长距离明渠输水工程突发水污染事件的应急调控

练继建，王 旭，刘婵玉，马 超

(天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072)

长距离明渠输水工程突发水污染事件的应急调控

练继建，王 旭，刘婵玉，马 超

(天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072)

以南水北调中线总干渠典型明渠段为例，开展长距离明渠输水工程突发水污染事件应急调控研究.采取数值模拟手段分析了不同闭闸调控方式和闭闸时间条件下渠段水流运动和污染物输移扩散规律，探讨了污染云团峰值输移距离和纵向长度计算方法，推导得出了将污染云团控制在事故渠段内的应急闭闸时间计算公式.在此基础上，提出了长距离明渠输水工程突发水污染事件的应急调控方案，并结合案例验证了方案的可行性.结果表明：针对突发水污染事件，应通过对比明渠输水工程各渠段的最大水流传播时间和将污染云团控制在事故渠段内的闭闸时间来确定闭闸调控时间，从而同步实现降低工程运行安全风险和控制污染物范围的目的.

明渠；输水工程；突发水污染事件；应急调控；南水北调中线工程

长距离明渠输水工程沿程控制建筑物和交叉建筑物众多，存在突发水污染事件隐患.水污染事件如处置不当和不及时，将造成难以估量的后果.水污染事件突发后，应提出闸群应急调控方案，以实现从稳定输水状态到污染物处置状态的转变，同时应提供污染事件发生时到调控过渡时段末的污染物范围，为应急处置提供决策信息.

针对明渠输水工程突发水污染事件应急调控，国内学者开展了一系列研究．阮新建等[1-2]采用现代控制理论研究了明渠自动控制设计方法，设计了多渠段多级闸门渠道系统最优控制器．丁志良等[3]运用特征线法建立输水渠道一维非恒定流数学模型，模拟了在不同的闸门调节组合及渠道运行方式下，闸门调节速度对渠道水面线变化的影响．方神光等[4]利用南水北调中线电子渠道模型，对比了时序控制和同步控制两种调度方式下干渠水流过渡过程．张成等[5]以南水北调中线工程总干渠典型渠段为例，模拟分析了非正常工况下退水闸的退水作用．聂艳华[6]在一维数学模型基础上建立应急反应模块，分别从事故闸关闭速率、陶岔首闸及闸前控制水位等方面对节制闸的运行调度进行模拟．蒋旭光等[7]分析了引水工程特点，开发了引滦入津工程输水安全应急系统软件．练继建等[8-12]针对复杂输水工程的水力控制及事故情况下的水力过渡过程进行了研究．杨敏等[13]对明渠输水工程下节制闸联合控制中的同步控制法和顺序控制法进行了研究．张晨等[14-15]运用数值模型对引黄济津河道和于桥水库下游渠道段进行了突发水污染事件下的水动力、水质模拟和验证．朱德军[16]利用一维模型对南水北调中线典型明渠段事故处置过程中，采用闸前定水位控制运行方式下的非恒定流场和浓度场进行了模拟研究，推导出渠道中扰动的传播速度，进而分析了上游节制闸后水位变化与闸门启闭速度之间的关系；比较了恒定流和非恒定流中污染物的输移规律.

综合而言，长距离输水工程根据运行控制要求制定闸门调控方式，依据水位波度幅度安全限幅设定闸门关闭时间和速率．本文结合已有成果，以南水北调中线工程某典型渠段为例，开展突发水污染事故应急调控研究．在数值分析闭闸调控下明渠水流运动和污染物输移扩散规律的基础上，提出考虑输水明渠运行安全的闸控方案，并给出污染物输移扩散信息，为快速应对突发水污染事件提供决策支持.

1 研究思路

1.1 研究对象

选取南水北调中线总干渠京石应急段起点至西黑山分水口之间的渠道作为研究对象，渠道基本特征如表1所示.

假定渠段中间位置发生污染事件，污染事件特征参数如表2所示．本研究仅考虑污染物的输移扩散，不考虑生化反应.

表1 京石应急段起点至西黑山分水口之间的渠道基本要素Tab.1 Basic elements of channel from Jingshi to Xiheishan

表2 突发水污染事件的特征参数Tab.2 Characteristic parameters of sudden water pollution accidents

1.2 情景设定

1.2.1 水闸调控情景

(1) 同步调控方式：闭闸时间为15～180,min，以15,min为间隔设定12种典型方案，方案不启用退水闸.

