陕西省引汉济渭工程受水区退水河流纳污能力研究

宋晓峰 金弈

摘 要：以陕西省引汉济渭工程受水区退水河流为研究对象，基于河流水文条件、退水量及其污染物入河量等因素，针对受水区水域纳污能力开展研究，并核定退水量波动对纳污能力的影响。根据渭河流域3种设计流量，综合分析渭河枯期流量特性及设计流量与实际水文特征的关联性，确定近10 a最枯月平均流量对应的水域纳污能力。结果表明：在考虑不同用水单元废水排放系数的波动性条件下，退水条件变化对纳污能力的计算结果影响较大;引汉济渭工程调水后2025年受水区纳污能力较2015年明显增强，其中河流污染物COD和氨氮纳污能力相较2015年分别提高了12.4%和17.0%。

关键词：受水区;水域纳污能力;设计流量;引汉济渭工程

中图分类号：TV68;X522 文献标志码：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

河流納污能力是水资源管理和环境规划研究的重要内容之一，也是制定水污染防治措施的重要依据[1]。河流工程建设、区域土地利用方式改变、城市化发展等均会引起河流纳污能力的改变，其中跨流域调水工程对受水区河流水环境的影响较为显著，不仅会增加河流的径流量，而且取用水后退水给当地河流带来了新的潜在污染风险，从而诱发河流纳污能力的改变[2-3]。因此，开展调水工程水环境变化影响下河流纳污能力研究是受水区河流限制排污总量核定的基础。

水域纳污能力计算方法的研究，经历了由零维、一维稳态模型向二维、三维动态模型的发展历程[4]。有学者运用不同的模型和方法对某一区域的纳污能力进行计算发现，不同的计算模型有不同的适用条件，需根据水体的特性和保护目标等选择适合的模型[5-9]。蒋婷等[10]选取狄龙模型、合田建模型、二维水动力水质模型计算了蔡贤水库库区水域纳污能力，综合各模型库区水质预测结果，合田建模型为最适用模型;洪昌红等[11]利用二维水流水质数学模型和完全混合模型计算了飞来峡水利枢纽库区的纳污能力;张川等[12]在一定水文设计条件和水质目标下，探讨了不同污染源排放方式、不同控制断面设定条件下河流纳污能力计算方法的差异性。

笔者以引汉济渭工程受水区退水河流渭河为例，基于受水区河流水环境状况，调查了受水区水域的河流特性、水质状况、水文条件和水功能区目标等，分析了不同设计流量和退水条件对受水区河流纳污能力的影响，计算了规划水平年各退水河段的允许纳污量，以期为受水区水污染防治和污染减排提供依据。

1 工程概况

1.1 引汉济渭工程概况

引汉济渭工程是陕西省境内一项跨流域调水工程。该工程将汉江水引入水资源短缺的渭河流域关中地区，通过对渭河沿岸重要城市、中小城镇、工业园区供水，缓解关中地区缺水问题，替代超采的地下水、逐步退还挤占的农业与生态用水，为关中地区水资源再分配提供有利条件。引汉济渭工程的水源地包括汉江干流和汉江支流子午河，规划以黄金峡和三河口水利枢纽为调控对象，利用泵站和输水隧洞将水量输送至黄池沟，该配水工程最终将水资源分配至各用水户。人 民 黄 河 2020年第10期

1.2 受水区概况

引汉济渭工程供水范围西到杨凌，东到渭南市华州区，北到富平，南至西安市鄠邑区，受水区范围东西长约163 km，南北宽约84 km，总面积约1.4万km2。工程建成后近期（2025年前）多年平均调水量10亿m3，直接受水对象为西安市鄠邑区、周至县、西安市长安区、西安市阎良区、西安渭北工业区、咸阳市、兴平市，以及空港、沣东、秦汉、沣西、泾河新城等。

