南水北调中线工程典型渠段一维水动力水质模拟与预测

水利水电技术第50卷2019年第2期易雨君，唐彩红，张尚弘.南水北调中线工程典型渠段一维水动力水质模拟与预测[J].水利水电技术，2019,50(2)：14-20.YI Yujun,TANG Caihong,ZHANG Shanghong.One-dimensional hydrodynamic simulation and water quality prediction of typical channel of the Middle Route of South-to-North Water Diversion Project[J].Water Resources and Hydropower Engineering,2019,50(2):14-20.南水北调中线工程典型渠段一维水动力水质模拟与预测易雨君I,唐彩红I,张尚弘2(1.北京师范大学水沙科学教育部重点实验室，北京100875； 2.华北电力大学可再生能源学院，北京102206)摘要：为了研究南水北调中线工程复杂水工建筑物影响下的水流特性以及对污染物在渠道内输移、衰减过程的影响，保证输水过程中的水质安全，分析了突发性污染事故潜在污染源特征，构建了南水北调中线工程典型输水渠段的一维水动力水质模型，模拟倒虹吸、节制闸、涵洞、隧洞、渡槽、公路桥6种水工建筑物影响下输水渠道内的水流特性，采用七里庄断面实测水位、流量、水质(总磷、氨氮)数据对模型进行了校核与验证；并运用该模型预测店北公路桥突发水污染事故时，3种输水流量、3种负荷、3种污染物泄露至渠道后污染物沿程分布规律。

结果表明：该模型能有效模拟复杂水工建筑物下的水动力和污染物输移特性，下车亭分水口处污染物浓度超标与否受输水流量和污染负荷共同影响。

针对分水口处水质指标浓度变化，提出合理、有效分水和退水方式，为保障南水北调中线工程输水水质安全提供参考。

关键词：南水北调工程；水工建筑物；水动力水质模型；水质预测doi:10.13928/ki.wrahe.2019.02.003中图分类号：X522文献标识码：A文章编号：1000-0860(2019)02-0014-07One-dimensional hydrodynamic simulation and water quality prediction of typical channelof the Middle Route of South-to-North Water Diversion ProjectYI Yujun1,TANG Caihong1,ZHANG Shanghong2(1.Ministry of Education Key Laboratory of Water and Sediment Science,School of Environment,Beijing Normal University,Beijing100875,China； 2.Renewable Energy School,North China Electric Power University,Beijing102206,China)Abstract:This study aims to explore flow characteristics through complex hydraulic structures in the Middle Route of the South-to-North Water Transfer Project,and how pollutants transport in the channels.A MIKE11one-dimensional hydrodynamic and wa­ter quality model is established.The model calibration and validation are conducted using measured water levels,discharges,and water quality data(total phosphorus,ammonia nitrogen)at Qilizhuang section.On the basis of hydraulic structures setting over study channel,potential pollution sources for transferred water is analyzed.Dianbei bridge is considered as the location occurred sudden pollution accidents.Total three steady discharges,three pollutants,and three loads of each pollutant are simulated em­ploying this model.Simulation result shows that the model is a good predictor for water flow and pollutants concentration for the study channel.Concentration of pollutants at Xiacheting diversion is affected by the input discharges and pollution loads.And al-收稿日期：2018-06-28基金项目：国家自然科学基金(51722901,51439001)；中央高校基本科研业务费专项资金资助作者简介：易雨君(1981—),女，教授，博士研究生导师，博士，主要从事流域水环境、水生态效应研究。

E-mail：yiyujun@易雨君，等〃南水北调中线工程典型渠段一维水动力水质模拟与预测so,reasonable suggestions are proposed to guarantee required water quality for water transfer projects.Keywords:South-to-North Water Diversion Project；hydraulic structures；hydrodynamic and water quality model；water quality prediction0引言南水北调中线工程由湖北丹江口水库引水向北京、天津等华北平原地区供水，为统一衬砌的人工渠道,以明渠输水为主，输水距离长，交叉建筑物数量多,结构复杂。

为保障南水北调中线工程输水过程中的水质安全，针对长距离输水工程复杂的渠道特性，以及其作为国民生活和经济发展的重要地位，学者们开展了大量的研究工作。

针对南水北调中线工程的特殊性和重要性，王浩等⑴提出了针对南水北调中线工程突发水污染事故的应急调控体系“数值模拟-评价诊断-溯源预测-应急调控-污染处置”，表明水动力水质模拟是保障中线工程输水安全的重要基础，突发污染事故的应急调控是保障中线工程输水水质安全的重要举措。

