滇池入湖河流水质目标精细化管理需求研究

姚云辉，马 巍，施国武，蒋汝成，戍国标

（1.中国水利水电科学研究院水环境所，北京 100038；2.昆明市滇池水生态管理中心，昆明 650228；3.云南省水利水电勘测设计研究院规划分院，昆明 650021）

1 研究背景

水环境污染物总量控制概念源自日本的“封闭性水域总量控制”，技术方法引自美国的水质规划理论。在经历了以“六五”科技水环境容量攻关课题“沱江水污染物总量控制系统分析”为代表的起步研究阶段、以1988年第三次全国环境保护会议上原国家环保局确定从浓度控制向总量控制的水污染控制政策发展方向后，基于控制单元水质目标的容量总量控制纳入了国家和流域的宏观目标总量控制管理。随后，水质目标管理逐步由服务于总量控制宏观政策引导向“水污染物总量分配”、“主要污染物总量减排”、“主要污染物总量减排监测”等具体办法落实方向发展，形成了我国水环境污染物总量控制技术体系和管理流程［1］，并科学服务于水污染防治行动计划（简称“水十条”）、河长制、湖长制等重大计划与政策措施。

湖库水环境保护在保障工农业生产与城镇生活用水、维系区域生态系统平衡、发展生态旅游等方面发挥着重要作用，水质目标管理是加强湖库水污染综合治理与水质保护的最佳管理办法［2］。滇池作为近年来河湖水体污染治理的典型代表，以入湖河流水质目标的总量控制［3］为流域点源治理、河湖水质逐步好转发挥了极为重要的作用，但依据滇池流域水功能区划确定的河流水质目标，与湖泊极为缓慢的水动力条件和适宜承纳入湖污染物的能力仍存在一定的差距，尤其是受河湖水动力条件差异影响下的总磷（TP）和总氮（TN）指标，亟需以流域水资源变化条件下的滇池水环境容量及其年内动态变化特征为依据，研究满足其容量总量控制需求的入湖河流水质目标精细化管理方案，以适应新时期全面推进河湖长制的管理需求，并促使滇池湖泊水生态系统功能逐步恢复，进而最终实现良性循环。

2 研究方法

2.1 研究区概况

滇池是云贵高原上最大的淡水湖泊，位于金沙江一级支流普渡河的源头区，毗邻昆明主城区下游，流域面积2 920 km2。滇池湖体略呈弓形，弓背向东，南北长约40 km，东西最宽处12.5 km，平均水深5.05 m，水面面积 309 km2，湖泊容积15.6亿 m3［4］。滇池环湖有37条入湖河流及沟渠（流域水系见图1），位于外海西南部的海口河是滇池唯一的天然出口，后因滇池水质保护和昆明主城区防洪安全需要，于1996年在草海西岸开通了西园隧道排水通道，并由海埂节制闸将滇池分割为草海和外海两部分，其中外海是滇池的主体，水面面积约占96.7%，蓄水量占98.5%［5］。

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

滇池流域地处长江、珠江、红河三大水系分水岭地带，流域水资源十分匮乏。在持续支撑昆明市经济社会快速发展的同时，滇池也在不断地接纳流域内产生的污染物，从而导致处于老年化阶段的滇池水质逐渐变差。在掌鸠河、清水海、牛栏江等外流域引水工程［2］实施前，昆明人民只能以水质日益变差的滇池为重要水源，以保障昆明主城区及周边城镇的供水安全并满足流域内工农业用水需要，同时生产生活废污水还作为维持湖泊水量平衡的重要来源，从而进一步加剧了滇池水质污染进程。伴随着一系列外流域引水工程的实施，滇池已退出城镇生活供水的舞台，流域内生产生活废污水经水质净化厂提标处理后由环湖截污管道排向下游，滇池流域健康水循环体系已初步建成，但昆明老城区的雨污合流、城市面源和农业农村面源污染问题仍较为突出，入湖河流水质与功能区水质目标仍存在一定的差距，亟需治理提速并实现入湖河流水质的精细化管理，以便顺利实现滇池治理“十三五”目标。

2.2 滇池水动力与水质模拟模型

滇池三面环山，湖面风场相对较为稳定，常年以西南风为主，且年际变化不大。考虑到滇池西岸为高出水面500 m的西山，东、南、北部为平原，当西南风吹过滇池湖面时，受西山遮挡影响，湖面风场十分复杂。因此采用反映西山复杂地形影响下中小尺度的准三维气流动力学模式进行湖区三维风场模拟，模拟分布如图2所示。为距离湖面10 m高的风场平面图［4］，可为滇池水动力模拟提供湖面风场边界条件。

国内外大量浅水湖泊的研究成果［6-8］表明，风是滇池水流运动的主驱动力，其湖流运动以风生湖流为主、吞吐流为辅，入湖污染物在风生湖流和吞吐流的牵引与驱动作用下完成在湖体内的迁移扩散。滇池属大型浅水湖泊，其风生湖流及污染物在水体中的迁移扩散可分别用平面二维水流运动方程和对流扩散方程进行数学描述［6-7，9］，选择高锰酸盐指数（CODMn），TP，TN为水质模拟指标。3个指标的生化反应项均可作一级简化处理，其中CODMn考虑自净衰减并通过自净系数和内源释放速率反映；TP和TN这2个指标均考虑各种物理、化学及生物因素引起的沉降与释放，通过综合沉降速率和内源释放系数反映。

