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2024 , Vol. 41 >Issue 10: 56 - 62

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20240449

水环境与水生态

引江补汉工程取水口饮用水水源保护区划分

  • 张可可 ,
  • 刘金珍 ,
  • 王中敏 ,
  • 刘扬扬 ,
  • 吴比
展开
  • 长江水资源保护科学研究所,武汉 430051

张可可(1996-),女,湖南岳阳人,工程师,硕士,主要从事水利水电工程生态环境保护研究。E-mail:

Copy editor: 黄玲

收稿日期: 2024-04-29

  修回日期: 2024-06-05

  网络出版日期: 2024-10-25

基金资助

国家自然科学基金项目(52109005)

收起

Delineating Drinking Water Source Protection Area for the Intake of River Diversion Project from Yangtze River to Hanjiang River

  • ZHANG Ke-ke ,
  • LIU Jin-zhen ,
  • WANG Zhong-min ,
  • LIU Yang-yang ,
  • WU Bi
Expand
  • ChangJiang Water Resources Protection Institute, Wuhan 430051, China

Received date: 2024-04-29

  Revised date: 2024-06-05

  Online published: 2024-10-25

Fold

摘要

引江补汉工程是南水北调中线工程的后续水源,为保障汉江中下游干流水质安全和湖北省补水区城乡生活供水安全,有必要在工程取水口周边划定饮用水水源保护区。在充分考虑水质保护要求、交通航运、港口建设发展、应急响应需求等因素的基础上,针对三峡调度运行不同水位情况、工程引水代表流量和相应水质条件设计工况情景,基于水动力水质模型计算和应急响应时间估算结果,提出引江补汉工程龙潭溪取水口水源保护区范围建议,为将来保护区划定提供技术支撑。计算结果表明,以龙潭溪取水口为中心划分饮用水水源保护区的径向距离应≥1.3 km。

关键词： 水源保护区划分; 水动力模型; 溢油事故; 应急响应; 引江补汉工程

本文引用格式

张可可 , 刘金珍 , 王中敏 , 刘扬扬 , 吴比 . 引江补汉工程取水口饮用水水源保护区划分[J]. 长江科学院院报, 2024 , 41(10) : 56 -62 . DOI: 10.11988/ckyyb.20240449

Abstract

The river diversion project from the Yangtze River to the Hanjiang River serves as a supplementary water source for the Middle Route of the South-to-North Water Diversion Project. To ensure water quality safety in the middle and lower reaches of the Hanjiang River and to safeguard urban and rural water supplies in Hubei Province, it is essential to delineate a drinking water source protection area around the project’s water intake. In comprehensive considerations on water quality protection requirements, transportation and shipping, port construction and development, as well as emergency response needs, this study designs scenarios for various operational conditions, including different water levels of the Three Gorges Dam, representative flow rates for engineering diversion, and corresponding water quality conditions. It integrates hydrodynamic and water quality model simulations with emergency response time analysis to define and recommend the drinking water source protection zone for the Longtan Creek intake. The results suggest that the protection zone radius around the Longtan Creek intake should be no less than 1.3 kilometers. This recommendation provides technical support for the future delineation of protection areas.

Key words： delineation of drinking water source protection area; hydrodynamic model; oil spill accident; emergency response; River Diversion Project from Yangtze River to Hanjiang River

开放科学(资源服务)标识码(OSID):

