南水北调中线一期工程以解决沿线主要城市供水为目标, 已于2012年12月12日正式通水。截至2016年12月12日, 南水北调中线工程已累计向受水区完成调水62.5亿m³, 惠及4 700万人, 成为许多城市主力水源^[1]。受水区城市形成多水源供水格局, 城市供水保障加强, 供水水质得到改善, 沿线城市地下水压采明显。同时, 还向水库、河道进行了生态补水, 生态环境效益显著。

　　 南水北调中线工程在发挥工程效益的同时, 也由于工程设计本身对长距离人工输水渠道水环境生态系统考虑不周, 导致中线工程原水输送存在安全风险, 对城市供水安全造成不利影响。笔者曾在《给水排水》2016年第4期发表了“南水北调中线输水水质水量变化特征及城市供水应对措施建议”^[2], 文章在总结中线工程运行一年来实际经验的基础上, 分析了中线工程来水水质和水量特征及存在的问题, 提出了城市供水安全的应对措施建议。在此基础上, 本文结合中线调水工程设计和运行特征, 总结输水过程中原水水质变化规律, 研究中线工程原水输送过程中存在的安全风险, 分析对城市供水安全保障的影响, 并提出有针对性的应对措施建议。

　　 南水北调中线工程是由明渠、渠道渡槽、渠道倒虹吸、暗渠、隧洞、有压管涵和若干控制建筑物等构成的复杂输水系统。沿线共有64座节制闸, 设有95座分水口门;54座退水闸, 设有88座分水口门。中线总干渠输水线路长、调水规模大, 沿线无在线调节水库, 采用闸前常水位的运行方式, 运行中允许的水位波动小, 运行条件要求较高。另外, 中线干渠采用半封闭的防护措施, 输水渠道采用全断面混凝土衬砌, 部分渠段采用土工膜进行防渗, 避免污染的地下水渗入渠道, 明渠段与沿线河道全部采用立交方式^[3], 地表外源污染难以进入渠道。

　　 中线总干渠全线重力自流输水。陶岔渠首设计水位147.38m, 北京末端的水位484.57m, 天然总水头98.81m, 输水总干线长达1 277km, 输水干线单位长度平均水头仅0.077m/km。渠道综合糙率0.015, 设计工况下, 输水渠道内水流平均流速为0.8~1.2m/s。实际上, 由于城市配套供水工程建设滞后, 受水区很多城市暂时“用不上”南水北调水, 中线工程实际调水量低于设计规模, 中线干渠水流流速低于设计流速, 实际平均流速仅为0.5m/s, 呈缓慢推流式前进, 水动力条件弱, 从陶岔渠首到北京团城湖的实际水流时间约30天。

　　 中线渠道底宽7~29m, 设计水深3~8m。由于从水库调水, 中线原水浊度较低, 水体透明度高, 光照条件好。另外, 中线渠道为混凝土衬砌, 全线闸控众多, 水生植物和鱼类相对较少, 干渠水体生物群落以菌-藻-小型水生动物为主。与调水源头丹江口水库相比, 中线干渠生物群落多样性相对简单, 呈现一种半封闭的非稳定生态系统。

　　 根据南水北调中线沿线27个监测断面2015年水质监测数据, 氨氮<0.15 mg/L, 总磷<0.035mg/L, 高锰酸盐指数<3 mg/L, 总氮<1.5 mg/L, 因此除总氮以外, 中线干渠原水水质可达到地表水环境质量标准Ⅱ类要求。从水体富营养化指数看, 中线干渠水体呈中营养状态, 存在藻类生长增殖的条件;从水质指标沿程变化看, 总氮、氨氮、总磷、高锰酸盐指数和富营养化指数沿程缓慢升高。

　　 考虑到中线干渠全线半封闭式防护, 地表外源污染进入中线干渠的可能性小, 干渠水质指标沿程缓慢升高可能是由于中线沿线大气沉降造成的污染。有研究结果表明大气沉降会对水环境造成污染。王汪飞等^[4]对杭嘉湖地区大气氮沉降研究结果表明, 2013年9月~2014年8月通过大气氮沉降向水域中直接输入氮6 038.4t, 相当于农业污染源入河湖氮总量的39.6%;翟水晶等^[5]对太湖大气氮沉降特征研究结果表明, 2007年太湖北部梅梁弯总氮的年总沉降量为6 958t, 太湖大气氮沉降量已经远超太湖湖泊生态系统理论允许值, 极易造成太湖氮污染, 改变太湖水质及生态服务功能。可见, 大气沉降对水环境的影响不容小觑。结合2010年中国大气氮沉降空间分布特征研究结果^[6], 南水北调中线干渠正是处于我国大气氮沉降的高值区域, 因此推测大气沉降是造成中线沿线水质指标升高的重要原因。

