汉江汉中市城区河段水环境容量核算与分析研究*

陕西省环境科学研究院 郑郁，王西锋，胡恩，吴宇鑫，余继香

汉江是长江的一级支流，干流全长1577km，流域面积15.9万km2，发源于陕西省宁强县，流经陕西、湖北两省，最终在武汉市汇入长江[1]。汉江在陕西干流全长657公里，流域面积5.49万km2。汉江水资源丰富，干流在汉中境内全长277.8公里，出境断面小钢桥多年保持Ⅱ类。有关汉江流域的水环境容量研究主要集中在中下游河段，上游河段尤其以城区河段的研究比较少见[2]。以汉江汉中市城区河段为研究对象，梳理汉中市城区河段的重要支流或入河排污口，研究水环境容量和入河污染物负荷，为汉江上游水环境污染防治工作提供参考。

一、研究区域概况

汉江汉中市城区河段所属行政区主要为汉台区和南郑区，属北亚热带湿润季风气候，海拔高度在500-2000m，年均降水855.3mm，年均气温14.5℃。到2020年末，两区总人口122.04万，其中城镇人口73.92万人，占比60.57%[3]。

汉江干流在汉台区和南郑区全长38.3千米，汉江武侯镇水文站多年平均流量42.86m3/s，褒河马道水文站多年平均流量42.75m3/s，汉江在汉中市城区河段平均水深1m，平均河宽50m左右，平均流速0.7m/s，水功能区划目标Ⅲ类，水环境考核目标Ⅱ类，有汉中市3家城镇生活污水处理厂的尾水汇入[4]，研究区内水系概化图见图1。

图1 汉江汉中市城区河段水系概化图

二、研究内容及方法

（一）资料收集

本文水文资料参考最近的汉江武侯镇水文站资料和褒河马道水文站资料，取多年平均流量的10%，也就是基于生态流量下的水文数据，汉江武侯镇水文站为4.286m3/s，褒河马道水文站流量为4.275m3/s，汉江在梁西渡断面之前的初始流量为8.561m3/s。

本文通过获取汉中市环境监测站2020年国考断面梁西渡和南柳渡的常规监测数据为依据，以梁西渡断面监测数据作为来水初始浓度，COD=10.75mg/L、NH4+-N=0.098mg/L、TP=0.057mg/L，南柳渡断面的考核目标为Ⅱ类，作为断面的终止浓度，COD=15mg/L、NH4+-N=0.5mg/L、TP=0.1mg/L。

支流或入河排污口。城区段较大支流有2条，分别为濂水河和冷水河，多年平均流量的10%分别为0.397m3/s、0.422m3/s，与南柳渡断面距离分别为27.5km、20.2km。城区段污水处理厂有3家，分别为汉中市城市污水处理厂、汉中市江南污水处理厂、汉中市铺镇污水处理厂，2020年的实际处理规模分别为0.966m3/s、0.366m3/s、0.13m3/s，与南柳渡断面距离分别为21.7km、21.7km、8.4km。

（二）模型选取

表1 汉江汉中市城区河段水质控制断面

水质模型是水环境容量核算的核心，模型的选取取决于水域的流速流量、宽深比、迁移扩散速率等诸多因素。根据研究区内河流特点，本文水环境容量核算采用一维水质模型[5-7]。对于汉江汉中市城区河段而言，平均宽度50m，平均深度1m，属于宽浅河流，因此可认为污染物在短时间内基本混合均匀，选取一维水质模型能满足要求[8-10]。

（三）计算方法

采用控制断面法。指满足某一控制断面水质要求，进而计算控制断面间的水环境容量[11-12]。河流混合输移过程一般由一维稳态水质模型—托马斯模型进行描述（忽略弥散）：

在C(0)=C0的初值条件下积分：

水环境容量为：

式中：Q—河流设计流量；Cs—水质标准；Co—上游断面水质背景浓度；k—污染物综合降解系数；qi—汇入支流或排污口流量；ti—从上断面到下断面水流时间，既t=x/u，x—第i段河流长度，u—第i段河流流速。

