长距离输水工程应对突发水污染事件的调控预案生成方法

摘要

本发明公开了长距离输水工程应对突发水污染事件的调控预案生成方法，包括以下步骤：(1)结合层次结构分析法，构建应急调控预案层次结构体系；(2)根据应急调控预案层次结构体系构建指标层判断矩阵A(1)和方案层判断矩阵A(2)；确定方案层中每个指标权重从而确定应急调控目标；(3)制定全输水段整体联动调控预案，本发明方法运用层次结构分析法构建了应急调控预案层次结构体系，分别以控制污染物范围和水力调控安全为目标提出不同的调控方案，决策者可根据调控技术、成本、可行性以及产生的影响快速有效的给出应急调控方案；可快速有效的处理突发水污染事件，最大限度的减小污染范围和程度，并为应急调控处置提供信息支持。

说明书

技术领域

本发明涉及长距离输水工程中的突发水污染事件应急调控领域，更具体的说，是涉及长 距离输水工程应对突发水污染事件的调控预案生成方法。

背景技术

长距离明渠输水工程是一项十分艰巨复杂的系统工程，由于输水距离长、沿线输水建筑 物分布多、控制站点多、要求实行不间断供水，因此调度和控制都很复杂。

以南水北调中线总干渠为例，其引水水质是由渠首丹江口水库的水质决定的，丹江口水 利枢纽工程位于湖北省汉江中上游，水库水质优良。丹江口水库上游存在一些污染源隐患， 但不会对丹江口水库水质造成大的危害。

据中国环境科学研究院等单位完成的“引水总干渠水质预测及保护”专题报告，总干渠 沿途的降水、降尘、面源污染以及温度变化等对总干渠水质的影响不大，在总干渠采取全线 立交、全线衬砌的情况下，干渠水质有较大的保证。

南水北调中线工程具有较好的水质，覆盖面积大，自然输水等优点。但是，中线总干渠 全线很长，沟通了长江、淮河、黄河以及海河四大流域，穿过众多河流、铁路、公路等。总 干渠沿线有许多建筑物，其中主要建筑物如表1所示。

表1

中线明渠段上桥梁甚多，出现交通事件的隐患大，将致使载有污染物质的车辆翻入干渠， 一旦形成突发性水污染事件，将严重危及总干渠水质安全。水污染事件发生突然、污染危害 大、难以控制，因此中线工程输水干线突发水污染事件应急调控预案的建立具有重要的实用 价值。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种涉及长距离输水工程应对突发水 污染事件的调控预案生成方法，本方法运用层次结构分析法构建了应急调控预案层次结构体 系，分别以控制污染物范围和水力调控安全为目标提出不同的调控方案，决策者可根据调控 技术、成本、可行性以及产生的影响快速有效的给出应急调控方案；该方法可快速有效的处 理突发水污染事件，最大限度的减小污染范围和程度，并为应急调控处置提供信息支持。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

长距离输水工程应对突发水污染事件的调控预案生成方法，包括以下步骤：

(1)结合层次结构分析法，构建应急调控预案层次结构体系；所述应急调控预案层次结 构体系中包含目标层、指标层和方案层，将应急调控预案作为目标层；将污染物发生位置、 污染范围、闸门运行状态、闸门调控时间、调控成本、调控可行性、调控后对社会的影响、 调控后对环境的影响和调控后对处置的影响这9项指标作为指标层；将水力调控安全和控制 污染范围作为方案层；

(2)根据应急调控预案层次结构体系构建指标层判断矩阵A⁽¹⁾和方案层判断矩阵A⁽²⁾；确 定方案层中每个指标权重从而确定应急调控目标；

(3)根据确定的应急调控目标，制定全输水段整体联动调控预案，所述全输水段整体联 动调控预案包括事故渠段上游段应急调控、事故渠段应急调控和事故渠段下游段应急调控； 所述事故渠段应急调控中，需要根据闭闸调控下污染物特征参数快速量化公式及条件，推算 出将污染物控制在事故发生渠段的闸门关闭历时。

步骤(2)中所述指标层判断矩阵A⁽¹⁾和方案层判断矩阵A⁽²⁾的构建是采用1-9标度方法。

步骤(2)中所述的应急调控目标包括：以水力调控安全为目标和以控制污染物范围为目 标。

步骤(3)中所述的全输水段整体联动调控预案由渠段编号、渠段名称、渠段桩号、渠段 分退水能力、得知污染物发生的时间、污染物发生位置和污染物类别等要素组成。

步骤(3)中所述的事故渠段上游段应急调控包含的主要指标为：渠段蓄水能力、处置时 间、引水流量和分退水能力；其调控方法为：根据渠段蓄水能力以及处置时间得到蓄水流量， 再根据蓄水流量、引水流量和分退水能力得到闸门调节流量，采用同步联动调控方式调节闸 门开度。