　　 对南水北调沿线接纳“南水”的主要城市水厂原水进行了分析, 2015年主要水质如图1所示。由图1可知, 水温变幅较大, 主要受气温变化影响;pH为8左右, 呈弱碱性;水中溶解氧基本饱和;浊度较低, 一般低于3NTU;高锰酸盐指数2mg/L左右, 有机物含量低。另外, 原水中硫酸盐29.9~37.7mg/L, 氯化物10.5~15.9mg/L, 碱度80~110mg/L, 水的腐蚀性较弱, 化学稳定性好;硬度 (以碳酸钙计) 150mg/L左右, 硬度适宜。

　　 对郑州、石家庄、保定、北京、天津等中线工程受水区城市水厂接纳的中线原水, 开展了包括《生活饮用水卫生标准》 (GB 5749-2006) 、《地表水环境质量标准》 (GB 3838-2002) 规定指标, 以及WHO、EPA等关注的新兴污染物在内的共计200项水质指标分析, 图2给出了部分水质指标与全国水源水平的对比情况。结果表明, 中线原水水质非常规指标、特定项目未检出或远低于标准限值要求;新兴污染物指标处于极低浓度水平, 总体上低于全国水源水平。可见, 中线原水水质总体优良, 具有浊度低、有机物低、腐蚀性弱、硬度适宜等特征, 可作为城市优质水源。然而, 由于受中线工程水文条件、自然条件、运行特征等因素影响, 中线原水水质也存在一些安全风险^[2]。如何科学认知这些风险, 进而化解风险, 对充分发挥南水北调中线工程效益至关重要。

　　 中线干渠调水工程的设计和运行特征决定了在调水过程中存在两个方面的原水风险。一是相对于丹江口水库, 中线干渠是一种半封闭式非稳定的人工生态系统, 生物群落生境发生了显著变化, 具体表现为:①由相对静止的深层水体向缓流的浅池高透明度水体转变, 光照条件变好;②生物群落多样性相对简单, 以菌-藻-小型水生动物为主, 水生植物和鱼类较少。在这种非稳定的人工生态系统中, 由于生物生境和生物链的变化, 会使得生物群落结构改变, 优势种群发生变化, 特别是一些低等的水生生物, 如藻类、贝类等, 可能出现大量生长增殖的风险。二是中线工程无在线调节水库, 由于中线来水过程不均匀以及干渠工程检修等原因, 导致中线工程势必存在断水或停水风险。

　　 2015年以来, 中线干渠藻类沿程生长增殖, 藻密度沿程升高, 均值由200万个/L增长到1 500万个/L;叶绿素a浓度由陶岔渠首2~6μg/L到天津分水口门处升高至10~16μg/L。2016年6月, 在总干渠郑湾、天津外环河、北京惠南庄等监测断面发现在3~4天的时间内, 叶绿素a浓度出现了突然升高到迅速回落的剧变过程, 叶绿素a浓度最高达到37.1μg/L。

　　 图3给出了2015年中线干渠各月平均藻密度变化情况。由图3可知, 中线干渠存在3个阶段的藻类生长增殖期:第一阶段藻类增殖期发生在春季3~5月, 随着水温升高 (10~20℃) , 藻类增长, 持续时间近3个月, 藻密度增长到全年最高;第二阶段增殖期发生在夏季5~7月, 在第一阶段增殖期衰退8~10天后又出现增长;第三阶段增殖期发生在秋季10~11月, 持续时间最短。平均藻密度的数量变化范围为数百万个/L到千万个/L。中线干渠具有藻类生长繁殖的适宜条件, 如原水中适宜的营养元素、充足的光照、适宜的水温、缓慢的水流等, 是造成藻类沿线增殖的主要原因。

