牛欄江—滇池補(bǔ)水工程對(duì)滇池外海的水環(huán)境改善效果研究

毛建忠,孫燕利,賀克雕,2,孔桂芬,楊中蘭

(1.云南省水文水資源局,云南 昆明 650106; 2.云南大學(xué)生態(tài)學(xué)與環(huán)境學(xué)院,云南 昆明 650091)

牛欄江—滇池補(bǔ)水工程對(duì)滇池外海的水環(huán)境改善效果研究

毛建忠1,孫燕利1,賀克雕1,2,孔桂芬1,楊中蘭1

(1.云南省水文水資源局,云南 昆明 650106; 2.云南大學(xué)生態(tài)學(xué)與環(huán)境學(xué)院,云南 昆明 650091)

利用牛欄江-滇池補(bǔ)水工程運(yùn)行前后的水質(zhì)實(shí)測(cè)資料,對(duì)滇池外海的水環(huán)境改善效果進(jìn)行研究。選取TP、TN、NH3-N、CODMn、Chl-a、SD等主要水環(huán)境指標(biāo),從指標(biāo)濃度變化、水質(zhì)類別變化、指標(biāo)向好率變化和極大值變化等方面分析牛欄江-滇池補(bǔ)水工程對(duì)滇池外海的水環(huán)境改善效果。結(jié)果表明,牛欄江-滇池補(bǔ)水工程運(yùn)行后,滇池外海各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的TP、TN、NH3-N、CODMn、Chl-a、SD及營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)均優(yōu)于調(diào)水前,富營(yíng)養(yǎng)化水平明顯好轉(zhuǎn),水環(huán)境改善成效顯著。

牛欄江-滇池補(bǔ)水工程;滇池外海;水環(huán)境;改善效果

隨著昆明市經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展,滇池流域人口數(shù)量和主城區(qū)面積不斷增加,滇池水質(zhì)狀況總體呈下降趨勢(shì),20世紀(jì)70年代后期滇池富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程明顯加快。一般說來,磷是影響湖泊水生植物特別是藻類的關(guān)鍵性營(yíng)養(yǎng)元素[1]。根據(jù)經(jīng)濟(jì)合作發(fā)展組織的統(tǒng)計(jì)調(diào)查,世界上有80%以上的湖泊富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程受磷控制,滇池就屬于磷控制型[2]。從80年代末起,外海水質(zhì)長(zhǎng)期在Ⅴ類～劣Ⅴ類區(qū)間波動(dòng),1992年滇池首次發(fā)生較大規(guī)模的微囊藻水華,至今幾乎每年都暴發(fā)藍(lán)藻水華,水體污染和富營(yíng)養(yǎng)化程度日趨嚴(yán)重,湖泊水生態(tài)系統(tǒng)受到嚴(yán)重?fù)p害。

2007年,云南省針對(duì)滇池污染治理工作確定了6大水污染綜合治理措施,其中“外流域調(diào)水水資源補(bǔ)給措施”已于2013年12月28日建成通水,即牛欄江-滇池補(bǔ)水工程。工程對(duì)增加滇池流域水資源量,提高水資源承載力,改善水環(huán)境,協(xié)調(diào)昆明市及曲靖市的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義[3]。工程調(diào)水經(jīng)輸水渠(管)道匯入盤龍江(清水通道),并從滇池外海北部的盤龍江入湖口匯入滇池外海,工程設(shè)計(jì)年補(bǔ)水量5.72億m3。牛欄江—滇池補(bǔ)水工程是優(yōu)化配置水資源的一項(xiàng)重大舉措,工程運(yùn)行至今已2年有余,向滇池外海補(bǔ)充優(yōu)質(zhì)水源共10.71億m3,其中2014年調(diào)水4.46億m3,2015年調(diào)水6.25億m3。工程調(diào)水進(jìn)入滇池外海后,對(duì)滇池水環(huán)境的改善效果已成為各級(jí)政府和社會(huì)公眾關(guān)注的焦點(diǎn),但缺乏利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)開展的研究。本文選擇滇池外海為研究對(duì)象,利用工程運(yùn)行前后的水質(zhì)實(shí)測(cè)資料,對(duì)滇池外海的水質(zhì)狀況和水環(huán)境改善效果進(jìn)行分析,以期為滇池的水污染綜合治理和水資源科學(xué)調(diào)度提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

