陜西省引漢濟(jì)渭工程受水區(qū)退水河流納污能力研究

宋曉峰 金弈

摘?要：以陜西省引漢濟(jì)渭工程受水區(qū)退水河流為研究對(duì)象，基于河流水文條件、退水量及其污染物入河量等因素，針對(duì)受水區(qū)水域納污能力開(kāi)展研究，并核定退水量波動(dòng)對(duì)納污能力的影響。根據(jù)渭河流域3種設(shè)計(jì)流量，綜合分析渭河枯期流量特性及設(shè)計(jì)流量與實(shí)際水文特征的關(guān)聯(lián)性，確定近10 a最枯月平均流量對(duì)應(yīng)的水域納污能力。結(jié)果表明：在考慮不同用水單元廢水排放系數(shù)的波動(dòng)性條件下，退水條件變化對(duì)納污能力的計(jì)算結(jié)果影響較大;引漢濟(jì)渭工程調(diào)水后2025年受水區(qū)納污能力較2015年明顯增強(qiáng)，其中河流污染物COD和氨氮納污能力相較2015年分別提高了12.4%和17.0%。

關(guān)鍵詞：受水區(qū);水域納污能力;設(shè)計(jì)流量;引漢濟(jì)渭工程

中圖分類號(hào)：TV68;X522?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.10.016

Research on Pollution Ability of Dewatering Rivers in Water Receiving Area of

Hanjiang-to-Weihe River Water Transfer Project in Shaanxi Province

SONG Xiaofeng1， JIN Yi2

（1.Hanjiang-to-Weihe River Valley Water Diversion Project Construction Co.， Ltd.， Xian 710100， China;

2.Power China Engineering Corporation Limited， Beijing 100024， China）

Abstract：In order to study the pollutants bearing ability of dewatering rivers in receiving water region， the Hanjiang-to-Weihe River Water Transfer Project in Shaanxi Province was adopted as a research object in this work. The factors of river hydrological condition， the drainage volume and the pollutant quantity to the river were considered. According to three kinds of design flow with large derivation of Weihe basin， the discharge characteristics of the river were analyzed comprehensively. This point was carried out under the both conditions of dry season and design flow based on the actual hydrological features. The river water environmental capacity corresponding to the average flow of the driest month was determined finally， which was calculated under the design flow in the last ten years. The results show that the variation of dewatering conditions has a great influence to the calculation of pollutants bearing capacity， when different coefficients of wastewater discharge are taken into account. The water environmental capacity of the related water-receiving area will be enhanced after the transfer project of Hanjiang-to-Weihe in 2025， wherein the corresponding items of COD and ammonia nitrogen will be increased by 12.4% and 17.0% respectively compared with that in 2015.

Key words： intake area; water environmental capacity; design flow; Hanjiang-to-Weihe River Water Transfer Project

河流納污能力是水資源管理和環(huán)境規(guī)劃研究的重要內(nèi)容之一，也是制定水污染防治措施的重要依據(jù)[1]。河流工程建設(shè)、區(qū)域土地利用方式改變、城市化發(fā)展等均會(huì)引起河流納污能力的改變，其中跨流域調(diào)水工程對(duì)受水區(qū)河流水環(huán)境的影響較為顯著，不僅會(huì)增加河流的徑流量，而且取用水后退水給當(dāng)?shù)睾恿鲙?lái)了新的潛在污染風(fēng)險(xiǎn)，從而誘發(fā)河流納污能力的改變[2-3]。因此，開(kāi)展調(diào)水工程水環(huán)境變化影響下河流納污能力研究是受水區(qū)河流限制排污總量核定的基礎(chǔ)。