步骤(3)中所述的事故渠段应急调控包含的主要指标为：污染物特征参数、事故渠段的 2倍水波传播时间；其调控方法为：采用同步闭闸调控时，根据污染物特征参数快速量化公 式及条件，推算出将污染物控制在事故发生渠段的闸门关闭历时，将推算出的闸门关闭历时 与事故渠段的2倍水波传播时间作对比：

a)推算出得闸门关闭历时大于2倍水波传播时间，则实际闸门关闭历时为2倍水波传播 时间，此时将污染物控制在事故渠段；

b)推算出的闸门关闭历时小于2倍水波传播时间，若以水力安全为目标，则实际闸门关 闭历时为2倍水波传播时间，此时将污染物控制在事故发生的下一渠段；若以控制污染范围 为目标，则实际闸门关闭历时为推算的出闸门关闭历时，此时将污染物控制在事故渠段。

步骤(3)中所述的事故段下游段应急调控包含的主要指标为：渠段输水流量、所需供水 流量、渠段蓄水体积；其调控方法为：根据渠段输水流量、所需供水流量，得到闸门调节流 量，采用同步联动调控方式调节闸门开度；之后根据渠段蓄水体积和供水流量，得到渠段供 水时间。

步骤(3)中所述的污染物特征参数快速量化公式及条件为：

1)可溶性污染物特征参数快速量化公式：

式中，C_m-污染物峰值浓度，mg/L；D-污染物峰值输移距离，m；v-渠池内平均流速，m/s； T^close-闸门关闭时间，s；T^b-事故渠段内水波传播时间s；T-传播时间，是从发生污染那一时刻 开始计时，s；W-污染物纵向长度，m；Q-突发事故段的流量，m³/s；M-污染物投放量，t； E_x-污染物所在渠段的弥散系数，m²/s；

2)漂浮油类特征参数控制条件：

控制油膜下潜的条件：①首先控制渠段输水流速不超过0.8m/s：流速0.7～0.8m/s，闸门 吃水深度为0.55m；流速0.5～0.7m/s，闸门吃水深度为0.4～0.55m；低于0.5m/s，闸门吃水深 度为0.35～0.4m；②倒虹吸进口不产生漩涡。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

采用本发明方法，一旦长距离输水工程发生突发水污染事件，决策者可以快速、有效地 得到控制污染物扩散范围，并且可以预测出整个调控过程中污染物浓度变化情况，为突发水 污染事件应急处置提供信息支持，最大限度的减小污染范围和程度，减小污染事件的影响。

附图说明

图1是本发明应急调控预案层次结构体系示意图。

图2是本发明全输水段整体联动调控预案体系示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的和优点更加清楚，下面将结合附图与具体实例对本发明做详细的论述：

首先构建应急调控预案层次结构体系，如图1所示，该体系中包含目标层V、指标层A 和方案层B，将应急调控预案作为目标层V；将污染物发生位置A₁、污染范围A₂、闸门状态 A₃、闸门调控时间A₄、成本A₅、可行性A₆、对社会的影响A₇、调控后对环境的影响A₈以及 对处置的影响A₉这9项指标作为指标层A；将水力调控安全B₁和控制污染范围B₂作为方案 层B；

