姚 云 輝,馬 巍，施 國 武，班 靜 雅，齊 德 軒

(1.中國水利水電科學研究院 水環(huán)境所，北京 100038； 2.昆明市西園隧道管理處，云南 昆明 650228;3.云南省水利水電勘測設計研究院，云南 昆明 650021)

1 研究背景

滇池是云貴高原上最大的高原淡水湖泊，位于金沙江一級支流——普渡河的源頭區(qū)，毗鄰昆明市主城區(qū)下游，流域面積為2 920 km2。滇池湖體略呈弓形，弓背向東，南北長約40 km，東西最寬處為12.5 km，平均水深為5.05 m，水面面積為309 km2，湖容為15.6億m3。滇池由海埂節(jié)制閘將其分割為草海和外海，草海位于滇池北端(見圖1)，是昆明市的城市內(nèi)湖，水面積為10.8 km2[1]，約占滇池水面面積的3.50%，庫容約占滇池總湖容的1.30%。

滇池是我國河湖水體污染治理的典型代表，歷經(jīng)4個“五年計劃”的重點投資治理后，目前流域點源污染已得到了控制，湖泊水質(zhì)污染惡化趨勢已基本得到了扭轉(zhuǎn)，河湖整體水質(zhì)企穩(wěn)向好[2-3]，滇池健康水循環(huán)體系得到了逐步改善，有利于滇池整體水環(huán)境質(zhì)量和湖泊水生態(tài)系統(tǒng)逐步向好的方向發(fā)展。但是考慮到滇池特殊的地理環(huán)境及大型湖泊水污染治理的復雜性和長期性特點，近期將面積較小、人類活動最密集、且景觀關(guān)注度日益提高的草海作為滇池水污染治理的重點對象，梳理影響草海水動力條件與水質(zhì)演變的主要工程措施，識別湖區(qū)水質(zhì)演變的驅(qū)動力因素，研究草海水質(zhì)變化與各工程措施間的響應關(guān)系，優(yōu)化工程治理措施及其協(xié)同調(diào)度運行方案，以實現(xiàn)草海水質(zhì)的持續(xù)性改善并提升其水景觀質(zhì)量；同時，也可以為滇池整體水質(zhì)的持續(xù)性改善提供經(jīng)驗，進而全面推進滇池流域水污染治理各項工作，已成為相關(guān)部門討論問題的熱點。

2 滇池草海水質(zhì)演變及其防治對策

2.1 水質(zhì)演變過程

在1996年草海西園隧洞工程建成前，位于外海西南部的?？诤邮堑岢匚ㄒ坏奶烊怀隹?，流域水系如圖1所示。草海與外海水系連通，水質(zhì)變化過程基本同步，但因草海湖泊面積及湖容均很小，入草海的廢污水在湖中的滯留時間較短(小于60 d)，而進入外海的廢污水的滯留時間則長達2～3 a，故大量入湖污染物沉積到湖底并形成了底泥和污染內(nèi)源，從而使得草海水質(zhì)明顯較外海水質(zhì)差(見圖2和圖3)[4-6]。

圖2 1991～2001年期間草海水質(zhì)年際變化過程Fig.2 Annual changes of water quality in Caohai sub-lake during 1991～2001

自1996年西園隧洞工程建成后，隨著大量原本流入外海的廢污水被轉(zhuǎn)移至草海并經(jīng)西園隧洞排出，草海水質(zhì)(如TP、TN、CODMn等)在1996～2009年期間呈現(xiàn)出逐年快速升高的趨勢(見圖2和圖4)，其中，1998～1999年，污染物濃度降低是受大洪水期間草外海間防洪聯(lián)合調(diào)度影響所致。2009年以后，受昆明市污水處理廠建設、城市污水收集管網(wǎng)系統(tǒng)的不斷完善、水質(zhì)凈化廠尾水提標改造、環(huán)湖截污工程運行等綜合影響，大觀河、西壩河、船房河等河流的入湖水質(zhì)得到了顯著改善，故草海TP、TN濃度在2009～2011年期間隨之呈現(xiàn)出了顯著的改善過程[7-9]。

