重大调水工程水质风险影响分析

石全 颜志俊 张玉珍 赵海涛 王会容 张森

摘要：指出了江苏段是南水北调东线调水工程的源头，调水水质达标风险来源于沿线城市经济社会发展和城镇化进程加快的各种人类活动，特别是输水干线区域污染源种类多、来源广、排放量大。建立了东线江苏段水环境数学模型，进行了水质风险影响计算分析，结果表明：输水主干线调蔺家坝、张楼和塔集水质监控断面水质不能持续稳定达标，存在水质污染风险。

关键词：南水北调;东线江苏段;水环境模型;水质风险

中图分类号：X143

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（2018）6-0009-04

1东线江苏段污染治理现状

根据《南水北调东线工程治污规划》（2001年），东线工程2013年初步调水通水。《南水北调东线工程江苏段控制单元治污实施方案>确定东线江苏段14个考核断面，要求一期工程输水干线水质（高锰酸盐指数、氨氮）必须稳定达到《地表水环境质量标准>（ GB3838 -2002）Ⅲ类水质标准 。

东线江苏段沿线区域水网密布，河流交叉.河湖贯通，涉及长江水、淮河水和当地水，运行环境复杂且沿线污染来源广泛，影响水质因素众多，既有工业和城市点源污染.又有农业面源、航运和养殖业污染等，呈现结构性污染的复杂特征。目前，南水北调东线江苏段治污工程已基本完成，输水干线控制断面水质基本达标，但随着东线江苏段输水干线沿线地区经济社会快速发展和城镇化进程加快，水污染压力日益增加，环境负荷越来越大。因此，建立东线江苏段东线江苏段水环境数学模型，分析东线江苏段水质风险，评估重点控制断面污染和水质影响，确保输水干线水质持续稳定达标意义重大。

2东线江苏段水环境数学模型

2.1水量模型基本方程

水量计算的微分方程是建立在质量和动量守恒定律基础上的圣维南方程组，以流量Q（x，t）和水位Z（x，t）为未知变量，并补充考虑了漫滩和旁侧人流的完全形式圣维南方程组如下：

式（1）中：Q为流量;x为沿水流方向空间坐标;BW为调蓄宽度;Z为水位;t为时间坐标;q为旁侧人流流量，人流为正，出流为负;u为断面平均流速;g为重力加速度;A为主槽过水断面面积;B为主流断面宽度;n为糙率;R为水力半径。

对上述方程组以Preissmann四点线性隐式差分格式将其离散，辅以连接条件，形成河道方程，以微段、河段、汊点三级联解的方法求解。

2.2水质模型基本方程

河网对流传输移动问题的基本方程如下：

河道方程：

式（2）、（3）中：Q、Z是流量及水位;A是河道面积;Ex是纵向分散系数;C是水流输送的物质浓度;Ω是河道叉点一节点的水面面积;j是节点编号;I是与節点j相联接的河道编号;Sc是与输送物质浓度有关的衰减项，例如可写为Sf=KdAC;Kd是衰减因子;S是外部的源或汇项。

对时间项采用向前差分，对流项采用上风格式，扩散项采用中心差分格式。

2.3输水河道与排污口概化

南水北调东线江苏段输水干线，南起长江，北达南四湖，总长约300km。区域涉及扬州市、泰州市、淮安市、宿迁市、徐州市5个市17个县（市、区），主要河流有三阳河，里运河，中运河，徐洪河和不牢河等，湖泊有高邮湖、洪泽湖和骆马湖等 。

为便于模型计算，首先必须将东线江苏段沿线输水干线河道进行概化，形成一个有河道、有节点的概化河网。将天然河网进行合并、概化，概化为河道为水平底坡、梯形断面.概化断面用底高、底宽和边坡三要素来描述。东线江苏段输水河道进行模型概化，见图1。

根据东线江苏段的工业直排污染源、污水处理厂污染源及城镇生活直排污染源的调查，根据沿线区域地形条件以及各类污染源的空间分布，将区域所有污染源概化到27个排污口，见图2;概化排污口具体信息，见表1。

2.4模型参数率定

水量模型参数率定。根据2010年1月1日-12月31日东线江苏段樊川站、宿迁闸水文站逐日水文资料，利用建立的河网模型和设定的边界条件，对水量模型进行率定。率定后的段樊川站、宿迁闸水位相对误差，分别为0.69%和1.07%，表明水量模型可用于描述东线江苏段沿线区域的水量变化过程，率定得到河道糙率为0.018--0.025。

水质模型参数率定。根据2010年1月1日-12月31日马陵翻水站断面水质监测资料，利用建立的河网模型和设定的边界条件，对水质模型进行率定。率定后的马陵翻水站断面COD、氨氮相对误差分别为5.7%和8.3%，表明水质模型可用于描述东线江苏段沿线区域的水质变化过程。率定得到COD降解系数为0.08～0.12d^-1，氨氮降解系数为0.06～0.08d-1。3东线江苏段水质风险影响分析

