馮 健，周懷東，彭文啟，杜 霞

（中國(guó)水利水電科學(xué)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(jí)支流源頭地區(qū)以及四大水系的分水嶺地帶，徑流年內(nèi)、年際變化大，且受地形條件影響，水資源開(kāi)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(wèn)題愈顯突出，水環(huán)境問(wèn)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(guó)務(wù)院批復(fù)的《長(zhǎng)江流域綜合規(guī)劃簡(jiǎn)要報(bào)告》（1990年）和《全國(guó)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(guān)部門(mén)在北京召開(kāi)會(huì)議，對(duì)《滇中引水工程規(guī)劃報(bào)告》（2010年修訂、送審稿）（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)劃報(bào)告》）進(jìn)行了審查，審查意見(jiàn)提出“下階段應(yīng)進(jìn)一步研究利用洱海、滇池輸水的可行性”。本文根據(jù)滇中引水工程規(guī)劃設(shè)計(jì)方案，滇中引水規(guī)劃利用洱海輸水線路見(jiàn)圖1，預(yù)測(cè)分析滇中引水工程實(shí)施對(duì)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(shè)計(jì)輸水線路選取與優(yōu)化、工程實(shí)施水環(huán)境改善效果分析提供技術(shù)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(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)

預(yù)測(cè)2030/2040年引水工程對(duì)洱海水質(zhì)的影響，首先需要預(yù)測(cè)無(wú)引水工程條件下洱海流域的人口、工業(yè)、農(nóng)業(yè)的發(fā)展及其污染負(fù)荷，以及洱海的各類(lèi)水環(huán)境保護(hù)規(guī)劃中控污措施實(shí)施后實(shí)際污染物的入湖量。規(guī)劃期內(nèi)在現(xiàn)有治理水平下，隨著人口增加和流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，流域污染負(fù)荷產(chǎn)生量將呈增加趨勢(shì)。因此根據(jù)洱海流域人口與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展趨勢(shì)，需要預(yù)測(cè)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(nóng)業(yè)面源、水土流失、旅游面源、干濕沉降等類(lèi)型，參考《云南洱海綠色流域建設(shè)與水污染防治規(guī)劃》（2010年）的調(diào)查評(píng)估數(shù)據(jù)，以洱海流域現(xiàn)狀年農(nóng)村與農(nóng)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(yù)測(cè)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(fù)荷量，并根據(jù)洱海相關(guān)規(guī)劃預(yù)測(cè)2030/2040年污染治理措施條件下入湖污染物的削減量，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

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

3 湖泊計(jì)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(zhǎng)模型，水流與水質(zhì)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(dòng)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(shù)；g為重力加速度；C為謝才系數(shù)；fs風(fēng)摩阻系數(shù)；uw、vw分別為x、y向風(fēng)速度；Qs為源匯項(xiàng)，主要用來(lái)模擬湖泊出入流；ε為水深平均渦黏系數(shù)，由混長(zhǎng)紊流模型計(jì)算；t為時(shí)間；ρa(bǔ)空氣密度；ρw水的密度。

二維非恒定水質(zhì)模型控制方程為：

洱海二維模型包括整個(gè)洱海湖區(qū)，模擬范圍為東西向20km，南北向40km。模型計(jì)算網(wǎng)格距為400m，計(jì)算單元數(shù)東西方向50個(gè)，南北方向100個(gè)，見(jiàn)圖2。

圖2 洱海模型計(jì)算區(qū)域及計(jì)算網(wǎng)格

4 洱海水質(zhì)預(yù)測(cè)

分別計(jì)算了2030/2040年豐、平、枯水年典型條件下的3個(gè)方案：（1）方案一：“不利用洱?！狈桨?；（2）方案二：“利用洱海”方案，引水水質(zhì)采用2010年水源地水質(zhì)；（3）方案三：“利用洱?！狈桨福|(zhì)采用河流Ⅱ類(lèi)水水質(zhì)。方案一主要預(yù)測(cè)無(wú)滇中引水工程條件下洱海在2030/2040年的水質(zhì)狀況；方案二是在方案一的基礎(chǔ)上，加入滇中引水工程的影響，以水源地現(xiàn)狀水質(zhì)來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)；由于引水水源地在2030/2040年的水質(zhì)目標(biāo)為河流Ⅱ類(lèi)水水質(zhì)，如果治理措施能達(dá)到預(yù)期效果，即假定2030/2040年水源地狀況達(dá)到了Ⅱ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，所以將其也做為一個(gè)方案，即方案三。

