滇池草海水污染治理工程措施及其防治效果评估

姚云辉，马 巍，崔松云，齐德轩，淦家伟

（1.中国水利水电科学研究院 水环境研究所，北京 100038；2.昆明市西园隧道管理处，云南 昆明 650228；3.云南省水文水资源局昆明分局，云南 昆明 650051）

1 研究背景

滇池是云贵高原上最大的高原淡水湖泊，位于金沙江一级支流—普渡河的源头区，毗邻昆明市主城区下游，流域面积2920 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，湖容15.6亿m3［1］。滇池由海埂节制闸将其分割为北部的草海和南部的外海，其中外海是滇池的主体部分，水面面积为298 km2；草海是昆明的城市内湖，水面面积为 10.8 km2［1］。

滇池作为我国水体污染治理的代表性水域之一，近年来在历经四个“五年计划”的重点投资治理后，目前流域内点源污染负荷发展势头已得到有效控制，湖泊水质污染恶化趋势已基本扭转，河湖整体水质企稳向好，湖泊蓝藻水华发生程度有所减轻，滇池健康水循环体系得到逐步改善，有利于滇池整体水环境质量和湖泊水生态系统逐步向好的方向发展［2］。鉴于近期滇池整体水质呈现逐年改善状态，但考虑到滇池水污染历时较长且大型湖泊水污染治理中存在的复杂性和长期性问题，近期将面积较小、人类活动最密集且景观关注度日益提高的草海作为滇池水污染治理的重点对象，研究草海水污染治理对策及已实施工程的水污染防治效果，优化其治理与调度运行方案，实现草海水质的持续性改善，以提振人们对滇池水污染综合治理的信心，同时为滇池整体水质的持续性改善提供经验，进而全面推进滇池流域水污染治理各项工作。

2 滇池草海功能定位及其水质演变过程

2.1 滇池草海功能定位1996年滇池草海西园隧道工程建成之前，位于外海西南部的海口河是滇池唯一的天然出口（流域水系见图1），草海和外海之间相互连通。随着滇池流域经济社会的快速发展和昆明城市建设的逐步加快，自1970年代末期滇池水质开始受到污染，至1980年代末和1990年代初湖泊水质已快速恶化至劣Ⅴ类（见图2、图3［3］），滇池有机污染和湖泊富营养化问题日趋严重，蓝藻水华问题突出。为遏制滇池水质快速恶化的势头，保护滇池整体水环境质量，并保障昆明主城区的防洪安全，于1996年在昆明市西山区苏家村建成西园隧道工程，并通过船闸和节制闸隔离了草海与外海间的水力联系，同时让昆明主城区的废污水尽可能经由草海—西园隧道排出滇池，以便减轻主城区生产生活废污水对滇池外海的污染，从而实现（外海）蓄清（草海）排污的功效，对后续的连续四个“五年计划”的滇池流域水污染综合治理规划及其方案实施具有重大意义。

图1 滇池流域水系图

图2 1991—2001年期间草海水质年际变化过程

图3 1991—2001年期间外海水质年际变化过程

在以“六大工程”为主线的滇池流域水污染综合治理思路指引下，随着环湖截污与交通、外流域调水与节水、入湖河道整治、农业农村面源治理、生态修复与建设、生态清淤工程等分步有序地推进与逐步落实，在外海水质企稳向好的同时，近年来草海水质也得到显著改善（见图4），尤其是昆明市主城区污水处理厂提标改造工程与滇池外海北岸环湖截污工程建设，让昆明主城区的废污水和污水处理厂尾水经环湖截污管道直接导入西园隧道并流向下游，从而改变了草海作为蓄清排污的载体功能。随着草海水质的逐步改善，不仅有越来越多的西伯利亚海鸥来此过冬并形成一道靓丽的风景，而且全国性的龙舟比赛也落户草海，同时草海已成为国内外游客观看海鸥和市区居民休闲娱乐的场所，地方政府正以“西湖”为目标建设美丽草海，使之成为昆明的城市名片。

图4 2002—2017年期间草海水质年际变化过程

2.2 滇池草海水质演变过程在西园隧道工程建设前，草海与外海水系连通，其水质污染过程与滇池外海水质变化过程基本同步（见图2、图3），但因草海湖泊面积及湖容均很小（面积占比为3.5%，水量占比为1.3%），入草海的废污水在湖体中的滞留时间较短（小于60天），而进入外海的废污水的滞留时间则长达2～3年，大量入湖污染物沉积到外海湖底并形成底泥和内源，从而使得草海水质明显较外海水质差［4］。

