小清河分洪道子槽输水段水质风险分析

刘志峰，宋茂斌，张 游，温静静，赵婷婷，刘恒洋

(1.山东省海河淮河小清河流域水利管理服务中心，山东 济南 250100；2.水发规划设计有限公司，山东 济南 250100；3.山东省湖泊流域管理信息化工程技术研究中心，山东 济南 250100；4.山东省调水工程运行维护中心滨州分中心，山东 滨州 251700)

0 引 言

水质安全保障是长距离调水工程运行管理的重要内容，加强水质风险管控、确保水质稳定达标是实现工程效益的关键所在。南水北调东线工程利用京杭大运河及其沿线现有的湖泊调蓄和河道输水，工程设计中主要通过截蓄导用工程、穿渠或跨渠建筑物全部立体交叉等方式，阻断了输水渠道与外界水体的水力联系，基本消除了沿线生产生活废水直接进入渠道的可能，有效保障了调水期输水水质安全。但在全球气候变化、城市化和其他因素共同作用下，流域水文循环过程被强烈改变，极端水文事件如洪涝高温等灾害事件频发[1-2]，部分输水渠道作为区域防洪排涝通道被启用的概率进一步增大。以东线山东段工程为例，2018年受温比亚台风影响，聊城段输水渠道(小运河、赵王河、周公河)承泄当地洪涝水通过引江节制闸分洪至马颊河[3]；2019年受利奇马台风影响，小清河多断面发生超警戒水位洪水，历史首次启用小清河分洪道子槽(淄博—滨州—东营段输水渠道)分洪；2021年黄河中下游干支流发生较大洪水，黄河东平湖蓄滞洪退水首次通过柳长河、梁济运河向南四湖分洪。需要注意的是，输水渠道作为防洪除涝通道为沿线水安全保障发挥了重要作用，但同时也为当地洪涝水与封闭的输水渠道建立了特定的水力联系，流域下垫面污染负荷将通过淋溶、冲刷等作用随洪涝水进入输水渠道，有可能对后期输水水质造成威胁和风险。目前，已有部分学者关注到该问题的严峻性[4-5]，但尚未见学术报道展开系统研究与论述。

本研究选取南水北调东线小清河分洪道子槽段开展研究。该渠段地处南水北调与引黄济青工程的重要交汇点，东线工程借用小清河分洪道子槽作为输水干渠，于引黄济青上节制闸(滨州博兴)接引黄济青工程；同时，汛期遭遇较大洪水时还需承担小清河分洪任务，多种来水汇合，水文情势复杂，是重要的水质敏感区。本文通过梳理该区域工程设计、调度运行、水质例行监测等相关资料，分析子槽段同时作为输水渠道与行洪排涝通道可能存在的水质风险，并给出相应的风险防范建议，相关成果可为后期风险评估、对策制定等深度研究提供重要的基础资料，同时也为类似长距离调水工程应对平交河流超标准洪水突发污染风险分析提供研究思路。

1 研究区域概况

分洪道子槽是典型的输水渠道与行洪除涝通道共用区段。小清河干流分洪道工程兴建于1966年，自胜利河口至芦清沟，全长83.3 km，与小清河干流形成“两河三堤”并行段。分洪道滩地内开挖排水子槽，南水北调东线(2013年)与引黄济青工程(1987年)借用部分子槽作为输水渠道，自入分洪道涵闸至引黄济青下节制闸，借用长度约70 km[6]。总的来看，分洪道子槽不仅是山东省引江水与引黄水等客水资源优化配置的重要枢纽，还是小清河流域行洪排涝工程体系的重要组成内容，区域位置显著。

本文研究区域位于小清河流域，流域整体地形为南高北低，一级支流几乎全部由南岸注入干流。流域属于暖温带大陆型季风气候，降水量年内、年际间变化均较大，年内降水量汛期(6月～9月)占比约70%左右[7]，且主要集中在一两场暴雨。分洪道并行段(流域中下游段)途经淄博市高青县、桓台县、滨州市博兴县、东营市广饶县，沿线工农业经济发达，是山东省优质粮棉生产区及石油、化工产业集聚地[8]。研究区域见图1。

