滇中引水工程對洱海水環(huán)境影響

馮 健，周懷東，彭文啟，杜 霞

（中國水利水電科學研究院 水環(huán)境研究所，北京 100038）

1 研究背景

滇中地區(qū)位于金沙江、珠江、紅河、瀾滄江的一、二級支流源頭地區(qū)以及四大水系的分水嶺地帶，徑流年內、年際變化大，且受地形條件影響，水資源開發(fā)利用困難，2009—2010年云南遭遇百年一遇特大干旱，該區(qū)域工程性、資源性缺水問題愈顯突出，水環(huán)境問題日益加劇[1]。滇中地區(qū)是云南發(fā)展的核心區(qū)域，其水資源的需求不斷增加，使得該地區(qū)水資源供需矛盾日益突出。國務院批復的《長江流域綜合規(guī)劃簡要報告》（1990年）和《全國水資源綜合規(guī)劃》（2010年）均提出在金沙江干流引水，以滿足滇中地區(qū)用水需求[2]。2011年1月8—10日，有關部門在北京召開會議，對《滇中引水工程規(guī)劃報告》（2010年修訂、送審稿）（以下簡稱《規(guī)劃報告》）進行了審查，審查意見提出“下階段應進一步研究利用洱海、滇池輸水的可行性”。本文根據滇中引水工程規(guī)劃設計方案，滇中引水規(guī)劃利用洱海輸水線路見圖1，預測分析滇中引水工程實施對洱海水環(huán)境的影響，論證利用洱海輸水的環(huán)境可行性，為工程規(guī)劃設計輸水線路選取與優(yōu)化、工程實施水環(huán)境改善效果分析提供技術支撐。

圖1 滇中引水規(guī)劃利用洱海輸水線示意

2 洱海流域污染源評價與預測

預測2030/2040年引水工程對洱海水質的影響，首先需要預測無引水工程條件下洱海流域的人口、工業(yè)、農業(yè)的發(fā)展及其污染負荷，以及洱海的各類水環(huán)境保護規(guī)劃中控污措施實施后實際污染物的入湖量。規(guī)劃期內在現有治理水平下，隨著人口增加和流域社會經濟的發(fā)展，流域污染負荷產生量將呈增加趨勢。因此根據洱海流域人口與社會經濟的發(fā)展趨勢，需要預測規(guī)劃期污染物總量及入湖量。本文將污染源分為工業(yè)污水、城鎮(zhèn)生活污水、城鎮(zhèn)面源、農業(yè)面源、水土流失、旅游面源、干濕沉降等類型，參考《云南洱海綠色流域建設與水污染防治規(guī)劃》（2010年）的調查評估數據，以洱海流域現狀年農村與農業(yè)面源、鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水、工業(yè)企業(yè)、旅游業(yè)、水土流失等發(fā)展情況[3-7]，利用SWAT模型[8-9]等工具分析預測2030/2040年豐水年（P=10%）、平水年（P=50%）、枯水年（P=90%）條件下的污染負荷量，并根據洱海相關規(guī)劃預測2030/2040年污染治理措施條件下入湖污染物的削減量，計算結果如表1所示。

表1 規(guī)劃水平年2030/2040年實施規(guī)劃工程后污染物入湖負荷量 （單位：t/a）

3 湖泊計算模型

采用平面二維非恒定模型，其中的紊流模型采用混長模型，水流與水質模型的控制方程采用守恒形式，控制方程連續(xù)方程和水平向動量方程：

式中：u、v為水深平均流速分量；qx=uh，qy=vH分別為x、y向單寬流量；ξ為水位；H為總水深；β為水平向流速垂直分布非均勻分布修正系數；g為重力加速度；C為謝才系數；fs風摩阻系數；uw、vw分別為x、y向風速度；Qs為源匯項，主要用來模擬湖泊出入流；ε為水深平均渦黏系數，由混長紊流模型計算；t為時間；ρa空氣密度；ρw水的密度。

二維非恒定水質模型控制方程為：

洱海二維模型包括整個洱海湖區(qū)，模擬范圍為東西向20km，南北向40km。模型計算網格距為400m，計算單元數東西方向50個，南北方向100個，見圖2。

圖2 洱海模型計算區(qū)域及計算網格

4 洱海水質預測

分別計算了2030/2040年豐、平、枯水年典型條件下的3個方案：（1）方案一：“不利用洱?！狈桨?；（2）方案二：“利用洱?！狈桨福|采用2010年水源地水質；（3）方案三：“利用洱海”方案，引水水質采用河流Ⅱ類水水質。方案一主要預測無滇中引水工程條件下洱海在2030/2040年的水質狀況；方案二是在方案一的基礎上，加入滇中引水工程的影響，以水源地現狀水質來進行預測；由于引水水源地在2030/2040年的水質目標為河流Ⅱ類水水質，如果治理措施能達到預期效果，即假定2030/2040年水源地狀況達到了Ⅱ類標準，所以將其也做為一個方案，即方案三。

各預測方案的初始濃度場為洱?，F狀條件下實測濃度場，采用洱海典型風場西南風4.1m/s為風場條件。洱?，F狀水質基本不超過地表水Ⅱ類標準，但是隨著近年來經濟的發(fā)展，在人口活動劇烈的下關等地區(qū)洱海水質呈惡化趨勢。滇中引水工程將在2030年完工，本次預測的難度在于首先要預測2030/2040年污染源增加的情況下，洱海的在2030/2040年的水質狀況（方案一），然后再疊加進滇中引水工程實施后對洱海的水質影響（方案二和方案三），通過計算證實經過長期引水，并考慮湖泊的自凈能力之后，在達到均衡狀態(tài)下，湖泊的污染物濃度分布的變化。

