滇池入湖河流水質(zhì)目標精細化管理需求研究

姚云輝，馬 巍，施國武，蔣汝成，戍國標

（1.中國水利水電科學(xué)研究院水環(huán)境所，北京 100038；2.昆明市滇池水生態(tài)管理中心，昆明 650228；3.云南省水利水電勘測設(shè)計研究院規(guī)劃分院，昆明 650021）

1 研究背景

水環(huán)境污染物總量控制概念源自日本的“封閉性水域總量控制”，技術(shù)方法引自美國的水質(zhì)規(guī)劃理論。在經(jīng)歷了以“六五”科技水環(huán)境容量攻關(guān)課題“沱江水污染物總量控制系統(tǒng)分析”為代表的起步研究階段、以1988年第三次全國環(huán)境保護會議上原國家環(huán)保局確定從濃度控制向總量控制的水污染控制政策發(fā)展方向后，基于控制單元水質(zhì)目標的容量總量控制納入了國家和流域的宏觀目標總量控制管理。隨后，水質(zhì)目標管理逐步由服務(wù)于總量控制宏觀政策引導(dǎo)向“水污染物總量分配”、“主要污染物總量減排”、“主要污染物總量減排監(jiān)測”等具體辦法落實方向發(fā)展，形成了我國水環(huán)境污染物總量控制技術(shù)體系和管理流程［1］，并科學(xué)服務(wù)于水污染防治行動計劃（簡稱“水十條”）、河長制、湖長制等重大計劃與政策措施。

湖庫水環(huán)境保護在保障工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與城鎮(zhèn)生活用水、維系區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)平衡、發(fā)展生態(tài)旅游等方面發(fā)揮著重要作用，水質(zhì)目標管理是加強湖庫水污染綜合治理與水質(zhì)保護的最佳管理辦法［2］。滇池作為近年來河湖水體污染治理的典型代表，以入湖河流水質(zhì)目標的總量控制［3］為流域點源治理、河湖水質(zhì)逐步好轉(zhuǎn)發(fā)揮了極為重要的作用，但依據(jù)滇池流域水功能區(qū)劃確定的河流水質(zhì)目標，與湖泊極為緩慢的水動力條件和適宜承納入湖污染物的能力仍存在一定的差距，尤其是受河湖水動力條件差異影響下的總磷（TP）和總氮（TN）指標，亟需以流域水資源變化條件下的滇池水環(huán)境容量及其年內(nèi)動態(tài)變化特征為依據(jù)，研究滿足其容量總量控制需求的入湖河流水質(zhì)目標精細化管理方案，以適應(yīng)新時期全面推進河湖長制的管理需求，并促使滇池湖泊水生態(tài)系統(tǒng)功能逐步恢復(fù)，進而最終實現(xiàn)良性循環(huán)。

2 研究方法

2.1 研究區(qū)概況

滇池是云貴高原上最大的淡水湖泊，位于金沙江一級支流普渡河的源頭區(qū)，毗鄰昆明主城區(qū)下游，流域面積2 920 km2。滇池湖體略呈弓形，弓背向東，南北長約40 km，東西最寬處12.5 km，平均水深5.05 m，水面面積 309 km2，湖泊容積15.6億 m3［4］。滇池環(huán)湖有37條入湖河流及溝渠（流域水系見圖1），位于外海西南部的?？诤邮堑岢匚ㄒ坏奶烊怀隹?，后因滇池水質(zhì)保護和昆明主城區(qū)防洪安全需要，于1996年在草海西岸開通了西園隧道排水通道，并由海埂節(jié)制閘將滇池分割為草海和外海兩部分，其中外海是滇池的主體，水面面積約占96.7%，蓄水量占98.5%［5］。

圖1 滇池流域水系Fig．1 Map of Dianchi Lake drainage basin

滇池流域地處長江、珠江、紅河三大水系分水嶺地帶，流域水資源十分匱乏。在持續(xù)支撐昆明市經(jīng)濟社會快速發(fā)展的同時，滇池也在不斷地接納流域內(nèi)產(chǎn)生的污染物，從而導(dǎo)致處于老年化階段的滇池水質(zhì)逐漸變差。在掌鳩河、清水海、牛欄江等外流域引水工程［2］實施前，昆明人民只能以水質(zhì)日益變差的滇池為重要水源，以保障昆明主城區(qū)及周邊城鎮(zhèn)的供水安全并滿足流域內(nèi)工農(nóng)業(yè)用水需要，同時生產(chǎn)生活廢污水還作為維持湖泊水量平衡的重要來源，從而進一步加劇了滇池水質(zhì)污染進程。伴隨著一系列外流域引水工程的實施，滇池已退出城鎮(zhèn)生活供水的舞臺，流域內(nèi)生產(chǎn)生活廢污水經(jīng)水質(zhì)凈化廠提標處理后由環(huán)湖截污管道排向下游，滇池流域健康水循環(huán)體系已初步建成，但昆明老城區(qū)的雨污合流、城市面源和農(nóng)業(yè)農(nóng)村面源污染問題仍較為突出，入湖河流水質(zhì)與功能區(qū)水質(zhì)目標仍存在一定的差距，亟需治理提速并實現(xiàn)入湖河流水質(zhì)的精細化管理，以便順利實現(xiàn)滇池治理“十三五”目標。