自1996年草海西园隧道工程投入运行后，随着原本排入滇池外海的废污水源源不断地进入草海，草海水质浓度（如TP、TN、CODMn等指标）在1996—2009年期间呈现逐年快速升高趋势（见图2、图4），其中1998、1999年受大洪水期间草外海间防洪联合调度影响，草外海水的大量掺混导致草海水质浓度明显降低而外海水质浓度则有所升高（见图2、图3）。2009年以后，受昆明市污水处理厂建设、污水处理厂尾水提标改造、城市污水收集管网系统的不断完善和环湖截污工程运行等综合影响，大观河、西坝河、船房河和新运粮河等进入草海的各入湖河流水质得到显著改善，草海的TP、TN指标浓度在2009—2011年也随之呈现出断崖式降低过程［5］。

综合1991—2017年期间草海水质年际变化过程及其与滇池流域水污染治理进程的关联性分析结果可知，受湖泊面积和湖容均较小因素影响，草海水质直接受入湖河流水质浓度影响与控制，且无明显的滞后效应。故通过工程措施截留入湖污染负荷，尽可能改善并降低各入湖河流的水质浓度，并结合必要的水动力改善措施提升其水体置换效率，是滇池草海流域水污染治理的重要策略，也是持续推进草海水质改善的关键对策。

3 影响草海水动力与水污染治理的重大工程

自1996年以来，为适应滇池流域综合治理和草外海水污染治理需要，陆续实施了若干与水污染治理相关的工程项目，其中与草海关系密切且对草海水动力与水质影响较大的工程主要包括西园隧道工程、牛栏江—草海应急补水工程、新老运粮河入湖河口前置库水体净化生态工程和草海大堤加固提升与水体置换通道建设工程等，各工程位置示意见图5。

图5 滇池草海水系及水污染防治工程布置示意图

3.1 西园隧道工程西园隧道工程是滇池综合治理的重点工程，由水域分隔（船闸、节制闸）、西园隧道和沙河整治三大项目组成，其中西园隧道全长4.8 km，洞身直径4.8 m，最大下泄流量为40 m3/s［6］；节制闸为滇池草海和外海的唯一过水通道，最大过流能力为36 m3/s；沙河是西园隧洞唯一的行洪通道，全长约12.5 km。自1996年建成投入运行至2015年底，草海经西园隧洞累计排水量42.41亿m3，年均约2.02亿m3，在保障滇池流域防洪安全、湖泊水环境综合整治等方面发挥了明显的效益。随着2015年滇池北岸环湖截污工程、污水处理厂尾水外排工程、外海水体置换工程等项目的陆续运行，经西园隧洞出湖水量大幅度增加。目前在旱季经西园隧洞出湖流量常年超过30 m3/s。

3.2 牛栏江-草海应急补水工程牛栏江—滇池补水工程作为滇池水污染综合治理“六大工程”体系的关键性工程，于2013年底通水并对近年来遏制滇池水质持续变差、促使滇池水质持续性改善发挥了至关重要的作用［7］。为兼顾滇池外海和草海水质的协同改善，快速提升草海水环境质量，以适应草海新的功能定位，2015年昆明市实施了牛栏江-草海补水应急通道建设工程，自2015年5月5日起，将牛栏江水通过盘龙江引入玉带河，经玉带河、篆塘河分流入大观河、西坝河进入草海作为生态补水，提升草海水体置换效率。2016年牛栏江向草海补水规模为55万m3/d（约6.3 m3/s）。

3.3 新老运粮河入湖河口前置库水体净化生态工程2016年新老运粮河入湖河口前置库水体净化生态工程建设又称“导流带工程”，于2016年初建设完成，即从东风坝北侧至老运粮河建设1057 m导流带，将新、老运粮河入湖河水导入东风坝，并沿草海西侧湖岸建设一条直通西园隧道的导流围堰（全长约3 km，距离湖岸线35 m，设计过流能力为27万m3/d），前置库总面积超过3 km2。该工程通过东风坝导流带将目前草海污染最重的新、老运粮河和王家堆渠水围挡在前置库内并导流至西园隧洞，再排入滇池下游的沙河。

导流带工程建设将草海分割为3个部分：东风坝库区、草海北部条带状湖区和草海南部湖区，其中东风坝库区面积约占草海总面积的29%，北部条带状湖区面积约占16%，草海南部湖区约占55%。通过导流带工程将使草海湖区水体实现“清污分流”，让污染相对较为严重的新老运粮河污水进入东风坝库区并沿导流带流动，让牛栏江—草海应急补水工程的清水进入草海并沿条带状湖区自北向南流进南部湖区［8］。