（1）受水区主要河流水系。引汉济渭工程受水区退水河流主要涉及渭河干流及其支流灞河、泾河、漆水河等，通过直接退水或生活、工业用水处理后排入渭河，以增加渭河流域水资源量。渭河自西向东从受水区穿过，形成以渭河为轴，两岸支流呈叶脉状分布的水网，从渭河北岸汇入的支流主要为泾河和石川河等，具有源远流长、水量少、比降小、泥沙含量大等特点;南岸主要支流有沣河和灞河等，具有源短流急、河床比降大、含沙量小等特点。

（2）受水区退水河流水功能区划及水质目标。水功能区划是根据水资源不同功能要求、开发利用现状和自然条件划分功能区，不同功能区具有不同的水质管理目标[13]。根据受水区水资源需求，结合水环境与水资源实际情况确定研究区河流水功能区划，渭河干流一级功能区为宝鸡至渭南开发利用区，漆水河口至王家城子段河长244.4 km，水质目标为Ⅳ类，该区段二级水功能区6个，即工业用水区、景观用水区、排污控制区、过渡区和2个农业用水区。渭河支流一级功能区共9个，均为开发利用区，各支流河长共计578.2 km，支流泾河、漆水河、黑河、清峪河水质目标为Ⅲ类，其余支流水质目标为Ⅳ类。二级功能区中农业用水区有漆水河、黑河、涝河、沣河、灞河、零河、石川河、清峪河和泾河，工业用水区有黑河、涝河、沣河、石川河、清峪河和泾河，生活用水区有黑河、清峪河和沋河，排污控制区有涝河、灞河和沋河，景观用水区有沋河，过渡区有灞河。根据受水区河流水功能区划和陕西省水污染防治工作方案确定退水河流控制断面和规划年水质目标。受水区退水河流近期水质目标：支流泾河、漆水河、黑河、清峪河为Ⅲ类，其余干支流为Ⅳ类。

2 研究方法

2.1 计算模型

根据《水域纳污能力计算规程》（GB/T 25173—2010），污染物在河流横断面上均匀混合、多年平均流量Q<150 m3/s的中小河段可采用一维水质模型进行水域纳污能力计算[14]。根据受水区退水河流渭河水文条件，选用一维水质模型进行水域纳污能力计算。河段污染物含量及相应河段剩余水域纳污能力计算公式为

Cx=C0exp（-Kxu）（1）

M=（Cs-Cx）（Q0+Qp）（2）

式中：x为沿纵向河段的距离，m;Cx为流经x距离后的污染物含量，mg/L;C0为初始断面污染物含量，mg/L;u为设计流量下河道断面的平均流速，m/s;K为污染物的综合降解系数，1/s;M为剩余水域纳污能力，g/s;Cs为水质目标质量浓度，mg/L;Q0为初始断面流量，m3/s;Qp为废污水排放流量，m3/s。

退水河流的纳污能力计算还应考虑河段污染物负荷量m，即纳污能力计算公式为

W=M+m（3）

当入河排污口位于计算河段中部（即x=L/2，L为计算河段长度）时，水功能区下断面污染物含量为

Cx=L/2=Q0Q0+QpC0exp（-KLu）+

mQ0+Qpexp（-KL2u）（4）

相应河段剩余水域纳污能力为

M=Cs（Q0+Qp）-C0Q0exp（-KLu）-

mexp（-KL2u）（5）

在纳污能力计算时排污口和支流都是按照实际位置进行计算，则受水区退水河流纳污能力为

W=Cs（Q0+Qp）-C0Q0exp（-KLu）-

∑ni=1miexp（-Kxiu）+m（6）

计算m时需要将支流污染负荷和排污口污染负荷分开考虑：

m=∑ni=1mi=∑aj=1CpjQpj+∑by=1C支yQ支y（7）

式中：i为第i个排污口或支流;n为排污口或支流个数;j为第j个排污口;a为排污口个数;y为第y个支流;b为支流个数;C支y为支流污染物含量，mg/L;Q支y为支流流量，m3/s。

