漢江漢中市城區河段水環境容量核算與分析研究*

陜西省環境科學研究院 鄭郁，王西鋒，胡恩，吳宇鑫，余繼香

漢江是長江的一級支流，干流全長1577km，流域面積15.9萬km2，發源于陜西省寧強縣，流經陜西、湖北兩省，最終在武漢市匯入長江[1]。漢江在陜西干流全長657公里，流域面積5.49萬km2。漢江水資源豐富，干流在漢中境內全長277.8公里，出境斷面小鋼橋多年保持Ⅱ類。有關漢江流域的水環境容量研究主要集中在中下游河段，上游河段尤其以城區河段的研究比較少見[2]。以漢江漢中市城區河段為研究對象，梳理漢中市城區河段的重要支流或入河排污口，研究水環境容量和入河污染物負荷，為漢江上游水環境污染防治工作提供參考。

一、研究區域概況

漢江漢中市城區河段所屬行政區主要為漢臺區和南鄭區，屬北亞熱帶濕潤季風氣候，海拔高度在500-2000m，年均降水855.3mm，年均氣溫14.5℃。到2020年末，兩區總人口122.04萬，其中城鎮人口73.92萬人，占比60.57%[3]。

漢江干流在漢臺區和南鄭區全長38.3千米，漢江武侯鎮水文站多年平均流量42.86m3/s，褒河馬道水文站多年平均流量42.75m3/s，漢江在漢中市城區河段平均水深1m，平均河寬50m左右，平均流速0.7m/s，水功能區劃目標Ⅲ類，水環境考核目標Ⅱ類，有漢中市3家城鎮生活污水處理廠的尾水匯入[4]，研究區內水系概化圖見圖1。

圖1 漢江漢中市城區河段水系概化圖

二、研究內容及方法

（一）資料收集

本文水文資料參考最近的漢江武侯鎮水文站資料和褒河馬道水文站資料，取多年平均流量的10%，也就是基于生態流量下的水文數據，漢江武侯鎮水文站為4.286m3/s，褒河馬道水文站流量為4.275m3/s，漢江在梁西渡斷面之前的初始流量為8.561m3/s。

本文通過獲取漢中市環境監測站2020年國考斷面梁西渡和南柳渡的常規監測數據為依據，以梁西渡斷面監測數據作為來水初始濃度，COD=10.75mg/L、NH4+-N=0.098mg/L、TP=0.057mg/L，南柳渡斷面的考核目標為Ⅱ類，作為斷面的終止濃度，COD=15mg/L、NH4+-N=0.5mg/L、TP=0.1mg/L。

支流或入河排污口。城區段較大支流有2條，分別為濂水河和冷水河，多年平均流量的10%分別為0.397m3/s、0.422m3/s，與南柳渡斷面距離分別為27.5km、20.2km。城區段污水處理廠有3家，分別為漢中市城市污水處理廠、漢中市江南污水處理廠、漢中市鋪鎮污水處理廠，2020年的實際處理規模分別為0.966m3/s、0.366m3/s、0.13m3/s，與南柳渡斷面距離分別為21.7km、21.7km、8.4km。

（二）模型選取

表1 漢江漢中市城區河段水質控制斷面

水質模型是水環境容量核算的核心，模型的選取取決于水域的流速流量、寬深比、遷移擴散速率等諸多因素。根據研究區內河流特點，本文水環境容量核算采用一維水質模型[5-7]。對于漢江漢中市城區河段而言，平均寬度50m，平均深度1m，屬于寬淺河流，因此可認為污染物在短時間內基本混合均勻，選取一維水質模型能滿足要求[8-10]。

（三）計算方法

采用控制斷面法。指滿足某一控制斷面水質要求，進而計算控制斷面間的水環境容量[11-12]。河流混合輸移過程一般由一維穩態水質模型—托馬斯模型進行描述（忽略彌散）：

在C(0)=C0的初值條件下積分：

水環境容量為：

式中：Q—河流設計流量；Cs—水質標準；Co—上游斷面水質背景濃度；k—污染物綜合降解系數；qi—匯入支流或排污口流量；ti—從上斷面到下斷面水流時間，既t=x/u，x—第i段河流長度，u—第i段河流流速。