水域納污能力計(jì)算方法的研究，經(jīng)歷了由零維、一維穩(wěn)態(tài)模型向二維、三維動(dòng)態(tài)模型的發(fā)展歷程[4]。有學(xué)者運(yùn)用不同的模型和方法對(duì)某一區(qū)域的納污能力進(jìn)行計(jì)算發(fā)現(xiàn)，不同的計(jì)算模型有不同的適用條件，需根據(jù)水體的特性和保護(hù)目標(biāo)等選擇適合的模型[5-9]。蔣婷等[10]選取狄龍模型、合田建模型、二維水動(dòng)力水質(zhì)模型計(jì)算了蔡賢水庫(kù)庫(kù)區(qū)水域納污能力，綜合各模型庫(kù)區(qū)水質(zhì)預(yù)測(cè)結(jié)果，合田建模型為最適用模型;洪昌紅等[11]利用二維水流水質(zhì)數(shù)學(xué)模型和完全混合模型計(jì)算了飛來(lái)峽水利樞紐庫(kù)區(qū)的納污能力;張川等[12]在一定水文設(shè)計(jì)條件和水質(zhì)目標(biāo)下，探討了不同污染源排放方式、不同控制斷面設(shè)定條件下河流納污能力計(jì)算方法的差異性。

筆者以引漢濟(jì)渭工程受水區(qū)退水河流渭河為例，基于受水區(qū)河流水環(huán)境狀況，調(diào)查了受水區(qū)水域的河流特性、水質(zhì)狀況、水文條件和水功能區(qū)目標(biāo)等，分析了不同設(shè)計(jì)流量和退水條件對(duì)受水區(qū)河流納污能力的影響，計(jì)算了規(guī)劃水平年各退水河段的允許納污量，以期為受水區(qū)水污染防治和污染減排提供依據(jù)。

1?工程概況

1.1?引漢濟(jì)渭工程概況

引漢濟(jì)渭工程是陜西省境內(nèi)一項(xiàng)跨流域調(diào)水工程。該工程將漢江水引入水資源短缺的渭河流域關(guān)中地區(qū)，通過(guò)對(duì)渭河沿岸重要城市、中小城鎮(zhèn)、工業(yè)園區(qū)供水，緩解關(guān)中地區(qū)缺水問(wèn)題，替代超采的地下水、逐步退還擠占的農(nóng)業(yè)與生態(tài)用水，為關(guān)中地區(qū)水資源再分配提供有利條件。引漢濟(jì)渭工程的水源地包括漢江干流和漢江支流子午河，規(guī)劃以黃金峽和三河口水利樞紐為調(diào)控對(duì)象，利用泵站和輸水隧洞將水量輸送至黃池溝，該配水工程最終將水資源分配至各用水戶。人 民 黃 河?2020年第10期

1.2?受水區(qū)概況

引漢濟(jì)渭工程供水范圍西到楊凌，東到渭南市華州區(qū)，北到富平，南至西安市鄠邑區(qū)，受水區(qū)范圍東西長(zhǎng)約163 km，南北寬約84 km，總面積約1.4萬(wàn)km2。工程建成后近期（2025年前）多年平均調(diào)水量10億m3，直接受水對(duì)象為西安市鄠邑區(qū)、周至縣、西安市長(zhǎng)安區(qū)、西安市閻良區(qū)、西安渭北工業(yè)區(qū)、咸陽(yáng)市、興平市，以及空港、灃東、秦漢、灃西、涇河新城等。

（1）受水區(qū)主要河流水系。引漢濟(jì)渭工程受水區(qū)退水河流主要涉及渭河干流及其支流灞河、涇河、漆水河等，通過(guò)直接退水或生活、工業(yè)用水處理后排入渭河，以增加渭河流域水資源量。渭河自西向東從受水區(qū)穿過(guò)，形成以渭河為軸，兩岸支流呈葉脈狀分布的水網(wǎng)，從渭河北岸匯入的支流主要為涇河和石川河等，具有源遠(yuǎn)流長(zhǎng)、水量少、比降小、泥沙含量大等特點(diǎn);南岸主要支流有灃河和灞河等，具有源短流急、河床比降大、含沙量小等特點(diǎn)。