　　 2015年总干渠藻种类相对比例如图4所示。由图4可知, 中线干渠原水优势藻类是硅藻和绿藻, 春冬季硅藻相对占优, 夏秋季绿藻为主。百万个/L到千万个/L数量级的藻类中, 硅藻对水厂处理的影响相对较大^[7]。中线原水藻类镜检结果显示, 硅藻主要优势藻属为巴豆脆杆藻、针杆藻、直链藻和舟形藻, 这些藻的个体尺寸通常在数百微米, 体型大, 具有无机硅质外壳, 环境耐受力强;藻体表面带负电, 表面zeta电位为-30~-40mV, 稳定性好;密度小, 悬浮于水体中难以下沉。含有硅藻的原水, 混凝沉淀效果不好, 主要表现为混凝矾花细小、松散, 沉降困难, 沉降后容易携气泡上浮;混凝沉淀效果差导致大量藻类进入滤池, 堵塞滤池, 造成反冲洗周期缩短, 产水量大幅下降。

　　 国内一些水厂曾发生过硅藻堵塞滤池造成产水量下降的事件。2011年春季, 深圳市宝安区半数以上的水厂原水中都出现了尖针杆藻剧增的现象, 造成了滤池堵塞, 过滤时间由24h缩减至8~9h甚至3~4h, 导致产水量大幅下降^[8]。2011年春末, 嘉陵江重庆段硅藻暴发性生长, 持续时间2周左右, 期间尖针杆藻数量达 (2.5~3.2) ×10⁶个/L, 占硅藻总数的70%~80%, 造成硅藻严重堵塞水厂滤池, 导致水厂不能正常产水^[9]。2015年5~7月, 以南水北调水为水源的郑州某水厂原水巴豆脆杆藻增加, 达到1.2×10⁶个/L, 导致滤池堵塞频繁, 反冲洗周期缩短一半。

　　 沼蛤, 俗称淡水壳菜, 属双壳纲、异柱目、贻贝科底栖动物, 对环境适应能力极强, 其幼体随水流动, 成贝分泌强壮的足丝束, 高密度稳定附着在阴暗基质上生长, 在适宜的水流 (流速0.4~0.9 m/s) 中, 以鳃滤食水中微小生物如藻类 (绿藻、裸藻) 、细菌、原生动物和有机碎屑等为生^[10]。在水温16~28℃时繁殖^[11], 发育过程历经胚胎—担轮幼虫—面盘幼虫—踯行期稚贝—成贝, 幼虫阶段为浮游生物, 体长100~500μm, 成贝体长20~30 mm, 壳薄坚硬, 可存活2~10年, 在我国南北方地区都出现过^[12]。

　　 丹江口水库存在沼蛤, 其幼虫在春、夏季大量出现。南水北调中线输水管渠为沼蛤提供了良好的生长繁殖环境。中线输水工程除明渠外, 还有渡槽、倒虹吸、暗渠、隧洞、管涵等水工建筑, 为沼蛤附着生长提供了避光的附着基质;中线输水平均流速为0.5m/s, 正是沼蛤生长繁殖的适宜水流环境, 既能为其提供丰富的食物, 又不对其附着生长造成影响。同时, 在中线渠道中缺少沼蛤天敌和食物竞争, 容易发生沼蛤入侵输水通道后肆意扩张的局面。另外, 在春、夏季, 水温处于16~28℃范围, 适宜沼蛤繁殖。因此, 南水北调中线输水管渠存在沼蛤大量附着生长繁殖的风险。在一些长距离、跨流域输水工程中, 也曾出现过沼蛤入侵到输水通道, 在水工构筑物壁面上密集附着生长繁殖的现象。例如, 向深圳供水的东江水源输水工程管线遭受到沼蛤入侵的困扰, 管道、箱涵、隧洞等结构壁面上有大量沼蛤附着^[13];2009年, 北京十三陵抽水蓄能电站中重要结构上也发生了沼蛤入侵^[14], 这意味着沼蛤可以适应北方气候环境在水利工程中蔓延入侵。事实上, 2016年在南水北调中线干渠某倒虹吸内壁上也发现了大量成团状生长的沼蛤 (见图5) , 其大量生长繁殖风险初见端倪。