滇中引水工程進行了多種水源方案的比選研究，最后確定金沙江虎跳峽及以上河段的奔子欄和石鼓為兩處備選的水源地，奔子欄和石鼓備選水源地各有優(yōu)勢，實際工程最終采用哪一個水源地還待進一步研究。石鼓位于洱海北面100km處，奔子欄位于洱海北方270km處?，F今石鼓和奔子欄的水質也有逐年惡化的趨勢見表2，綜合考慮石鼓和奔子欄2010年水質狀況，水源地引水水質分別取CODMn、TN、TP的濃度分別為2.0、0.66和0.05mg/L。由于石鼓和奔子欄水源地2030/2040年的水質目標為地表水水質Ⅱ類標準，另取CODMn、TN、TPⅡ類水水質濃度限值4.0、0.5和0.1mg/L再進行預測。

表2 2007—2009年水源地石鼓水質監(jiān)測平均值（單位：mg/L）

2030/2040年洱海水質的變化是多種因素作用的結果，使用建立的洱海水動力和水質模型，預測得2030/2040年豐、平、枯條件下全湖平均的水質濃度，如表3所示。

表3 規(guī)劃水平年水質狀況預測值 （單位：mg/L）

經過洱海水動力學及水質模型的計算，“不利用洱?！狈桨赶拢ǚ桨敢唬?030/2040年各污染物的預測濃度均低于Ⅱ類水平，即如果到2030/2040年如果可以有效執(zhí)行洱海水污染防治規(guī)劃中提出的洱海污染源削減方案，洱海2030/2040年可達Ⅱ類水質。如圖3和圖4所示，“利用洱海”方案（方案二和方案三）比方案一的TN、TP平均濃度有所提高，其中對TP影響較大，方案二和方案三TP濃度均超過Ⅱ類水標準，即方案二和方案三使洱海TP濃度下降一個類別。如圖5所示，方案二比方案一CODMn濃度將降低，方案三比方案一CODMn濃度升高，方案一和方案三都考慮了2030/2040年洱海流域人口、工業(yè)、農業(yè)的發(fā)展產生的污染物對洱海的影響，區(qū)別主要是由于滇中引水工程的引水水質不同，在長期引水條件下，在湖泊水體的對流、擴散、自凈等作用下，污染物質遷移轉化，在洱海內形成了不同的濃度分布。各方案條件CODMn均不超過Ⅱ類，表明CODMn不是洱海水質保護的關鍵性水質指標。綜合考慮，大理政府要求2030/2040年洱海水質保護目標為Ⅱ類水質，如果滇中引水工程采用“利用洱?！狈桨?，將會與洱海保護規(guī)劃的目標相矛盾?？紤]滇中引水工程對洱水的影響，建議滇中引水工程采用“不利用洱?！狈桨浮?/p>

圖3 規(guī)劃水平年各方案水質預測TN濃度表

圖4 規(guī)劃水平年各方案水質預測TP濃度表

圖5 規(guī)劃水平年各方案水質預測CODMn濃度表

進一步分析洱海污染物濃度場的分布情況。以2030年平水年各方案6月TP濃度場為例，如圖6所示。2030年平水年各方案TP的濃度場都基本呈現北部湖區(qū)水質濃度較高，南部湖區(qū)濃度次之，而湖心區(qū)水質濃度最低的分布，洱海水質這種北高南低的分布狀況與污染物的入湖量的空間分布有直接關系。經預測在2030年平水年，洱海北部較大的入湖河流“北三江”羅時江、彌苴河、永安江的入湖TP占總量的34%，北三江是洱海主要的污染物來源，“北三江”所輸送的入湖TP量造成洱海北部湖區(qū)的污染物濃度最高。洱海的污染負荷主要通過入湖河口進入洱海，由于入湖河口遠離洱海湖心區(qū)域，入湖河流對洱海湖心污染物濃度影響較小，所以湖心處的污染物濃度最低。對比3個方案，從圖6中可以看出方案二和方案三的TP濃度場在方案一基礎上有所升高，方案一超過濃度0.05mg/L的面積占全湖面積的23%，而方案二和方案三則分別上升為86%和93%，所以滇中引水工程將使洱海水TP濃度較高的面積不斷擴大，造成洱海水質惡化。

圖6 2030平水年方案一、二、三TP濃度場模擬（單位：mg/L）

5 結論

本文通過模型計算發(fā)現，滇中引水工程實施后洱海出口處豐、平、枯水文年型下CODMn、TN的出庫水質濃度均不超過Ⅱ類水水質標準，而TP出洱海水質濃度都超過湖泊Ⅱ類水質標準，即“利用洱?！狈桨笇P的影響較大，會造成洱海的TP濃度升高，從Ⅱ類惡化為Ⅲ類。根據洱海保護相關規(guī)劃，大理政府要求2030/2040年洱海水質保護目標為Ⅱ類水質，如果滇中引水工程采用“利用洱?！狈桨?，將會與洱海保護規(guī)劃的目標相矛盾。所以，考慮滇中引水工程對洱水的影響和對洱海的保護，建議滇中引水工程采用“不利用洱海”方案。

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