南水北调穿黄隧洞水质安全保障措施及应用

祝亚平，杨育红

（1.南水北调中线干线工程建设管理局河南分局，河南郑州450006；2.华北水利水电大学水利学院，河南 郑州450046；3.河南省水环境模拟与治理重点实验室，河南 郑州450002；4.河南省水环境治理与生态修复院士工作站，河南郑州450002）

南水北调中线水源和总干渠水质情况决定着工程的效益与成败［1-2］,中线工程实时运行过程中能否保障输水水质安全是评价其成功与否的重要依据［3］。中线总干渠采取单向单线明渠输水,沿程交叉建筑物和控制建筑物密集,水污染防控面临严峻挑战［4］。调干净水、保证输水过程中水不脏是中线水源保护面对的两大难题。除了丹江口水库库区水源地水质保护研究外,针对中线干渠地下水内排段,左海凤等［5-7］研究显示,排入渠道的劣质地下水对渠系水质基本不构成影响；针对工程调度、控制和运行管理等技术难题,王浩等［8-9］通过研究可能发生的突发水污染事故,建立了“数值模拟—评价诊断—溯源预测—应急调控—污染处置”调控体系；赵蓉等［10］对北京段应急工程全封闭管涵输水水质进行了预测。

南水北调中线干渠采取隔离防护、截流沟、防渗土工膜等工程措施,结合日常巡查、水质日常监控、漂浮物与污染源管理等,通过加强干线水质监测预测预报能力建设、提高水污染风险防控能力、提升突发水污染事故应急处置能力,初步建立了较为完善、效果显著的水质保障体系［11］。截至2018年12月31日,南水北调中线工程从丹江口水库陶岔渠首调水入渠水量达164.7亿m3,从穿黄隧洞入渠水量达129.6亿m3,各项水质指标稳定达到或优于《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002)Ⅱ类标准［12］。 目前,中线干渠上的固定实验室、移动实验室和自动监测系统组成的水质监测站网的主要业务是监控《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002)规定的氨氮、高锰酸盐指数、溶解氧等24项基本项目指标,包括集中式生活饮用水、地表水水源地补充项目硫酸盐、硝酸盐等5项以及林丹、乐果等特定项目在内的共计109项指标的水质信息的采集。

有学者围绕渠道水质变化规律、水质预测理论和方法,对突发和非突发污染条件下渠道水质预测［13］、突发性水污染事故应急处置能力等进行了大量研究［14-16］,但对影响水面外观、视觉感受以及可能导致水质恶化的大体积经常性污染物处理的重视程度不够。笔者以中线穿黄隧洞为研究对象,对重要输水建筑物水质保障措施和漂浮物打捞技术进行研究。

1 穿黄隧洞水质概况

1.1 穿黄隧洞工程特点

穿黄隧洞是中线穿黄工程的重要组成部分。穿黄工程作为穿越黄河的重要输水建筑物和关键工程,是整个南水北调中线工程的标志性、控制性工程,位于黄河南岸的荥阳市和黄河北岸的焦作市温县境内,总长19.305 km,包括穿黄隧洞（含3 450 m过河隧洞段和800 m邙山隧洞段)及其进出口建筑物、退水建筑物、南岸连接渠道和北岸连接渠道等。穿黄隧洞由邙山隧洞、过河隧洞和北岸竖井组成,其中邙山段属于斜管段,整体上为南斜北竖“大型倒虹吸”形式,见图1。倒虹吸是在渠道与道路、河流发生交叉或在渠道穿越山谷时经常采用的一种立交水工建筑物,工作原理是利用上下游水位差,在重力作用下通过管道或隧洞向下游输水,长度为10～1 000 m；两侧水位差0～1 m,而且上下游两侧要么都是斜管式,要么都是竖井式。而穿黄隧洞上下游水位差为10 m,单洞长4 250 m,上游斜管式,下游竖井式,穿黄隧洞特色明显。

图1 南水北调中线穿黄隧洞纵剖面示意

1.2 穿黄隧洞水质保障现状

穿黄隧洞工程水质安全意义重大。2014年12月至2016年6月共计19个月的水质数据分析发现,穿黄前、穿黄后水质监测断面水质可达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002)Ⅱ类标准,但高锰酸盐指数、氨氮、总氮、总磷等的浓度均高于中线工程河南渠段的平均值,说明有影响穿黄隧洞水质的外在因素存在。目前穿黄隧洞水质保障措施主要有以下4个方面。