(2) 异步调控方式：根据渠道内水流传播时间tb(tb=25,min)设定异步调控下的下游闸延迟关闭时间．闭闸时间为30～180,min，以30,min为间隔，共设定6种方案.

(3) 同步调控和启用退水闸方式：闭闸时间为30～90,min，以30,min为间隔设定3种典型方案，退水闸在闭闸开始时刻同步开启．另设定3种不启用退水闸的对比方案.

1.2.2 污染物输移扩散情景

(1) 闸控前响应时间：分别为3,min、10,min、20,min、30,min、40,min、50,min、60,min、120,min和180,min．所谓响应时间，是指水污染事故发生到管理人员得知事故发生的时间跨度.

(2) 无响应时间：闭闸时间为15～180,min，以15,min为间隔共设定12种典型方案.

(3) 存在30,min响应时间：闭闸时间为30～180,min，以30,min为间隔，共设定6种方案.

1.3 模型构建和参数设定

采取Hec_ras软件构建渠段一维水动力和水质耦合模拟模型，计算时间根据模拟情景设定，计算时间步长为5,s.

2 闭闸控制下渠段水流运动规律

(1) 同步闭闸方式.特征断面(上游节制闸后和下游节制闸前)不同情景下水位变化特征值曲线如图1和图2所示．下游闸前断面水位最高涨幅和上游闸后水位下降速度随闭闸时间的延长逐渐降低；当闭闸时间介于30～60,min(大约1～2倍tb)时，水位最高涨幅和水位下降速度均显著降低．因此，同步闭闸方式下，闭闸调控时间应大于2倍水流传播时间.

(2) 异步闭闸方式．同步和异步闭闸方式下断面水位变化特征值对比如图3和图4所示．相比同步闭闸方式，异步闭闸方式的下游闸前水位最高涨幅均明显降低，最大降幅可达40,cm(30,min闭闸方案)．当闭闸时间小于120,min时，异步闭闸方式下的上游闸后水位最大下降速度也有所降低，最大降幅可达0.32,m/h(30,min闭闸方案)．对于长距离明渠输水工程，采取异步闭闸方式操作复杂．越往下游，闸门延迟关闭时间越长，不利于污染物控制．因此，同步闭闸方式更满足应急调控需求.

(3) 同步闭闸和启用退水闸方式．如图5和图6所示，启用退水闸后，下游节制闸前水位最高涨幅和上游节制闸后断面水位下降速度均明显降低，最大降幅分别为0.32,m/h(30,min闭闸方案)和0.19,m/h(90,min闭闸方案)．因此，如果事故渠段存在退水闸，应根据污染云团到达退水闸的时间制定退水闸开启方案，及时将污染水体排出事故渠段.

图1 同步闭闸方式下水位最高涨幅曲线(下游闸前)Fig.1 Highest rise curve of water level for synchronization gate falling method(before the downstream gate)

图2 同步闭闸方式下水位下降速度曲线(上游闸后)Fig.2 Descent velocity curve of water level for synchronization gate falling method (after the upstream gate)

图3 不同闭闸方式下水位最高涨幅曲线对比(下游闸前)Fig.3 Highest rise curve of water level for different gate falling methods(before the downstream gate)

图4 不同闭闸方式下水位下降速度曲线对比(上游闸后)Fig.4 Descent velocity curve of water level for different gate falling methods(after the upstream gate)

图5 考虑退水闸的水位最高涨幅曲线(下游闸前)Fig.5 Highest rise curve of water level with regard to escape gate(before the downstream gate)

图6 考虑退水闸的水位下降速度曲线(上游闸后)Fig.6 Descent velocity curve of water level with regard to escape gate(after the upstream gate)

3 闭闸调控下渠段污染物输移扩散规律

3.1 不同响应时间下渠段污染物输移扩散规律

闭闸前不同响应时间下，渠段内污染云团输移扩散过程如图7和图8所示．由图7可知，污染云团峰值输移距离与闭闸前响应时间呈正比，等于输水流速与响应时间的乘积.污染云团纵向长度在tb时间内随响应时间延长而迅速增加，随后近似线性增加．由图8可知，污染云团峰值浓度衰减为幂次降低过程．峰值浓度在tb时间内随响应时间延长而迅速衰减；随后衰减趋于平缓．

