基于ArcGIS的牛栏江—滇池补水工程对滇池水环境改善效果分析

蔡文静，汪 涛

(云南省水文水资源局，云南 昆明 650106)

基于ArcGIS的牛栏江—滇池补水工程对滇池水环境改善效果分析

蔡文静，汪 涛

(云南省水文水资源局，云南 昆明 650106)

利用2009—2015年滇池水质监测资料，结合ArcGIS空间插值方法，分析评价牛栏江-滇池补水工程对滇池水环境改善效果。结果表明：牛栏江-滇池补水工程运行后，滇池外海的氨氮、总氮、高锰酸盐指数和总磷平均浓度分别下降47.9%、28.3%、22.0%和48.2%，水质明显好转；滇池外海中部、南部水域水质优于北部水域，西部水质优于东部，补水工程对滇池水环境改善效果明显。

ArcGIS空间插值；牛栏江-滇池补水工程；水环境改善；效果；滇池

滇池流域面积2920km2，为云南省省会昆明所在地，人口和生产力布局密集，水资源开发利用程度高，属全国最缺水的区域之一。20世纪70年代以后，随着滇池流域内经济社会的发展与城市化进程的加快，大量污染物和营养物的排入，致使滇池水质恶化，水体富营养化异常严重，被列为全国“三湖三河”治理的重点湖泊之一。滇池综合治理耗时近30a，先后投入资金近200亿元，湖泊生态恶化问题不仅没有逆转，部分水域污染状况还继续加重，富营养化程度加剧，水体变色，功能衰退，水葫芦、蓝藻暴发性繁殖势头不减。原来极为丰富的水生植物从种类、分布、数量、演替均发生巨变，一些敏感群落灭绝或濒临灭绝，15种土著鱼类仅剩4种。国家环保部领导、专家在视察滇池后，称滇池生态已演化到“生态癌”的地步[1]。究其原因，主要是由于在水资源紧缺的压力下，进入滇池的清洁水越来越少，内源污染严重，自我调节能力下降，致使以污染源控制为主的治理措施成效不明显。因此，通过外流域调水打开清水通道[2-3]，逐步置换滇池污染水体，对改善滇池水环境意义重大[1-8]。为此，2007年，云南省委、省政府决定立项牛栏江-滇池补水工程，从外流域调水补给滇池生态用水，逐步置换滇池污染水体，改善水质。为客观评价过程效益，利用2009—2015年滇池外海水质监测采样点氨氮、总氮、高锰酸盐和总磷监测数据，结合ArcGIS空间插值方法，分析评价牛栏江-滇池补水工程对滇池水环境改善效果。

1 牛栏江-滇池补水工程概况

滇池属长江流域金沙江水系，是云贵高原上湖面最大的淡水湖泊，呈南北向弓形分布，水域分为草海、外海两部分，其中外海为滇池的主体部分。滇池位于昆明市主城区下游西南面，目前正常水位下平均水深4.4m，湖水面积约300km2，湖容约12.9亿m3。

牛栏江-滇池补水工程主要由德泽水库、干河提水泵站及输水线路组成。其中，水源工程德泽水库坝高142m、总库容4.48亿m3；干河提水泵站位于距大坝17.3km处的库区，建设装机9.2万kW,扬程233m；输水线路总长115.85km，由泵站提水送到输水线路渠首，输水线路末点在盘龙江松华坝水库下游2.2km处，利用盘龙江河道输水到滇池外海[1-8]。该工程投资近80亿元，2013年12月28日正式投入运行，调水水源水质为II类。截至2015年底，牛栏江-滇池补水工程运行已满两年，共调水10.71亿m3，其中2014年调水4.46亿m3，2015年调水6.25亿m3。

2 资料与方法

从20世纪90年代起，云南省水环境监测中心于滇池外海共设置6个常规水质监测采样点。自2013年起，为了科学评估工程实施前后对滇池水环境改善效果，在滇池外海的水质监测采样点增设至22个，监测频次为每月监测1次。本文利用2009—2015年滇池外海水质监测采样点氨氮、总氮、高锰酸盐和总磷多年均值，分析牛栏江-滇池补水工程对滇池外海水环境改善效果。滇池外海的水质监测采样点分布见图1。

以牛栏江-滇池补水工程2013年12月28日竣工通水为时间节点，结合滇池外海水污染特性，选取滇池外海水体的关键污染控制因子氨氮、总氮、高锰酸盐指数和总磷，利用ArcGIS空间插值方法，对比分析补水前(2009—2013年)和补水后(2014—2015年)滇池外海的氨氮、总氮、高锰酸盐和总磷的空间变化，科学评估滇池外海水环境的变化趋势和改善效果。

滇池外海的主要污染控制因子空间插值采用ArcGIS地统计分析模块的样条函数法工具。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为点数；λj是通过求解线性方程组而获得的系数；rj是点(x,y)到第j点之间的距离；根据所选的选项，T(x,y)和R(r)的定义将有所不同。

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

(2)

式中：ai是通过求解线性方程组而获得的系数。

(3)

式中：r是点与样本之间的距离；τ2是权重参数；Ko是修正贝塞尔函数；c是大小等于 0.577215 的常数。

出于计算目的，输出栅格的整个空间被划分为大小相等的块或区域。x方向和y方向上的区域数相等，并且这些区域的形状均为矩形。将输入点数据集中的总点数除以指定的点数值可以确定区域数。如果数据的分布不太均匀，则这些区域包含的点数可能会明显不同，而点数值只是粗略的平均值。如果任何一个区域中的点数<8，则该区域将会扩张，直到至少包含8个点。