2.2 参数确定

2.2.1 设计流量条件

流速等参数随设计流量的变化而变化，因此设计流量的确定在水域纳污能力计算中至关重要[15]。本文依据文献[14-16]采用了3种设计流量确定方法，分别为近10 a最枯月平均流量、90%保证率最枯月平均流量、近10 a最枯季平均流量。设计流量选取时近10 a水文系列年份为2008—2017年，90%保证率最枯月系列为1960—2012年。由于只有干流水文站的长序列资料，因此在90%保证率最枯月平均流量条件下，支流水文站流量以临潼站为基准选取与90%保证率最枯月流量接近的相同月份的流量过程。近10 a最枯月和近10 a最枯季条件下水文站流量根据已有资料选取，对于有些资料不全的支流水文站的流量以临潼站为基准选取同期流量。各水文站流量見表1。

2.2.2 其他参数确定

（1）C0和Cs。根据该河段上游控制断面近些年水质监测数据的最枯月平均值，计算确定河流第一个控制断面的污染物初始含量（C0），其他断面初始质量浓度采用上一个断面的水质目标来计算。水质目标质量浓度（Cs）根据河段控制断面水质目标等级对应水环境质量标准限值确定。

（2）设计流速。根据已有水文站实测流量和实测流速资料，建立流量与流速之间的关系，利用流速与流量的关系曲线求得不同设计流量对应的流速，并分析流速的合理性。对于没有实测流速资料，但是有糙率和河道比降的河段，利用曼宁公式求解流速。

（3）综合降解系数。综合降解系数直接反映了河流中污染物衰减的快慢程度，是河流纳污能力计算的主要参数之一。污染物综合降解系数通常采用试验率定法、经验公式法和类比分析法等确定。综合降解系数根据实测水质数据并参考渭河已有综合降解系数成果[17-19]，干流、支流COD的综合降解系数分别为0.18/d～0.56/d、0.10/d～0.20/d，干流、支流氨氮的综合降解系数分别为0.15/d～0.34/d、0.12/d～0.30/d，对于无实测数据的河段参考相近流域确定污染物综合降解系数。

2.3 退水调查及预测

退水调查以2015年为基准年，调查范围为受水区退水河流所在行政区，受水区涉及泾河、漆水河、石川河、渭河流域（干流水域及其支流涝河、沣河、皂河、灞河等）。近期水平年（2025年）受水区退水预测包括工业废水排放量和生活污水排放量两部分。污水排放量为用水量乘以污水排放系数，生活用水量以规划水平年城镇人口发展预测结果和城镇用水定额计算，工业用水量以万元工业增加值用水量乘以工业增加值进行估算。生活污水排放系数为0.80～0.55[20-21]，工业废水排放系数见表2。同时根据陕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年基础上提高5%，即近期水平年（2025年）再生水回用率为35%。生活污染物排放按照COD 30 mg/L、氨氮1.5 mg/L的标准进行计算，工业污染物排放按照COD 50 mg/L、氨氮5 mg/L的标准进行计算。

3 结果分析

3.1 不同设计流量条件下纳污能力比较

计算河流流量过程时考虑河流流量过程的连续性和水量平衡关系，以临潼水文站为基准推求退水河流流量过程。根据选取的水域纳污能力计算模型和各项参数，分别计算90%保证率最枯月平均流量、近10 a最枯月平均流量和近10 a最枯季平均流量条件下引汉济渭工程受水区退水河流纳污能力，见表3。

由表3可见，不同设计流量条件下受水区退水河流纳污能力不同，根据设计流量纳污能力由大到小为近10 a最枯季平均流量、近10 a最枯月平均流量、90%保证率最枯月平均流量，纳污能力随设计流量增大而增大。兴平、天江人渡、涝河控制断面3种设计流量条件下纳污能力差值较大，其主要原因是兴平和天江人渡断面有支流汇入，同时3种设计流量条件下同一控制断面支流汇入流量变化较大。涝河断面3种设计流量条件之间流量差值较大。由于我国北方地区河流存在季节性断流情况或枯水月流量太小，因此设计流量不宜太小。同时考虑渭河流域缺水，设计流量不宜过大。结合设计流量与水文站水文过程的一致性，以临潼站为基准计算的流量过程中，近10 a最枯月平均流量条件下流量过程与水文站流量最吻合，因此设计流量选取近10 a最枯月平均流量。以近10 a最枯月设计流量条件为基准，得出90%保证率条件下COD和氨氮纳污能力较近10 a最枯月减少了16.2%和20.2%，近10 a最枯季条件下COD和氨氮纳污能力较近10 a最枯月增加20.8%和26.6%。

