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(wù)中心，山東 濟(jì)南 250100；2.水發(fā)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，山東 濟(jì)南 250100；3.山東省湖泊流域管理信息化工程技術(shù)研究中心，山東 濟(jì)南 250100；4.山東省調(diào)水工程運(yùn)行維護(hù)中心濱州分中心，山東 濱州 251700)

0 引 言

水質(zhì)安全保障是長距離調(diào)水工程運(yùn)行管理的重要內(nèi)容，加強(qiáng)水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)管控、確保水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)是實(shí)現(xiàn)工程效益的關(guān)鍵所在。南水北調(diào)東線工程利用京杭大運(yùn)河及其沿線現(xiàn)有的湖泊調(diào)蓄和河道輸水，工程設(shè)計(jì)中主要通過截蓄導(dǎo)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(lián)系，基本消除了沿線生產(chǎn)生活廢水直接進(jìn)入渠道的可能，有效保障了調(diào)水期輸水水質(zhì)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(huán)過程被強(qiáng)烈改變，極端水文事件如洪澇高溫等災(zāi)害事件頻發(fā)[1-2]，部分輸水渠道作為區(qū)域防洪排澇通道被啟用的概率進(jìn)一步增大。以東線山東段工程為例，2018年受溫比亞臺(tái)風(fēng)影響，聊城段輸水渠道(小運(yùn)河、趙王河、周公河)承泄當(dāng)?shù)睾闈乘ㄟ^引江節(jié)制閘分洪至馬頰河[3]；2019年受利奇馬臺(tái)風(fēng)影響，小清河多斷面發(fā)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(fā)生較大洪水，黃河?xùn)|平湖蓄滯洪退水首次通過柳長河、梁濟(jì)運(yùn)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(fā)揮了重要作用，但同時(shí)也為當(dāng)?shù)睾闈乘c封閉的輸水渠道建立了特定的水力聯(lián)系，流域下墊面污染負(fù)荷將通過淋溶、沖刷等作用隨洪澇水進(jìn)入輸水渠道，有可能對(duì)后期輸水水質(zhì)造成威脅和風(fēng)險(xiǎn)。目前，已有部分學(xué)者關(guān)注到該問題的嚴(yán)峻性[4-5]，但尚未見學(xué)術(shù)報(bào)道展開系統(tǒng)研究與論述。

本研究選取南水北調(diào)東線小清河分洪道子槽段開展研究。該渠段地處南水北調(diào)與引黃濟(jì)青工程的重要交匯點(diǎn)，東線工程借用小清河分洪道子槽作為輸水干渠，于引黃濟(jì)青上節(jié)制閘(濱州博興)接引黃濟(jì)青工程；同時(shí)，汛期遭遇較大洪水時(shí)還需承擔(dān)小清河分洪任務(wù)，多種來水匯合，水文情勢(shì)復(fù)雜，是重要的水質(zhì)敏感區(qū)。本文通過梳理該區(qū)域工程設(shè)計(jì)、調(diào)度運(yùn)行、水質(zhì)例行監(jiān)測(cè)等相關(guān)資料，分析子槽段同時(shí)作為輸水渠道與行洪排澇通道可能存在的水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，并給出相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)防范建議，相關(guān)成果可為后期風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、對(duì)策制定等深度研究提供重要的基礎(chǔ)資料，同時(shí)也為類似長距離調(diào)水工程應(yīng)對(duì)平交河流超標(biāo)準(zhǔn)洪水突發(fā)污染風(fēng)險(xiǎn)分析提供研究思路。

1 研究區(qū)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(qū)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(nèi)開挖排水子槽，南水北調(diào)東線(2013年)與引黃濟(jì)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(jì)青下節(jié)制閘，借用長度約70 km[6]?？偟膩砜?，分洪道子槽不僅是山東省引江水與引黃水等客水資源優(yōu)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(nèi)容，區(qū)域位置顯著。

