基于ArcGIS的牛欄江—滇池補水工程對滇池水環(huán)境改善效果分析

蔡文靜，汪 濤

(云南省水文水資源局，云南 昆明 650106)

基于ArcGIS的牛欄江—滇池補水工程對滇池水環(huán)境改善效果分析

蔡文靜，汪 濤

(云南省水文水資源局，云南 昆明 650106)

利用2009—2015年滇池水質(zhì)監(jiān)測資料，結(jié)合ArcGIS空間插值方法，分析評價牛欄江-滇池補水工程對滇池水環(huán)境改善效果。結(jié)果表明：牛欄江-滇池補水工程運行后，滇池外海的氨氮、總氮、高錳酸鹽指數(shù)和總磷平均濃度分別下降47.9%、28.3%、22.0%和48.2%，水質(zhì)明顯好轉(zhuǎn)；滇池外海中部、南部水域水質(zhì)優(yōu)于北部水域，西部水質(zhì)優(yōu)于東部，補水工程對滇池水環(huán)境改善效果明顯。

ArcGIS空間插值；牛欄江-滇池補水工程；水環(huán)境改善；效果；滇池

滇池流域面積2920km2，為云南省省會昆明所在地，人口和生產(chǎn)力布局密集，水資源開發(fā)利用程度高，屬全國最缺水的區(qū)域之一。20世紀(jì)70年代以后，隨著滇池流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展與城市化進(jìn)程的加快，大量污染物和營養(yǎng)物的排入，致使滇池水質(zhì)惡化，水體富營養(yǎng)化異常嚴(yán)重，被列為全國“三湖三河”治理的重點湖泊之一。滇池綜合治理耗時近30a，先后投入資金近200億元，湖泊生態(tài)惡化問題不僅沒有逆轉(zhuǎn)，部分水域污染狀況還繼續(xù)加重，富營養(yǎng)化程度加劇，水體變色，功能衰退，水葫蘆、藍(lán)藻暴發(fā)性繁殖勢頭不減。原來極為豐富的水生植物從種類、分布、數(shù)量、演替均發(fā)生巨變，一些敏感群落滅絕或瀕臨滅絕，15種土著魚類僅剩4種。國家環(huán)保部領(lǐng)導(dǎo)、專家在視察滇池后，稱滇池生態(tài)已演化到“生態(tài)癌”的地步[1]。究其原因，主要是由于在水資源緊缺的壓力下，進(jìn)入滇池的清潔水越來越少，內(nèi)源污染嚴(yán)重，自我調(diào)節(jié)能力下降，致使以污染源控制為主的治理措施成效不明顯。因此，通過外流域調(diào)水打開清水通道[2-3]，逐步置換滇池污染水體，對改善滇池水環(huán)境意義重大[1-8]。為此，2007年，云南省委、省政府決定立項牛欄江-滇池補水工程，從外流域調(diào)水補給滇池生態(tài)用水，逐步置換滇池污染水體，改善水質(zhì)。為客觀評價過程效益，利用2009—2015年滇池外海水質(zhì)監(jiān)測采樣點氨氮、總氮、高錳酸鹽和總磷監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合ArcGIS空間插值方法，分析評價牛欄江-滇池補水工程對滇池水環(huán)境改善效果。

1 牛欄江-滇池補水工程概況

滇池屬長江流域金沙江水系，是云貴高原上湖面最大的淡水湖泊，呈南北向弓形分布，水域分為草海、外海兩部分，其中外海為滇池的主體部分。滇池位于昆明市主城區(qū)下游西南面，目前正常水位下平均水深4.4m，湖水面積約300km2，湖容約12.9億m3。

牛欄江-滇池補水工程主要由德澤水庫、干河提水泵站及輸水線路組成。其中，水源工程德澤水庫壩高142m、總庫容4.48億m3；干河提水泵站位于距大壩17.3km處的庫區(qū)，建設(shè)裝機9.2萬kW,揚程233m；輸水線路總長115.85km，由泵站提水送到輸水線路渠首，輸水線路末點在盤龍江松華壩水庫下游2.2km處，利用盤龍江河道輸水到滇池外海[1-8]。該工程投資近80億元，2013年12月28日正式投入運行，調(diào)水水源水質(zhì)為II類。截至2015年底，牛欄江-滇池補水工程運行已滿兩年，共調(diào)水10.71億m3，其中2014年調(diào)水4.46億m3，2015年調(diào)水6.25億m3。

