涇河甘陜緩沖區納污能力淺析

王海強，馬 康

（咸陽水文水資源勘測中心，陜西 咸陽712000）

1 概況

涇河甘陜緩沖區內有豐富的煤礦資源，隨著煤炭資源開發利用，區域內用水需求不斷增加，隨之排水加大了甘陜緩沖區水資源承載力，同時涇河省界的污染主要是涇河上游入境及馬蓮河入境的影響，造成對涇河甘陜緩沖區水資源水質變化加劇，在保護涇河水環境前提下，高質量發展，符合現有的發展趨勢，隨著水污染防治工作的不斷推進，涇河水質的不斷改善，根據目前經濟和水生態的發展布局需要，明確水功能區達標情況，結合景村水文站的長系列水文資料，綜合考慮河流支流匯入、排污口設置等因素，對涇河甘陜緩沖區納污能力及限排總量進行了水文分析計算，并核定該甘陜緩沖區納污能力及限排總量。

2 納污水域概況

涇河是黃河的二級支流，是渭河的最大支流，發源于寧夏回族自治區涇源縣六盤山東麓，于陜西省高陵縣境內注入渭河，全長455 km，流域面積45421 km2，是彬長礦區的最大過境河流。涇河干、支流河道呈羽狀展布，從整個流域而言，絕大部分支流分布于干流中、上游地區。涇河流域橫跨黃土塬區，整個流域大致呈扇形分布，總體地形西北高、東南低。

涇河流域的水功能區劃涉及寧夏回族自治區、甘肅省和陜西省。根據黃河流域水功能區劃成果，涇河流域一級水功能區有32個，涉及涇河干流及11條支流；二級水功能區22個，涉及涇河干流及8條支流。

按照《全國重要江河湖泊水功能區劃（2011-2030）》《陜西省水功能區劃》（2004）涇河水功能區在咸陽劃分為兩段，分為水功能一級區和水功能二級區。涇河水功能區見圖1。

圖1 涇河水功能區劃圖

3 涇河甘陜緩沖納污能力計算

涇河甘陜緩沖區納污能力計算步驟：①分析設計流量，確定區段設計流量Q和流速U；②確定來水濃度C0、出水濃度Cs。③分析模型計算參數k值；④分析計算區段現狀，選取計算模型并計算納污能力。

根據《水域納污能力計算規程》規定：河流流量基本滿足Q≤150 m3/s，縱向擴散項遠小于平流輸送項，從而忽略縱向擴散項，污染源是連續點源，可僅考慮污染物的降解；排污口入河污染物在橫斷面上均勻混合。涇河甘陜段基本滿足以上幾個條件，因此采用一維水質模型進行計算。對于功能區下斷面，其污染物濃度計算公式為：

相應的水域納污能力計算公式為：

式中：W為納污能力，g/s；CX為水體質量標準，mg/L；C0為污染物背景濃度，mg/L；X為水域計算距離，m；Q為水域流量，m3/s；Qp為排污口排放流量，m3/s；U為水域平均流速，m/s；K為污染物衰減系數，1/s。

3.1 設計水文條件

（1）在計算水功能區下斷面的納污能力時，下斷面流量是計算關鍵，設計流量的大小對納污能力的計算結果影響很大，流量資料系列太短則無法反映水文規律，資料太長則無法反映人類活動對水資源造成的影響，特別是對枯水期小流量的影響。因此，在計算胡家河村斷面流量時，采用涇河景村水文站實測月平均流量推算胡家河村斷面處的月平均流量。

依據《水域納污能力計算規程》（GB/T 25173-2010）要求，有水文長系列資料時，現狀設計流量的確定選用設計保證率的最枯月平均流量，采用頻率計算法計算。無水文長系列資料時，可采用近10年系列資料中的最枯月平均流量作為設計流量。無水文資料時，可采用內插法、水量平衡法、類比法等方法推求設計流量。

胡家河村斷面距景村水文站43.2 km，選取景村水文站作為參證站?，F狀條件下，一般采用最近10年最枯月平均流量或90%保證率最枯月平均流量作為設計流量。依據景村水文站近10年枯水月平均流量值，采用比擬法計算胡家河村斷面處的枯水月平均流量。設計流量計算是基于景村水文站的實測流量資料，對歷年月流量進行統計，將其從大到小排列，經驗頻率計算公式：