本文研究區(qū)域位于小清河流域，流域整體地形為南高北低，一級(jí)支流幾乎全部由南岸注入干流。流域?qū)儆谂瘻貛Т箨懶图撅L(fēng)氣候，降水量年內(nèi)、年際間變化均較大，年內(nèi)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(chǎng)暴雨。分洪道并行段(流域中下游段)途經(jīng)淄博市高青縣、桓臺(tái)縣、濱州市博興縣、東營市廣饒縣，沿線工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，是山東省優(yōu)質(zhì)糧棉生產(chǎn)區(qū)及石油、化工產(chǎn)業(yè)集聚地[8]。研究區(qū)域見圖1。

圖1 研究區(qū)域

2 工程運(yùn)行現(xiàn)狀

南水北調(diào)東線工程借用小清河分洪道子槽承擔(dān)常態(tài)化輸水任務(wù)，工程運(yùn)行情況見圖2。自入分洪道涵閘進(jìn)入子槽，于引黃濟(jì)青上節(jié)制閘(濱州博興)處接引黃濟(jì)青工程，后通過引黃濟(jì)青下節(jié)制閘(東營廣饒)南下向青島、煙臺(tái)、濰坊、威海等膠東4市輸水。輸水時(shí)段一般在非汛期(一般為每年11月至翌年5月)進(jìn)行，子槽輸水段設(shè)計(jì)流量為50 m3/s，加大流量為60 m3/s，目前工程運(yùn)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(jù)小清河分洪道調(diào)度方案[9]，當(dāng)干流金家堰閘過水流量達(dá)到或超過260 m3/s且水位持續(xù)上漲，則考慮啟用分洪道。根據(jù)洪水規(guī)模分級(jí)啟用子槽及灘地，分別由分洪道進(jìn)口閘的深孔閘及淺孔閘控制。流域除澇標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)的洪水由子槽行洪，最大控泄流量為200 m3/s，更大規(guī)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(biāo)準(zhǔn)按1 300 m3/s控制。現(xiàn)深孔閘上游段泄洪溝及分洪道子槽已全線貫通，當(dāng)啟用子槽分洪時(shí)，子槽沿線節(jié)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(jí)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(qū)域水利工程運(yùn)行情況

一般來說，小清河分洪道子槽承擔(dān)輸水與分洪任務(wù)是錯(cuò)時(shí)段進(jìn)行的，且分洪道啟用幾率通常比較小，兩者時(shí)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(dǎo)致洪澇高溫災(zāi)害頻發(fā)[1-2]，一方面表現(xiàn)為流域汛期遭遇較大規(guī)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(jìn)入子槽系統(tǒng)；另一方面連續(xù)干旱年間實(shí)行汛期應(yīng)急供水的可能性也進(jìn)一步增加，加之南水北調(diào)東線二期規(guī)劃在即，對(duì)山東半島的輸水規(guī)模將進(jìn)一步加大，輸水時(shí)段可能延長[10]，汛初(6月)與汛末(9月)也將承擔(dān)常態(tài)輸水任務(wù)。諸多外部形勢(shì)將共同促使子槽承擔(dān)分洪與輸水任務(wù)在時(shí)間上重疊的可能性進(jìn)一步加強(qiáng)，分洪期間小清河干流及排澇干渠輸入的污染負(fù)荷將對(duì)子槽調(diào)水水質(zhì)造成不確定性的風(fēng)險(xiǎn)。如何平衡該區(qū)域的防洪與調(diào)水矛盾，并切實(shí)保障輸水水質(zhì)安全，是該區(qū)域亟待解決的運(yùn)行管理難題。

3 區(qū)域洪澇水污染形勢(shì)分析

小清河與南水北調(diào)東線干渠發(fā)生直接水力聯(lián)系一般僅在啟用分洪道期間，破堤后小清河流域洪澇水進(jìn)入子槽，攜帶的污染負(fù)荷部分殘留在渠道內(nèi)的積水或吸附在渠槽底部，短時(shí)間內(nèi)無法通過水體自凈作用去除，可能對(duì)調(diào)水初期水質(zhì)造成不確定的風(fēng)險(xiǎn)。因此，其水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)輸入主要受區(qū)域洪澇水(即小清河上中游)污染形勢(shì)影響。