接下来根据图1中应急调控预案层次结构体系构建指标层判断矩阵A⁽¹⁾和方案层判断矩 阵A⁽²⁾；确定方案层B中每个指标权重，权重解析过程如下：

(1)建立V-A层(指标层)判断矩阵A⁽¹⁾

对于总目标V，指标层各指标构造判断矩阵A⁽¹⁾，判断矩阵的构造采用Saaty引用的1-9 标度方法，如表2所示，求解最大特征值为特征向量(权重)为W⁽¹⁾。

$A^{\left(1\right)}=\left(\begin{array}{ccccccccc}{a}_{11}& a_{12}& a_{13}& a_{14}& a_{15}& a_{16}& a_{17}& a_{18}& a_{19}\\ a_{21}& a_{22}& a_{23}& a_{24}& a_{25}& a_{26}& a_{27}& a_{28}& a_{29}\\ a_{31}& a_{32}& a_{33}& a_{34}& a_{35}& a_{36}& a_{37}& a_{38}& a_{39}\\ a_{41}& a_{42}& a_{43}& a_{44}& a_{45}& a_{46}& a_{47}& a_{48}& a_{49}\\ a_{51}& a_{52}& a_{53}& a_{54}& a_{55}& a_{56}& a_{57}& a_{58}& a_{59}\\ a_{61}& a_{62}& a_{63}& a_{64}& a_{65}& a_{66}& a_{67}& a_{68}& a_{69}\\ a_{71}& a_{72}& a_{73}& a_{74}& a_{75}& a_{76}& a_{77}& a_{78}& a_{79}\\ a_{81}& a_{82}& a_{83}& a_{84}& a_{85}& a_{86}& a_{87}& a_{88}& a_{89}\\ a_{91}& a_{92}& a_{93}& a_{94}& a_{95}& a_{96}& a_{97}& a_{98}& a_{99}\end{array}\right);W^{\left(1\right)}=\left(\begin{array}{c}{w}_1^{\left(1\right)}\\ w_2^{\left(1\right)}\\ w_3^{\left(1\right)}\\ w_4^{\left(1\right)}\\ w_5^{\left(1\right)}\\ w_6^{\left(1\right)}\\ w_7^{\left(1\right)}\\ w_8^{\left(1\right)}\\ w_9^{\left(1\right)}\end{array}\right)$

其中元素a_ij＞0(称为正矩阵)，i,j＝1,2,3,4,5,6,7,8,9，并且满足下列三个条件：

①a_ii＝1,②③i,j,k＝1,2,3,4,5,6,7,8,9；

标度 定义 含义 1 同样重要 两元素对某准则同样重要 3 稍微重要 两元素对某准则，一元素比另一元素稍微重要 5 明显重要 两元素对某准则，一元素比另一元素明显重要 7 强烈重要 两元素对某准则，一元素比另一元素强烈重要 9 极端重要 两元素对某准则，一元素比另一元素极端重要 2,4,6,8 相邻标度中值 表示相邻两标度之间折衷时的标度 上列标度倒数 反比较 元素i对元素j的标度为a_ij，反之为l/a_ij

表2

⑵建立A-B层(方案层)判断矩阵A⁽²⁾

对于各指标A₁、A₂、A₃、A₄、A₅、A₆、A₇、A₈、A₉，构造判断矩阵分别为最大特征值分别为特征向量(权重)分别为

⑶对每个判断矩阵进行一致性检验：

第一步：求出一致性指标(m表示阶数)；

第二步：查表得到平均随机一致性指标R.I(见表3)；

阶数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 R.I. 0 0 0.52 0.89 1.12 1.26 1.36 1.41 1.46 1.49 1.52 1.54 1.56 1.58 1.59

表3

第三步：计算一致性比率即：一致性指标C.I与同阶平均随机一致性指标R.I的比较值 $C.R=\frac{C.I}{R.I}$

当C.R≤0.1时，接受判断矩阵，否则，修改判断矩阵。

⑷指标层关于总目标的权重向量为：

$\left(\begin{array}{c}{W}^{\left(2\right)}=P^{\left(2\right)}\times W^{\left(1\right)}=\left(\begin{array}{ccccccccc}{P}_1^{\left(2\right)}& P_2^{\left(2\right)}& P_3^{\left(2\right)}& P_4^{\left(2\right)}& P_5^{\left(2\right)}& P_6^{\left(2\right)}& P_7^{\left(2\right)}& P_8^{\left(2\right)}& P_9^2\end{array}\right)\times W^{\left(1\right)}\\ =\left(\begin{array}{ccccccccc}{P}_1^{\left(2\right)}& P_2^{\left(2\right)}& P_3^{\left(2\right)}& P_4^{\left(2\right)}& P_5^{\left(2\right)}& P_6^{\left(2\right)}& P_7^{\left(2\right)}& P_8^{\left(2\right)}& P_9^2\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{w}_1^{\left(1\right)}\\ w_2^{\left(1\right)}\\ w_3^{\left(1\right)}\\ w_4^{\left(1\right)}\\ w_5^{\left(1\right)}\\ w_6^{\left(1\right)}\\ w_7^{\left(1\right)}\\ w_8^{\left(1\right)}\\ w_9^{\left(1\right)}\end{array}\right)\end{array}\right)$

⑸结果分析：根据指标层权重向量，判断哪个方案的权重值大，选取哪个方案。

每种方案都是结合输水干渠实际情况，分别针对事故渠段上下游段和事故渠段做出应急 调控。在预案库建立过程中，基于应急调控指标的确定方法，形成全输水段整体联动调控预 案体系，如图2所示：