圖3 1991～2001年期間外海水質(zhì)年際變化過程Fig.3 Annual changes of water quality in Waihai sub-lake during 1991～2001

圖4 2002～2017年期間草海水質(zhì)年際變化過程Fig.4 Annual changes of water quality in Caohai sub-lake during 2002～2017

2.2 水污染治理措施

西園隧洞工程建成之初，為保護滇池主體部分(外海)水環(huán)境質(zhì)量，讓昆明主城區(qū)的廢污水盡可能經(jīng)由截污管道-草海-西園隧洞排出滇池，從而實現(xiàn)(外海)蓄清(草海)排污的功效，因此，將草海的功能定位為蓄清排污載體。隨著滇池流域水污染綜合治理體系“六大工程”的逐步落實[10-11]，外海水質(zhì)企穩(wěn)向好，草海水質(zhì)得到了顯著改善，不僅有越來越多的西伯利亞海鷗來此過冬并形成一道靚麗的風景，而且全國性的龍舟比賽也落戶草海；同時，草海已成為國內(nèi)外游客觀賞海鷗、領(lǐng)略高原湖泊風光和居民休閑娛樂的重要場所，草海的生態(tài)服務功能和價值日益突出，并逐步成為昆明市的城市名片。

為配合滇池流域水污染綜合治理需求[12-13]，適應草海水質(zhì)逐步改善后新的功能定位和景觀建設的需要，自2015年以來，草海流域陸續(xù)實施了若干與水污染治理相關(guān)的工程項目，其中對草海水動力與水質(zhì)影響較大的工程主要包括牛欄江—草海應急補水工程、新老運糧河入湖河口前置庫水體凈化生態(tài)工程和草海大堤加固提升與水體置換通道建設工程等。西園隧洞是草海唯一的出湖通道，最大下泄流量為40.0 m3/s[14]，承擔了草海流域來水、滇池北岸環(huán)湖截污工程、外海北部富藻水外排工程、新老運糧河前置庫工程、海埂大堤水體置換通道等排出的水量，在保障滇池流域防洪安全、推進湖泊水環(huán)境綜合整治等方面意義重大、成效顯著，目前旱季經(jīng)西園隧洞出湖流量常年超過30.0 m3/s。

牛欄江-草海補水應急通道建設工程是綜合發(fā)揮牛欄江—滇池補水工程效益、解決草海實施清污水物理隔離、清污分流后清流區(qū)水資源短缺的重要工程，為草海環(huán)湖截污和清污分流提供了必要的水量保障，實現(xiàn)了湖區(qū)清污水的分向流動，2016年牛欄江向草海補水規(guī)模為55.0萬m3/d(約6.3 m3/s)。2016年實施完成的新老運糧河入湖河口前置庫水體凈化生態(tài)工程(俗稱“導流帶”工程)，將目前草海污染最重的新老運糧河和王家堆渠入湖水圍擋在東風壩前置庫內(nèi),并使其沿導流帶流向西園隧洞，實現(xiàn)“污水”與“清水”間的物理隔離并在導流帶東西兩側(cè)流動[15-17]。海埂大堤水體置換通道工程，是改善并提升草海清流區(qū)敏感水域水景觀的重要工程措施，通過若干個溢流井收集附近的表層富藻水，并通過尾水管道和泵站經(jīng)西園隧洞排出滇池，工程最大設計出流能力為11.0 m3/s。各工程位置布置示意如圖5所示。

3 草海湖區(qū)水質(zhì)空間分布特征

草海湖泊水面積為10.8 km2，平均水深約為2 m。根據(jù)國內(nèi)外大量有關(guān)淺水湖泊的研究成果[18-19]，可以發(fā)現(xiàn)，風是草海水流運動的主驅(qū)動力，草海湖流運動以風生流為主、吞吐流為輔，入湖污染物在風生湖流和吞吐流的驅(qū)動與牽引作用下完成在湖體內(nèi)的遷移擴散過程。對于草海的風生湖流運動及污染物質(zhì)在水體中的運動，可以采用平面二維水流運動方程和對流擴散方程進行數(shù)學描述[15，18]，采用矩形網(wǎng)格對草海湖區(qū)進行計算單元劃分(網(wǎng)格尺寸為50 m×50 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格式，擴散項采用中心差分，用迭代法求解離散方程組。