各預(yù)測(cè)方案的初始濃度場(chǎng)為洱海現(xiàn)狀條件下實(shí)測(cè)濃度場(chǎng)，采用洱海典型風(fēng)場(chǎng)西南風(fēng)4.1m/s為風(fēng)場(chǎng)條件。洱?，F(xiàn)狀水質(zhì)基本不超過(guò)地表水Ⅱ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，但是隨著近年來(lái)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在人口活動(dòng)劇烈的下關(guān)等地區(qū)洱海水質(zhì)呈惡化趨勢(shì)。滇中引水工程將在2030年完工，本次預(yù)測(cè)的難度在于首先要預(yù)測(cè)2030/2040年污染源增加的情況下，洱海的在2030/2040年的水質(zhì)狀況（方案一），然后再疊加進(jìn)滇中引水工程實(shí)施后對(duì)洱海的水質(zhì)影響（方案二和方案三），通過(guò)計(jì)算證實(shí)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期引水，并考慮湖泊的自凈能力之后，在達(dá)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(jìn)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(shì)，實(shí)際工程最終采用哪一個(gè)水源地還待進(jìn)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(xiàn)今石鼓和奔子欄的水質(zhì)也有逐年惡化的趨勢(shì)見(jiàn)表2，綜合考慮石鼓和奔子欄2010年水質(zhì)狀況，水源地引水水質(zhì)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(zhì)目標(biāo)為地表水水質(zhì)Ⅱ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，另取CODMn、TN、TPⅡ類(lèi)水水質(zhì)濃度限值4.0、0.5和0.1mg/L再進(jìn)行預(yù)測(cè)。

表2 2007—2009年水源地石鼓水質(zhì)監(jiān)測(cè)平均值（單位：mg/L）

2030/2040年洱海水質(zhì)的變化是多種因素作用的結(jié)果，使用建立的洱海水動(dòng)力和水質(zhì)模型，預(yù)測(cè)得2030/2040年豐、平、枯條件下全湖平均的水質(zhì)濃度，如表3所示。

表3 規(guī)劃水平年水質(zhì)狀況預(yù)測(cè)值 （單位：mg/L）

經(jīng)過(guò)洱海水動(dòng)力學(xué)及水質(zhì)模型的計(jì)算，“不利用洱?！狈桨赶拢ǚ桨敢唬?030/2040年各污染物的預(yù)測(cè)濃度均低于Ⅱ類(lèi)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(dá)Ⅱ類(lèi)水質(zhì)。如圖3和圖4所示，“利用洱?！狈桨福ǚ桨付头桨溉┍确桨敢坏腡N、TP平均濃度有所提高，其中對(duì)TP影響較大，方案二和方案三TP濃度均超過(guò)Ⅱ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，即方案二和方案三使洱海TP濃度下降一個(gè)類(lèi)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(nóng)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生的污染物對(duì)洱海的影響，區(qū)別主要是由于滇中引水工程的引水水質(zhì)不同，在長(zhǎng)期引水條件下，在湖泊水體的對(duì)流、擴(kuò)散、自凈等作用下，污染物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化，在洱海內(nèi)形成了不同的濃度分布。各方案條件CODMn均不超過(guò)Ⅱ類(lèi)，表明CODMn不是洱海水質(zhì)保護(hù)的關(guān)鍵性水質(zhì)指標(biāo)。綜合考慮，大理政府要求2030/2040年洱海水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)為Ⅱ類(lèi)水質(zhì)，如果滇中引水工程采用“利用洱?！狈桨福瑢?huì)與洱海保護(hù)規(guī)劃的目標(biāo)相矛盾。考慮滇中引水工程對(duì)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(zhì)預(yù)測(cè)TN濃度表

圖4 規(guī)劃水平年各方案水質(zhì)預(yù)測(cè)TP濃度表

圖5 規(guī)劃水平年各方案水質(zhì)預(yù)測(cè)CODMn濃度表

進(jìn)一步分析洱海污染物濃度場(chǎng)的分布情況。以2030年平水年各方案6月TP濃度場(chǎng)為例，如圖6所示。2030年平水年各方案TP的濃度場(chǎng)都基本呈現(xiàn)北部湖區(qū)水質(zhì)濃度較高，南部湖區(qū)濃度次之，而湖心區(qū)水質(zhì)濃度最低的分布，洱海水質(zhì)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(guān)系。經(jīng)預(yù)測(cè)在2030年平水年，洱海北部較大的入湖河流“北三江”羅時(shí)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(lái)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(fù)荷主要通過(guò)入湖河口進(jìn)入洱海，由于入湖河口遠(yuǎn)離洱海湖心區(qū)域，入湖河流對(duì)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(duì)比3個(gè)方案，從圖6中可以看出方案二和方案三的TP濃度場(chǎng)在方案一基礎(chǔ)上有所升高，方案一超過(guò)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(kuò)大，造成洱海水質(zhì)惡化。

圖6 2030平水年方案一、二、三TP濃度場(chǎng)模擬（單位：mg/L）

5 結(jié)論

本文通過(guò)模型計(jì)算發(fā)現(xiàn)，滇中引水工程實(shí)施后洱海出口處豐、平、枯水文年型下CODMn、TN的出庫(kù)水質(zhì)濃度均不超過(guò)Ⅱ類(lèi)水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，而TP出洱海水質(zhì)濃度都超過(guò)湖泊Ⅱ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，即“利用洱?！狈桨笇?duì)TP的影響較大，會(huì)造成洱海的TP濃度升高，從Ⅱ類(lèi)惡化為Ⅲ類(lèi)。根據(jù)洱海保護(hù)相關(guān)規(guī)劃，大理政府要求2030/2040年洱海水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)為Ⅱ類(lèi)水質(zhì)，如果滇中引水工程采用“利用洱?！狈桨福瑢?huì)與洱海保護(hù)規(guī)劃的目標(biāo)相矛盾。所以，考慮滇中引水工程對(duì)洱水的影響和對(duì)洱海的保護(hù)，建議滇中引水工程采用“不利用洱?！狈桨?。

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