泾河甘陕缓冲区纳污能力浅析

王海强，马 康

（咸阳水文水资源勘测中心，陕西 咸阳712000）

1 概况

泾河甘陕缓冲区内有丰富的煤矿资源，随着煤炭资源开发利用，区域内用水需求不断增加，随之排水加大了甘陕缓冲区水资源承载力，同时泾河省界的污染主要是泾河上游入境及马莲河入境的影响，造成对泾河甘陕缓冲区水资源水质变化加剧，在保护泾河水环境前提下，高质量发展，符合现有的发展趋势，随着水污染防治工作的不断推进，泾河水质的不断改善，根据目前经济和水生态的发展布局需要，明确水功能区达标情况，结合景村水文站的长系列水文资料，综合考虑河流支流汇入、排污口设置等因素，对泾河甘陕缓冲区纳污能力及限排总量进行了水文分析计算，并核定该甘陕缓冲区纳污能力及限排总量。

2 纳污水域概况

泾河是黄河的二级支流，是渭河的最大支流，发源于宁夏回族自治区泾源县六盘山东麓，于陕西省高陵县境内注入渭河，全长455 km，流域面积45421 km2，是彬长矿区的最大过境河流。泾河干、支流河道呈羽状展布，从整个流域而言，绝大部分支流分布于干流中、上游地区。泾河流域横跨黄土塬区，整个流域大致呈扇形分布，总体地形西北高、东南低。

泾河流域的水功能区划涉及宁夏回族自治区、甘肃省和陕西省。根据黄河流域水功能区划成果，泾河流域一级水功能区有32个，涉及泾河干流及11条支流；二级水功能区22个，涉及泾河干流及8条支流。

按照《全国重要江河湖泊水功能区划（2011-2030）》《陕西省水功能区划》（2004）泾河水功能区在咸阳划分为两段，分为水功能一级区和水功能二级区。泾河水功能区见图1。

图1 泾河水功能区划图

3 泾河甘陕缓冲纳污能力计算

泾河甘陕缓冲区纳污能力计算步骤：①分析设计流量，确定区段设计流量Q和流速U；②确定来水浓度C0、出水浓度Cs。③分析模型计算参数k值；④分析计算区段现状，选取计算模型并计算纳污能力。

根据《水域纳污能力计算规程》规定：河流流量基本满足Q≤150 m3/s，纵向扩散项远小于平流输送项，从而忽略纵向扩散项，污染源是连续点源，可仅考虑污染物的降解；排污口入河污染物在横断面上均匀混合。泾河甘陕段基本满足以上几个条件，因此采用一维水质模型进行计算。对于功能区下断面，其污染物浓度计算公式为：

相应的水域纳污能力计算公式为：

式中：W为纳污能力，g/s；CX为水体质量标准，mg/L；C0为污染物背景浓度，mg/L；X为水域计算距离，m；Q为水域流量，m3/s；Qp为排污口排放流量，m3/s；U为水域平均流速，m/s；K为污染物衰减系数，1/s。

3.1 设计水文条件

（1）在计算水功能区下断面的纳污能力时，下断面流量是计算关键，设计流量的大小对纳污能力的计算结果影响很大，流量资料系列太短则无法反映水文规律，资料太长则无法反映人类活动对水资源造成的影响，特别是对枯水期小流量的影响。因此，在计算胡家河村断面流量时，采用泾河景村水文站实测月平均流量推算胡家河村断面处的月平均流量。

依据《水域纳污能力计算规程》（GB/T 25173-2010）要求，有水文长系列资料时，现状设计流量的确定选用设计保证率的最枯月平均流量，采用频率计算法计算。无水文长系列资料时，可采用近10年系列资料中的最枯月平均流量作为设计流量。无水文资料时，可采用内插法、水量平衡法、类比法等方法推求设计流量。

胡家河村断面距景村水文站43.2 km，选取景村水文站作为参证站。现状条件下，一般采用最近10年最枯月平均流量或90%保证率最枯月平均流量作为设计流量。依据景村水文站近10年枯水月平均流量值，采用比拟法计算胡家河村断面处的枯水月平均流量。设计流量计算是基于景村水文站的实测流量资料，对历年月流量进行统计，将其从大到小排列，经验频率计算公式：