主要模擬指標包括CODMn、TP和TN，各項指標的生化反應項均作一級簡化處理，CODMn考慮自凈衰減，通過自凈系數(shù)反映；TP、TN考慮各種環(huán)境因素引起的釋放與沉降，通過綜合沉降和釋放系數(shù)反映。利用2015，2016年2個常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測站點的資料，對模型參數(shù)進行率定與校驗。如圖6所示的模擬結(jié)果表明，草海水質(zhì)模型具有較高的模擬精度，能夠較好地反映草海入湖污染物的時空變化過程。

受東風壩導流帶影響，草海水體被分割為相對獨立的東風壩湖區(qū)和草海清流區(qū)。受新、老運糧河和王家堆渠入湖水質(zhì)較差的影響，東風壩庫區(qū)水質(zhì)明顯要劣于草海北部和南部的清流區(qū)水質(zhì)。根據(jù)2016年滇池草海水質(zhì)模擬結(jié)果，東風壩湖區(qū)CODMn、TP和TN三項指標的年均水質(zhì)濃度分別為6.07，0.20 mg/L和9.86 mg/L，草海北部條帶湖區(qū)及南部湖區(qū)三項指標水質(zhì)濃度值分別為3.69，0.13，4.63，5.03，0.11 mg/L和3.76 mg/L。從水質(zhì)空間分布差異來看(圖7)，草海水質(zhì)總體呈現(xiàn)出自北向南逐步好轉(zhuǎn)的趨勢，但毗鄰西園隧洞的南部水質(zhì)受東風壩庫區(qū)來水經(jīng)西園隧洞出流高濃度的影響，較草海清流區(qū)湖中心水質(zhì)略有變差；從各指標差異性來看(見圖7)，湖區(qū)TP、TN指標濃度受陸域入湖負荷影響顯著，而CODMn指標受湖泊內(nèi)源污染及因湖區(qū)藍藻水華從大氣中吸收的碳素影響較為突出。

4 牛欄江來水與草海水質(zhì)響應關(guān)系

4.1 牛欄江來水量變化對草海清流區(qū)水質(zhì)的影響

在東風壩導流帶工程的物理阻隔作用下，新、老運糧河和王家堆渠較差的入湖水在東風壩庫區(qū)攔截、靜置并經(jīng)生物措施凈化后沿導流帶流向西園隧道排出草海，從而為相對清潔的牛欄江來水改善草海清流區(qū)的水動力條件和水環(huán)境質(zhì)量提供了良好的基礎(chǔ)。

作為草海清流區(qū)的清潔水源，牛欄江來水將對草海清流區(qū)水質(zhì)帶來一定的水質(zhì)改善效果?；诂F(xiàn)狀年邊界條件和補水期間牛欄江來水水質(zhì)狀況，牛欄江入湖水量變化對草海水質(zhì)影響模擬結(jié)果(見圖8)表明：草海北部條帶狀湖區(qū)和南部湖區(qū)的各項水質(zhì)指標濃度均隨牛欄江來水量增加呈現(xiàn)較為明顯的降低趨勢，但單位補水量的水質(zhì)改善效率將隨補水量增加而逐步降低。結(jié)合草海清流區(qū)換水周期需求(30～40 d)和單位補水量的水質(zhì)改善效率，推薦牛欄江—草海應急補水通道工程的補水規(guī)模為3 m3/s。

圖6 2016年草海水質(zhì)模擬效果Fig.6 Simulation results of water quality in Caohai sub-lake

圖7 2016年6月草海湖區(qū)水質(zhì)空間分布特征Fig.7 Spatial distribution characteristics of Caohai sub-lake water quality in June 2016