图2 滇池湖面风场模拟分布（SW）Fig．2 Simulated wind field in Dianchi Lake（SW wind）

采用矩形网格对滇池湖盆地形进行计算单元划分（尺寸为500 m×500 m），采用变量交错布置的方式在计算网格上对上述方程进行离散，其中，对流项采用迎风格式，扩散项采用中心差分，用迭代法求解离散方程组。利用滇池2014年和2015年湖内10个常规水质监测点（1次／月）的水质监测数据和同期逐日水位、流量、气象数据及逐月水质资料，对滇池水动力与水质模型进行参数率定与模型校验。验证结果（图 3、图 4）表明滇池水动力与水质模型能够较好地反映滇池的环流形态与入湖污染物的迁移扩散特征和时空变化过程，模拟结果具有较高模拟精度（2015年滇池各站点 CODMn，TP，TN的相对误差分别为-11.7%～15.6%，-9.4%～11.5%，-29.9%～7.9%，相对误差基本在20%以内）。该模型已成功为牛栏江—滇池补水工程［4］、滇中引水工程及是否利用滇池方案论证提供了科学的技术支撑，可为滇池流域水资源变化条件下的滇池湖流模拟、湖泊水环境容量计算和入湖河流水质精细化控制与管理提供科学的技术手段。

图3 滇池流场（西南风）Fig．3 Flow field of Dianchi Lake（SW wind）

图4 2015年滇池水质模拟效果（罗家营站）Fig．4 Simulation result of water quality of Dianchi Lake in 2015（Luojiaying station）

3 计算过程

3.1 数据来源

数据来源于云南省水文水资源局昆明分局、昆明市环境监测中心、国家气象局、昆明市气象局、滇池流域管理局、牛栏江—滇池补水工程调度中心等单位提供的一系列报告及条例，包括《滇池保护条例》、《云南省水功能区划》、《滇池流域水环境功能区划》、《牛栏江—滇池补水工程入湖实施方案》（云政复［2012］37号）、《云南省环境状况公报》、《昆明市国民经济和社会发展统计公报》和《中国水资源公报》。滇池草海和外海水质目标（CODMn，TN，TP）采用《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）的湖库Ⅳ和Ⅲ类标准，其中Ⅳ类标准的3种污染物限值分别为 10，1.5，0.10 mg／L，Ⅲ类标准的 3种污染物限值分别为 6，1.0，0.05 mg／L。

3.2 计算条件

在滇中引水工程建成通水前，滇池流域的水资源配置格局已基本成型，其水资源条件由本区水资源（5.5亿 m3）和掌鸠河（2.31亿 m3）、清水海（0.97亿 m3）、牛栏江（5.72亿 m3）外流域引水共同组成，合计水资源总量为14.50亿 m3［4］。为加快滇池水质改善进程，在以昆明“六大工程”为主线的流域水污染综合治理思路指引下，环湖截污工程在流域点源污染控制、湖泊整体水质企稳向好和滇池健康水循环体系构建等方面发挥了至关重要的作用，但环湖截污工程将＞110万m3／d的污水处理厂尾水经截污干管导向滇池下游后，流域内经济社会发展与滇池水质变化失去了必然联系。

在现有的水资源条件和流域水循环格局条件（见图5）下，以典型枯水年（概率P＝90%）为设计水文条件，按照滇池流域水污染防治“十三五”规划提出的规划目标要求“滇池水质稳定在Ⅳ类，关键性指标达到Ⅲ类”，研究制定总量目标约束条件下的滇池入湖河流水质目标精细化管理方案。

3.3 计算结果

在设计水文条件和现有的水资源配置格局下，遵照《滇池保护条例》的调度运行规程要求［10］，为使滇池关键性指标水质达到外海Ⅲ类（草海Ⅳ类）并满足其水质浓度限值，计算得到滇池水环境容量并提出各入湖河流分区水质目标浓度限值，其结果分别见表1和表2。

4 分析与讨论

4.1 滇池水环境容量及其组成

由表1可见，在现有的水资源配置格局和水循环过程下，滇池CODMn，TP，TN这3个指标的水环境容量分别为 9 262，289，5 187 t／a，其中湖面降雨降尘入湖的 CODMn，TP，TN分别为 487，37，441 t／a，分别约占相应污染物的滇池水环境容量的5.3%，12.8%，8.5%；湖泊内源释放的 CODMn，TP，TN分别约为 4 511，169，2 594 t／a，约占相应污染物的滇池水环境容量的48.7%，58.5%，50.0%；在考虑湖面降尘、内源释放和湖面水量蒸发挤占了滇池水体的大部分容量后，分配给陆域入湖污染物的CODMn，TP，TN水环境容量分别为 4 264，83，2 152 t／a，同时枯季（1—5月份，11—12月份）和雨季（6—10月份）的环境容量差异十分显著（见图6）。由于内源释放（含湖面藻类光合作用合成有机物）和降雨降尘负荷短期内很难有效控制，故从总量控制角度将对陆域点源和流域面源治理提出更严格的控制与管理要求。