3.4 草海大堤加固提升与水体置换通道建设工程对草海大堤迎水面采取原状取土全护砼灌注桩的方式进行加固，以满足现行规范的安全要求。同时沿整个草海大堤布设20个单面升降闸门收集井，两个单面升降闸门收集井之间用预制钢管（管径2.0 m）连接。管道按0.1%的坡降沿草海大堤沿线布置，表层水外排系统采用“溢流堰+单孔闸门”的收集方式，采用管道将收集到的草海表层水输送至滇池外海北部水体置换工程的排水管道，并通过泵站和尾水通道，最终将草、外海的表层富藻水排放至西园隧洞。工程最大设计出流能力为11 m3/s。

4 草海水动力与水质改善效果评估

4.1 滇池草海水动力与水质模拟模型草海位于滇池北部，湖泊水面面积为10.8 km2，平均水深约为2 m。根据国内外大量浅水湖泊的研究成果［3］表明，风是草海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，环湖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过程。草海的风生湖流运动及污染物质在水体中的运动可以分别用水深平均的平面二维水流运动基本方程和对流扩散的平面二维方程进行数学描述［2，9-10］，其中模拟的主要水质指标包括CODMn、TP、TN。各污染物指标的生化反应项均作一级简化处理，CODMn考虑自净衰减，通过自净衰减系数反映；TP、TN考虑各种因素引起的释放与沉降，通过综合沉降和释放系数反映。该模型已成功应用于滇池、太湖、呼伦湖、武汉东湖等大型浅水湖泊的水流水质模拟计算，效果较好。

采用矩形网格对草海湖区进行计算单元划分（网格尺寸为75 m×75 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。利用草海2015年和2016年两年2个常规水质监测点每月一次的水质监测资料及其同期的出入湖水量水质数据和水文气象监测资料，对草海水动力与水质模型进行了参数率定与模型校验。模型参数取值及水质模拟过程详见表1和图6。结果表明，滇池草海水动力与水质模型具有较高的模拟精度，能够较好地反映草海水动力变化过程与入湖污染物的时空变化特征，可为草海水污染治理措施的效果评估提供科学的技术手段。

表1 滇池草海水动力与水质模型率定与校验的模型参数值

图6 2016年滇池草海水质模拟效果

4.2 重大工程对草海水质改善效果评估

（1）“导流带”工程对草海水质改善效果。在入草海的7条河流（王家堆渠、老运粮河、新运粮河、乌龙河、大观河、西坝河和船房河）中，王家堆渠、新运粮河和老运粮河污染相对较重。根据昆明市水环境监测中心和云南省水文水资源局昆明分局提供的入湖水量与水质资料统计，2016年草海入湖的化学需氧量（COD）、总磷（TP）、总氮（TN）和氨氮（NH3-N）负荷量分别为436、5.54、242和45.54 t，如果扣除牛栏江—草海应急补水工程经大观河携带的入湖负荷量影响，则上述3条重污染河流入湖的污染负荷所占比重将分别为66.7%、85.7%、77.5%、89.6%，因此，为减轻重污染河流水质入湖对草海水体的污染，并加快滇池草海水污染治理进程，昆明市政府于2016年初完成的草海东风坝“导流带”工程，将新老运粮河和王家堆渠的重污染水体在东风坝库区静置后直接由西园隧洞排出，对草海水质带来了显著的改善效果，但将加重导流带库区的水质污染程度。

根据草海水动力与水质数学模型对2016年草海东风坝“导流带”工程实施效果的模拟结果表明，东风坝导流带工程可使现状年草海北部条带状湖区的CODMn、TP、TN指标的年均水质浓度分别由3.99 mg/L、0.16 mg/L、6.09 mg/L降低到3.69 mg/L、0.13 mg/L、4.63 mg/L，3指标浓度分别改善7.5%、15.1%和24.1%；可使草海南部主体湖区的CODMn、TP、TN指标的年均水质浓度分别改善6.1%、19.1%和27.5%。东风坝导流带成功阻断了新老运粮河和王家堆渠重污染水体直接进入草海主体湖区，但将重污染水体留在了东风坝库区（见图7），从而导致东风坝库区水质明显变差，变差幅度为25%～59.6%。