全输水段整体联动调控预案主要包含三部分调控：事故渠段上游段应急调控、事故渠段 应急调控、事故渠段下游段应急调控；

事故段上游段应急调控指标主要包括：渠段蓄水能力、处置时间、引水流量和分退水能 力，主要调控方法为：根据渠段蓄水能力以及处置时间得到蓄水流量，再根据蓄水流量、引 水流量和分退水能力得到闸门调节流量，采用同步联动调控方式调节闸门开度；

事故渠段应急调控包含的主要指标为：污染物特征参数、事故渠段的2倍水波传播时间； 主要调控内容为：采用同步闭闸调控时，根据污染物特征参数快速量化公式及条件，推算出 将污染物控制在事故发生渠段的闸门关闭历时，将推算出的闸门关闭历时与事故渠段的2倍 水波传播时间作对比：

a)推算出得闸门关闭历时大于2倍水波传播时间，则实际闸门关闭历时为2倍水波传播 时间，此时将污染物控制在事故渠段；

b)推算出的闸门关闭历时小于2倍水波传播时间，若以水力安全为目标，则实际闸门关 闭历时为2倍水波传播时间，此时将污染物控制在事故发生的下一渠段；若以控制污染范围 为目标，则实际闸门关闭历时为推算的出闸门关闭历时，此时将污染物控制在事故渠段。

闭闸调控下污染物特征参数快速量化公式及条件为：

1)可溶性污染物特征参数快速量化公式：

式中，C_m-污染物峰值浓度，mg/L；D-污染物峰值输移距离，m；v-渠池内平均流速，m/s； T^close-闸门关闭时间，s；T^b-事故渠段内水波传播时间s；T-传播时间，是从发生污染那一时刻 开始计时，s；W-污染物纵向长度，m；Q-突发事故段的流量，m³/s；M-污染物投放量，t； E_x-污染物所在渠段的弥散系数，m²/s；

2)漂浮油类特征参数控制条件：

控制油膜下潜的条件：①首先控制渠段输水流速不超过0.8m/s：流速0.7～0.8m/s，闸门 吃水深度0.55m；流速0.5～0.7m/s，闸门吃水深度0.4～0.55m；低于0.5m/s，闸门吃水深度 0.35～0.4m；②倒虹吸进口不产生漩涡。

事故段下游段应急调控指标主要包括：渠段输水流量、所需供水流量、渠段蓄水体积， 主要调控内容为：根据渠段输水流量、所需供水流量，得到闸门调节流量，采用同步联动调 控方式调节闸门开度；然后根据渠段蓄水体积和供水流量，给出渠段供水时间。

以南水北调中线干渠中严陵河节制闸(048+741)至洪河节制闸(074+662)段为例，该 渠段输水流速为0.8864m/s，输水流量为340m³/s；假定2014年5月20日，在距陶岔50km 处载有10t苯酚车辆翻入干渠，造成突发水污染事件，水污染事件发生后相关人员立刻得到 通知，已知在事故处上游1259m处是严陵河节制闸，事故处下游25921m处是洪河节制闸； 在得知水污染事件发生后，决策者根据层次结构分析法判断出所需方案，然后根据中线突发 水污染事件应急调控预案，可给出应急调控预案。

⑴V-A层(指标层)判断矩阵A⁽¹⁾

对于总目标V，指标层构造判断矩阵A⁽¹⁾，求解最大特征值特征向量(权重)W⁽¹⁾。

$A^{\left(1\right)}=\left(\begin{array}{ccccccccc}1& 1/5& 3& 1/3& 1/3& 1/5& 1/5& 1/5& 1/5\\ 5& 1& 3& 3& 3& 1& 1& 1& 3\\ 1/3& 1/3& 1& 1/3& 1/3& 1/3& 1/3& 1/3& 1/3\\ 3& 1/3& 3& 1& 1& 1/3& 1/3& 1/3& 1/3\\ 3& 1/3& 3& 3& 3& 1/3& 1/3& 1/3& 1/3\\ 5& 1& 3& 3& 3& 1& 3& 3& 3\\ 5& 1& 3& 3& 3& 1/3& 1& 1& 3\\ 5& 1& 3& 3& 3& 1/3& 1& 1& 3\\ 5& 1/3& 3& 3& 3& 1/3& 1/3& 1/3& 1\end{array}\right){\lambda }_{\max }^{\left(1\right)}=10.07385W^{\left(1\right)}=\left(\begin{array}{c}0.03267\\ 0.17587\\ 0.03399\\ 0.05539\\ 0.07071\\ 0.22451\\ 0.15566\\ 0.15566\\ 0.09553\end{array}\right)$