式中：p為設計保證率；m為樣本秩數；n為樣本總數。

將頻率計算結果點繪成對數頻率曲線，用P-Ⅲ型曲線與之適配，據p-III型曲線查90%保證率所得流量即為設計流量，表1為景村站近11年每月平均流量統計表。

表1 景村站2009年～2019年月平均流量統計表 單位：m3/s

按照10年最枯月平均流量：選用水文年1月～3月、11月～12月為枯水期，計算Q月均為13.7 m3/s。按照90%保證率最枯月平均流量：選用景村站20年～30年最枯月流量進行統計，用P-Ⅲ型曲線與之適配，見圖2景村站最枯流量P-Ⅲ型曲線圖。

圖2 景村站最枯流量P-Ⅲ型曲線圖

表2 景村站最枯流量不同頻率流量成果表

通過兩種方法計算，11年最枯月平均流量13.7 m3/s，90%保證率最枯月平均流量13.6 m3/s，兩種方法計算出的流量基本一致。為了反映該段（涇河甘陜緩沖區）水文年際周期變化和其中長期發展趨勢，流量資料系列視資料情況取10年枯水期月平均流量值13.7 m3/s。

以景村站斷面流量為依據，采用水文比擬法，確定涇河彬州市胡家河村斷面流量，見表3。

表3 胡家河村斷面流量成果表

2）斷面設計流速確定

按下式計算：

式中：V為設計流速；Q為設計流量；A為過水斷面面積。

對涇河胡家河村河道斷面實測，利用曼寧公式推求該斷面水位～流量和水位～面積關系，曼寧公式：

式中：Q為流量；A為斷面面積；n為糙率；R為水力半徑；i為水面比降。

依據曼寧公式推求該斷面水位～流量和水位～面積關系，計算出胡家河村斷面設計流速V，見表4。

圖3 胡家河村斷面水位-流量關系曲線

圖4 胡家河村斷面水位-面積關系曲線

表4 胡家河村斷面設計流速成果表

通過計算涇河甘陜緩沖區胡家河村斷面10年枯水期月平均流量值為11.8 m3/s，流速為0.674 m/s（采用景村水文站資料）。

3.2 控制參數

（1）控制因子及水質標準

參照最嚴格的水資源管理制度納污控制考核的要求，結合我省多年來在污染控制方面的實際，確定COD、NH3-N為本次納污能力計算的因子。

表5 COD、NH3-N水質標準

（2）綜合衰減系數K的確定

為簡化計算，在水質模型中，將污染物在水環境中的物理降解、化學降解和生物降解概化為綜合衰減系數，確定合理的污染物綜合衰減系數是模擬污染物在水體中濃度衰減的關鍵之一。分別采用以下方法計算，并進行綜合確定：

1）實測法

為較準確地掌握河流的綜合衰減系數K，在景村水文站設置了監測斷面，同步監測水文及水質等各項要素，并與長系列資料比較，經分析，確定了較可靠的干、支流、排污口的水文、水質監測資料，利用實測資料反推法確定綜合袞減系數K值，對取得數據進行合理性和可靠性分析后采用計算公式如下：

式中：K為污染坊綜合降解系數，1/d；CA為河段上斷面污染物濃度，mg/L；CB為河段下斷面污染物濃度，mg/L；u為河段平均流速，m/s；x為上下斷面間的距離，km。

計算得到涇河干流的COD的k值為0.18d-1～0.24d-1，NH3-N的k值為0.20d-1～0.30d-1。

2）分析借用法

本次納污能力計算，綜合衰減系數（K）的確定依據2015年通過水利部審查的《黃河流域（片）重要江河湖泊水功能區納污能力核定和分階段限制排污總量控制方案》。分析確定涇河甘陜緩沖區干流納污能力計算中綜合衰減解系數（K）的取值為：化學需氧量的K值為0.20d-1，氨氮的K值為0.28d-1。涇河化學需氧量的K值為0.21d-1，氨氮的K值為0.29d-1。考慮涇河上下游水力特性、污染狀況等條件的差異，此值可作為參考值使用。

背景濃度Co和控制斷面濃度CX是計算納污能力的另外兩個參數，它們反映了水功能區來水和出水質量，其取值主要考慮功能區的水質目標。

根據2015年～2019年對胡家河村斷面以上6.1 km處的政平斷面每月水質監測，監測的結果，在政平斷面處的COD的監測值年平均值都比目標值大。NH3-N的監測值年平均值都比目標值小。按照三條紅線考核的相關規定，跨界水功能區超標原因是受上游來水影響的可以對污染物量進行核減的原則，本次納污能力計算C0值采用水功能區水質目標的上限，分別為COD 20 mg/L，氨氮1.0 mg/L，CS采用論證水功能區的水質目標Ⅲ類水的限制，分別為20.0 mg/L及1.0 mg/L。