图7 2016年草海湖区水质空间分布图

（2）牛栏江—草海应急补水工程规模合理性。牛栏江经盘龙江-玉带河-大观河补给草海的水量是草海各入湖河流中水质相对最好的水源，可大幅度改善草海北部条带状湖区的水动力条件，对草海南部湖区水动力条件影响不明显，对东风坝库区水体流动特性无影响（见图8）。

图8 草海各湖区流速与牛栏江补水量变化关系

牛栏江草海补水量作为草海的清洁水源，牛栏江来水将对草海湖区水质带来一定的水质改善效果，草海北湖条带状湖区和南部湖区的各项水质指标浓度均随补水量增加呈逐渐降低趋势（见图9），但单位补水量的水质改善效率随补水量增加而呈明显的降低趋势。因此，综合考虑牛栏江—滇池补水工程任务、滇池整体水环境改善效益、草海水质改善需求及水体置换效率等因素，目前的补水规模5～8 m3/s明显偏大，不利于牛栏江—滇池补水工程综合效益的发挥，建议牛栏江—草海补水工程的适宜规模为2～4 m3/s。

图9 草海南部湖区水质浓度与牛栏江补水量变化关系

（3）草海海埂大堤水体置换通道工程效果评估。在“导流带”工程分隔草海水域特征的条件下，海埂大堤水体置换通道工程将原本由西园隧道出湖的水量经由沿海埂大堤沿线布设的收集井排出草海，从而缩短了由北部入湖的牛栏江来水的水流流程，加快了草海（不含东风坝导流带库区）水体的循环与交换，同时也减少了草海南部湖区中参与环流的流量通量，并降低了西园隧道出湖水流的牵引作用，故水体置换通道工程对草海南部湖区的水动力条件有所削弱（见图10），变幅约为5%～8%。

图10 水体置换通道工程对草海湖区流场影响

在环湖截污工程和“导流带”工程实施后，进入草海的污染负荷多来自于城市面源和零星点源，而入湖水量则以牛栏江—草海应急补水工程分流盘龙江水为主，入湖水质总体较好，但草海湖区水质仍将在Ⅴ～劣Ⅴ之间停留较长的时间。故草海海埂大堤水体置换通道工程，将加快草海北部条带状湖区水体的循环与交换，缩短草海南部湖区的水力停留时间，并有利于草海南部湖区表层富藻水的顺利外排和良好水景观功能的维持与改善。因进入草海的水量多为经盘龙江分流入湖的牛栏江补水量，水质相对较好，且湖区水力停留时间短，故该工程不会对草海水质改善带来明显效果，但对海埂大堤表层富藻水外排和良好水景观功能维持方面效果显著。

综合所述，近期实施的牛栏江—草海应急补水工程、新老运粮河水体净化生态工程和海埂大堤水体置换通道工程，为草海环湖截污、湖区清污分流提供了水源保障，实现了草海湖区清污水的分向流动，缩短了清流区水体换水周期。通过上述工程的协同运行和联合调度，可最大程度地发挥草海各项水污染治理工程的综合效益。

5 结论

（1）东风坝“导流带”工程实现了草海湖内清污水的分向流动，可使现状年草海北部湖区的CODMn、TP、TN指标的年均水质浓度分别改善7.5%、15.1%和24.1%，使草海南部湖区的年均水质浓度分别改善6.1%、19.1%和27.5%；但“导流带”也成功阻断了新老运粮河和王家堆渠重污染水体直接进入草海南部湖区，从而致使东风坝库区水质明显变差，增幅为25%～59.6%。

（2）牛栏江补水量作为草海的清洁水源，将对草海湖区水质带来一定的水质改善效果，草海北湖和南部湖区的水质浓度均随补水量增加呈逐渐降低趋势，但单位补水量的水质改善效率随补水量增加而呈明显的降低趋势。因此，综合考虑牛栏江—滇池补水工程任务、滇池整体水环境改善效益、草海水质改善需求及水体置换效率等因素，目前的补水规模5～8 m3/s明显偏大，建议牛栏江—草海补水工程的适宜规模为2～4 m3/s。

（3）海埂大堤水体置换通道工程将减少草海进入西园隧道的水量，缩短由北部入湖的牛栏江来水的水流流程，加快草海水体的循环与交换，有利于草海南部湖区表层富藻水的顺利外排和良好水景观功能的维持与改善，但将降低西园隧道出湖水流的牵引作用，并对草海南部湖区的水动力条件有所削弱，变幅约为5%～8%。