圖8 草海清流區(qū)水質(zhì)濃度與牛欄江補水量變化關(guān)系Fig.8 Relationship between water quality concentration in Caohai sub-lake and water diversion of Niulan river

4.2 牛欄江來水水質(zhì)變化對草海清流區(qū)水質(zhì)的影響

根據(jù)2016年草海入湖河流水質(zhì)狀況分析，新、老運糧河和王家堆渠污染較重的入湖水經(jīng)東風壩湖區(qū)靜置、生物措施凈化后，沿導流帶經(jīng)西園隧洞排出湖外，大觀河、西壩河和船房河已實現(xiàn)環(huán)湖截污，目前只有烏龍河尚未實現(xiàn)入湖點源攔截與治理。基于2016年草海入湖邊界條件，結(jié)合牛欄江—滇池補水工程設計目標水質(zhì)濃度(TP≤0.05 mg/L，TN≤1.00 mg/L)和現(xiàn)狀入湖水質(zhì)濃度，按照推薦的草海補水規(guī)模(3 m3/s)，設計了牛欄江補水入湖水質(zhì)濃度方案，采用數(shù)學模型建立了草海清流區(qū)TP、TN水質(zhì)濃度與牛欄江來水水質(zhì)間的響應關(guān)系，其結(jié)果見圖9和圖10。

結(jié)果表明：在導流帶分隔下的草海清流區(qū)水質(zhì)與牛欄江來水水質(zhì)間線性相關(guān)系顯著，其中TP濃度直接受牛欄江來水的影響與控制，當牛欄江來水中的TP濃度達到湖泊Ⅳ類(≤0.10 mg/L)時，草海北部條帶狀湖區(qū)TP濃度滿足湖泊Ⅳ類水質(zhì)標準，南部湖區(qū)TP濃度超Ⅳ類標準約10%；當牛欄江來水中的TP濃度≤0.08 mg/L時，草海北部條帶狀湖區(qū)和南部湖區(qū)的TP濃度均滿足湖泊Ⅳ類水質(zhì)標準。盡管草海清流區(qū)TN指標濃度與牛欄江來水水質(zhì)呈現(xiàn)顯著的線性相關(guān)關(guān)系，但即使牛欄江來水水質(zhì)達到湖泊Ⅲ類水質(zhì)標準(≤1.00 mg/L)，清流區(qū)水質(zhì)仍超過湖泊Ⅳ類水質(zhì)標準值70%和150%。由此說明，草海的TN指標濃度仍受入湖河流水質(zhì)影響與控制，現(xiàn)狀條件下牛欄江來水水質(zhì)的改善無法使草海湖區(qū)的TN指標達標，因此亟需進一步加強重污染入湖河流(比如烏龍河)的截污導流和綜合治理。

圖9 草海清流區(qū)TP指標濃度與牛欄江來水間的響應關(guān)系 Fig.9 Relationship between TP concentration in Caohai sub-lake and water quality from Niulan river

圖10 草海清流區(qū)TN指標濃度與牛欄江來水間的響應關(guān)系Fig.10 The relationship between water quality concentration in Caohai sub-lake and water diversion of Niulan river

5 牛欄江—草海補水與西園隧洞工程協(xié)同運行方案

5.1 西園隧洞與海埂大堤排水對草海清流區(qū)水質(zhì)影響

東風壩導流帶工程建設運行后，實現(xiàn)了草海湖體內(nèi)的“清污分流”，避免了當前入湖水質(zhì)較差的王家堆渠、新老運糧河水污染草海清流區(qū)水質(zhì)。2016～2017年的運行結(jié)果表明，東風壩導流帶工程對草海水質(zhì)改善與保護效果十分明顯。但隨著草海海埂大堤水體置換通道工程的建設與運行，出流能力達11.0 m3/s的水體置換通道排水，很大可能將東風壩庫區(qū)沿導流帶流動的“污水”牽引至海埂大堤水體置換通道，從而擴大前置庫水體對草海南部湖庫的水質(zhì)污染。