2.2 滇池水動力與水質(zhì)模擬模型

滇池三面環(huán)山，湖面風(fēng)場相對較為穩(wěn)定，常年以西南風(fēng)為主，且年際變化不大?？紤]到滇池西岸為高出水面500 m的西山，東、南、北部為平原，當西南風(fēng)吹過滇池湖面時，受西山遮擋影響，湖面風(fēng)場十分復(fù)雜。因此采用反映西山復(fù)雜地形影響下中小尺度的準三維氣流動力學(xué)模式進行湖區(qū)三維風(fēng)場模擬，模擬分布如圖2所示。為距離湖面10 m高的風(fēng)場平面圖［4］，可為滇池水動力模擬提供湖面風(fēng)場邊界條件。

國內(nèi)外大量淺水湖泊的研究成果［6-8］表明，風(fēng)是滇池水流運動的主驅(qū)動力，其湖流運動以風(fēng)生湖流為主、吞吐流為輔，入湖污染物在風(fēng)生湖流和吞吐流的牽引與驅(qū)動作用下完成在湖體內(nèi)的遷移擴散。滇池屬大型淺水湖泊，其風(fēng)生湖流及污染物在水體中的遷移擴散可分別用平面二維水流運動方程和對流擴散方程進行數(shù)學(xué)描述［6-7，9］，選擇高錳酸鹽指數(shù)（CODMn），TP，TN為水質(zhì)模擬指標。3個指標的生化反應(yīng)項均可作一級簡化處理，其中CODMn考慮自凈衰減并通過自凈系數(shù)和內(nèi)源釋放速率反映；TP和TN這2個指標均考慮各種物理、化學(xué)及生物因素引起的沉降與釋放，通過綜合沉降速率和內(nèi)源釋放系數(shù)反映。

圖2 滇池湖面風(fēng)場模擬分布（SW）Fig．2 Simulated wind field in Dianchi Lake（SW wind）

采用矩形網(wǎng)格對滇池湖盆地形進行計算單元劃分（尺寸為500 m×500 m），采用變量交錯布置的方式在計算網(wǎng)格上對上述方程進行離散，其中，對流項采用迎風(fēng)格式，擴散項采用中心差分，用迭代法求解離散方程組。利用滇池2014年和2015年湖內(nèi)10個常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測點（1次／月）的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)和同期逐日水位、流量、氣象數(shù)據(jù)及逐月水質(zhì)資料，對滇池水動力與水質(zhì)模型進行參數(shù)率定與模型校驗。驗證結(jié)果（圖 3、圖 4）表明滇池水動力與水質(zhì)模型能夠較好地反映滇池的環(huán)流形態(tài)與入湖污染物的遷移擴散特征和時空變化過程，模擬結(jié)果具有較高模擬精度（2015年滇池各站點 CODMn，TP，TN的相對誤差分別為-11.7%～15.6%，-9.4%～11.5%，-29.9%～7.9%，相對誤差基本在20%以內(nèi)）。該模型已成功為牛欄江—滇池補水工程［4］、滇中引水工程及是否利用滇池方案論證提供了科學(xué)的技術(shù)支撐，可為滇池流域水資源變化條件下的滇池湖流模擬、湖泊水環(huán)境容量計算和入湖河流水質(zhì)精細化控制與管理提供科學(xué)的技術(shù)手段。

圖3 滇池流場（西南風(fēng)）Fig．3 Flow field of Dianchi Lake（SW wind）

圖4 2015年滇池水質(zhì)模擬效果（羅家營站）Fig．4 Simulation result of water quality of Dianchi Lake in 2015（Luojiaying station）

3 計算過程

3.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于云南省水文水資源局昆明分局、昆明市環(huán)境監(jiān)測中心、國家氣象局、昆明市氣象局、滇池流域管理局、牛欄江—滇池補水工程調(diào)度中心等單位提供的一系列報告及條例，包括《滇池保護條例》、《云南省水功能區(qū)劃》、《滇池流域水環(huán)境功能區(qū)劃》、《牛欄江—滇池補水工程入湖實施方案》（云政復(fù)［2012］37號）、《云南省環(huán)境狀況公報》、《昆明市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》和《中國水資源公報》。滇池草海和外海水質(zhì)目標（CODMn，TN，TP）采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838—2002）的湖庫Ⅳ和Ⅲ類標準，其中Ⅳ類標準的3種污染物限值分別為 10，1.5，0.10 mg／L，Ⅲ類標準的 3種污染物限值分別為 6，1.0，0.05 mg／L。