0 引言

南水北调中线工程是缓解我国北方地区水资源严重短缺局面的重大战略性基础设施。引江补汉工程是南水北调中线工程的后续水源,是国务院确定的172项节水供水重大水利工程之一,也是后续重点推进的150项重大水利工程之一。引江补汉工程从长江三峡库区引水入汉江,提升中线工程供水保障能力,其补水范围包括南水北调中线工程受水区、湖北省汉江中下游、引汉济渭工程受水区、湖北省输水线路沿线补水区,共涉及国土面积24.3万km2,现状人口共约16 690万人[1]。工程实施后,为保障汉江中下游干流水质安全和湖北省沿线补水区城乡生活供水安全,有必要研究论证在工程取水口与输水沿线周边一定范围内划定饮用水水源保护区,落实相关水污染防治和管控要求,协调水环境保护与供水、航运等利水资源服务功能的关系,推进南水北调中线后续工程高质量发展和长江大保护。因此,保障引江补汉工程取水口水源安全具有重要意义,而科学划定水源保护区是保障水源安全的有效措施和落实饮用水水源保护区制度的重要前提[2]。
国内外针对水源保护区的划分研究起步时间有所差异,划分方法也各不相同[3⇓-5],如德国等大多数国家水源保护区采用三级分区,而美国不划分保护区级别[6]。总体来说,欧美国家常用的划分方法主要有地形边界法、缓冲区法和数值模型计算法,我国推荐类比经验法、应急响应时间法等方法。国内外水源保护区划分方法依据见表1。
表1 国内外水源保护区划分方法依据

Table 1 Methods of dividing water source protection zones in China and abroad

国家 法律、现行规范 颁布年份
德国 《水库水水源保护区条例》 1975
瑞典 《食品卫生法》 1987
美国 《安全饮用水法》 1974
中国 《饮用水水源保护区划分技术规范》 2018
国内现有相关研究主要集中于水库型饮用水水源保护区划分、保护与管理等方面,针对引调水工程取水口水源保护区划分的研究成果相对较少。如李晓亮[7]以小型水库峡沟水库为例,介绍了水库饮用水水源地保护区的划分标准、划分办法和保护管理建议措施。宋影等[8]采用类比经验法对敦化市香水水库集中式饮用水水源保护区进行划分及环境风险分析。郭子扬等[9]针对以往饮用水水源地保护区划分以类比经验法为主、不能准确考虑水源地水质的时空变化及达标状况的问题,运用二维水质模型环境流体动力学模型(Environmental Fluid Dynamics Code,EFDC)开展柴河水库饮用水水源地保护区划分的研究工作,基于水库水动力、水质状况模拟水龄与污染物迁移变化规律,对水源地富营养化风险与取水口主要水质指标达标状况进行分析,评价柴河水库饮用水水源保护区划分的合理性。王晓辉等[10]以明光市石坝水库水源地为例,基于针对性的环境风险防治措施解决了单一供水难以满足供水要求的情况下协同供水的不同水源地之间的供水干渠水源保护区划分的难题。
此外,保护区划分时往往仅采用单一的划定方法,未根据区域实际情况综合考虑各方法的适用范围与技术要求。根据王民等[11]通过对全国16个省市119处大中型水库的调研分析,发现水源保护区划定多采用操作性更强的类比经验法,而未采用应急响应时间法和数值模型计算法。
目前引江补汉工程已开工建设,工程取水口尚未划分饮用水水源保护区或开展相关研究。工程取水口所在的龙潭溪库湾位于三峡坝前,库区通常采用湖库型饮用水水源保护区保护区划分方法,考虑到三峡库区范围广、水流条件等有其特殊性,且供水、航运、发电等水域功能相互交织,亟需选用科学合理的分析方法从水源保护角度协调水资源开发利用和生态环境保护的关系。因此,本文从水质保护和应急响应的需求出发,综合数值模型计算法和应急响应时间法等分析方法,提出引江补汉工程取水口水源保护区范围建议。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