滇池是云南省最大的高原淡水湖泊,位于102°36′E～102°47′E,24°40′N～25°02′N,屬長(zhǎng)江流域金沙江水系。滇池位于昆明市主城區(qū)的下游,湖泊面積298 km2,湖體略呈弓形,弓背向東,為南北走向,南北最長(zhǎng)32 km,東西寬12.5 km,湖岸線長(zhǎng)163.2 km。當(dāng)水位為1 886.5 m時(shí),平均水深4.4 m,最大水深10.9 m,湖容積12.9億m3,是典型的寬淺型高原湖泊。滇池水域被水工建筑物(船閘)分為2部分,北部為草海,南部為外海,外海水面面積占比約96.7%,為滇池主體,出口位于湖泊西南端的海口鎮(zhèn),出流入螳螂川,后流入普渡河,最后在祿勸縣境內(nèi)的三江口匯入金沙江干流。

2 數(shù)據(jù)來源

云南省水環(huán)境監(jiān)測(cè)中心長(zhǎng)期在滇池外海設(shè)置了五水廠、海埂、白魚口、中灘、昆陽、海晏6個(gè)常規(guī)監(jiān)測(cè)點(diǎn),見圖1,2013年增加烏龍、觀音山中、海晏中、白魚口中、沙堤、河泊所、大河尾、海埂中、富善、王官、晉寧、紅泥咀12個(gè)站點(diǎn),2014年以后再次增加觀音山、西華中、暉彎中3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),共21個(gè)站點(diǎn)。主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)有pH值、電導(dǎo)率、DO、CODMn、NH3-N、TP、TN、SD等,其中五水廠、海埂、白魚口、中灘、大河尾、海埂中和觀音山中加測(cè)Chl-a。

結(jié)合改善水環(huán)境效果分析工作的需求,本文選取2009—2015年的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料作為水環(huán)境改善效果分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源。結(jié)合滇池外海水污染特征分析,選取TP、TN、NH3-N、CODMn、SD、Chl-a 6項(xiàng)水環(huán)境指標(biāo)以及營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)IE作為分析的主要指標(biāo)。據(jù)統(tǒng)計(jì),以上站點(diǎn)2009—2015年,對(duì)TP、TN、NH3-N、CODMn、SD、Chl-a 6項(xiàng)水環(huán)境指標(biāo)共開展了854項(xiàng)次監(jiān)測(cè),共獲得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)4 696組。

圖1 滇池外海監(jiān)測(cè)站點(diǎn)示意圖

3 研究方法

本研究重點(diǎn)考慮滇池外海在工程運(yùn)行前后的水環(huán)境改善效果,采取的方法是以工程竣工運(yùn)行時(shí)間節(jié)點(diǎn)劃分為工程運(yùn)行前(2009—2013年)和工程運(yùn)行后(2014—2015年),對(duì)比2個(gè)時(shí)期滇池外海水體的富營(yíng)養(yǎng)化關(guān)鍵因子(TP、TN、NH3-N、CODMn、SD、Chl-a)、營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)、水質(zhì)評(píng)價(jià)分析結(jié)果的差異與變化,進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后,科學(xué)評(píng)估滇池外海水環(huán)境的變化趨勢(shì)和改善效果,分為以下5個(gè)步驟。

步驟1：根據(jù)2009—2013年滇池外海6個(gè)常規(guī)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的TP、TN、NH3-N、CODMn、SD、Chl-a 6項(xiàng)水環(huán)境指標(biāo)的監(jiān)測(cè)資料,用算術(shù)平均法計(jì)算各站點(diǎn)工程運(yùn)行前各指標(biāo)均值。營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)根據(jù)《地表水資源質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》采用指數(shù)法[4],評(píng)價(jià)項(xiàng)目包括TP、TN、Chl-a、CODMn和SD,采用線性插值法將水質(zhì)指標(biāo)濃度值轉(zhuǎn)換為賦分值,再根據(jù)以下公式計(jì)算：

(1)

式中:IE為營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù),IE多年均值同樣采用算術(shù)平均法計(jì)算;Ei評(píng)價(jià)項(xiàng)目賦分值;N為評(píng)價(jià)項(xiàng)目個(gè)數(shù)。