3.2 計算條件

在滇中引水工程建成通水前，滇池流域的水資源配置格局已基本成型，其水資源條件由本區(qū)水資源（5.5億 m3）和掌鳩河（2.31億 m3）、清水海（0.97億 m3）、牛欄江（5.72億 m3）外流域引水共同組成，合計水資源總量為14.50億 m3［4］。為加快滇池水質(zhì)改善進程，在以昆明“六大工程”為主線的流域水污染綜合治理思路指引下，環(huán)湖截污工程在流域點源污染控制、湖泊整體水質(zhì)企穩(wěn)向好和滇池健康水循環(huán)體系構(gòu)建等方面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，但環(huán)湖截污工程將＞110萬m3／d的污水處理廠尾水經(jīng)截污干管導(dǎo)向滇池下游后，流域內(nèi)經(jīng)濟社會發(fā)展與滇池水質(zhì)變化失去了必然聯(lián)系。

在現(xiàn)有的水資源條件和流域水循環(huán)格局條件（見圖5）下，以典型枯水年（概率P＝90%）為設(shè)計水文條件，按照滇池流域水污染防治“十三五”規(guī)劃提出的規(guī)劃目標要求“滇池水質(zhì)穩(wěn)定在Ⅳ類，關(guān)鍵性指標達到Ⅲ類”，研究制定總量目標約束條件下的滇池入湖河流水質(zhì)目標精細化管理方案。

3.3 計算結(jié)果

在設(shè)計水文條件和現(xiàn)有的水資源配置格局下，遵照《滇池保護條例》的調(diào)度運行規(guī)程要求［10］，為使滇池關(guān)鍵性指標水質(zhì)達到外海Ⅲ類（草海Ⅳ類）并滿足其水質(zhì)濃度限值，計算得到滇池水環(huán)境容量并提出各入湖河流分區(qū)水質(zhì)目標濃度限值，其結(jié)果分別見表1和表2。

4 分析與討論

4.1 滇池水環(huán)境容量及其組成

由表1可見，在現(xiàn)有的水資源配置格局和水循環(huán)過程下，滇池CODMn，TP，TN這3個指標的水環(huán)境容量分別為 9 262，289，5 187 t／a，其中湖面降雨降塵入湖的 CODMn，TP，TN分別為 487，37，441 t／a，分別約占相應(yīng)污染物的滇池水環(huán)境容量的5.3%，12.8%，8.5%；湖泊內(nèi)源釋放的 CODMn，TP，TN分別約為 4 511，169，2 594 t／a，約占相應(yīng)污染物的滇池水環(huán)境容量的48.7%，58.5%，50.0%；在考慮湖面降塵、內(nèi)源釋放和湖面水量蒸發(fā)擠占了滇池水體的大部分容量后，分配給陸域入湖污染物的CODMn，TP，TN水環(huán)境容量分別為 4 264，83，2 152 t／a，同時枯季（1—5月份，11—12月份）和雨季（6—10月份）的環(huán)境容量差異十分顯著（見圖6）。由于內(nèi)源釋放（含湖面藻類光合作用合成有機物）和降雨降塵負荷短期內(nèi)很難有效控制，故從總量控制角度將對陸域點源和流域面源治理提出更嚴格的控制與管理要求。

圖5 2020年滇池流域水循環(huán)示意圖Fig．5 Water cycle of Dianchi Lake drainage basin in 2020

表1 滇池水環(huán)境容量及其組成Table 1 Water environmental capacity and its composition in Dianchi Lake t／a

表2 滇池入湖河流分區(qū)水質(zhì)濃度控制限值Table 2 Limit values of water quality indicators concentration in rivers flowing into Dianchi Lake mg／L

圖6 滇池水環(huán)境容量年內(nèi)變化特征（以TP為例）Fig．6 Annual variation of water environmental capacity（TP）in Dianchi Lake