由于缺乏實(shí)測(cè)的流域雨洪過程水質(zhì)同步監(jiān)測(cè)資料，以小清河干流汛期水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為評(píng)估區(qū)域洪澇水污染形勢(shì)的主要依據(jù)。分洪道進(jìn)口閘位于鄒平市、高青縣、桓臺(tái)縣交界處，其所在的水功能二級(jí)區(qū)為小清河濱州淄博農(nóng)業(yè)用水區(qū)，水質(zhì)目標(biāo)為V類。根據(jù)小清河干流近5年水質(zhì)例行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以相鄰監(jiān)測(cè)斷面污染物濃度平均值作為分洪道進(jìn)口閘的水質(zhì)參考值，結(jié)果表明，分洪道進(jìn)口閘汛期(6月～9月)水質(zhì)總體上處于IV類，區(qū)域整體上面臨較為嚴(yán)峻的氮磷污染及復(fù)合有機(jī)污染問題，尤其值得警惕的是，該區(qū)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(zhì)的重要風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)。

洪澇水污染特征實(shí)質(zhì)上是由流域污染輸出負(fù)荷所決定的，其強(qiáng)度高低與降水條件、地表覆蓋類型、地形特征等因素有關(guān)。其中，降水是決定流域污染輸出負(fù)荷重要的驅(qū)動(dòng)因子[7]。分洪道子槽并行段小清河流域主要用地類型為農(nóng)田，區(qū)域環(huán)境現(xiàn)狀決定了在強(qiáng)降雨徑流沖刷作用下，洪澇水將主要表現(xiàn)為面源污染特性，在負(fù)荷輸出強(qiáng)度上表現(xiàn)為污染物質(zhì)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(xiàn)為氮磷及復(fù)合有機(jī)污染。分洪道灘地還有較大范圍的農(nóng)田分布，當(dāng)同時(shí)啟用灘地行洪時(shí)，灘地澇水漫溢可能會(huì)進(jìn)一步加劇農(nóng)田面源污染對(duì)子槽的風(fēng)險(xiǎn)輸入。

此外，還需要特別警惕洪水期間化學(xué)品泄漏帶來的潛在風(fēng)險(xiǎn)。分洪道子槽并行段小清河南岸沿線部分區(qū)域位于易受洪澇水淹沒威脅的低洼地帶，分洪道進(jìn)口處下游分布有省級(jí)化工產(chǎn)業(yè)園區(qū)，主要涉及石油煉化及化工、紙業(yè)、包裝印刷等相關(guān)產(chǎn)業(yè)。其中，危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)裝置、儲(chǔ)罐區(qū)、管道及廢水處理設(shè)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(zhì)泄露、易燃易爆類物質(zhì)燃爆或污水漫溢風(fēng)險(xiǎn)，一旦泄漏至地表水系統(tǒng)將會(huì)對(duì)子槽輸水系統(tǒng)及局部環(huán)境造成重大風(fēng)險(xiǎn)[12]。實(shí)際上，2019年利奇馬臺(tái)風(fēng)過境期間緊急啟用分洪道子槽分洪，其啟用動(dòng)機(jī)之一就是為了紓解小清河干流沿線某化工企業(yè)苯儲(chǔ)罐受洪澇水淹沒泄露風(fēng)險(xiǎn)。特別要指出的是，洪澇水沖刷流域下墊面可能會(huì)將其他的有毒有害物質(zhì)攜帶進(jìn)入河渠系統(tǒng)，如農(nóng)田系統(tǒng)可能存在的化肥、農(nóng)藥類污染物，道路橋梁系統(tǒng)可能存在的石油類污染物等，廢棄物場(chǎng)地可能產(chǎn)生的各種危險(xiǎn)物質(zhì)等[13]，都可能會(huì)對(duì)區(qū)域水環(huán)境系統(tǒng)造成不確定的風(fēng)險(xiǎn)輸入。