步驟2：用同樣方法計(jì)算工程運(yùn)行后(2014—2015年)滇池外海21個(gè)站點(diǎn)TP、TN、NH3-N、CODMn、SD、Chl-a 6項(xiàng)水環(huán)境指標(biāo)和營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的年均值,并與工程運(yùn)行前的結(jié)果進(jìn)行比較分析。

步驟3：根據(jù)SL395—2007《地表水資源質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》,按照水質(zhì)站的口徑,對(duì)滇池外海21個(gè)站點(diǎn)2013—2015年NH3-N、TN、CODMn、TP 4項(xiàng)水環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行區(qū)域水質(zhì)評(píng)價(jià),分析連續(xù)3年滇池外海區(qū)域水質(zhì)的變化規(guī)律。如各項(xiàng)指標(biāo)屬于Ⅰ～Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)比例增加,屬于Ⅳ～Ⅴ及劣Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)比例減少甚至消失,我們即可認(rèn)為在調(diào)水入湖后外海水體水質(zhì)變化呈向好趨勢(shì)。

圖2 工程運(yùn)行前后外海各站點(diǎn)水環(huán)境指標(biāo)對(duì)比

步驟4：采用2013—2015年外海18個(gè)站點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(西華中、暉灣中和觀音山缺少2013年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),故未進(jìn)行對(duì)比分析),對(duì)影響外海水質(zhì)的TP、TN、NH3-N、CODMn、Chl-a等水環(huán)境指標(biāo)逐一進(jìn)行對(duì)比分析,將各站點(diǎn)2014、2015年的指標(biāo)濃度和2013年同期分別進(jìn)行比較,計(jì)算各指標(biāo)濃度低于2013年同期的測(cè)次比例,即定義為指標(biāo)向好率,以指標(biāo)向好率不小于65%的站點(diǎn)多少來判斷水質(zhì)改善效果好壞,指標(biāo)向好率不小于65%的站點(diǎn)比例越大,水質(zhì)改善效果越好。

步驟5：分析比較外海監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的重要水質(zhì)特征值,選取外海21個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn),比較調(diào)水前后TP、TN、NH3-N、CODMn等水環(huán)境指標(biāo)的極大值,計(jì)算各站點(diǎn)以上4個(gè)參數(shù)調(diào)水前后極大值變化率,計(jì)算方法見式(2),以極大值變化率正負(fù),判斷調(diào)水前后水質(zhì)變化。

(2)

式中：R為極大值變化率；M1為補(bǔ)水后極大值；M0為補(bǔ)水前極大值。

4 水環(huán)境改善效果分析

4.1 水環(huán)境指標(biāo)濃度

牛欄江-滇池補(bǔ)水工程運(yùn)行前后滇池外海TP、TN、NH3-N、CODMn、SD、Chl-a 6項(xiàng)水環(huán)境指標(biāo)濃度和營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)對(duì)比見圖2。

與牛欄江-滇池補(bǔ)水工程運(yùn)行前的均值相比,滇池外海21個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)2014、2015年的NH3-N質(zhì)量濃度年均值都有所降低,其中21個(gè)數(shù)值降低幅度達(dá)50%,3個(gè)出現(xiàn)在2014年,18個(gè)出現(xiàn)在2015年;TN年均值中有95.2%的數(shù)值降低,其中7個(gè)數(shù)值降低幅度達(dá)50%,均出現(xiàn)在2015年;CODMn年均值中有97.6%的數(shù)值降低;TP年均值都有不同程度降低,其中29個(gè)數(shù)值減幅達(dá)50%,13個(gè)出現(xiàn)在2014年,16個(gè)出現(xiàn)在2015年;SD年均值中有95.2%的數(shù)值增大;營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)年均值都小于工程運(yùn)行前,大部分站點(diǎn)呈現(xiàn)出從中度富營(yíng)養(yǎng)向輕度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變的趨勢(shì);開展Chl-a檢測(cè)的7個(gè)站點(diǎn)2014、2015年的年均值減小,其中9個(gè)數(shù)值小于多年均值的50%,4個(gè)出現(xiàn)在2014年,5個(gè)出現(xiàn)在2015年。

分析表明,除個(gè)別站點(diǎn)外,超過95%以上的站點(diǎn)的TP、NH3-N、CODMn、SD、Chl-a、營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)都呈向好趨勢(shì),同一站點(diǎn)SD年均值逐年遞增,其余各水環(huán)境指標(biāo)的年均值逐年遞減,大部分站點(diǎn)TN明顯呈下降趨勢(shì)。張國(guó)涵等[5]認(rèn)為,從牛欄江引入滇池的清潔水能有效稀釋TP、TN,與本研究結(jié)果相符。