图7 峰值输移距离和污染云团纵向长度变化曲线Fig.7 Variation of peak transport distance and longitudinal length of pollution at peak

图8 峰值浓度及其衰减率变化曲线Fig.8 Variation of peak concentration and attenuation rate at peak

3.2 闭闸过程中渠段污染物输移扩散规律分析

不同闭闸时间和有无闭闸前响应时间条件下，同步调控过程中渠段内污染云团输移扩散过程如图9和图10所示．由图9可知，当闭闸时间小于120,min(约为4倍tb)时，污染云团峰值输移距离随闭闸时间的延长而增加；当闭闸时间超过120,min后，峰值输移距离趋于稳定．随着闭闸时间的延长，污染云团纵向长度近似线性增加，但受涨水逆波和跌水顺波及其反射叠加作用的影响，增加速率不一致.如图10所示，污染云团峰值浓度随闭闸时间延长而呈现幂次降低过程.

图9 无响应时间和30,min响应时间下污染云团峰值输移距离和纵向长度变化曲线Fig.9 Variations of peak transport distance and longitudinal length of pollution cloud at 30,min response time and without response time

图10 无响应时间和30,min响应时间下污染云团峰值浓度及其衰减率变化曲线Fig.10 Variations of peak concentration and attenuation rate of pollution cloud at 30,min response time and without response time

3.3 闭闸过程中污染云团特征值计算

3.3.1 污染云团峰值输移距离计算

闭闸调控下，污染云团峰值输移距离受到闭闸后水流输移和水流往复运动的叠加影响，表3列出了两种作用下的污染云团峰值输移距离.独立考虑两种影响，采取式(1)计算闭闸时间内水流输移引起的污染云团峰值输移距离DM，采取式(2)计算水流往复运动作用下的污染云团峰值输移距离DF，则闭闸调控下污染云团峰值输移距离DR表达式如式(3)所示.

式中：vs为前的输水流速，m/s；tclose为闭闸调控时间，s；Ca和Cb分别为拟合参数.

表3 闭闸调控下的污染云团峰值输移距离Tab.3 Peak transport distance of pollution cloud when sluice gates closed

3.3.2 污染云团纵向长度计算

所采用的水质模型仅模拟离散区阶段的污染云团输移扩散过程.离散区阶段，纵向污染云团断面平均浓度分布的方差σx采取式(4)计算.文献[16]研究表明：离散区阶段，∝t/ D，定义v=/dt，则xx

v具有速度量纲，表征污染云团纵向长度变化快慢，即污染云团纵向拉伸速度，如式(5)所示.因此，T时间内污染云团纵向长度W可采取式(6)计算.

式中：t为时间；x为距离；xxD为横向扩散系数，m2/s； C为无量纲系数.

3.4 考虑控制污染范围目标的闭闸调控时间

突发水污染事故下，已知得知事故发生时刻的污染云团纵向长度W0和此时污染云团最上游断面距事故渠段下游闸的距离LD，采取同步闭闸调控方式，将污染云团控制在事故渠段内的闭闸调控时间的计算思路如下所述．

(1) 根据W0及式(6)，计算水污染事故发生到得知发生的时间和t0时间内污染云团峰值输移距离D0=vst0.

(2) 闭闸过程中，峰值输移距离DR可采用式(3)计算，污染云团纵向长度增幅

(3)根据LD，污染云团峰值所在断面距渠段下游闸的距离为LD-0.5W0.

(4)将污染云团控制在事故渠段内需满足：闭闸调控结束时，事故渠段污染云团纵向长度的1/2与闭闸时间内污染云团峰值输移距离之和小于LD-0.5W0，即

由此，得到将污染云团控制在事故渠段内的闭闸调控时间tclose的计算表达式为

4 突发水污染事件下明渠输水工程应急调控方案

突发水污染事件下明渠输水工程应急调控方案的制定策略为：综合考虑水力调控安全和控制污染扩散范围的目标，采取同步闭闸调控方式，通过对比渠段最大水流传播时间tb,max和污染云团控制在事故渠段内的闭闸调控时间tclose来确定应急调控的闭闸时间.