一致性检验：

$C.I=\frac{{\lambda }_{\max }-m}{m-1}=\frac{10.07385-9}{9-1}=0.134231$

$C.R=\frac{C.I}{R.I}=\frac{0.134231}{1.46}0.0919398<0.1$

判断矩阵A⁽¹⁾满足一致性检验。

⑵A-B层(方案层)判断矩阵A⁽²⁾

对于各指标A₁、A₂、A₃、A₄、A₅、A₆、A₇、A₈、A₉，构造判断矩阵分别为最大特征值分别为特征向量(权重)分别为判断矩阵分别为：$A_1^{\left(2\right)}=\left(\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& 1\end{array}\right),A_2^{\left(2\right)}=\left(\begin{array}{cc}1& \frac{1}{3}\\ 3& 1\end{array}\right),A_3^{\left(2\right)}=\left(\begin{array}{cc}1& 3\\ \frac{1}{3}& 1\end{array}\right),A_4^{\left(2\right)}=\left(\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& 1\end{array}\right),A_5^{\left(2\right)}=\left(\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& 1\end{array}\right),A_6^{\left(2\right)}=\left(\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& 1\end{array}\right),$$A_7^{\left(2\right)}=\left(\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& 1\end{array}\right),A_8^{\left(2\right)}=\left(\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& 1\end{array}\right),A_9^{\left(2\right)}=\left(\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& 1\end{array}\right)$

最大特征值分别为：${\lambda }_{1\max }^{\left(2\right)}=2,{\lambda }_{2\max }^{\left(2\right)}=2,{\lambda }_{3\max }^{\left(2\right)}=2,{\lambda }_{4\max }^{\left(2\right)}=2,{\lambda }_{5\max }^{\left(2\right)}=2,{\lambda }_{6\max }^{\left(2\right)}=2,{\lambda }_{7\max }^{\left(2\right)}=2,{\lambda }_{8\max }^{\left(2\right)}=2,$${\lambda }_{9\max }^{\left(2\right)}=2$

特征向量(权重)分别为：$P_1^{\left(2\right)}=\left(\begin{array}{c}0.5\\ 0.5\end{array}\right),P_2^{\left(2\right)}=\left(\begin{array}{c}0.25\\ 0.75\end{array}\right),P_3^{\left(2\right)}=\left(\begin{array}{c}0.75\\ 0.25\end{array}\right),P_4^{\left(2\right)}=\left(\begin{array}{c}0.5\\ 0.5\end{array}\right),P_5^{\left(2\right)}=\left(\begin{array}{c}0.5\\ 0.5\end{array}\right),$$P_6^{\left(2\right)}=\left(\begin{array}{c}0.5\\ 0.5\end{array}\right),P_7^{\left(2\right)}=\left(\begin{array}{c}0.5\\ 0.5\end{array}\right),P_8^{\left(2\right)}=\left(\begin{array}{c}0.5\\ 0.5\end{array}\right),P_9^{\left(2\right)}=\left(\begin{array}{c}0.5\\ 0.5\end{array}\right)$

⑶一致性检验：

$C.I_1=C.I_2=C.I_3=C.I_4=C.I_5=C.I_6=C.I_7=C.I_8=C.I_9=\frac{{\lambda }_{max}-m}{m-1}=\frac{2-2}{2-1}=0;$

判断矩阵满足一致性检验。

⑷指标层关于总目标的权重向量为：

$W^{\left(2\right)}=P^{\left(2\right)}\times W^{\left(1\right)}=\left(\begin{array}{c}0.4645\\ 0.5355\end{array}\right)$

结果表明控制污染范围是最满意的方案。根据决策者选定的方案，以控制污染物范围为 首要目标，需要92min同时关闭严陵河节制闸和洪河节制闸，苯酚可完全控制在事故渠池内， 其中闭闸结束后，苯酚峰值向前输移5223m，最终最高浓度为38mg/L，纵向影响范围是 13852m，同时苯酚溶液前缘距洪河节制闸的距离是14413m。严陵河节制闸上游渠段通过闸 门调控和石家分水口分水可保证输水流量为215m³/s，可为处置提供5.87小时；洪河节制闸 下游渠段以200m³/s流量供水可供343.81小时。