1.2.1 法律制度保障

南水北调工程的运行管理需要切实保障水质达标,除了《中华人民共和国水法》《中华人民共和国水污染防治法》等法律外,2014年《南水北调工程供用水管理条例》施行,针对南水北调输水工程规定了严格的水质保障措施。南水北调中线干线工程建设管理局（简称建管局)出台了《突发环境事件应急管理办法》《南水北调中线干线工程投放危险物质举报处置管理办法（试行)》《南水北调中线干线工程突发事件应急管理办法》《南水北调中线干线工程突发事件综合应急预案》《南水北调中线干线工程突发事件应急调度预案》《南水北调中线干线工程水污染事件应急预案》《南水北调中线干线工程水污染事件应急处置技术手册》《南水北调中线干线藻类防控预案》等一系列部门规章和规范性文件,为南水北调中线水质保护提供了技术支撑和制度保障。《南水北调中线一期工程总干渠河北段饮用水水源保护区划定和完善方案》《南水北调中线一期工程总干渠（河南段)两侧饮用水水源保护区划》等是防范南水北调中线工程水质污染,有效控制和清除危害,确保南水北调中线和穿黄隧洞输水水质安全的重要举措。

南水北调中线干线穿黄管理处根据《南水北调中线干线工程运行期工程巡查管理办法（试行)》《南水北调中线干线工程建设管理局水环境日常监控规程》（Q/NSBDZX J012-2016)、《关于进一步加强水质安全管理完善水质安全两级管理框架的通知》《关于印发南水北调中线干线工程建设管理局河南分局水质监测实施方案的通知》《关于印发南水北调中线干线建设管理局河南分局水质数据管理办法的通知》《南水北调中线干线工程汛期水质安全保障工作方案》《总干渠大流量输水期间水质安全保障实施方案》等文件要求,同步印发了《穿黄管理处水质安全巡查制度》《穿黄管理处水质污染源巡查办法》《穿黄管理处渠道垃圾清理规程》和《穿黄管理处藻类监测实施操作规程》等规章制度,有效保障了穿黄工程水质安全。

1.2.2 人员保障

穿黄管理处成立水质安全管理领导小组,明确了水质保护工作的分管领导和水质专员,进一步完善了水质安全管理组织体系。明确了水质安全管理领导小组的职责分工,责任到人,要求各成员熟悉相应水质保护管理基本知识和管理规定,使得水质保护工作在组织上得到可靠保障,责任上人人把关,工作上层层到位,确保水质保护工作万无一失。水质专员每半月按要求进行总结,并向分管处长汇报水质保护工作。

穿黄管理处分管处长和水质专员等每月对日常巡查人员进行一次监督检查,并将检查结果作为每月对巡查单位考核的依据,对其形成约束力,保证巡查和垃圾打捞效果。

1.2.3 渠道全封闭管理

采取划定渠道两侧饮用水水源保护区、设置渠道隔离带、架设跨渠桥梁和道路防护网等措施防止人为污染渠道水质。为防止无关人员进入渠道,南水北调中线干线渠道是国内外长距离调水工程中唯一渠道两侧全部有隔离围栏,顶部加装滚刀刺丝,而且每座跨渠桥4个角均安装有钢大门,钢大门顶部也加装滚刀刺丝的大型输水工程。

为确保南水北调中线工程水质安全,建管局还专门配置了一定数量的工巡人员和安保人员。工巡人员按照《南水北调中线干线工程运行期工程巡查管理办法》全天巡视,安保人员不间断巡逻,发现异常情况及时报告管理处,快速妥善处置。日常巡查主要指对跨渠桥梁、穿越建筑物等水质风险源进行排查,重点巡查有无外水通过桥梁排入渠道、穿越建筑物有无渗漏液体浸入渠道等。日常巡查人员做好水质风险源巡查记录,记录巡查时间、巡查位置、风险源状况。若巡查中发现问题,则应1 h内上报建管局河南分局水质监测中心,同时采取临时处置措施,处置完成后,编写事件报告存档备案。