2 資料與方法

從20世紀(jì)90年代起，云南省水環(huán)境監(jiān)測中心于滇池外海共設(shè)置6個常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測采樣點。自2013年起，為了科學(xué)評估工程實施前后對滇池水環(huán)境改善效果，在滇池外海的水質(zhì)監(jiān)測采樣點增設(shè)至22個，監(jiān)測頻次為每月監(jiān)測1次。本文利用2009—2015年滇池外海水質(zhì)監(jiān)測采樣點氨氮、總氮、高錳酸鹽和總磷多年均值，分析牛欄江-滇池補水工程對滇池外海水環(huán)境改善效果。滇池外海的水質(zhì)監(jiān)測采樣點分布見圖1。

以牛欄江-滇池補水工程2013年12月28日竣工通水為時間節(jié)點，結(jié)合滇池外海水污染特性，選取滇池外海水體的關(guān)鍵污染控制因子氨氮、總氮、高錳酸鹽指數(shù)和總磷，利用ArcGIS空間插值方法，對比分析補水前(2009—2013年)和補水后(2014—2015年)滇池外海的氨氮、總氮、高錳酸鹽和總磷的空間變化，科學(xué)評估滇池外海水環(huán)境的變化趨勢和改善效果。

滇池外海的主要污染控制因子空間插值采用ArcGIS地統(tǒng)計分析模塊的樣條函數(shù)法工具。其插值公式如下：

S(x,y)=T(x,y)+∑(j=1)NλjR(rj)

(1)

式中：j= 1, 2, ...,N，N為點數(shù)；λj是通過求解線性方程組而獲得的系數(shù)；rj是點(x,y)到第j點之間的距離；根據(jù)所選的選項，T(x,y)和R(r)的定義將有所不同。

T(x,y)=a1+a2x+a3y

(2)

式中：ai是通過求解線性方程組而獲得的系數(shù)。

(3)

式中：r是點與樣本之間的距離；τ2是權(quán)重參數(shù)；Ko是修正貝塞爾函數(shù)；c是大小等于 0.577215 的常數(shù)。

出于計算目的，輸出柵格的整個空間被劃分為大小相等的塊或區(qū)域。x方向和y方向上的區(qū)域數(shù)相等，并且這些區(qū)域的形狀均為矩形。將輸入點數(shù)據(jù)集中的總點數(shù)除以指定的點數(shù)值可以確定區(qū)域數(shù)。如果數(shù)據(jù)的分布不太均勻，則這些區(qū)域包含的點數(shù)可能會明顯不同，而點數(shù)值只是粗略的平均值。如果任何一個區(qū)域中的點數(shù)<8，則該區(qū)域?qū)U(kuò)張，直到至少包含8個點。

3 結(jié)果分析

3.1 氨氮

由圖2可知，氨氮多年平均值從補水前(2009—2013年)0.587mg/L下降到補水后(2014—2015年)0.306mg/L，下降率為47.9%，單項水質(zhì)類別從Ⅲ類上升為Ⅱ類。補水前氨氮高值區(qū)主要位于滇池外海北部海埂和盤龍江入湖口之間的水域，氨氮含量為0.8～1.4mg/L，補水后氨氮含量下降為0.4～0.8mg/L；補水前滇池以東水域氨氮含量為0.6～0.8mg/L，補水后下降至0.5mg/L左右；其他水域含量從0.3～0.6mg/L下降為0.2～0.4mg/L。

3.2 總氮

由圖3可知，總氮多年平均值從2.19mg/L下降到1.57mg/L，下降率為28.3%，單項水質(zhì)類別從劣Ⅴ類上升為Ⅴ類，超標(biāo)倍數(shù)從1.19倍下降為0.57倍。補水前總氮高值區(qū)主要位于滇池外海北部海埂和盤龍江入湖口的水域，總氮年度均值為3.0～5.0mg/L，補水后總氮年度均值下降至2.0～2.5mg/L；其他水域補水前總氮含量為1.0～3.0mg/L，補水后下降為1.0～2.0mg/L。

3.3 高錳酸鹽指數(shù)