图1 研究区域

2 工程运行现状

南水北调东线工程借用小清河分洪道子槽承担常态化输水任务，工程运行情况见图2。自入分洪道涵闸进入子槽，于引黄济青上节制闸(滨州博兴)处接引黄济青工程，后通过引黄济青下节制闸(东营广饶)南下向青岛、烟台、潍坊、威海等胶东4市输水。输水时段一般在非汛期(一般为每年11月至翌年5月)进行，子槽输水段设计流量为50 m3/s，加大流量为60 m3/s，目前工程运行流量为32～36 m3/s。

分洪道子槽作为小清河干流分洪道工程的重要组成部分，其启用是有条件的。根据小清河分洪道调度方案[9]，当干流金家堰闸过水流量达到或超过260 m3/s且水位持续上涨，则考虑启用分洪道。根据洪水规模分级启用子槽及滩地，分别由分洪道进口闸的深孔闸及浅孔闸控制。流域除涝标准以内的洪水由子槽行洪，最大控泄流量为200 m3/s，更大规模洪水则由子槽及滩地共同行洪，分洪道分洪流量50年一遇防洪标准按1 300 m3/s控制。现深孔闸上游段泄洪沟及分洪道子槽已全线贯通，当启用子槽分洪时，子槽沿线节制闸将全开度开启，洪涝水一路敞泄至分洪道泄洪闸，后通过芦清沟(小清河一级支流)重新汇入小清河干流。分洪道的启用将极大减轻小清河干流中下游段的行洪压力，有利于支流洪水及洼地涝水的有效排泄[5- 6]。

图2 区域水利工程运行情况

一般来说，小清河分洪道子槽承担输水与分洪任务是错时段进行的，且分洪道启用几率通常比较小，两者时间遭遇的可能性较低。但近年来受全球气候变化的影响，极端水文事件导致洪涝高温灾害频发[1-2]，一方面表现为流域汛期遭遇较大规模洪水，启用分洪道的可能性增加，输水渠道作为行洪排涝通道使得小清河流域陆源污染物通过洪涝水进入子槽系统；另一方面连续干旱年间实行汛期应急供水的可能性也进一步增加，加之南水北调东线二期规划在即，对山东半岛的输水规模将进一步加大，输水时段可能延长[10]，汛初(6月)与汛末(9月)也将承担常态输水任务。诸多外部形势将共同促使子槽承担分洪与输水任务在时间上重叠的可能性进一步加强，分洪期间小清河干流及排涝干渠输入的污染负荷将对子槽调水水质造成不确定性的风险。如何平衡该区域的防洪与调水矛盾，并切实保障输水水质安全，是该区域亟待解决的运行管理难题。

3 区域洪涝水污染形势分析

小清河与南水北调东线干渠发生直接水力联系一般仅在启用分洪道期间，破堤后小清河流域洪涝水进入子槽，携带的污染负荷部分残留在渠道内的积水或吸附在渠槽底部，短时间内无法通过水体自净作用去除，可能对调水初期水质造成不确定的风险。因此，其水质风险输入主要受区域洪涝水(即小清河上中游)污染形势影响。

由于缺乏实测的流域雨洪过程水质同步监测资料，以小清河干流汛期水质监测数据作为评估区域洪涝水污染形势的主要依据。分洪道进口闸位于邹平市、高青县、桓台县交界处，其所在的水功能二级区为小清河滨州淄博农业用水区，水质目标为V类。根据小清河干流近5年水质例行监测数据，以相邻监测断面污染物浓度平均值作为分洪道进口闸的水质参考值，结果表明，分洪道进口闸汛期(6月～9月)水质总体上处于IV类，区域整体上面临较为严峻的氮磷污染及复合有机污染问题，尤其值得警惕的是，该区域的总氮、氟化物、硫酸盐等特征污染物可能成为威胁分洪道子槽水质的重要风险物质。