式中：p为设计保证率；m为样本秩数；n为样本总数。

将频率计算结果点绘成对数频率曲线，用P-Ⅲ型曲线与之适配，据p-III型曲线查90%保证率所得流量即为设计流量，表1为景村站近11年每月平均流量统计表。

表1 景村站2009年～2019年月平均流量统计表 单位：m3/s

按照10年最枯月平均流量：选用水文年1月～3月、11月～12月为枯水期，计算Q月均为13.7 m3/s。按照90%保证率最枯月平均流量：选用景村站20年～30年最枯月流量进行统计，用P-Ⅲ型曲线与之适配，见图2景村站最枯流量P-Ⅲ型曲线图。

图2 景村站最枯流量P-Ⅲ型曲线图

表2 景村站最枯流量不同频率流量成果表

通过两种方法计算，11年最枯月平均流量13.7 m3/s，90%保证率最枯月平均流量13.6 m3/s，两种方法计算出的流量基本一致。为了反映该段（泾河甘陕缓冲区）水文年际周期变化和其中长期发展趋势，流量资料系列视资料情况取10年枯水期月平均流量值13.7 m3/s。

以景村站断面流量为依据，采用水文比拟法，确定泾河彬州市胡家河村断面流量，见表3。

表3 胡家河村断面流量成果表

2）断面设计流速确定

按下式计算：

式中：V为设计流速；Q为设计流量；A为过水断面面积。

对泾河胡家河村河道断面实测，利用曼宁公式推求该断面水位～流量和水位～面积关系，曼宁公式：

式中：Q为流量；A为断面面积；n为糙率；R为水力半径；i为水面比降。

依据曼宁公式推求该断面水位～流量和水位～面积关系，计算出胡家河村断面设计流速V，见表4。

图3 胡家河村断面水位-流量关系曲线

图4 胡家河村断面水位-面积关系曲线

表4 胡家河村断面设计流速成果表

通过计算泾河甘陕缓冲区胡家河村断面10年枯水期月平均流量值为11.8 m3/s，流速为0.674 m/s（采用景村水文站资料）。

3.2 控制参数

（1）控制因子及水质标准

参照最严格的水资源管理制度纳污控制考核的要求，结合我省多年来在污染控制方面的实际，确定COD、NH3-N为本次纳污能力计算的因子。

表5 COD、NH3-N水质标准

（2）综合衰减系数K的确定

为简化计算，在水质模型中，将污染物在水环境中的物理降解、化学降解和生物降解概化为综合衰减系数，确定合理的污染物综合衰减系数是模拟污染物在水体中浓度衰减的关键之一。分别采用以下方法计算，并进行综合确定：

1）实测法

为较准确地掌握河流的综合衰减系数K，在景村水文站设置了监测断面，同步监测水文及水质等各项要素，并与长系列资料比较，经分析，确定了较可靠的干、支流、排污口的水文、水质监测资料，利用实测资料反推法确定综合衮减系数K值，对取得数据进行合理性和可靠性分析后采用计算公式如下：

式中：K为污染坊综合降解系数，1/d；CA为河段上断面污染物浓度，mg/L；CB为河段下断面污染物浓度，mg/L；u为河段平均流速，m/s；x为上下断面间的距离，km。

计算得到泾河干流的COD的k值为0.18d-1～0.24d-1，NH3-N的k值为0.20d-1～0.30d-1。

2）分析借用法

本次纳污能力计算，综合衰减系数（K）的确定依据2015年通过水利部审查的《黄河流域（片）重要江河湖泊水功能区纳污能力核定和分阶段限制排污总量控制方案》。分析确定泾河甘陕缓冲区干流纳污能力计算中综合衰减解系数（K）的取值为：化学需氧量的K值为0.20d-1，氨氮的K值为0.28d-1。泾河化学需氧量的K值为0.21d-1，氨氮的K值为0.29d-1。考虑泾河上下游水力特性、污染状况等条件的差异，此值可作为参考值使用。

背景浓度Co和控制断面浓度CX是计算纳污能力的另外两个参数，它们反映了水功能区来水和出水质量，其取值主要考虑功能区的水质目标。

根据2015年～2019年对胡家河村断面以上6.1 km处的政平断面每月水质监测，监测的结果，在政平断面处的COD的监测值年平均值都比目标值大。NH3-N的监测值年平均值都比目标值小。按照三条红线考核的相关规定，跨界水功能区超标原因是受上游来水影响的可以对污染物量进行核减的原则，本次纳污能力计算C0值采用水功能区水质目标的上限，分别为COD 20 mg/L，氨氮1.0 mg/L，CS采用论证水功能区的水质目标Ⅲ类水的限制，分别为20.0 mg/L及1.0 mg/L。