4.2 水質(zhì)類別

對(duì)外海21個(gè)站點(diǎn)2013—2015年NH3-N、TN、CODMn、TP 4項(xiàng)水環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行單因子評(píng)價(jià)[3]并統(tǒng)計(jì)各類水質(zhì)比例,再按水質(zhì)站口徑進(jìn)行區(qū)域水質(zhì)評(píng)價(jià),統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖3。

圖3 滇池外海各站點(diǎn)各水質(zhì)類別比例

可以看出,2013—2015年,滇池外海水體中按NH3-N、TN、CODMn和TP評(píng)價(jià)的Ⅰ～Ⅲ類水比例呈穩(wěn)步增加的趨勢(shì),其中Ⅰ～Ⅲ類水比例最大值是按NH3-N評(píng)價(jià),2015年達(dá)到98.11%;比例增加最快的是按CODMn評(píng)價(jià),工程運(yùn)行后增加了4倍多;而Ⅳ～Ⅴ類水及劣Ⅴ類水比例穩(wěn)步下降,其中按NH3-N、CODMn評(píng)價(jià)的劣Ⅴ類水比例到2015年均下降為0。

4.3 指標(biāo)向好率

為直觀顯示滇池外海水質(zhì)改善效果,采用指標(biāo)向好率進(jìn)行水環(huán)境改善效果分析,計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1、圖4。

表1 2014、2015年與2013年相比5項(xiàng)指標(biāo)向好率統(tǒng)計(jì)

注:A為指標(biāo)向好率為100%的站點(diǎn)數(shù);B為指標(biāo)向好率不小于65%的站點(diǎn)數(shù);C為指標(biāo)向好率小于65%的站點(diǎn)數(shù)。

圖4 2014、2015年與2013年相比5項(xiàng)指標(biāo)向好率對(duì)比

參與分析的18個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)中,2014年CODMn、NH3-N、TP、TN和Chl-a的指標(biāo)向好率不小于65%的站點(diǎn)分別為18、15、14、4和6個(gè),其中,CODMn和NH3-N的改善效果較為顯著;2015年CODMn、NH3-N、TP、TN和Chl-a的指標(biāo)向好率不小于65%的站點(diǎn)分別為18、15、13、12和6個(gè),TN在2014年的基礎(chǔ)上改善程度最大,2015年指標(biāo)向好率達(dá)100%的站點(diǎn)數(shù)有不同程度增加。總體上,牛欄江-滇池補(bǔ)水工程運(yùn)行后,各水環(huán)境指標(biāo)均有不同程度改善,尤其是對(duì)CODMn、NH3-N、TP的改善較為顯著。

4.4 指標(biāo)極大值

對(duì)外海18個(gè)站點(diǎn)工程運(yùn)行前后(2013—2015年)TP、TN、NH3-N、CODMn等水環(huán)境指標(biāo)的極大值變化率進(jìn)行比較,結(jié)果見圖5。

圖5 調(diào)水前后各站點(diǎn)極大值變化率

TP、TN、NH3-N、CODMn均為逆向指標(biāo),指標(biāo)濃度越小表示水環(huán)境質(zhì)量越好,因此,如極大值變化率為負(fù),則說明該站點(diǎn)工程運(yùn)行后水質(zhì)好于工程運(yùn)行前。從圖5可以看出,NH3-N極大值變化率為負(fù)的站點(diǎn)有16個(gè),占全部站點(diǎn)的88.9%;TN極大值變化率為負(fù)的站點(diǎn)有11個(gè),占全部站點(diǎn)的61.1%;CODMn極大值變化率為負(fù)的站點(diǎn)有8個(gè),占全部站點(diǎn)的44.4%;TP極大值變化率為負(fù)的站點(diǎn)有13個(gè),占全部站點(diǎn)的72.2%。18個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)4個(gè)水環(huán)境指標(biāo)共有49項(xiàng)次極大值變化率為負(fù),占總項(xiàng)次的68.1%。以上統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,工程運(yùn)行后外海大部分站點(diǎn)的主要污染指標(biāo)均有一定程度改善。