引江补汉工程是南水北调中线工程的后续水源,多年平均引水量39.0亿m3。工程取水口位于三峡水库左岸龙潭溪,出口位于丹江口水库大坝下游汉江右岸安乐河口,输水线路沿线经过湖北省宜昌市、襄阳市和十堰市,线路全长194.8 km,渠首设计流量170~212 m3/s。
工程水源区三峡库区(庙河水文站—三峡坝址江段)属长江上游的下段,地处我国地势第二级阶梯的东缘,跨越川、鄂中低山峡谷和川东平行岭谷低山丘陵区,具有高温高湿、风力小、气象要素日较差小等气候特点,年均降雨量1 100 mm左右。
龙潭溪取水口位于三峡坝址上游7 km的北岸。采用宜昌站1956—2018年天然径流系列,统计得多年平均径流量为4 287亿m3,年内丰枯差异明显,6—10月份径流量约占年径流量的71.5%。根据三峡坝前银杏沱断面2021—2023年监测资料和宜昌市水环境质量月报,水源区水质总体良好(表2),除2021年、2022年枯水期为Ⅲ类,其余水质指标均达到或优于Ⅱ类,主要超标因子为总磷。
表2 长江银杏沱断面水质情况

Table 2 Water quality in Yinxingtuo section of the Yangtze River

年份 时期 水质类别 年份 时期 水质类别
丰水期 Ⅱ 丰水期 Ⅱ
2021 平水期 Ⅱ 2023 平水期 Ⅱ
枯水期 Ⅲ 枯水期 Ⅱ
丰水期 Ⅱ
2022 平水期 Ⅱ
枯水期 Ⅲ
根据污染源和环境风险源调查结果,工程水源区范围内无入河排污口,仅在水源区上游的长江干流有6处入河排污口,位于龙潭溪汇口上游20~75 km,距工程水源区较远;龙潭溪取水口周围存在6处采矿厂,均已关闭或停产;有5处公用设施,会产生少量生活污水;有7处工业用地,均无生产污水排放,生活污水经处理后排放回用;有1处居民点,存在沿公路布局的分散居民。总体而言,水源区水环境污染的风险较小。
距龙潭溪取水口约2 km处现设有宜昌港,是长江中上游重要的物资集散地。港口共分为6个港区,其中主城港区的太平溪作业区距离龙潭溪取水口较近(见图1),未来将重点为旅客和货物的翻坝运输和多式联运服务,运输的主要货种包括大宗散货、集装箱、普通件杂等。
图1 引江补汉工程与宜昌港太平溪作业区区位关系

Fig.1 Location of the river diversion project and the operation zone of Yichang port

1.2 数据材料

三峡坝址—庙河水文站(三峡坝址上游约15 km)水下地形数据采用2020年4月实测地形资料,比例尺为1∶2 000。
水文数据采用2016—2017年三峡坝前逐日实测水位资料和2020年4月主要断面(图2)实测水文资料。水质数据采用2016—2017年太平溪断面(三峡坝前)监测资料,监测断面起、止断面分别为庙河水文站(CS1)和三峡坝前1 km(CS7)。
图2 2020年4月现场监测断面分布示意图

Fig.2 Distribution of monitoring sections in April 2020

三峡水库、引江补汉工程调度运行情况等参考《南水北调中线工程规划》《引江补汉工程可行性研究报告》等资料。宜昌港港区布置、规模情况等参考《宜昌港总体规划修订(2018—2035)》《宜昌港总体规划修订(2017—2035年)环境影响报告书》《宜昌港主城港区太平溪作业区二期工程环境影响报告书》等资料。

1.3 研究方法

太平溪作业区生产、生活污水因操作失误或管网破损等原因可能出现事故排放情况,停靠的船舶若发生搁浅、碰撞等,也可能引起自身携带燃料油泄漏和溢油污染,对工程水源区造成一定水环境风险。因此,本研究分别采用二维水动力水质模型和船舶溢油模型,计算事故排放情况下主要污染物从现状水质浓度衰减到相关水质标准浓度的临界范围,并根据溢油事故应急响应时间需求,反推估算水源保护区距离下限值,综合确定引江补汉工程取水口水源保护区范围。