东线江苏段14个国控水质监测断面，其中有6个监测断面位于输水主干线上，分别为江都西闸（新通扬运河）、塔集（入江水道）、五叉河口（里运河）、马陵翻水站（里运河）、张楼（中运河）和蔺家坝（不牢河）。

经东线江苏段水环境数学模型计算分析，输水主干线的蔺家坝、张楼和塔集3个监控断面存在较大的水质风险。

3.1控制断面污染源结构分析

东线江苏段输水干线的蔺家坝、张楼、塔集3个重点监控断面将受到周边排污口污染带的影响，水质持续稳定达标存在风险，污染源结构，见表2。

3.1.1蔺家坝断面

2号排污口COD入河量主要为养殖业、农田种植和农村生活，分别占26.5%、24.3%和20.9%;氨氮入河量主要为工业企业、城镇生活和农村生活，分别占22.8%、21.2%和20.2%。

3.1.2张楼断面

5号排污口COD入河量主要为城镇生活、养殖业和农村生活，分别占28.8%、25.2%和22.O%;氨氮入河量主要为工业企业和城镇生活，分别占30.9%和22.0%。

3.1.3塔集断面

9号排污口COD入河量主要为养殖业、农村生活和城镇生活，分别占36.6%、25.6%和21.6%;氨氮入河量主要为养殖业、农村生活和城镇生活，分别占34.2%、20.5%和20.5%。

3.2排污口污染带影响分析

（1）2号排污口污染带对蔺家坝断面的影响。2号排污口在调水运行期的最大调水量的情况下将产生2600--2800m左右的排污带，2号排污口距离蔺家坝断面3000m左右，在污染源排放情况波动30%的情况下，排污带长度将达到3380--3640m，污染带长度过长将威胁断面水质达标。

（2）5号排污口污染带对张楼断面的影响。5号排污口在调水运行期的最大调水量的情况下将产生2400--2600m左右的排污带，5号排污口距离张楼断面3000m左右，在污染源排放情况波动30%的情况下，排污带长度将达到3120--3380m，污染带长度过长将威胁断面水质达标。

（3）9号排污口污染带对塔集断面的影响。9号排污口在调水运行期的最大调水量的情况下将产生1700～1900m左右的排污带，9号排污口距离塔集断面2000m左右，在污染源排放情况波动30%的情况下，排污带长度将达到221～24700m，污染带长度过长将威胁断面水质达标。

3.3水质监测指标最大值波动趋势影响分析

（1）2004--2015年蔺家坝断面高锰酸盐指数监测最大值在5～8mg/L之间，氨氮监测最大值在0.5～1mg/L之间，但两项监测最大值与输水干线水质目标Ⅲ类水质标准均较接近。在考虑到30%风险波动率的情况下，蔺家坝断面高锰酸盐指數可能发生超标现象，因此水质持续稳定达标仍存在一定的风险。

（2）2004--2015年张楼断面高锰酸盐指数和氨氮年最大值逐渐降低，2009年之后相对较好。高锰酸盐指数监测最大值基本在4～8mg/L之间，2004年和2005年存在超标现象;氨氮监测最大值基本在0.5～4mg/L之间，2004、2005、2006和2009年存在超标现象;在考虑到30%的风险波动情况下，张楼断面高锰酸盐指数和氨氮可能发生超标现象，因此水质持续稳定达标仍存在一定的风险。

（3）2004--2015年塔集断面高锰酸盐指数监测年最大值基本在4～6mg/L之间，氨氮年最大值均低于1mg/L，塔集断面水质达标较好。在考虑到30%的风险波动情况下，高锰酸盐指数略微超标，因此水质持续稳定达标仍存在一定的风险。

4结语

南水北调东线江苏段输水主干线江都西闸、塔集、五叉河口、马陵翻水站、张楼和蔺家坝6个监测断面，经东线江苏段水环境数学模型计算分析，得到如下结论：

江都西闸断面位于新通扬运河，引长江水通过江都站抽水至里运河北送，水质较好，不存在风险;五叉河口、马陵翻水站断面位于里运河上，里运河水位高于两侧河网水位，并且基本为封闭岸堤，无污染物进入干线水体。塔集断面位于入江水道.是调水入洪泽湖的主要控制断面，近些年淮河蚌埠闸等实施小流量调度后，出现大流量污水团现象较少，但在暴雨初期仍会有农业面染和农村生活污水入河;邳州张楼断面位于中运河、徐州蔺家坝断面位于骆马湖以北的不牢河，该区域污染源复杂、排放量较大，水质风险较高。

针对东线江苏段水质风险存在的问题，结合治污目标要求，需要根据《南水北调东线工程治污规划》“先节水后调水、先治污后通水、先环保后用水”的“三先三后”的原则，创新与深化水污染治理理念，实施治污工程与生态建设相结合的综合治理措施，确保输水干线水质持续稳定达标。