（四）參數選取

河流設計流量選取武侯水文站和馬道水文站數據，取梁西渡斷面之前漢江干流多年平均流量的10%，Q=8.561m3/s；控制斷面水質標準選取南柳渡斷面考核目標Ⅱ類限值，Cs取 COD=15mg/L、NH4+-N=1.0mg/L、TP=0.1mg/L；背景斷面水質濃度選取梁西渡斷面實測值，Co取COD=10.75mg/L、NH4+-N=0.098mg/L、TP=0.057mg/L；污染物綜合降解系數分別取 kc=0.3d-1、kn=0.2d-1、kp=0.1d-1；2條支流和3座污水處理廠的流量分別為q1=0.397m3/s、q2=0.422m3/s、q3=0.966m3/s、q3=0.366m3/s、q5=0.13m3/s，入河口到控制斷面距離分別為x1=27.5km、x2=20.2km、x3=21.7km、x4=21.7km、x5=8.4km；河流流速實測為0.7m/s；t=x/u分別計算得出漢江干流to=0.63d，支流或排污口匯入后t1=0.45d、t2=0.33d、t3=0.36d、t4=0.36d、t5=0.14d[13-14]。

三、結果與分析

（一）設計條件下的水環境容量

將選取的參數代入水環境容量計算公式，得出干流和支流各部分的水環境容量，然后求和得出漢江漢中市城區河段水環境容量。計算結果見表2。通過表2可知，漢江漢中市城區河段的水環境容量：COD為3196.519噸/年、NH4+-N為165.404噸/年、TP為20.831噸/年，其中漢江干流的水環境容量：COD為1994.714噸/年、NH4+-N為126.759噸/年、TP為13.374噸/年，占比分別為 62.4%、76.64%、64.2%，說明漢中城區河段的水環境容量主要來自干流，可能是漢江干流的流量比較大，在其他條件一定的情況下，干流的稀釋容量和自凈容量都高于支流貢獻量。

表2 漢江漢中市城區河段水環境容量計算表

（二）水環境容量與入河污染物總量分析

漢江漢中市城區河段主要匯入的有漢中市城市污水處理廠、漢中市江南污水處理廠、漢中市鋪鎮污水處理廠的排放水，2020年實際處理量、出水濃度和入河污染物排放量見表3。

表3 漢中市城區污水處理廠統計表

設計條件下的水文是基于生態流量下的數據，因此計算出的水環境容量是偏小的，只要滿足入河污染物總量小于水環境容量，即可認為水質目標約束下的入河污染物是符合總量控制要求的。2020年漢中市污水處理廠污染物入河量：COD為648.126噸/年、NH4+-N為29.747噸/年、TP為12.398噸/年，均低于設計條件下的水環境容量。因此，漢中市城區河段污染物入河量符合總量控制要求，也就是說考核斷面的年均值達標幾乎沒有壓力。

（三）入河排污口的混合過程段計算

根據資料文獻，一般認為入河排污口的混合過程段在5-10km左右，由于漢中市鋪鎮污水處理廠入河排污口距離南柳渡斷面8.4km，有可能控制斷面處在混合過程段，影響南柳渡斷面的水質達標。根據混合過程段的計算公式：

式中：L—混合過程段長度，m；B—河流寬度，m；a—排放口到近岸距離，m；H—平均水深，m；u—平均流速，m/s；g—重力加速度，9.8m/s2；I—河流地坡，m/m。

漢中市鋪鎮污水廠入河口的漢江河寬50m，排放口到近岸距離a=30m，平均水深H=1m，平均流速u=0.5-0.7m/s，重力加速度g=9.8m/s2，河流地坡I=0.006，代入上式計算得出L=6.95-9.73km。在其他條件一定的情況下，混合過程段的長度和河流流速成正比，當流速≤0.5m/s時，鋪鎮污水處理廠尾水對南柳渡斷面達標影響不大，當流速≥0.7m/s時，也就是豐水期或者暴雨時，鋪鎮污水處理廠尾水對南柳渡斷面達標有一定影響，鋪鎮污水處理廠尾水來不及完全混合就經過南柳渡斷面，容易造成斷面超標。

四、結論與建議

漢江漢中市城區河段水環境容量COD=3196.519噸/年、NH4+-N=165.404噸/年、TP=20.831噸/年，主要入河污染物量COD=648.126噸/年、NH4+-N=29.747噸/年、TP=12.398噸/年，從污染物總量控制方面來說，漢江漢中市城區河段水環境容量均滿足入河污染物量。從控制斷面南柳渡水質達標來說，南柳渡距離鋪鎮污水處理廠入河排污口8.4km，有可能處在排污口的混合過程段，計算混合過程長度6.95-9.73km，豐水期或者暴雨時期，有可能造成斷面超標，需要在豐水期或者暴雨時期做好預防措施。