黄会勇等⑷、张成等⑶、丁志良等⑷建立了水力学模型，模拟闸门启闭速度对渠道水力的影响，阐明了节制闸对水流影响的物理过程，并针对中线工程突发水污染事故，对节制闸与退水闸的联合调度提出了建议。

崔巍等⑸以中线工程输水流量突然中断为典型突发事故，开展了事故渠段上游闸门群的应急联合调度研究。

吴怡等⑹通过建立非恒定流数值模型，分析分水退水工况对闸前水位变化的影响，确定了分水口流量变化幅度是导致分水口敏感的主要因素。

然而，上述研究主要关注中线工程突发污染事故的闸门应急调控下，不同调控流量、分退水方案对渠道水力过程的影响，未考虑突发事故情景下污染物在渠道内的输移特性，对保障输水水质安全不够全面。

忽略输水过程中的水质变化，仅仅考虑水源地水质,采用水质评价模型对中线工程水质进行预测，如卫召等E的研究，对于中线工程这类长距离明渠输水工程而言，也存在不足。

本研究从水力学角度考虑复杂建筑物下的水流特性，考虑了不同类型污染物在渠道内的水环境特性,将输水工程水动力模拟与突发污染事故下的水质模拟与预测相结合，基于MIK11构建一维水动力水质模型，在阐述渠道水力过程的基础上，考虑污染物的输移特性，模拟9种不同工况下3种典型污染物的浓度变化过程，根据不同污染物的特性，结合干渠分水口、退水口、节制闸的布设情况，提出适当的分退水措施，为输水工程突发应急响应提供有力参考，为闸门应急调控提供水环境依据。

1研究区概况南水北调中线京石段应急供水工程（简称京石段工程）是南水北调中线一期工程的重要组成部分，该工程与河北省岗南、黄壁庄、王快、西大洋4座水库相连，向北京应急供水，输水渠道以明渠为主，兼顾局部隧洞和管涵输水。

本文以西市一北拒马河全长42km的输水渠道作为研究渠段（见图1）,该渠道包含6座倒虹吸、2座节制闸、2座隧洞、2座涵洞、1座渡槽、2座分水口以及跨渠桥梁等，共40座水工建筑物，能够较好地反应中线工程复杂水工建筑物影响下的水流特性。

2模型理论MIKE11是丹麦水力研究所研发的一维水环境模拟软件，包含水动力、对流-扩散、降雨-径流、泥沙输移等模块，可模拟天然河流、人工渠道和灌溉系统的水力学和水环境特性，也可模拟堰、闸门、涵洞、桥梁等复杂水工建筑物下的水流特性[8-10],是目前运用最为广泛的河流一维水动力水质模型之一。

易雨君，等〃南水北调中线工程典型渠段一维水动力水质模拟与预测本文针对研究渠段水工建筑物多、水动力复杂等特 征，采用MIKE 11 HD 和AD 模块建立输水渠道一维水动力水质模型，模拟不同类型不同负荷污染物在渠道内的变化过程。

2. 1水动力模块一维水动力模型以水动力模块（MIKE 11 HD 模块）为基础，以基于垂向积分的物质守恒和动量守恒 方程的一维非恒定流Saint - Venant 方程组为基本控制理论，模拟渠道的水流状态，Saint - Venant 方程 组⑴］如下理*应dt dx(2)dtdh +gQ\Q\dx C 2AR=0式中，J %分别为计算点时间和空间的坐标；4为过水断面面积；Q 为过水流量；g 为旁侧入流流量；a 为动量校正系数；g 为重力加速度；C 为均扌齐系数，与渠 道糙率"和水力半径相关；h 为水位;R 为水力半径。

水动力模型采用有限差分数值方法求解，利用Abbott - Ionescu 六点隐式格式离散上述方程，该离散 格式在每一个网格节点并不同时计算水位和流量，而 是按顺序交替计算水位和流量，该格式为无条件稳定，可以在相当大的克朗数下保持计算稳定，离散后的线性方程组采用追赶法求解，可以取较长的时间步 长以节省计算时间。