洪涝水污染特征实质上是由流域污染输出负荷所决定的，其强度高低与降水条件、地表覆盖类型、地形特征等因素有关。其中，降水是决定流域污染输出负荷重要的驱动因子[7]。分洪道子槽并行段小清河流域主要用地类型为农田，区域环境现状决定了在强降雨径流冲刷作用下，洪涝水将主要表现为面源污染特性，在负荷输出强度上表现为污染物质量浓度先随流量增大而增大、又随流量减小而减小[11]。在污染物类型上表现为氮磷及复合有机污染。分洪道滩地还有较大范围的农田分布，当同时启用滩地行洪时，滩地涝水漫溢可能会进一步加剧农田面源污染对子槽的风险输入。

此外，还需要特别警惕洪水期间化学品泄漏带来的潜在风险。分洪道子槽并行段小清河南岸沿线部分区域位于易受洪涝水淹没威胁的低洼地带，分洪道进口处下游分布有省级化工产业园区，主要涉及石油炼化及化工、纸业、包装印刷等相关产业。其中，危险化学品生产装置、储罐区、管道及废水处理设施等遭受洪涝水作用(冲击、淹没等)，可能造成有毒有害类物质泄露、易燃易爆类物质燃爆或污水漫溢风险，一旦泄漏至地表水系统将会对子槽输水系统及局部环境造成重大风险[12]。实际上，2019年利奇马台风过境期间紧急启用分洪道子槽分洪，其启用动机之一就是为了纾解小清河干流沿线某化工企业苯储罐受洪涝水淹没泄露风险。特别要指出的是，洪涝水冲刷流域下垫面可能会将其他的有毒有害物质携带进入河渠系统，如农田系统可能存在的化肥、农药类污染物，道路桥梁系统可能存在的石油类污染物等，废弃物场地可能产生的各种危险物质等[13]，都可能会对区域水环境系统造成不确定的风险输入。

现状条件下分洪道子槽输水段水质基本能够满足地表水环境质量标准Ⅲ类水的要求，但仍存在总氮、总磷、硫酸盐、氟化物等污染物偶有超标现象[14-16]。从超标污染物类型考虑，不排除子槽沿线小清河流域外源污染输入是造成或加重子槽水质污染程度的可能来源。结合上述流域污染形势分析，小清河流域洪涝水水质较差，且洪水过程起涨段的污染负荷输入通量可能更大，对子槽输水系统来说可能是重要的污染源和风险源。

4 分洪风险输入分析

分洪道子槽作为行洪排涝通道被启用的几率较低，仅于2019年利奇马台风过境期间启用过1次，因此有必要对其分洪风险输入情况进行讨论，可考虑将污染负荷输入量作为评估风险水平的量化指标。受限于流域雨洪水过程水文水质同步监测资料的不足，特别是缺少悬移质泥沙量监测数据，本研究仅从水相污染负荷输移的角度做初步讨论，并将整个分洪过程概化处理为：①平均分洪流量为25 m3/s，历时96 h；②平均分洪水质设计值TN为7.90 mg/L、NH3-N为0.80 mg/L、TP为0.30 mg/L、COD为22.40 mg/L、BOD为5.00 mg/L，由此求算的分洪污染负荷输入量TN为68.26 t、NH3-N为6.91 t、TP为2.59 t、COD为193.54 t、BOD为43.20 t。

根据分洪水量及子槽容积估算，分洪结束后将仍有40%左右的涝水滞留在子槽中，残留的污染负荷在水相与沉积物的吸附解吸过程、沉淀再悬浮过程等是影响子槽输水水质的主要作用机理，其潜在风险程度还与污染物在不同介质中的迁移转化特性有关。如硫酸盐、氟化物等更易溶于水[17-18]，调水前的渠道冲刷会快速将该类污染物携带出子槽系统，不会对后续水质造成持久风险；复合有机污染物则更倾向于迁移、富集至沉积相中，调水初期在水动力扰动条件下通过解吸作用重新释放至水体，可能成为长期影响输水水质的重要风险源；氮、磷等营养盐污染物则稍显复杂，非点源的氮输入主要以无机氮(硝酸盐氮、氨氮)为主，而磷的形态分布以颗粒磷为主，富集在沉积物系统的风险仍不可忽视。