通过计算泾河甘陕缓冲区纳污能力分别为：COD 1254.7 t/a，NH3-N 89.3 t/a，主要参数见表6。

表6 泾河甘陕缓冲区纳污能力计算表

4 泾河甘陕缓冲限制排放总量计算

限制排污总量控制计算方法，水功能区限制排污总量在核定水域纳污能力的基础上，结合《全国水资源综合规划》和黄河流域综合规划修编成果、区域经济技术水平、河流水资源配置等因素，严格控制入河排污总量，综合确定重要江河湖泊水功能区分阶段限制排污总量方案。

以2019年为例，分为有、无污染物入河量资料两种情况，泾河甘陕缓冲区有污染物排放。依据《全国水资源综合规划》黄河干流、主要支流及西北主要河流的保护区、省界缓冲区、饮用水源区及其他重要水功能区，原则上应在2015年达到水功能区水质目标要求，根据污染布局，以核定的纳污能力或小于纳污能力综合确定2015年限制排污总量。

预计2020年、2030年仍不能实现水功能区水质达标的，按照从严控制、未来有所改善的要求，确定水功能区2020年、2030年限制排污总量。具体可以考虑如下几种控制方案：

1）根据水功能区污染程度，考虑社会经济发展水平、污染治理水平及其可达性，按一定的入河消减百分比提出阶段污染物限排总量。

2）考虑地区水资源条件、水功能区现状水质、现状污染物入河排放量以及污染治理水平等因素，采取75%、50%或者其他保证率设计条件计算的纳污能力作为阶段污染物限排总量。

2020年、2030年的水功能区限制排污总量方案参照以上方法。

依据2019年对政平断面的监测的结果（见表7，分析功能区分阶段限制排污总量，采用2019年COD及NH3-N的监测值年枯水月最最小值为作为C0值。即，分别为COD 16.4 mg/L，氨氮0.41 mg/L为作为C0值。

表7 2019年政平断面COD及氨氮实际监测值表 单位：mg/L

方案1：采用入河消减的75%提出阶段污染物限排总量

依据水功能区污染程度，采用政平断面2019年的平均值COD及氨氮的数据，计算泾河甘陕缓冲区水环境容量，计算公式：

式中：W为水环境容量，t/a；K为污染物综合降解系数，1/d；C0为河段上断面污染物浓度，mg/L；Ey为横向弥散系数，m2/s；Cs为功能区水质标准浓度，mg/L；u为河段平均流速，m/s；L为河道长度，km；h为河段平均水深，m；86.4为单位换算系数。

通过计算泾河甘陕缓冲区水环境容量分别为：COD 2474 t/a，NH3-N 312 t/a，主要参数见表8。

通过泾河甘陕缓冲区水环境容量计算，得到该段缓冲区入河消减量见表9。

表8 泾河甘陕缓冲区水环境容量计算表

表9 泾河甘陕缓冲区入河消减量成果表

按照入河削减的75%提出阶段污染物限排总量，分别COD 206.3 t/a，NH3-N 26.3 t/a。

方案2：取75%保证率设计条件计算的纳污能力作为阶段污染物限排总量。

泾河甘陕缓冲区胡家河村断面75%保证率下的设计流量为13.7 m3/s，流速为0.698 m/s（采用景村水文站资料）。

在政平断面处的COD的监测值年平均值都22.85 mg/L，氨氮0.871 mg/L为作为C0值。

通过计算泾河甘陕缓冲区限制排放分别为：COD 167.7 t/a，NH3-N 89.3 t/a，主要参数见表10。

表10 泾河甘陕缓冲区限制排放计算表

通过方案1和方案2比较，方案1考虑到水环境容量，考虑因素较多，采用方案1比较合理。依据2019年限制排放计算，2020年、2030年的水功能区限制排污总量见表11。

表11 泾河甘陕缓冲区限制排放成果表

5 结论

本文通过计算泾河甘陕缓冲区的纳污能力COD、氨氮入河量分别为1254.7 t/a、89.3 t/a；确定2020年～2030年的水功能区限制排污总量染物COD、氨氮入河量分别为206.3 t/a、26.3 t/a。