（四）参数选取

河流设计流量选取武侯水文站和马道水文站数据，取梁西渡断面之前汉江干流多年平均流量的10%，Q=8.561m3/s；控制断面水质标准选取南柳渡断面考核目标Ⅱ类限值，Cs取 COD=15mg/L、NH4+-N=1.0mg/L、TP=0.1mg/L；背景断面水质浓度选取梁西渡断面实测值，Co取COD=10.75mg/L、NH4+-N=0.098mg/L、TP=0.057mg/L；污染物综合降解系数分别取 kc=0.3d-1、kn=0.2d-1、kp=0.1d-1；2条支流和3座污水处理厂的流量分别为q1=0.397m3/s、q2=0.422m3/s、q3=0.966m3/s、q3=0.366m3/s、q5=0.13m3/s，入河口到控制断面距离分别为x1=27.5km、x2=20.2km、x3=21.7km、x4=21.7km、x5=8.4km；河流流速实测为0.7m/s；t=x/u分别计算得出汉江干流to=0.63d，支流或排污口汇入后t1=0.45d、t2=0.33d、t3=0.36d、t4=0.36d、t5=0.14d[13-14]。

三、结果与分析

（一）设计条件下的水环境容量

将选取的参数代入水环境容量计算公式，得出干流和支流各部分的水环境容量，然后求和得出汉江汉中市城区河段水环境容量。计算结果见表2。通过表2可知，汉江汉中市城区河段的水环境容量：COD为3196.519吨/年、NH4+-N为165.404吨/年、TP为20.831吨/年，其中汉江干流的水环境容量：COD为1994.714吨/年、NH4+-N为126.759吨/年、TP为13.374吨/年，占比分别为 62.4%、76.64%、64.2%，说明汉中城区河段的水环境容量主要来自干流，可能是汉江干流的流量比较大，在其他条件一定的情况下，干流的稀释容量和自净容量都高于支流贡献量。

表2 汉江汉中市城区河段水环境容量计算表

（二）水环境容量与入河污染物总量分析

汉江汉中市城区河段主要汇入的有汉中市城市污水处理厂、汉中市江南污水处理厂、汉中市铺镇污水处理厂的排放水，2020年实际处理量、出水浓度和入河污染物排放量见表3。

表3 汉中市城区污水处理厂统计表

设计条件下的水文是基于生态流量下的数据，因此计算出的水环境容量是偏小的，只要满足入河污染物总量小于水环境容量，即可认为水质目标约束下的入河污染物是符合总量控制要求的。2020年汉中市污水处理厂污染物入河量：COD为648.126吨/年、NH4+-N为29.747吨/年、TP为12.398吨/年，均低于设计条件下的水环境容量。因此，汉中市城区河段污染物入河量符合总量控制要求，也就是说考核断面的年均值达标几乎没有压力。

（三）入河排污口的混合过程段计算

根据资料文献，一般认为入河排污口的混合过程段在5-10km左右，由于汉中市铺镇污水处理厂入河排污口距离南柳渡断面8.4km，有可能控制断面处在混合过程段，影响南柳渡断面的水质达标。根据混合过程段的计算公式：

式中：L—混合过程段长度，m；B—河流宽度，m；a—排放口到近岸距离，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。

汉中市铺镇污水厂入河口的汉江河宽50m，排放口到近岸距离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，代入上式计算得出L=6.95-9.73km。在其他条件一定的情况下，混合过程段的长度和河流流速成正比，当流速≤0.5m/s时，铺镇污水处理厂尾水对南柳渡断面达标影响不大，当流速≥0.7m/s时，也就是丰水期或者暴雨时，铺镇污水处理厂尾水对南柳渡断面达标有一定影响，铺镇污水处理厂尾水来不及完全混合就经过南柳渡断面，容易造成断面超标。

四、结论与建议

汉江汉中市城区河段水环境容量COD=3196.519吨/年、NH4+-N=165.404吨/年、TP=20.831吨/年，主要入河污染物量COD=648.126吨/年、NH4+-N=29.747吨/年、TP=12.398吨/年，从污染物总量控制方面来说，汉江汉中市城区河段水环境容量均满足入河污染物量。从控制断面南柳渡水质达标来说，南柳渡距离铺镇污水处理厂入河排污口8.4km，有可能处在排污口的混合过程段，计算混合过程长度6.95-9.73km，丰水期或者暴雨时期，有可能造成断面超标，需要在丰水期或者暴雨时期做好预防措施。