　　 沼蛤大量增殖会堵塞污损输水管渠。在水流条件适宜, 食物丰富, 又缺乏天敌的人工输水系统中, 沼蛤极易层层叠叠高密度附着, 厚度达数十厘米, 造成管渠过流断面面积减小, 糙率系数增加, 导致输水效率下降。同时, 还会造成管渠壁面腐蚀脱落, 影响管渠结构安全。另外, 大量沼蛤新陈代谢活动会消耗水中溶解氧, 代谢产物排放还会导致原水氨氮和总氮浓度升高, 死亡腐烂变质会造成水质恶化, 脱落后的沼蛤进入水厂造成水处理构筑物堵塞^[15]。

　　 南水北调中线来水过程不均匀, 在枯水年份特枯月份, 南水北调中线来水存在断水情形^[2]。根据《河南省南水北调受水区供水配套工程可行性研究报告》, 河南受水区中线来水过程与城市均匀需水过程不完全匹配, 以42年共1 512个旬历史数据统计, 旬可调水量大于规划调水量的仅占总旬数的50%, 枯水年份连续2~3个月不供水的年份有3年, 连续4个月不供水的年份有2年。另外, 中线工程长时间运行后, 干渠底部难免会有沉积物 (泥沙、藻类) , 一方面会造成渠道糙率系数增大, 降低水动力;另一方面, 沉积物容易大块上浮, 影响水体感官, 因此中线工程需要定期清理底层沉积物。同时, 工程构筑物和设备也需要定期检修维护, 这些都有可能造成中线工程停水。

　　 由于中线工程现在无调节水库, 受水区城市目前基本没有调蓄设施, 以南水北调中线水源为主要或单一水源的城市水厂 (特别是河北、河南县城水厂) 面临水源断水或停水的风险。

　　 针对南水北调中线工程原水风险, 为做好受水区城市供水安全保障工作, 建议采取以下应对措施:

　　 (1) 对于当地具有地表水源的城市, 南水北调工程配套水厂应具备本地地表水源与南水北调水源的连通工程, 实现多水源联合调度;对于原来仅有地下水供水的城市, 南水北调工程配套水厂应设置厂前调蓄池, 存储城市数天的用水量, 保障水源应急切换期间的城市供水, 原地下水供水工程热备以备应急启用。

　　 (2) 在中线干渠中采取物理和生态措施控制沼蛤增殖^[16]。在倒虹吸、暗渠 (管) 前端, 设置沉降池, 利用沼蛤幼虫的沉降特性, 沉降水中沼蛤幼虫予以灭活;选择适宜区域进行围栏, 在其中安装竹排、土工布等附着材料, 吸引沼蛤附着, 同时放养捕食淡水壳菜的鱼类, 如鲤鱼、青鱼、三角鲂、草鱼、鲢鱼等来控制和减少淡水壳菜, 这些措施也可加强对水中藻类的控制。

　　 (3) 在倒虹吸或暗渠 (管) 前端, 设置氧化剂 (液氯、二氧化氯、高锰酸钾、次氯酸钠等) 投加设施, 在藻类、沼蛤增殖期间连续投加预氧化剂予以控制, 既可预防和防治沼蛤在管渠内壁附着生长, 又有利于后续水厂对藻的处理。

　　 (4) 水厂应设置细格栅或滤网, 拦截输水过程中脱落的沼蛤, 避免堵塞水处理构筑物;具备预氧化 (投加液氯、二氧化氯等预氧化剂) , 以及投加多种混凝剂 (助凝剂) 的条件, 以强化对藻的混凝沉淀效果, 最大限度减轻滤池堵塞。

　　 南水北调中线工程效益显著, 但由于工程设计和建设时, 对人工渠道生态系统特征考虑不足, 中线工程本身存在原水风险, 科学认知风险、化解风险对充分发挥中线工程效益至关重要。

　　 结合对中线工程实际运行情况的跟踪研究, 认为藻类沿程增殖 (百万个/L数量级的体型较大硅藻) 、淡水壳菜附着生长、渠道检修、来水过程不均衡导致的停水断水是中线原水的主要风险, 同时有针对性地提出了供水安全保障应对建议。然而, 中线输水是一项复杂的系统工程, 其后续运行具有很多不确定性, 可能还会导致中线原水存在其他风险, 本文抛砖引玉, 希望更多的学者和工程人员研究和关注中线工程, 为南水北调中线工程正常运行、充分发挥其工程效益献计献策。