陜西省環(huán)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(fā)源于陜西省寧強縣，流經(jīng)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(nèi)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(huán)境容量研究主要集中在中下游河段，上游河段尤其以城區(qū)河段的研究比較少見[2]。以漢江漢中市城區(qū)河段為研究對象，梳理漢中市城區(qū)河段的重要支流或入河排污口，研究水環(huán)境容量和入河污染物負荷，為漢江上游水環(huán)境污染防治工作提供參考。

一、研究區(qū)域概況

漢江漢中市城區(qū)河段所屬行政區(qū)主要為漢臺區(qū)和南鄭區(qū)，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(qū)總?cè)丝?22.04萬，其中城鎮(zhèn)人口73.92萬人，占比60.57%[3]。

漢江干流在漢臺區(qū)和南鄭區(qū)全長38.3千米，漢江武侯鎮(zhèn)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(qū)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(qū)劃目標Ⅲ類，水環(huán)境考核目標Ⅱ類，有漢中市3家城鎮(zhèn)生活污水處理廠的尾水匯入[4]，研究區(qū)內(nèi)水系概化圖見圖1。

圖1 漢江漢中市城區(qū)河段水系概化圖

二、研究內(nèi)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(zhèn)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(tài)流量下的水文數(shù)據(jù)，漢江武侯鎮(zhèn)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(huán)境監(jiān)測站2020年國考斷面梁西渡和南柳渡的常規(guī)監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，以梁西渡斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)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?jié)舛?，COD=15mg/L、NH4+-N=0.5mg/L、TP=0.1mg/L。

支流或入河排污口。城區(qū)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(qū)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(zhèn)污水處理廠，2020年的實際處理規(guī)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(qū)河段水質(zhì)控制斷面

水質(zhì)模型是水環(huán)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(jù)研究區(qū)內(nèi)河流特點，本文水環(huán)境容量核算采用一維水質(zhì)模型[5-7]。對于漢江漢中市城區(qū)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(nèi)基本混合均勻，選取一維水質(zhì)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(zhì)要求，進而計算控制斷面間的水環(huán)境容量[11-12]。河流混合輸移過程一般由一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)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(huán)境容量為：

式中：Q—河流設計流量；Cs—水質(zhì)標準；Co—上游斷面水質(zhì)背景濃度；k—污染物綜合降解系數(shù)；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(shù)選取

河流設計流量選取武侯水文站和馬道水文站數(shù)據(jù)，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(zhì)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(zhì)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(shù)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(jié)果與分析

（一）設計條件下的水環(huán)境容量

將選取的參數(shù)代入水環(huán)境容量計算公式，得出干流和支流各部分的水環(huán)境容量，然后求和得出漢江漢中市城區(qū)河段水環(huán)境容量。計算結(jié)果見表2。通過表2可知，漢江漢中市城區(qū)河段的水環(huán)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(huán)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(qū)河段的水環(huán)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(qū)河段水環(huán)境容量計算表

（二）水環(huán)境容量與入河污染物總量分析

漢江漢中市城區(qū)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(zhèn)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(qū)污水處理廠統(tǒng)計表

設計條件下的水文是基于生態(tài)流量下的數(shù)據(jù)，因此計算出的水環(huán)境容量是偏小的，只要滿足入河污染物總量小于水環(huán)境容量，即可認為水質(zhì)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(huán)境容量。因此，漢中市城區(qū)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(jù)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(zhèn)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(zhì)達標。根據(jù)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(zhèn)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(zhèn)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(zhèn)污水處理廠尾水對南柳渡斷面達標有一定影響，鋪鎮(zhèn)污水處理廠尾水來不及完全混合就經(jīng)過南柳渡斷面，容易造成斷面超標。

四、結(jié)論與建議

漢江漢中市城區(qū)河段水環(huán)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(qū)河段水環(huán)境容量均滿足入河污染物量。從控制斷面南柳渡水質(zhì)達標來說，南柳渡距離鋪鎮(zhèn)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。