（2）受水區(qū)退水河流水功能區(qū)劃及水質(zhì)目標(biāo)。水功能區(qū)劃是根據(jù)水資源不同功能要求、開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀和自然條件劃分功能區(qū)，不同功能區(qū)具有不同的水質(zhì)管理目標(biāo)[13]。根據(jù)受水區(qū)水資源需求，結(jié)合水環(huán)境與水資源實(shí)際情況確定研究區(qū)河流水功能區(qū)劃，渭河干流一級(jí)功能區(qū)為寶雞至渭南開(kāi)發(fā)利用區(qū)，漆水河口至王家城子段河長(zhǎng)244.4 km，水質(zhì)目標(biāo)為Ⅳ類，該區(qū)段二級(jí)水功能區(qū)6個(gè)，即工業(yè)用水區(qū)、景觀用水區(qū)、排污控制區(qū)、過(guò)渡區(qū)和2個(gè)農(nóng)業(yè)用水區(qū)。渭河支流一級(jí)功能區(qū)共9個(gè)，均為開(kāi)發(fā)利用區(qū)，各支流河長(zhǎng)共計(jì)578.2 km，支流涇河、漆水河、黑河、清峪河水質(zhì)目標(biāo)為Ⅲ類，其余支流水質(zhì)目標(biāo)為Ⅳ類。二級(jí)功能區(qū)中農(nóng)業(yè)用水區(qū)有漆水河、黑河、澇河、灃河、灞河、零河、石川河、清峪河和涇河，工業(yè)用水區(qū)有黑河、澇河、灃河、石川河、清峪河和涇河，生活用水區(qū)有黑河、清峪河和沋河，排污控制區(qū)有澇河、灞河和沋河，景觀用水區(qū)有沋河，過(guò)渡區(qū)有灞河。根據(jù)受水區(qū)河流水功能區(qū)劃和陜西省水污染防治工作方案確定退水河流控制斷面和規(guī)劃年水質(zhì)目標(biāo)。受水區(qū)退水河流近期水質(zhì)目標(biāo)：支流涇河、漆水河、黑河、清峪河為Ⅲ類，其余干支流為Ⅳ類。

2?研究方法

2.1?計(jì)算模型

根據(jù)《水域納污能力計(jì)算規(guī)程》（GB/T 25173—2010），污染物在河流橫斷面上均勻混合、多年平均流量Q<150 m3/s的中小河段可采用一維水質(zhì)模型進(jìn)行水域納污能力計(jì)算[14]。根據(jù)受水區(qū)退水河流渭河水文條件，選用一維水質(zhì)模型進(jìn)行水域納污能力計(jì)算。河段污染物含量及相應(yīng)河段剩余水域納污能力計(jì)算公式為

Cx=C0exp（-Kxu）（1）

M=（Cs-Cx）（Q0+Qp）（2）

式中：x為沿縱向河段的距離，m;Cx為流經(jīng)x距離后的污染物含量，mg/L;C0為初始斷面污染物含量，mg/L;u為設(shè)計(jì)流量下河道斷面的平均流速，m/s;K為污染物的綜合降解系數(shù)，1/s;M為剩余水域納污能力，g/s;Cs為水質(zhì)目標(biāo)質(zhì)量濃度，mg/L;Q0為初始斷面流量，m3/s;Qp為廢污水排放流量，m3/s。