基于2016年草海入湖水量水質(zhì)邊界條件，設計了西園隧洞和海埂大堤不同排水方案，利用數(shù)值模擬技術(shù)，建立了草海清流區(qū)TP、TN水質(zhì)濃度與西園隧洞排水量間的響應關(guān)系(見圖11)。結(jié)果表明：西園隧洞與海埂大堤水體置換通道排水對草海清流區(qū)水質(zhì)影響較為顯著，且草海南部湖區(qū)整體水質(zhì)狀況與西園隧洞排水規(guī)模相關(guān)性顯著，具體表現(xiàn)為隨著西園隧洞排水量的減少和水體置換通道排水量的增加，草海南部湖區(qū)水質(zhì)整體呈現(xiàn)出逐步變差的趨勢。

圖11 草海南部湖區(qū)TP、TN濃度與西園隧道排水量間的響應關(guān)系Fig.11 Response relation between water quality concentration in Caohai sub-lake and waterdischarge of Xiyuan tunnel

5.2 牛欄江來水與西園隧洞工程協(xié)同運行方案

根據(jù)西園隧洞與海埂大堤水體置換通道排水效果模擬結(jié)果可知，海埂大堤水體置換通道排水對草海(南部)湖區(qū)水質(zhì)改善作用不大，同時因其縮短了牛欄江補水在湖體中的滯留時間，削弱了湖水滯留對入湖污染負荷的凈化效果，從而使得海埂大堤水體置換通道排水對湖區(qū)水質(zhì)改善明顯弱于從西園隧洞的排水。但由于草海屬于中重度富營養(yǎng)水體，藍藻水華問題較為突出，通過水體置換通道將表層富藻水排出湖外，有利于提升海埂大堤周邊的水景觀環(huán)境質(zhì)量。為最大程度地改善草海湖區(qū)水環(huán)境質(zhì)量并提升海埂大堤附近的水景觀環(huán)境質(zhì)量，解決海埂大堤周邊水域表層藍藻水的富集現(xiàn)象，牛欄江草海補水工程與西園隧洞工程協(xié)同運行方案如下：

(1) 牛欄江—草海補水工程推薦規(guī)模為3.0 m3/s。

(2) 東風壩湖區(qū)來水應全部直接進入西園隧洞排出，西園隧洞出湖流量應大于東風壩庫區(qū)的來水流量。

(3) 牛欄江—草海補水工程入湖水量中，建議30%～40%水量(1.0 m3/s)由海埂大堤水體置換通道排出，以提升海埂大堤周邊敏感水域的水景觀質(zhì)量；60%～70%水量(2.0 m3/s)由西園隧洞排出，以盡可能大地發(fā)揮牛欄江草海補水工程改善草海水環(huán)境質(zhì)量的效益。

(4) 烏龍河水質(zhì)污染十分嚴重，近期應盡快將烏龍河水導入東風壩前置庫，以減輕烏龍河來水對草海清流區(qū)的水質(zhì)污染。

6 結(jié) 語

草海是昆明市的城市內(nèi)湖和城市名片，也是國內(nèi)外游客和城區(qū)居民休閑娛樂的重要場所。隨著滇池水質(zhì)整體趨穩(wěn)并向好發(fā)展，草海在滇池流域水污染綜合治理中的作用與功能定位越來越明晰，原作為滇池蓄清排污載體的草海也被賦予了更多的生態(tài)承載與水景觀服務價值。為加快草海水體循環(huán)與交換、改善湖區(qū)水環(huán)境質(zhì)量，近期陸續(xù)實施了牛欄江—草海應急補水工程、新老運糧河水體凈化生態(tài)工程和海埂大堤水體置換通道工程，為草海環(huán)湖截污、湖區(qū)清污分流提供了水源保障，實現(xiàn)了湖區(qū)清污水的分向流動，縮短了清流區(qū)水體的換水周期。

通過牛欄江—草海應急補水工程、西園隧洞工程、海埂大堤水體置換通道工程與導流帶工程的協(xié)同運行和聯(lián)合調(diào)度，并結(jié)合烏龍河匯流區(qū)的點源污染治理，可最大程度地發(fā)揮草海各項水污染治理工程的綜合效益。