1.3.1 二维水动力水质模型

水动力模型基于Bousinesq涡黏假定和静压假定,基本控制方程为
∂ h ∂ t + ∂ h u - ∂ x + ∂ h v - ∂ y = h S 　 。
式中:h为总水深;t为时间;x和y为右手Cartesian坐标系; u -和 v -为垂向平均流速在x和y方向上的分量;S为源汇项。
湍流建模采用大涡模拟方法中的Smagorinsky压格子尺度模型。该模型用一个与特征长度尺度相关的有效涡黏值来描述亚网格尺度输移。亚网格尺度涡流黏度A由下式给出,即
A = c s 2 l 2 2 S i j S i j 　 。
式中:cs是定值;l是特征长度;Sij为形变率。涡流黏度通常取Smagorinsky方程默认值0.28。
水质数学模型的基本方程为
∂ C ∂ t + u ∂ C ∂ x i + v ∂ C ∂ y i = D x ∂ 2 C ∂ x 2 + D y ∂ 2 C ∂ y 2 + S C s 　 。
式中:C表示浓度;Dx、Dy分别表示x和y方向上的扩散系数; u ∂ C ∂ x i + v ∂ C ∂ y i表示对流部分;Cs为源(汇)项污染物浓度(mg/L)。
采用MIKE21软件建立龙潭溪取水口附近水域二维水动力水质数学模型,计算范围为三峡库区庙河水文站至三峡坝址河段所在水域,模型输入以庙河水文站流量为上边界,以三峡坝前水位为下边界。经参数率定,糙率系数为22~25 m1/3/s,化学需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD)、氨氮和总磷综合衰减系数分别为0.008~0.013、0.015~0.020、0.009~0.015 d-1。

1.3.2 船舶溢油模型

燃料油(柴油)泄露事故模拟采用拉格朗日粒子追踪模型,发生泄漏事故时,难溶于水的油类飘浮于水面,主要表现为漂移、扩散过程。
油品漂移的控制因素为水流输送和风驱输送,漂移方程为
U ¯ a d v = U ¯ t + K w U ¯ w 　 。
式中: U ¯ a d v、 U ¯ t、 U ¯ w分别为漂移速度、潮流速度和水面10 m高处风速;Kw为风生系数,取0.03。本次考虑采用潮流速度较大的不利情况工况4,取2004—2016年6—9月平均风速约1.3 m/s,主导风向为ESE。
油膜扩散分为以下3个不同的扩展阶段:
(1)惯性扩展阶段。该阶段的溢油扩展为初始阶段,在重力作用下,油膜迅速向四周扩展,油层变薄。油膜惯性扩展方程为
d 1 = k 1 ( β g V t 2 ) 1 4 　 。
其中,
β = 1 - ρ o / ρ w 　 。
式中:d1为油膜扩展尺度;ρo、ρw分别为油和水的密度,取0.84 g/mL和1 g/mL;g为重力加速度;V为溢油体积;t为扩散时间; k 1为油膜惯性扩展经验系数,一般取2.28。
(2)黏性扩展阶段。油膜惯性扩展到一定阶段,进入黏性扩展阶段。油膜黏性扩展方程为
d 2 = k 2 ( β g V 2 / γ ) 1 6 t 1 4 　 。
式中: d 2为油膜扩展尺度; γ为水的运动黏滞系数,取水库表层水温15 ℃时值为0.011 41 cm2/s; k 2为油膜黏性扩展经验系数,一般取2.90。
(3)表面张力扩展阶段。油膜扩展尺度 d 3表达式为
d 3 = k 3 σ t 3 4 / ( γ 1 4 · ρ w ) 　 。
式中: k 3为油膜表面张力扩展经验系数,一般取1.33;σ为净表面张力系数,近似取0.3 N/m。

2 研究结果与讨论

2.1 基于水动力水质模型的污染物事故排放模拟分析

2.1.1 工况情景设置

综合考虑三峡调度运行的汛期和枯水期不同水位情况以及对应不同水位的引江补汉工程引水设计流量,并与庙河水文站高、中、低来水情况进行组合,形成工况1—工况6(表3)。工况1—工况3、工况4—工况6相应的水质条件分别选取庙河水文站10月—翌年3月、6—9月份近3 a水质监测资料的平均值(表4)。
表3 计算工况水文条件