退水河流的納污能力計(jì)算還應(yīng)考慮河段污染物負(fù)荷量m，即納污能力計(jì)算公式為

W=M+m（3）

當(dāng)入河排污口位于計(jì)算河段中部（即x=L/2，L為計(jì)算河段長(zhǎng)度）時(shí)，水功能區(qū)下斷面污染物含量為

Cx=L/2=Q0Q0+QpC0exp（-KLu）+

mQ0+Qpexp（-KL2u）（4）

相應(yīng)河段剩余水域納污能力為

M=Cs（Q0+Qp）-C0Q0exp（-KLu）-

mexp（-KL2u）（5）

在納污能力計(jì)算時(shí)排污口和支流都是按照實(shí)際位置進(jìn)行計(jì)算，則受水區(qū)退水河流納污能力為

W=Cs（Q0+Qp）-C0Q0exp（-KLu）-

∑ni=1miexp（-Kxiu）+m（6）

計(jì)算m時(shí)需要將支流污染負(fù)荷和排污口污染負(fù)荷分開(kāi)考慮：

m=∑ni=1mi=∑aj=1CpjQpj+∑by=1C支yQ支y（7）

式中：i為第i個(gè)排污口或支流;n為排污口或支流個(gè)數(shù);j為第j個(gè)排污口;a為排污口個(gè)數(shù);y為第y個(gè)支流;b為支流個(gè)數(shù);C支y為支流污染物含量，mg/L;Q支y為支流流量，m3/s。

2.2?參數(shù)確定

2.2.1?設(shè)計(jì)流量條件

流速等參數(shù)隨設(shè)計(jì)流量的變化而變化，因此設(shè)計(jì)流量的確定在水域納污能力計(jì)算中至關(guān)重要[15]。本文依據(jù)文獻(xiàn)[14-16]采用了3種設(shè)計(jì)流量確定方法，分別為近10 a最枯月平均流量、90%保證率最枯月平均流量、近10 a最枯季平均流量。設(shè)計(jì)流量選取時(shí)近10 a水文系列年份為2008—2017年，90%保證率最枯月系列為1960—2012年。由于只有干流水文站的長(zhǎng)序列資料，因此在90%保證率最枯月平均流量條件下，支流水文站流量以臨潼站為基準(zhǔn)選取與90%保證率最枯月流量接近的相同月份的流量過(guò)程。近10 a最枯月和近10 a最枯季條件下水文站流量根據(jù)已有資料選取，對(duì)于有些資料不全的支流水文站的流量以臨潼站為基準(zhǔn)選取同期流量。各水文站流量見(jiàn)表1。

2.2.2?其他參數(shù)確定

（1）C0和Cs。根據(jù)該河段上游控制斷面近些年水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的最枯月平均值，計(jì)算確定河流第一個(gè)控制斷面的污染物初始含量（C0），其他斷面初始質(zhì)量濃度采用上一個(gè)斷面的水質(zhì)目標(biāo)來(lái)計(jì)算。水質(zhì)目標(biāo)質(zhì)量濃度（Cs）根據(jù)河段控制斷面水質(zhì)目標(biāo)等級(jí)對(duì)應(yīng)水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限值確定。

（2）設(shè)計(jì)流速。根據(jù)已有水文站實(shí)測(cè)流量和實(shí)測(cè)流速資料，建立流量與流速之間的關(guān)系，利用流速與流量的關(guān)系曲線求得不同設(shè)計(jì)流量對(duì)應(yīng)的流速，并分析流速的合理性。對(duì)于沒(méi)有實(shí)測(cè)流速資料，但是有糙率和河道比降的河段，利用曼寧公式求解流速。

（3）綜合降解系數(shù)。綜合降解系數(shù)直接反映了河流中污染物衰減的快慢程度，是河流納污能力計(jì)算的主要參數(shù)之一。污染物綜合降解系數(shù)通常采用試驗(yàn)率定法、經(jīng)驗(yàn)公式法和類比分析法等確定。綜合降解系數(shù)根據(jù)實(shí)測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)并參考渭河已有綜合降解系數(shù)成果[17-19]，干流、支流COD的綜合降解系數(shù)分別為0.18/d～0.56/d、0.10/d～0.20/d，干流、支流氨氮的綜合降解系數(shù)分別為0.15/d～0.34/d、0.12/d～0.30/d，對(duì)于無(wú)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的河段參考相近流域確定污染物綜合降解系數(shù)。

2.3?退水調(diào)查及預(yù)測(cè)