5 結(jié) 論

a. 牛欄江-滇池補(bǔ)水工程運(yùn)行后,滇池外海各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的NH3-N、TP、CODMn、TN、Chl-a、SD及營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)均優(yōu)于調(diào)水前,其中NH3-N、TP、Chl-a質(zhì)量濃度明顯降低,CODMn、TN質(zhì)量濃度亦呈下降趨勢(shì),SD上升,富營(yíng)養(yǎng)化水平明顯好轉(zhuǎn),已呈現(xiàn)出從中度富營(yíng)養(yǎng)向輕度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變的趨勢(shì),補(bǔ)水工程的水質(zhì)改善成效顯著。

b. 通過對(duì)工程運(yùn)行前后區(qū)域水質(zhì)評(píng)價(jià)分析表明,工程運(yùn)行后外海水域按NH3-N、TN、CODMn和TP評(píng)價(jià)的Ⅰ～Ⅲ類水比例大于工程運(yùn)行前,且呈逐年穩(wěn)步增加的趨勢(shì),與之對(duì)應(yīng)的是Ⅳ～Ⅴ類水及劣Ⅴ類水比例穩(wěn)步下降,部分水環(huán)境指標(biāo)劣Ⅴ類比例為0,其中,按CODMn評(píng)價(jià)改善效果最為顯著,可以說滇池外海區(qū)域水質(zhì)總體呈向好的趨勢(shì)。

c. 指標(biāo)向好率分析表明,牛欄江-滇池補(bǔ)水工程運(yùn)行后,外海各指標(biāo)均有不同程度改善,尤其是對(duì)CODMn、NH3-N、TP的改善較為顯著,大多數(shù)站點(diǎn)水質(zhì)都不同程度變好。

d. 極大值變化率統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明工程運(yùn)行后外海大部分站點(diǎn)TP、TN、NH3-N、CODMn等參數(shù)的極大值都小于運(yùn)行前,外海水域的水質(zhì)狀況呈向好趨勢(shì)。

e. 牛欄江—滇池補(bǔ)水工程2015年調(diào)水量比2014年多1.8億m3,對(duì)比這2個(gè)年份滇池外海的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)指標(biāo),2015年的水質(zhì)狀況要明顯好于2014年,這表明調(diào)水量也是影響外海水環(huán)境質(zhì)量的重要因素。牛欄江來水極大地改善滇池入出湖水量嚴(yán)重失衡的狀態(tài),可有效減輕湖體的內(nèi)源污染程度[6]。因此,在保證牛欄江下游用水和實(shí)現(xiàn)滇池流域內(nèi)汛期洪水資源化的前提下,應(yīng)適當(dāng)增加調(diào)水量,確保滇池外海實(shí)現(xiàn)水體的高效置換[7-8]。

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Study of water environment improvement effect by Niulan River-Dianchi Lake Water Supplement Project in Waihai area of Dianchi Lake

MAO Jianzhong1, SUN Yanli1, HE Kediao1, 2, KONG Guifen1, YANG Zhonglan1

(1.HydrologyandWaterResourcesBureauofYunnanProvince,Kunming650106,China; 2.SchoolofEcologyandEnvironmentalScience,YunnanUniversity,Kunming650091,China)

This study focused on the water environment improvement in the Waihai area of Dianchi Lake based on measured data before and after the Niulan River-Dianchi Lake Water Supplement Project was implemented. Water environmental indices including TP, TN, NH3-N, CODMn, Chl-a, and SD were selected to assess the improvement effects in regard to the variations of index concentration, water quality classification, rate of indices that show improving values, and maximum values. The results show that TP, TN, NH3-N, CODMn, Chl-a, and SD, as well as the trophic level index improved after the water supplement project was implemented, and the level of eutrophication declined significantly, indicating that the Niulan River-Dianchi Lake Water Supplement Project had a marked effect on water environment improvement.

Niulan River-Dianchi Lake Water Supplement Project; Waihai area of Dianchi Lake; water environment; improvement effect

10.3880/j.issn.1004-6933.2017.02.009

水利部公益性行業(yè)專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(9201401026-02)

毛建忠(1968—),男,高級(jí)工程師,主要從事水環(huán)境監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)與管理研究。E-mail:13888999137@139.com

X824

A

1004-6933(2017)02-0047-05

2016-05-13 編輯：王 芳)