學模型計算分析，得到如下結論：

江都西閘斷面位于新通揚運河，引長江水通過江都站抽水至里運河北送，水質較好，不存在風險;五叉河口、馬陵翻水站斷面位于里運河上，里運河水位高于兩側河網水位，并且基本為封閉岸堤，無污染物進入干線水體。塔集斷面位于入江水道.是調水入洪澤湖的主要控制斷面，近些年淮河蚌埠閘等實施小流量調度后，出現大流量污水團現象較少，但在暴雨初期仍會有農業面染和農村生活污水入河;邳州張樓斷面位于中運河、徐州藺家壩斷面位于駱馬湖以北的不牢河，該區域污染源復雜、排放量較大，水質風險較高。

針對東線江蘇段水質風險存在的問題，結合治污目標要求，需要根據《南水北調東線工程治污規劃》“先節水后調水、先治污后通水、先環保后用水”的“三先三后”的原則，創新與深化水污染治理理念，實施治污工程與生態建設相結合的綜合治理措施，確保輸水干線水質持續穩定達標。