退水調(diào)查以2015年為基準(zhǔn)年，調(diào)查范圍為受水區(qū)退水河流所在行政區(qū)，受水區(qū)涉及涇河、漆水河、石川河、渭河流域（干流水域及其支流澇河、灃河、皂河、灞河等）。近期水平年（2025年）受水區(qū)退水預(yù)測(cè)包括工業(yè)廢水排放量和生活污水排放量?jī)刹糠?。污水排放量為用水量乘以污水排放系?shù)，生活用水量以規(guī)劃水平年城鎮(zhèn)人口發(fā)展預(yù)測(cè)結(jié)果和城鎮(zhèn)用水定額計(jì)算，工業(yè)用水量以萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量乘以工業(yè)增加值進(jìn)行估算。生活污水排放系數(shù)為0.80～0.55[20-21]，工業(yè)廢水排放系數(shù)見(jiàn)表2。同時(shí)根據(jù)陜西省水污染防治工作方案中再生水利用要求，近期水平年（2025年）再生水回用率在2020年基礎(chǔ)上提高5%，即近期水平年（2025年）再生水回用率為35%。生活污染物排放按照COD 30 mg/L、氨氮1.5 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，工業(yè)污染物排放按照COD 50 mg/L、氨氮5 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。

3?結(jié)果分析

3.1?不同設(shè)計(jì)流量條件下納污能力比較

計(jì)算河流流量過(guò)程時(shí)考慮河流流量過(guò)程的連續(xù)性和水量平衡關(guān)系，以臨潼水文站為基準(zhǔn)推求退水河流流量過(guò)程。根據(jù)選取的水域納污能力計(jì)算模型和各項(xiàng)參數(shù)，分別計(jì)算90%保證率最枯月平均流量、近10 a最枯月平均流量和近10 a最枯季平均流量條件下引漢濟(jì)渭工程受水區(qū)退水河流納污能力，見(jiàn)表3。

由表3可見(jiàn)，不同設(shè)計(jì)流量條件下受水區(qū)退水河流納污能力不同，根據(jù)設(shè)計(jì)流量納污能力由大到小為近10 a最枯季平均流量、近10 a最枯月平均流量、90%保證率最枯月平均流量，納污能力隨設(shè)計(jì)流量增大而增大。興平、天江人渡、澇河控制斷面3種設(shè)計(jì)流量條件下納污能力差值較大，其主要原因是興平和天江人渡斷面有支流匯入，同時(shí)3種設(shè)計(jì)流量條件下同一控制斷面支流匯入流量變化較大。澇河斷面3種設(shè)計(jì)流量條件之間流量差值較大。由于我國(guó)北方地區(qū)河流存在季節(jié)性斷流情況或枯水月流量太小，因此設(shè)計(jì)流量不宜太小。同時(shí)考慮渭河流域缺水，設(shè)計(jì)流量不宜過(guò)大。結(jié)合設(shè)計(jì)流量與水文站水文過(guò)程的一致性，以臨潼站為基準(zhǔn)計(jì)算的流量過(guò)程中，近10 a最枯月平均流量條件下流量過(guò)程與水文站流量最吻合，因此設(shè)計(jì)流量選取近10 a最枯月平均流量。以近10 a最枯月設(shè)計(jì)流量條件為基準(zhǔn)，得出90%保證率條件下COD和氨氮納污能力較近10 a最枯月減少了16.2%和20.2%，近10 a最枯季條件下COD和氨氮納污能力較近10 a最枯月增加20.8%和26.6%。

3.2?退水變化對(duì)水域納污能力的影響

工業(yè)廢水和生活污水排放系數(shù)是影響退水量的主要因素，基于退水調(diào)查預(yù)測(cè)方法，選取工業(yè)廢水和生活污水排放系數(shù)最大值和最小值核定受水區(qū)退水河流2025年退水狀況。方案1為退水量最小值，方案2為退水量最大值，調(diào)水后2025年受水區(qū)退水河流不同退水條件河流納污能力與現(xiàn)狀年河流納污能力見(jiàn)表4。