图5 2020年滇池流域水循环示意图Fig．5 Water cycle of Dianchi Lake drainage basin in 2020

表1 滇池水环境容量及其组成Table 1 Water environmental capacity and its composition in Dianchi Lake t／a

表2 滇池入湖河流分区水质浓度控制限值Table 2 Limit values of water quality indicators concentration in rivers flowing into Dianchi Lake mg／L

图6 滇池水环境容量年内变化特征（以TP为例）Fig．6 Annual variation of water environmental capacity（TP）in Dianchi Lake

4.2 滇池入湖河流水质目标限值的时空差异性

为紧密配合昆明市提出的《滇池保护治理三年攻坚行动实施方案》（2018—2020年），满足湖泊水生态环境管理部门的技术需求，结合滇池流域自身特点，提出了基于容量总量控制条件下分季节和分区域的入湖河流水质浓度控制要求，即旱季入草海的 CODMn，TP，TN水质浓度限值分别为6.0，0.15，3.0 mg／L，旱季入外海的对应污染物水质浓度限值分别为5.0，0.15，2.5 mg／L；雨季入草海和外海的 CODMn，TP，TN水质浓度限值分别为6.0，0.12，2.5 mg／L，雨季入外海的对应污染物水质浓度限值分别为5.0，0.10，2.2 mg／L；牛栏江来水的 CODMn，TP，TN指标浓度限值分别为4.0，0.06，2.2 mg／L。

在满足滇池各监测站点水质目标浓度约束条件下，草海和外海各入湖河流的水质控制浓度存在明显差异，同时受年内入湖水量的季节性差异影响，雨季入湖水质控制浓度明显较旱季严格。牛栏江作为滇池最主要的清洁水来源，其来水水质要求应达到河流Ⅱ类水质标准。对比各入湖河流水环境功能区划成果，各入湖河流的水质浓度限值明显严于水环境功能区确定的水质目标浓度值。

4.3 滇池入湖河流水质精细化削减方案

以滇池入湖河流水质浓度控制限值为条件，结合2015年（平偏枯年份）各主要入湖河流旱季和雨季的入湖水质状况，分草海、外海和牛栏江来水分别制定了入湖河流水质精细化削减方案（见表3至表5）。

表3 滇池草海入湖河流水质精细化管理与浓度削减方案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质精细化管理与浓度削减方案Table 4 Fine management scheme for water quality indicators concentration of rivers flowing into Waihai Lake

表5 牛栏江来水水质精细化管理与浓度削减方案Table 5 Fine management scheme of water quality indicators concentration of Niulanjiang River

结果表明：草海和外海入湖水质浓度控制的重点是TP和TN，难点是TN，草海新、老运粮河TN削减压力最大（削减率超过80%），穿过昆明主城区和呈贡新城的采莲河、大清河、马料河、捞鱼河和宝象河等污染程度相对较重，应是今后外海入湖河流治理重点。牛栏江来水水质总体较好，但雨季TN和TP应得到有效控制（削减率＞40%），才能使滇池水质尽快向湖泊Ⅲ类目标迈进。

5 结论和建议

（1）在滇池流域现有的水资源配置格局和水循环过程下，滇池CODMn，TP，TN的水环境容量分别为 9 262，289，5 187 t／a，扣除湖面降雨降尘、内源释放和水面蒸发挤占掉大部分环境容量后，分配给陆域入湖污染物的环境容量分别为4 264，83，2 152 t／a，同时枯季和雨季的环境容量差异十分显著。

（2）在满足滇池湖区各监测站点水质目标浓度约束条件下，提出了草外海入湖河流的季节性水质浓度限值要求，即旱季入草海的CODMn，TP，TN浓度限值分别为6.0，0.15，3.0 mg／L，旱季入外海的3种浓度限值分别为5.0，0.15，2.5 mg／L；雨季入草海的 CODMn，TP，TN浓度限值分别为6.0，0.12，2.5 mg／L，雨季入外海的3种浓度限值分别为5.0，0.10，2.2 mg／L；牛栏江来水 CODMn，TP，TN浓度限值分别为4.0，0.06，2.2 mg／L。各入湖河流水质浓度限值明显严于水环境功能区划水质目标浓度值。

（3）针对草海新老运粮河和流经昆明主城与呈贡新城河流水质污染相对较重的问题，建议在进一步完善入湖河道综合治理、拦截城区分散式点源污染负荷入河的基础上，强化城市污水收集管网建设和水质净化厂除氮脱磷工作，并通过合理的水资源优化配置模式，让相对清洁的牛栏江来水多通道入湖，使入湖河道旱季水质浓度逐步达到容量总量控制的水质浓度限值要求。