3 结果分析

3.1 氨氮

由图2可知，氨氮多年平均值从补水前(2009—2013年)0.587mg/L下降到补水后(2014—2015年)0.306mg/L，下降率为47.9%，单项水质类别从Ⅲ类上升为Ⅱ类。补水前氨氮高值区主要位于滇池外海北部海埂和盘龙江入湖口之间的水域，氨氮含量为0.8～1.4mg/L，补水后氨氮含量下降为0.4～0.8mg/L；补水前滇池以东水域氨氮含量为0.6～0.8mg/L，补水后下降至0.5mg/L左右；其他水域含量从0.3～0.6mg/L下降为0.2～0.4mg/L。

3.2 总氮

由图3可知，总氮多年平均值从2.19mg/L下降到1.57mg/L，下降率为28.3%，单项水质类别从劣Ⅴ类上升为Ⅴ类，超标倍数从1.19倍下降为0.57倍。补水前总氮高值区主要位于滇池外海北部海埂和盘龙江入湖口的水域，总氮年度均值为3.0～5.0mg/L，补水后总氮年度均值下降至2.0～2.5mg/L；其他水域补水前总氮含量为1.0～3.0mg/L，补水后下降为1.0～2.0mg/L。

3.3 高锰酸盐指数

由图4可知，高锰酸盐指数多年平均值从10.17mg/L下降到7.93mg/L，下降率为22.0%，单项水质类别从Ⅴ类上升为Ⅳ类，超标倍数从0.70倍下降为0.32倍。补水前盘龙江入湖口高锰酸盐指数年度均值<7.0 mg/L，补水后下降至3.0 mg/L左右；其他水域补水前为9.0～11.0mg/L，补水后下降为7.0～9.0mg/L。

3.4 总磷

由图5可知，总磷多年平均值从补水前0.110mg/L下降到补水后0.057mg/L，下降率为48.2%，单项水质类别从Ⅴ类上升为Ⅳ类，超标倍数从1.2倍下降为0.13倍。补水前总磷高值区主要位于滇池北部、南部及东部沿岸的水域,年度均值在0.20～0.45mg/L，补水后总磷含量年度均值下降至0.15mg/L左右；盘龙江入湖口、晋宁海口东北和呈贡斗南以西的水域年度均值在0.10～0.20mg/L，补水后年度均值下降至0.05～0.10mg/L；其他水域含量从0.05～0.10mg/L下降至0.06mg/L以内。

通过ArcGIS对滇池外海的氨氮、总氮、高锰酸盐指数和总磷进行空间插值，可有效分析各污染因子在滇池外海的空间分布和变化趋势。分析结果表明，牛栏江-滇池补水工程运行后，补水水源满足水质目标要求下，滇池外海的氨氮、总氮、高锰酸盐指数和总磷平均浓度分别下降47.9%、28.3%、22.0%和48.2%，水质明显好转。滇池外海中部、南部水域水质优于北部水域，西部水质优于东部。牛栏江—滇池补水工程向滇池补充的优质水源，改善了滇池的水环境和水资源条件，缩短了滇池水循环周期，补水后水环境由恶化趋势转为好的趋势，补水对滇池水环境改善效果明显。

近年来多项水污染防治工程投入运行与牛栏江-滇池补水工程共同发挥了入湖污染物控制和水质改善效益，本文以工程运行前后水质变化情况分析滇池外海水环境改善效果，下一步可结合污染物迁移模型分析牛栏江-滇池补水工程的污染物质的输入、输出情况，以确定牛栏江-滇池补水工程对滇池外海水环境改善是否起到决定性的作用。

滇池治理是一项综合性的工程，虽然牛栏江-滇池补水工程对滇池外海水环境改善效果较好，仍应加大流域污染治理，严格控制入湖污染物总量。

[1]李伯根.控制滇池生态环境的关键[J].水资源保护, 2002(1):18-22.

[2]张国涵, 高原.牛栏江-滇池补水工程对滇池外海总磷和总氮含量的影响[J].环境科学导刊, 2015, 34(5):22-26.

[3]桂重, 段波.牛栏江引水盘龙江入湖对滇池水质改善效果分析[J].山西建筑, 2015, 41(31):209-210.

[4]何佳, 徐晓梅.滇池水环境综合治理成效与存在问题[J].湖泊科学, 2015, 27(2):195-199.

[5]徐天宝, 马巍, 黄伟.牛栏江-滇池补水工程改善滇池水环境效果预测[J].人民长江, 2013, 44(12):11-13.

[6]罗佳翠, 马巍, 禹雪中.滇池环境需水量及牛栏江引水效果预测[J].中国农村水利水电, 2010 (7):25-28.

[7]成功, 朱战军.滇池水环境污染成因及治理策略分析[J].环境科学与技术, 2012, 35(12):356-359.

[8]胥勤勉, 杨达源, 董杰.滇池水环境治理的“调水”“活水”工程[J].长江流域资源与环境, 2006, 15(1):116-119.

[9]罗强, 李畅游, 黄健, 高敏.基于ArcGIS的乌梁素海水质及富营养化评价[J].人民黄河, 2014, 34(7):53-55.

[10]裴源生, 王建华, 罗琳.南水北调对海河流域水生态环境影响分析[J].生态学报, 2004, 24(10):2115-2123.

[11]金相灿, 胡小贞.湖泊流域清水产流机制修复方法及其修复策略[J].中国环境科学, 2010, 30(3):374-379.

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

工作蔡文静(1984-)，男，云南曲靖人，工程师，主要从事地理信息方面的工作。

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1673-9655(2017)03-0059-04