Table 3 Hydrologic conditions of computation scenarios

设计工况 时期 流量/(m3·s-1) 三峡坝前水位/m
庙河水文站 工程引水
1 6 000 212 175
2 枯水期 15 000 212 175
3 20 000 212 175
4 9 000 170 145
5 汛期 15 000 170 145
6 25 000 170 145
表4 计算工况水质条件

Table 4 Water quality parameters of computation scenarios

设计工况 庙河水文站水质浓度/(mg·L-1)
COD 氨氮 石油类
工况1—工况3 8.65 0.087 0.032
工况4—工况6 10.42 0.094 0.033

2.1.2 水动力条件分析

各工况情景下流场分布基本相似。选取工况1模拟计算结果分析研究区流场分布情况,见图3(图中纵坐标、横坐标分别为2000国家大地坐标系的x、y坐标值)。引江补汉工程实施后,龙潭溪库湾水域受取水口引水拖拽作用出现逆向流,水动力条件有所增强,但由于龙潭溪库湾属于三峡回水的相对静止区,流速基本低于0.1 m/s、总体缓慢,低水位运行较高水位运行流速相对更大。
图3 研究区流场示意图

Fig.3 Flow fields of the study area

工程引水后,三峡主库区与龙潭溪库湾流场、流速差异明显,引水水流主要来源于龙潭溪汇口上游三峡库区北侧水体,基本不受库区南侧水体和龙潭溪汇口下游水体影响。因此,保护区范围研究可主要考虑龙潭溪库湾和三峡库区北侧水域。

2.1.3 污染物事故排放情景下水质模拟分析

龙潭溪取水口周边主要风险源于太平溪作业区,作业区功能为停靠大型旅游客运船舶和以件杂货功能为主的船舶,污水包括生活污水和生产废水,生活污水中主要污染因子为COD、氨氮,生产废水中主要污染因子为石油类。
从最不利影响考虑,污水泄漏事故发生在老太平溪岸线客运泊位所在区域。结合宜昌港近年已在建港口作业区废水排放相关情况,模拟分析污染物事故排放情景下水质情况,见表5。
表5 事故排放污水水质指标

Table 5 Water quality indices of sewage leakage emergency

污染源量/(t·a-1) 污染源水质浓度/(mg·L-1)
COD 氨氮 石油类
10 000 300~400 30~35 2 000~5 000
根据模拟计算结果,由于径污比巨大,事故排放口附近水质指标COD、氨氮稀释和降解速度较快,各计算工况衰减至背景浓度的距离不超过100 m,对取水口水质影响较小。石油类由于难以降解,从污染源到取水口呈明显扩散趋势,其中以工况1和工况4浓度变化较明显,见图4。
图4 事故排放下龙潭溪取水口区域石油类浓度分布示意图

Fig.4 Distribution of petroleum concentration at Longtan Creek intake in sewage leakage scenario

经测算,污染源到取水口沿水流流向的流程距离约1.8 km。每隔100 m设置断面预测水质变化趋势结果见图5,最不利工况下取水口附近水域满足Ⅲ类水质目标的范围约为500 m,即石油类从污染源到取水口方向经1.3 km可由事故排放浓度降低至Ⅲ类目标浓度。
图5 事故排放下石油类浓度沿程变化趋势

Fig.5 Trend of petroleum concentration along water flow in sewage leakage scenario

2.2 基于船舶溢油模型的溢油事故模拟分析

主城港区的太平溪作业区不涉及油品和危险品运输,正常情况下发生重大溢油事故可能性极小。从区位关系和流场流态分析,太平溪作业区上游设有2个客运泊位,下游设有10个件杂货通用泊位,这些泊位停靠的船舶如若发生搁浅、碰撞等事故,可能造成自身携带的燃料油泄漏,进而造成溢油污染风险。
参考《船舶污染海洋环境风险评价技术规范》(试行),根据宜昌海事局2014年辖区船舶和货物吞吐量统计数据,选取最不利条件设计风险预测情景,见表6。其中,进出港船舶按灾难性事故和到港船舶最大吨位5 000 t级设计,灾难性船舶污染事故的溢油量取船舶装载油量的10%,约50 t。溢油形式按突发性瞬间点源考虑。
表6 船舶燃油溢油风险预测情景