3.2 退水变化对水域纳污能力的影响

工业废水和生活污水排放系数是影响退水量的主要因素，基于退水调查预测方法，选取工业废水和生活污水排放系數最大值和最小值核定受水区退水河流2025年退水状况。方案1为退水量最小值，方案2为退水量最大值，调水后2025年受水区退水河流不同退水条件河流纳污能力与现状年河流纳污能力见表4。

由表4可知，2015年和调水后2025年两种方案条件下，都是西安段河流纳污能力最大，原因是退水河流渭河西安段有灞河和泾河两大支流，且支流达标汇入渭河干流增加水体稀释能力。方案1和方案2污染物COD和氨氮纳污能力差值为15 093.00 t/a和685.21 t/a，占2015年污染物COD和氨氮纳污能力的19.1%和20.8%，方案2比方案1污染物COD和氨氮允许纳污能力增加18.3%和19.4%。计算得出，方案1与方案2污染物COD和氨氮入河负荷差值为17 704.97、1 433.02 t/a，不同退水条件引起退水量改变，污染物入河负荷随退水量的增加而增大，同时改变河流纳污能力，纳污能力随退水量的增加而增大，剩余纳污能力随退水量的增加而减小。因此，退水条件对纳污能力的影响较为显著，纳污能力计算时退水量波动不容忽视，应准确核定污染物排放系数。为了准确核定退水量，使得河流纳污能力的计算更加合理，在计算退水量过程中生活污水和工业废水排放系数取中值进行计算。

3.3 调水后水域纳污能力的核定

根据上述退水条件对纳污能力的影响，综合考虑排放系数的波动，以及退水量对纳污能力的影响，以排放系数均值核定受水区退水河流退水量，进而计算受水区退水河流2025年污染物COD和氨氮纳污能力，见表5。

由表5可知，引汉济渭工程调水后受水区退水河流纳污能力增加，2025年COD和氨氮纳污能力分别为88 738.20、3 846.09 t/a，较2015年COD、氨氮纳污能力分别增加12.4%、17.0%，其中渭南段纳污能力增加比例最大。2025年污染物纳污能力增加的主要原因是，引汉济渭工程调汉江水直接输入渭河，减少了支流取水，增加了渭河两岸侧向补给，增加工业和生活用水量，引起工业和生活退水量增加，从而使得渭河水量增加，提高了渭河的水体稀释能力，同时再生水回用率提高，污染物入河负荷减少。渭南段纳污能力增加比例较大的原因是，该区段引汉济渭工程调水替换灌区引水，减少了渭南段引水。

4 结 论

以引汉济渭工程受水区退水河流为研究对象，选取COD和氨氮为评价指标，利用一维水质模型复核了设计流量和水量变化情况下受水区河流的纳污能力。考虑我国北方河流缺水、季节性断流和枯水月流量较小等情况，同时考虑水文站水文过程与设计流量的一致性，选取近10 a最枯月平均流量为设计流量，分析了不同污水排放系数条件下退水量对河流纳污能力的影响，并计算了近期规划水平年引汉济渭工程受水区退水河流的纳污能力，工程调水后退水河流污染物COD和氨氮纳污能力分别为88 738.20、3 846.09 t/a，较2015年纳污能力分别增加12.4%、17.0%。此外，对退水排放系数的波动和确定进行了探讨，但用水量变化也会对退水量产生影响，为了进一步提高河流纳污能力的计算精度，对退水量影响因素的核定应进行深入研究。

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【责任编辑 吕艳梅】