1.2.4 水质巡查监测

水质监测采用常规监测和自动监测与应急监测相结合的方式,当出现突发性水污染事件时,采用移动实验室对水质进行动态跟踪监测,以积极应对各种突发事件。建管局河南分局在所管辖范围内设置了1个水质实验室、15个水质监测站,配备了1台移动应急监测车。其中水质监测站又分为6个一般监测站、6个重点监测站和3个自动监测站,自动监测站采用自动水质监测系统获取监测数据或成果,一般监测站和重点监测站由水质专员负责记录监测数据。穿黄隧洞前固定水质监测点属一般监测站,穿黄隧洞后水质监测点位于郑州市和焦作市分界线处,属重点监测站。

自动水质监测系统是一套以在线自动分析仪为核心,运用现代传感器技术、自动测量技术、自动控制技术、计算机应用技术以及相关专用分析软件和通信网络组成的综合性在线自动监测系统,可统计和处理监测数据,并可打印监测成果等。实施水质自动监测可以实现水质的实时连续监测和远程监控,达到及时掌握重点断面水体水质状况的目的。

水质专员主要对渠道水体表面特性进行日常巡查,记录水体颜色、气味、浑浊度等整体状况,若发现渠道水体颜色、气味、浑浊度异常,则1 h内及时上报建管局河南分局。

按照《南水北调中线干线工程藻类监测方案》,每天10：00、15：00在穿黄前固定水质监测点开展浮游生物网捕集观测工作,观测记录水体中藻类颜色及状态变化,17：00前将《水中浮游生物取样报告》上报建管局河南分局水质监测中心,并将观测照片、原始记录进行电子版和纸质版存档。具体浮游生物网捕集操作方法：采用25号浮游生物网,在离岸1 m位置让网口浸没于水面下方,在水表层1 m范围内呈“∞”形左右缓慢拖曳捕集20次,将捕集到的水中生物从网底放出,用水洗涤几次,使网壁上浮游生物全部流入到准备好的烧杯中,将烧杯中的样品加水定容到200 mL,放置30 min,分别从正面和侧面拍照,同时测量絮状物高度,目测藻类等水中生物的颜色及状态变化,并做好记录。

按照《穿黄管理处水质污染源巡查办法》,每半月对南水北调中线渠道及周边巡查1次,并填写水质污染源巡查记录。对于隔离网内污染源及时发现及时处理,避免影响输水水质安全。建立水质污染应急物资台账,配备有WGV600、WGV700、WGV750三种型号的围油栏各3节和10 kg吸油毡、200 m麻绳,专人管理,随时准备应急处置。根据《穿黄管理处渠道垃圾清理规程》,自2014年12月通水以来,为保持渠面水体干净、无漂浮物,要求安保单位增加垃圾清理工作,填写垃圾清理日志、垃圾打捞记录,并对其进行监督检查,保证垃圾打捞工作的安全、有效开展。

2 穿黄隧洞进出口漂浮物清理

南水北调中线总干渠水质变化趋势表明,大部分水质指标呈现南低北高的特点,且丹江口水库陶岔断面近几年水质指标保持稳定,总氮含量有降低趋势,说明总干渠输水沿线仍然有污染源汇入。虽然目前干渠采取了隔离防护、截流沟、防渗土工膜等防污措施,但由于明渠输水、流速慢等特点,因此仍然存在一些潜在污染源对水质产生一定影响。特别是渠道输水建筑物进出口处极易聚集漂浮物,既影响水面环境,又可能因有机漂浮物腐烂变质而产生有毒或有害物质。漂浮物清理成为南水北调中线各个运行管理处的日常工作。为了有效拦截、打捞进入穿黄隧洞进口和滞留在穿黄隧洞出口的漂浮物,减小漂浮物带来的潜在水质危害,结合现场实际情况,穿黄管理处在南岸进口位置安装了自行研制、设计、制造的自动打捞拦污栅,在北岸出口增加了自行研制、设计、制造的永久高分子聚乙烯浮排设施。

2.1 穿黄南岸进口漂浮物清理设施

从穿黄隧洞上游最近的枯河倒虹吸出口一直到穿黄隧洞,10.8 km渠道内无其他渠道水工建筑物,水流速度1.00～1.63 m/s,在穿黄南岸进口形成了汇水区。渠道上游携带流入和飘落到穿黄隧洞进口安全栅前区域的漂浮物汇集较多,有金属、玻璃、纸类、塑胶、织物、食品、木竹、水草、枯枝落叶、动物尸体等。原来的打捞工作平台狭窄,只能容纳1人,打捞费用高,人员劳动强度大、效率低,且有掉进渠道内的风险,安全隐患极大。因此,在穿黄隧洞进口安全栅前安装了包括拦污栅垃圾槽和固定式卷扬机的漂浮物打捞设施——自动打捞拦污栅,主要材料为60 mm×60 mm的方钢等,见图2。同时,在退水洞前静水区设置不锈钢空心管自动升降拦挡漂浮物,使得漂浮物顺水漂浮至进口垃圾打捞设施中,然后人工清理,有效保障了水质安全。