通過計算涇河甘陜緩沖區納污能力分別為：COD 1254.7 t/a，NH3-N 89.3 t/a，主要參數見表6。

表6 涇河甘陜緩沖區納污能力計算表

4 涇河甘陜緩沖限制排放總量計算

限制排污總量控制計算方法，水功能區限制排污總量在核定水域納污能力的基礎上，結合《全國水資源綜合規劃》和黃河流域綜合規劃修編成果、區域經濟技術水平、河流水資源配置等因素，嚴格控制入河排污總量，綜合確定重要江河湖泊水功能區分階段限制排污總量方案。

以2019年為例，分為有、無污染物入河量資料兩種情況，涇河甘陜緩沖區有污染物排放。依據《全國水資源綜合規劃》黃河干流、主要支流及西北主要河流的保護區、省界緩沖區、飲用水源區及其他重要水功能區，原則上應在2015年達到水功能區水質目標要求，根據污染布局，以核定的納污能力或小于納污能力綜合確定2015年限制排污總量。

預計2020年、2030年仍不能實現水功能區水質達標的，按照從嚴控制、未來有所改善的要求，確定水功能區2020年、2030年限制排污總量。具體可以考慮如下幾種控制方案：

1）根據水功能區污染程度，考慮社會經濟發展水平、污染治理水平及其可達性，按一定的入河消減百分比提出階段污染物限排總量。

2）考慮地區水資源條件、水功能區現狀水質、現狀污染物入河排放量以及污染治理水平等因素，采取75%、50%或者其他保證率設計條件計算的納污能力作為階段污染物限排總量。

2020年、2030年的水功能區限制排污總量方案參照以上方法。

依據2019年對政平斷面的監測的結果（見表7，分析功能區分階段限制排污總量，采用2019年COD及NH3-N的監測值年枯水月最最小值為作為C0值。即，分別為COD 16.4 mg/L，氨氮0.41 mg/L為作為C0值。

表7 2019年政平斷面COD及氨氮實際監測值表 單位：mg/L

方案1：采用入河消減的75%提出階段污染物限排總量

依據水功能區污染程度，采用政平斷面2019年的平均值COD及氨氮的數據，計算涇河甘陜緩沖區水環境容量，計算公式：

式中：W為水環境容量，t/a；K為污染物綜合降解系數，1/d；C0為河段上斷面污染物濃度，mg/L；Ey為橫向彌散系數，m2/s；Cs為功能區水質標準濃度，mg/L；u為河段平均流速，m/s；L為河道長度，km；h為河段平均水深，m；86.4為單位換算系數。

通過計算涇河甘陜緩沖區水環境容量分別為：COD 2474 t/a，NH3-N 312 t/a，主要參數見表8。

通過涇河甘陜緩沖區水環境容量計算，得到該段緩沖區入河消減量見表9。

表8 涇河甘陜緩沖區水環境容量計算表

表9 涇河甘陜緩沖區入河消減量成果表

按照入河削減的75%提出階段污染物限排總量，分別COD 206.3 t/a，NH3-N 26.3 t/a。

方案2：取75%保證率設計條件計算的納污能力作為階段污染物限排總量。

涇河甘陜緩沖區胡家河村斷面75%保證率下的設計流量為13.7 m3/s，流速為0.698 m/s（采用景村水文站資料）。

在政平斷面處的COD的監測值年平均值都22.85 mg/L，氨氮0.871 mg/L為作為C0值。

通過計算涇河甘陜緩沖區限制排放分別為：COD 167.7 t/a，NH3-N 89.3 t/a，主要參數見表10。

表10 涇河甘陜緩沖區限制排放計算表

通過方案1和方案2比較，方案1考慮到水環境容量，考慮因素較多，采用方案1比較合理。依據2019年限制排放計算，2020年、2030年的水功能區限制排污總量見表11。

表11 涇河甘陜緩沖區限制排放成果表

5 結論

本文通過計算涇河甘陜緩沖區的納污能力COD、氨氮入河量分別為1254.7 t/a、89.3 t/a；確定2020年～2030年的水功能區限制排污總量染物COD、氨氮入河量分別為206.3 t/a、26.3 t/a。