由表4可知，2015年和調(diào)水后2025年兩種方案條件下，都是西安段河流納污能力最大，原因是退水河流渭河西安段有灞河和涇河兩大支流，且支流達(dá)標(biāo)匯入渭河干流增加水體稀釋能力。方案1和方案2污染物COD和氨氮納污能力差值為15 093.00 t/a和685.21 t/a，占2015年污染物COD和氨氮納污能力的19.1%和20.8%，方案2比方案1污染物COD和氨氮允許納污能力增加18.3%和19.4%。計(jì)算得出，方案1與方案2污染物COD和氨氮入河負(fù)荷差值為17 704.97、1 433.02 t/a，不同退水條件引起退水量改變，污染物入河負(fù)荷隨退水量的增加而增大，同時(shí)改變河流納污能力，納污能力隨退水量的增加而增大，剩余納污能力隨退水量的增加而減小。因此，退水條件對(duì)納污能力的影響較為顯著，納污能力計(jì)算時(shí)退水量波動(dòng)不容忽視，應(yīng)準(zhǔn)確核定污染物排放系數(shù)。為了準(zhǔn)確核定退水量，使得河流納污能力的計(jì)算更加合理，在計(jì)算退水量過(guò)程中生活污水和工業(yè)廢水排放系數(shù)取中值進(jìn)行計(jì)算。

3.3?調(diào)水后水域納污能力的核定

根據(jù)上述退水條件對(duì)納污能力的影響，綜合考慮排放系數(shù)的波動(dòng)，以及退水量對(duì)納污能力的影響，以排放系數(shù)均值核定受水區(qū)退水河流退水量，進(jìn)而計(jì)算受水區(qū)退水河流2025年污染物COD和氨氮納污能力，見(jiàn)表5。

由表5可知，引漢濟(jì)渭工程調(diào)水后受水區(qū)退水河流納污能力增加，2025年COD和氨氮納污能力分別為88 738.20、3 846.09 t/a，較2015年COD、氨氮納污能力分別增加12.4%、17.0%，其中渭南段納污能力增加比例最大。2025年污染物納污能力增加的主要原因是，引漢濟(jì)渭工程調(diào)漢江水直接輸入渭河，減少了支流取水，增加了渭河兩岸側(cè)向補(bǔ)給，增加工業(yè)和生活用水量，引起工業(yè)和生活退水量增加，從而使得渭河水量增加，提高了渭河的水體稀釋能力，同時(shí)再生水回用率提高，污染物入河負(fù)荷減少。渭南段納污能力增加比例較大的原因是，該區(qū)段引漢濟(jì)渭工程調(diào)水替換灌區(qū)引水，減少了渭南段引水。

4?結(jié)?論

以引漢濟(jì)渭工程受水區(qū)退水河流為研究對(duì)象，選取COD和氨氮為評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用一維水質(zhì)模型復(fù)核了設(shè)計(jì)流量和水量變化情況下受水區(qū)河流的納污能力?？紤]我國(guó)北方河流缺水、季節(jié)性斷流和枯水月流量較小等情況，同時(shí)考慮水文站水文過(guò)程與設(shè)計(jì)流量的一致性，選取近10 a最枯月平均流量為設(shè)計(jì)流量，分析了不同污水排放系數(shù)條件下退水量對(duì)河流納污能力的影響，并計(jì)算了近期規(guī)劃水平年引漢濟(jì)渭工程受水區(qū)退水河流的納污能力，工程調(diào)水后退水河流污染物COD和氨氮納污能力分別為88 738.20、3 846.09 t/a，較2015年納污能力分別增加12.4%、17.0%。此外，對(duì)退水排放系數(shù)的波動(dòng)和確定進(jìn)行了探討，但用水量變化也會(huì)對(duì)退水量產(chǎn)生影響，為了進(jìn)一步提高河流納污能力的計(jì)算精度，對(duì)退水量影響因素的核定應(yīng)進(jìn)行深入研究。

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