(1)当tclose＞2tb.max时，则应急调控的闭闸时间T=tclose．

(2)当tclose＜2tb,max时，若将水力调控安全作为首要目标，允许污染物扩散至事故渠段下游，则应急闭闸调控时间T=2tb.max；若将控制污染扩散范围作为首要目标，则T=tclose.

5 应用案例及结果分析

应用案例中，明渠输水工程由3个渠段和4个节制闸组成，渠段长度依次为20,km、12,km和20,km，渠系基本要素如表1所示.首渠段发生水污染事件，得知事故发生时刻的LD=15,000,m，W0=3,000,m，弥散系数为7.0,m2/s；Ca为-8.97,m/min，Cb为1,576.0,m，/C为0.024,m/s-0.5.

根据W0和响应时间t0计算公式，得出突发水污染事件发生到得知发生时间t0=86.4,min，对应的污染云团峰值输移距离D0=3,680.6,m.根据D0得出突发水污染事件发生位置，距事故发生渠段下游截止闸17.18,km.

根据式(7)，将污染云团控制在事故渠段内的tclose=619.4 min，对应的DR+0.5(W0+ΔW)=13433m .

利用Hec_ras软件构建应用案例的一维水动力和污染物输移扩散模拟模型，在事故发生位置设定污染汇入源.根据计算结果，事故发生时刻，得知事故发生时刻及闭闸调控完成时刻的污染云团位置和纵向长度如图11所示.结果表明：620,min闭闸时间下，DR+0.5(W0+ΔW)=8300+9 500/2= 13050 m ，小于LD-0.5W0，与式(7)计算结果十分接近.因此，所提出的应急调控方案合理，可将污染云团控制在事故渠道内.

由于tb,max=39.9 min，且tclose＞2tb.max，最终确定应急调控的闭闸时间为80 min.

图11 不同特征时刻的污染云团位置和纵向长度Fig.11 Position and longitudinal length of pollution clouds at different characteristic times

6 结 论

(1) 突发水污染事件下，长距离明渠输水工程应采取同步闭闸调控方式，考虑工程运行安全的闭闸调控时间应超过2倍渠段水流传播时间.

(2) 如果事故渠段存在退水闸，应急调控中应根据污染云团到达退水闸的时间制定退水闸开启方案，及时将污染水体排出事故渠段.

(3) 污染云团运动受渠段稳定输水和闭闸调控下的水流运动影响，其纵向长度和峰值输移距离变化过程以及峰值浓度衰减规律与闭闸前响应时间和闭闸调控时间显著相关，呈现不同特征.

(4) 突发水污染事件下，长距离明渠输水工程应急调控方案制定策略是采取同步闭闸调控方式，并通过对比明渠输水工程各渠段的最大水流传播时间和将污染云团控制在事故渠段内的闭闸时间来确定闭闸调控时间.

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Emergency Regulation for Sudden Water Pollution Accidents of Open Channel in Long Distance Water Transfer Project

Lian Jijian，Wang Xu，Liu Chanyu，Ma Chao
(State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Taking the typical main canal of the middle route of South-to-North Water Transfer project as an example，the research on emergency regulation of sudden water pollution accidents has been carried out for the long-distance open channel water transfer project. The numerical simulation is employed to analyze the water movement and pollutant transport law under the different conditions of the gate falling regulation and gate falling time. Calculation method of the pollution cloud peak transport distance and the longitudinal length is also discussed. Then the calculation formula of emergency gate falling time is proposed in order to control the pollution in the channel of accident. On this basis，emergency regulation rules are proposed for the solutions of sudden pollution accidents in long-distance open channel transfer projects，and the feasibility of the rules is verified by cases. The results show that for the sudden water pollution accidents，emergency gate falling time should be developed with a comparison of maximum wave propagation time in each section of open channel water transfer project and the time to control the pollution in the channel of accident. Regulation of the emergency gate falling time can reduce the security risks of operation and control the pollution area simultaneously.

open channel；water transfer project；sudden water pollution accident；emergency regulation；middle route of South-to-North Water Transfer project

X522

A

0493-2137(2013)01-0044-07

2012-09-17；

2012-10-22.

国家重大科技专项基金资助项目(2012ZX07205005)；国家自然科学基金青年基金资助项目(51109156)；教育部新教师青年基金资助项目(20100032120048).

练继建（1965— ），男，博士，教授.

练继建，tju_luntan@126.com.