Table 6 Computation scenario of oil spill risk analysis

风险源 船舶吨
位/t		 溢油性质 溢油泄漏
量/t		 距取水口流程
距离/km
散杂货船
泊位		 5 000 燃料油
(柴油)		 50 约1.8
水动力模式见2.1节,燃料油(柴油)泄露事故模拟采用拉格朗日粒子追踪模型,考虑漂移、扩展方程进行预测分析。以太平溪作业区最上游泊位为溢油起点,距取水口流程约1.8 km,溢油事故发生后各断面油膜漂移扩散计算结果见图6。
图6 船舶溢油事故下石油油膜厚度和石油油膜扩散时间沿程变化趋势

Fig.6 Trends of oil film thickness and film diffusion time along water flow in oil spill scenario

考虑工程调水拖拽作用和主导风向影响,三峡175 m高水位运行工况下,油膜约经过9.1~10.6 h完成扩展,油膜临界厚度为0.028 mm,油膜从太平溪溢油起点全部扩散至龙潭溪取水口耗时15.4~17.0 h;三峡水库145 m低水位运行工况下,油膜经过8.6~8.9 h完成扩展,油膜临界厚度为0.028 mm,油膜从太平溪溢油起点全部扩散至龙潭溪取水口耗时10.6~10.8 h,见表7。
表7 船舶溢油事故下石油油膜扩散时间

Table 7 Oil film diffusion time in oil spill scenario

设计工况 临界厚度/
mm		 扩散完成时
间/h		 断面距溢油起点流程
距离/m
1 0.028 10.6
2 0.028 9.7 732
3 0.028 9.1
4 0.028 8.9
5 0.028 8.7 1 259
6 0.028 8.6

2.3 龙潭溪取水口水源保护区划分范围分析

根据《饮用水水源保护区划分技术规范》,保护区水域范围应大于主要污染物从现状水质浓度水平衰减到相关水质标准浓度所需距离。根据分析结果,太平溪作业区事故排放情况下,石油类从污染源到取水口方向1.3 km以内可由事故排放浓度降低至Ⅲ类目标浓度。
根据《宜昌市突发环境事件应急预案》,综合考虑信息初报、预警、先期处置、判断响应级别、启动分级响应、应急处置等环节,至少需要4 h应急响应时间。根据前述计算结果,油膜从作业区扩散到取水口时间(10.6~17.0 h)均大于应急响应时间,有足够的安全距离。以取水口向上游推算4 h内油膜传播流程,最不利工况下约为1.08 km。
综上,以龙潭溪取水口为中心划分饮用水水源保护区的径向距离应不小于上述2种方法计算结果,即应≥1.3 km。

3 结论与建议

本文结合水质保护和应急响应需求,研究提出引江补汉工程龙潭溪取水口水源保护区划分范围。研究结果表明,三峡主库区与龙潭溪库湾流场、流速差异明显,工程引水水质主要受龙潭溪库湾和三峡库区北侧水域影响。根据计算结果,COD、氨氮稀释和降解速度较快,衰减至背景浓度的距离不超过100 m,对取水口水质影响较小,主要影响引水水质指标为难以降解的石油类和油膜。以龙潭溪取水口为中心,采用水质模型计算、应急响应时间分析确定的饮用水水源保护区径向距离分别为1.3、1.08 km,能够为将来保护区划定提供技术支撑。
考虑水质保护和监督管理需求,建议保护区划分综合考虑地形特征、库区航道、工程征地范围等确定具体边界,并进一步研究和强化保护区管理与规范建设。

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