图2 穿黄隧洞进口自动拦污栅系统

2.2 穿黄北岸出口漂浮物清理设施

穿黄北岸出口两条平行隧洞出流形成的汇水区水面相对平静,致使从隧洞内冲出来的和周围落到该区域的漂浮物滞留汇集较多。作为南水北调中线干线的形象工程,到平台参观、考察、调研的人数非常多、频次非常高,因此出口漂浮物清理工作非常重要。但是,穿黄隧洞出口工作平台与水面高差达20 m,用传统长杆网打捞垃圾存在较大安全隐患,清理工作难度极大。2017年初增加了漂浮物清理浮排设施。浮排采用高分子聚乙烯浮筒组装而成,采取螺栓固定滑轨套住浮排主体、两边安装护栏等措施,增强安全性、稳定性。

出口区域浮排包括钢爬梯、固定升降滑轮、浮筒、打捞小船。钢爬梯方便工作人员上下操作平台,固定升降滑轮保证浮排随水面波动或升降时不脱离轨道,打捞小船用于打捞、采集距离浮排较远的漂浮物。浮筒采用添加抗紫外线物质的高分子聚乙烯生产的新型环保材料,韧性强、硬度大,能经受自然环境变化和低温侵袭,具有质量轻、浮力大、耐酸碱、零维护、组合变换灵活、寿命长、颜色鲜艳美观、抗腐、防冻、防紫外线、抗老化等特性,不受化学品、药剂、油渍及水生生物的侵蚀,无二次污染,整个浮筒一次无缝成型,无渗水、存水等问题,并可回收再利用。浮筒上部表面采用防滑花纹设计,安全稳固,四角皆为圆弧钝角造型,为避免出现滑倒被碎木屑、锈钉刺伤等意外情况,可在水面风浪5级内安全使用。

2.3 穿黄隧洞进出口漂浮物清理效果

穿黄隧洞进出口漂浮物清理设施的安装和应用,不仅提升了南水北调中线干线穿黄工程的形象、改善了操作人员的工作环境,而且提高了漂浮物打捞的机械化程度和打捞效率,增大了人员安全操作系数。

2.3.1 穿黄隧洞进口自动拦污栅应用效果

采用自动拦污栅装置清理渠道漂浮物效果明显。高效、不间断拦截各种漂浮物和水体中的丝团状藻类等有机生物；漂浮物清理效率明显提高,减少了人工直接在水体中打捞漂浮物的劳动量,提高了安全系数,有效保障了漂浮物清理人员的安全；漂浮物清理后,减少了漂浮物对水质的潜在影响,同时提高了水体的洁净程度；进入隧洞漂浮物的减少有效缓解了隧洞出口漂浮物的打捞工作量。

2.3.2 穿黄隧洞出口打捞浮排应用效果

穿黄隧洞出口浮排的应用兼具美化环境和提高漂浮物清理效果的功能。浮排平台美丽的外观增添了出口汇水区的景色,提升了穿黄工程形象；为漂浮物清理人员提供了操作平台,提高了工作人员的安全操作系数；同时解决了突发事件下水难题,提供了应急操作平台。

3 结 语

不同于常规水质监测系统和非常规突发性水污染事件应急处置等水质保障研究成果,针对南水北调中线渠道输水建筑物进出口潜在水质影响因素——物理性状漂浮物关注不够的问题,对穿黄工程的水质保障措施进行了梳理、分析。穿黄前后固定水质监测断面数据显示,基本监测项目指标稳定,物理、化学指标达到Ⅱ类水质标准,但在增加漂浮物打捞设施前穿黄隧洞进口漂浮物打捞效率低、出口清理工作危险系数大,碎屑等杂物及腐败变质的有机漂浮物对水质有潜在安全隐患。穿黄隧洞进口自动打捞拦污栅系统和出口打捞浮排的安装提升了工程形象,改善了水面洁净程度,提高了漂浮物清理效率,增大了清理人员的安全操作系数。