由圖4可知，高錳酸鹽指數(shù)多年平均值從10.17mg/L下降到7.93mg/L，下降率為22.0%，單項水質(zhì)類別從Ⅴ類上升為Ⅳ類，超標(biāo)倍數(shù)從0.70倍下降為0.32倍。補水前盤龍江入湖口高錳酸鹽指數(shù)年度均值<7.0 mg/L，補水后下降至3.0 mg/L左右；其他水域補水前為9.0～11.0mg/L，補水后下降為7.0～9.0mg/L。

3.4 總磷

由圖5可知，總磷多年平均值從補水前0.110mg/L下降到補水后0.057mg/L，下降率為48.2%，單項水質(zhì)類別從Ⅴ類上升為Ⅳ類，超標(biāo)倍數(shù)從1.2倍下降為0.13倍。補水前總磷高值區(qū)主要位于滇池北部、南部及東部沿岸的水域,年度均值在0.20～0.45mg/L，補水后總磷含量年度均值下降至0.15mg/L左右；盤龍江入湖口、晉寧?？跂|北和呈貢斗南以西的水域年度均值在0.10～0.20mg/L，補水后年度均值下降至0.05～0.10mg/L；其他水域含量從0.05～0.10mg/L下降至0.06mg/L以內(nèi)。

通過ArcGIS對滇池外海的氨氮、總氮、高錳酸鹽指數(shù)和總磷進(jìn)行空間插值，可有效分析各污染因子在滇池外海的空間分布和變化趨勢。分析結(jié)果表明，牛欄江-滇池補水工程運行后，補水水源滿足水質(zhì)目標(biāo)要求下，滇池外海的氨氮、總氮、高錳酸鹽指數(shù)和總磷平均濃度分別下降47.9%、28.3%、22.0%和48.2%，水質(zhì)明顯好轉(zhuǎn)。滇池外海中部、南部水域水質(zhì)優(yōu)于北部水域，西部水質(zhì)優(yōu)于東部。牛欄江—滇池補水工程向滇池補充的優(yōu)質(zhì)水源，改善了滇池的水環(huán)境和水資源條件，縮短了滇池水循環(huán)周期，補水后水環(huán)境由惡化趨勢轉(zhuǎn)為好的趨勢，補水對滇池水環(huán)境改善效果明顯。

近年來多項水污染防治工程投入運行與牛欄江-滇池補水工程共同發(fā)揮了入湖污染物控制和水質(zhì)改善效益，本文以工程運行前后水質(zhì)變化情況分析滇池外海水環(huán)境改善效果，下一步可結(jié)合污染物遷移模型分析牛欄江-滇池補水工程的污染物質(zhì)的輸入、輸出情況，以確定牛欄江-滇池補水工程對滇池外海水環(huán)境改善是否起到?jīng)Q定性的作用。

滇池治理是一項綜合性的工程，雖然牛欄江-滇池補水工程對滇池外海水環(huán)境改善效果較好，仍應(yīng)加大流域污染治理，嚴(yán)格控制入湖污染物總量。

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Impact of Niulan River-Dianchi Lake water Supplement Project on Water Quality of Dianchi Lake based on ArcGIS

CAI Wen-jing, WANG Tao

(Yunnan Hydrology and Water Resources Bureau, Kunming Yunnan 650106, China)

By integrating the water quality monitoring data from 2009 to 2015 with spatial interpolation method of ArcGIS, the paper analyzed and evaluated the Niulan River - Dianchi Lake Water Supplement Project and its effect of improving the water quality of Dianchi Lake. The results suggested that the index of total nitrogen, ammonia nitrogen, permanganate, and total phosphorus contents decreased 47.9%、28.3%、22.0% and 48.2% respectively, accompanied with the overallimproved obviously water quality. In addition, in the surrounding area of Dianchi Lake, the water quality of the middle part and southern part was better than that of northern part, water quality of western part was better than that of eastern part. Those demonstrated that the supplement project had obvious effect on water environment improvement of Dianchi Lake.

water environment; Niulan River - Dianchi Lake water supplement project; ArcGIS; spatial interpolation; Dianchi Lake

2016-11-11

工作蔡文靜(1984-)，男，云南曲靖人，工程師，主要從事地理信息方面的工作。

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1673-9655(2017)03-0059-04