4.2 滇池入湖河流水質(zhì)目標限值的時空差異性

為緊密配合昆明市提出的《滇池保護治理三年攻堅行動實施方案》（2018—2020年），滿足湖泊水生態(tài)環(huán)境管理部門的技術(shù)需求，結(jié)合滇池流域自身特點，提出了基于容量總量控制條件下分季節(jié)和分區(qū)域的入湖河流水質(zhì)濃度控制要求，即旱季入草海的 CODMn，TP，TN水質(zhì)濃度限值分別為6.0，0.15，3.0 mg／L，旱季入外海的對應(yīng)污染物水質(zhì)濃度限值分別為5.0，0.15，2.5 mg／L；雨季入草海和外海的 CODMn，TP，TN水質(zhì)濃度限值分別為6.0，0.12，2.5 mg／L，雨季入外海的對應(yīng)污染物水質(zhì)濃度限值分別為5.0，0.10，2.2 mg／L；牛欄江來水的 CODMn，TP，TN指標濃度限值分別為4.0，0.06，2.2 mg／L。

在滿足滇池各監(jiān)測站點水質(zhì)目標濃度約束條件下，草海和外海各入湖河流的水質(zhì)控制濃度存在明顯差異，同時受年內(nèi)入湖水量的季節(jié)性差異影響，雨季入湖水質(zhì)控制濃度明顯較旱季嚴格。牛欄江作為滇池最主要的清潔水來源，其來水水質(zhì)要求應(yīng)達到河流Ⅱ類水質(zhì)標準。對比各入湖河流水環(huán)境功能區(qū)劃成果，各入湖河流的水質(zhì)濃度限值明顯嚴于水環(huán)境功能區(qū)確定的水質(zhì)目標濃度值。

4.3 滇池入湖河流水質(zhì)精細化削減方案

以滇池入湖河流水質(zhì)濃度控制限值為條件，結(jié)合2015年（平偏枯年份）各主要入湖河流旱季和雨季的入湖水質(zhì)狀況，分草海、外海和牛欄江來水分別制定了入湖河流水質(zhì)精細化削減方案（見表3至表5）。

表3 滇池草海入湖河流水質(zhì)精細化管理與濃度削減方案Table 3 Fine management scheme for water quality indicators concentration of river flowing into Caohai Lake

表4 滇池外海入湖河流水質(zhì)精細化管理與濃度削減方案Table 4 Fine management scheme for water quality indicators concentration of rivers flowing into Waihai Lake

表5 牛欄江來水水質(zhì)精細化管理與濃度削減方案Table 5 Fine management scheme of water quality indicators concentration of Niulanjiang River

結(jié)果表明：草海和外海入湖水質(zhì)濃度控制的重點是TP和TN，難點是TN，草海新、老運糧河TN削減壓力最大（削減率超過80%），穿過昆明主城區(qū)和呈貢新城的采蓮河、大清河、馬料河、撈魚河和寶象河等污染程度相對較重，應(yīng)是今后外海入湖河流治理重點。牛欄江來水水質(zhì)總體較好，但雨季TN和TP應(yīng)得到有效控制（削減率＞40%），才能使滇池水質(zhì)盡快向湖泊Ⅲ類目標邁進。

5 結(jié)論和建議

（1）在滇池流域現(xiàn)有的水資源配置格局和水循環(huán)過程下，滇池CODMn，TP，TN的水環(huán)境容量分別為 9 262，289，5 187 t／a，扣除湖面降雨降塵、內(nèi)源釋放和水面蒸發(fā)擠占掉大部分環(huán)境容量后，分配給陸域入湖污染物的環(huán)境容量分別為4 264，83，2 152 t／a，同時枯季和雨季的環(huán)境容量差異十分顯著。

（2）在滿足滇池湖區(qū)各監(jiān)測站點水質(zhì)目標濃度約束條件下，提出了草外海入湖河流的季節(jié)性水質(zhì)濃度限值要求，即旱季入草海的CODMn，TP，TN濃度限值分別為6.0，0.15，3.0 mg／L，旱季入外海的3種濃度限值分別為5.0，0.15，2.5 mg／L；雨季入草海的 CODMn，TP，TN濃度限值分別為6.0，0.12，2.5 mg／L，雨季入外海的3種濃度限值分別為5.0，0.10，2.2 mg／L；牛欄江來水 CODMn，TP，TN濃度限值分別為4.0，0.06，2.2 mg／L。各入湖河流水質(zhì)濃度限值明顯嚴于水環(huán)境功能區(qū)劃水質(zhì)目標濃度值。

（3）針對草海新老運糧河和流經(jīng)昆明主城與呈貢新城河流水質(zhì)污染相對較重的問題，建議在進一步完善入湖河道綜合治理、攔截城區(qū)分散式點源污染負荷入河的基礎(chǔ)上，強化城市污水收集管網(wǎng)建設(shè)和水質(zhì)凈化廠除氮脫磷工作，并通過合理的水資源優(yōu)化配置模式，讓相對清潔的牛欄江來水多通道入湖，使入湖河道旱季水質(zhì)濃度逐步達到容量總量控制的水質(zhì)濃度限值要求。