現(xiàn)狀條件下分洪道子槽輸水段水質(zhì)基本能夠滿足地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)現(xiàn)象[14-16]。從超標(biāo)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(zhì)污染程度的可能來源。結(jié)合上述流域污染形勢(shì)分析，小清河流域洪澇水水質(zhì)較差，且洪水過程起漲段的污染負(fù)荷輸入通量可能更大，對(duì)子槽輸水系統(tǒng)來說可能是重要的污染源和風(fēng)險(xiǎn)源。

4 分洪風(fēng)險(xiǎn)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(tái)風(fēng)過境期間啟用過1次，因此有必要對(duì)其分洪風(fēng)險(xiǎn)輸入情況進(jìn)行討論，可考慮將污染負(fù)荷輸入量作為評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)水平的量化指標(biāo)。受限于流域雨洪水過程水文水質(zhì)同步監(jiān)測(cè)資料的不足，特別是缺少懸移質(zhì)泥沙量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，本研究?jī)H從水相污染負(fù)荷輸移的角度做初步討論，并將整個(gè)分洪過程概化處理為：①平均分洪流量為25 m3/s，歷時(shí)96 h；②平均分洪水質(zhì)設(shè)計(jì)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(fù)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(jù)分洪水量及子槽容積估算，分洪結(jié)束后將仍有40%左右的澇水滯留在子槽中，殘留的污染負(fù)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(zhì)的主要作用機(jī)理，其潛在風(fēng)險(xiǎn)程度還與污染物在不同介質(zhì)中的遷移轉(zhuǎn)化特性有關(guān)。如硫酸鹽、氟化物等更易溶于水[17-18]，調(diào)水前的渠道沖刷會(huì)快速將該類污染物攜帶出子槽系統(tǒng)，不會(huì)對(duì)后續(xù)水質(zhì)造成持久風(fēng)險(xiǎn)；復(fù)合有機(jī)污染物則更傾向于遷移、富集至沉積相中，調(diào)水初期在水動(dòng)力擾動(dòng)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(zhì)的重要風(fēng)險(xiǎn)源；氮、磷等營養(yǎng)鹽污染物則稍顯復(fù)雜，非點(diǎn)源的氮輸入主要以無機(jī)氮(硝酸鹽氮、氨氮)為主，而磷的形態(tài)分布以顆粒磷為主，富集在沉積物系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)仍不可忽視。

5 水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)防范建議

綜上所述，兼做區(qū)域行洪排澇通道使用的輸水渠道，如何應(yīng)對(duì)因流域陸源污染輸入而導(dǎo)致的水質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)，已經(jīng)成為區(qū)域各方需要共同關(guān)注的問題?；诖耍狙芯酷槍?duì)區(qū)域水質(zhì)安全管理現(xiàn)狀存在的問題，提出以下建議。

(1)提高區(qū)域水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)、評(píng)估能力。通過構(gòu)建流域水文水質(zhì)同步監(jiān)測(cè)體系，重點(diǎn)開展洪水過程(起漲段、峰頂段、退水段)污染物濃度、通量現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)與趨勢(shì)預(yù)判，提高流域污染輸入負(fù)荷總量估算的精確度，同時(shí)還應(yīng)加強(qiáng)退水后輸水渠道水體及沉積物質(zhì)量的長期監(jiān)測(cè)；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(jīng)驗(yàn)觀測(cè)建立風(fēng)險(xiǎn)水平的具體認(rèn)知，應(yīng)通過合理的情景設(shè)計(jì)及水文水質(zhì)模型模擬分析不同分洪規(guī)模、分洪方式、污染情景等對(duì)輸水水質(zhì)的潛在風(fēng)險(xiǎn)水平，提高風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)的科學(xué)性、準(zhǔn)確性。