5 水质风险防范建议

综上所述，兼做区域行洪排涝通道使用的输水渠道，如何应对因流域陆源污染输入而导致的水质安全风险，已经成为区域各方需要共同关注的问题。基于此，本研究针对区域水质安全管理现状存在的问题，提出以下建议。

(1)提高区域水质风险监测、评估能力。通过构建流域水文水质同步监测体系，重点开展洪水过程(起涨段、峰顶段、退水段)污染物浓度、通量现状监测与趋势预判，提高流域污染输入负荷总量估算的精确度，同时还应加强退水后输水渠道水体及沉积物质量的长期监测；此外，输水渠道作为行洪排涝通道被启用仍是低概率事件，难以通过经验观测建立风险水平的具体认知，应通过合理的情景设计及水文水质模型模拟分析不同分洪规模、分洪方式、污染情景等对输水水质的潜在风险水平，提高风险预测的科学性、准确性。

(2)加强区域工程联合调度能力。分洪道子槽与滩地、干流河槽等共同构成区域行洪通道[5]，且子槽内沿线分布提水泵站、节制闸、渡槽、倒虹吸、分水口等引(输)水工程设施[19-20]，基于不同洪水规模的行洪通道分级启用规则、工程联合调度运行规则，为区域工程体系应对多目标(行洪、输水等)的联合调度运行管理提出了更高挑战。基于此，应充分依托新建的小清河自动化调度指挥系统，加强干流与分洪道的控制性工程闸站群的自动化控制与联合调度能力，在保障区域行洪排涝安全的前提下，适当考虑输水水质保障需求，从流域暴雨径流产生过程及污染物输出特征出发，优化分洪方式(干流主动行洪、分洪道主动行洪)，科学确定分洪规模，尽可能减小对输水渠道的污染负荷输入。

(3)加强区域水质风险源的管控能力。重点识别处于洪水淹没风险区的化工园区、污染企业、污水处理设施可能存在的风险环节，对储罐、生产装置、管道等安装必要的围堰防护、事故处理池等，避免泄漏污染物进入区域地表水系统，并制定针对洪水淹没化学品泄露事故的应急预案。此外，还要进一步加强流域污染防治力度，减缓农田、公路、危废场地等在洪水漫溢过程中可能产生的有毒有害物质对水质的不确定性影响。

6 结 语

本文以小清河分洪道子槽段作为典型案例，对输水渠道与行洪除涝通道共用区段可能存在的水质风险进行研究，得出以下结论：

(1)受全球气候变化、城市化、南水北调东线二期规划等外部形势影响，分洪道子槽同时承担分洪与输水任务的时间重叠的可能性将进一步强化，一旦作为行洪排涝通道被启用，将为当地洪涝水与封闭的引调水系统建立了特定的水力联系。

(2)将小清河干流汛期水质作为评估洪涝水污染形势的依据的结果表明，氮磷污染、复合有机污染输入可能对子槽输水水质造成一定的风险，同时还要警惕氟化物、硫酸盐等特征污染物的风险输入；受区域产业布局影响，需要足够重视洪水期间化学品泄漏带来的潜在风险，如低洼地带的化工园区、污染企业、污水处理设施在洪水作用下造成的化学品泄漏、燃爆等风险，农田、公路、危废场地等在洪水漫溢过程中可能产生的有毒有害物质风险等。

(3)从水相污染负荷输移的角度，初步评估了2019年小清河分洪道子槽启用期间的污染风险输入水平，分洪结束后滞流状态下的积水是风险产生的重要作用过程，残留污染物在水相与沉积物的吸附解吸过程、沉淀再悬浮过程等是其主要作用机理。

(4)针对小清河分洪道子槽这类输水渠道与行洪除涝通道共用区段，需通过提高区域水质风险监测评估能力、区域工程联合调度能力、风险源管控能力，进一步降低水质风险输入的不确定性。