(2)加強(qiáng)區(qū)域工程聯(lián)合調(diào)度能力。分洪道子槽與灘地、干流河槽等共同構(gòu)成區(qū)域行洪通道[5]，且子槽內(nèi)沿線分布提水泵站、節(jié)制閘、渡槽、倒虹吸、分水口等引(輸)水工程設(shè)施[19-20]，基于不同洪水規(guī)模的行洪通道分級(jí)啟用規(guī)則、工程聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行規(guī)則，為區(qū)域工程體系應(yīng)對(duì)多目標(biāo)(行洪、輸水等)的聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行管理提出了更高挑戰(zhàn)?；诖耍瑧?yīng)充分依托新建的小清河自動(dòng)化調(diào)度指揮系統(tǒng)，加強(qiáng)干流與分洪道的控制性工程閘站群的自動(dòng)化控制與聯(lián)合調(diào)度能力，在保障區(qū)域行洪排澇安全的前提下，適當(dāng)考慮輸水水質(zhì)保障需求，從流域暴雨徑流產(chǎn)生過程及污染物輸出特征出發(fā)，優(yōu)化分洪方式(干流主動(dòng)行洪、分洪道主動(dòng)行洪)，科學(xué)確定分洪規(guī)模，盡可能減小對(duì)輸水渠道的污染負(fù)荷輸入。

(3)加強(qiáng)區(qū)域水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)源的管控能力。重點(diǎn)識(shí)別處于洪水淹沒風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的化工園區(qū)、污染企業(yè)、污水處理設(shè)施可能存在的風(fēng)險(xiǎn)環(huán)節(jié)，對(duì)儲(chǔ)罐、生產(chǎn)裝置、管道等安裝必要的圍堰防護(hù)、事故處理池等，避免泄漏污染物進(jìn)入?yún)^(qū)域地表水系統(tǒng)，并制定針對(duì)洪水淹沒化學(xué)品泄露事故的應(yīng)急預(yù)案。此外，還要進(jìn)一步加強(qiáng)流域污染防治力度，減緩農(nóng)田、公路、危廢場(chǎng)地等在洪水漫溢過程中可能產(chǎn)生的有毒有害物質(zhì)對(duì)水質(zhì)的不確定性影響。

6 結(jié) 語

本文以小清河分洪道子槽段作為典型案例，對(duì)輸水渠道與行洪除澇通道共用區(qū)段可能存在的水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

(1)受全球氣候變化、城市化、南水北調(diào)東線二期規(guī)劃等外部形勢(shì)影響，分洪道子槽同時(shí)承擔(dān)分洪與輸水任務(wù)的時(shí)間重疊的可能性將進(jìn)一步強(qiáng)化，一旦作為行洪排澇通道被啟用，將為當(dāng)?shù)睾闈乘c封閉的引調(diào)水系統(tǒng)建立了特定的水力聯(lián)系。

(2)將小清河干流汛期水質(zhì)作為評(píng)估洪澇水污染形勢(shì)的依據(jù)的結(jié)果表明，氮磷污染、復(fù)合有機(jī)污染輸入可能對(duì)子槽輸水水質(zhì)造成一定的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)還要警惕氟化物、硫酸鹽等特征污染物的風(fēng)險(xiǎn)輸入；受區(qū)域產(chǎn)業(yè)布局影響，需要足夠重視洪水期間化學(xué)品泄漏帶來的潛在風(fēng)險(xiǎn)，如低洼地帶的化工園區(qū)、污染企業(yè)、污水處理設(shè)施在洪水作用下造成的化學(xué)品泄漏、燃爆等風(fēng)險(xiǎn)，農(nóng)田、公路、危廢場(chǎng)地等在洪水漫溢過程中可能產(chǎn)生的有毒有害物質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)等。

(3)從水相污染負(fù)荷輸移的角度，初步評(píng)估了2019年小清河分洪道子槽啟用期間的污染風(fēng)險(xiǎn)輸入水平，分洪結(jié)束后滯流狀態(tài)下的積水是風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)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(jī)理。

(4)針對(duì)小清河分洪道子槽這類輸水渠道與行洪除澇通道共用區(qū)段，需通過提高區(qū)域水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)評(píng)估能力、區(qū)域工程聯(lián)合調(diào)度能力、風(fēng)險(xiǎn)源管控能力，進(jìn)一步降低水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)輸入的不確定性。