调水调蓄工程对拉市海水环境的影响研究

罗 乐，段 波

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051)

1 项目背景

引调水工程是一类重要的水利项目，发挥着优化水资源配置[1]及流域生态修复[2- 3]等多重效益。丽江是云南省的旅游门户，人均水资源量583m3，属重度缺水区，资源性缺水比较突出。随着旅游业、城市建设的快速发展，2030年丽江中心城区城市人口规模将达到43万人，旅游人口将达到4312万人次[4]，届时丽江坝区人均水资源量将少于300m3，处于极度缺水状况，用水安全将面临严峻挑战。丽江坝区水资源开发利用率已达到37.7%，接近国际公认的40%的上限，本区水资源已无开发潜力。丽江坝区的缺水只能依靠更大范围的金沙江调水解决[5]。

金沙江某调水工程任务为解决丽江坝区城镇生活、工业和古城区生态景观用水。工程方案比选阶段对输水线路曾提出经拉市海调蓄和直供水无调蓄两种方式。利用拉市海调蓄在减少工程规模、减轻泥沙问题上有一定优势。该方案从金沙江干流河段取水，设计调水流量为2.36m3/s，设计调水量为6822.3万m3，利用丽江市已实施的拉市海调蓄水工程库容对引调水进行调蓄。

拉市海位于丽江市玉龙县拉市镇，1998年建立云南丽江拉市海高原湿地省级自然保护区，2004年列入国际重要湿地。拉市海最大水深约7.5m，平均水深4.55m，常年水域面积933.4hm2[6]。2009年实施的拉市海调蓄水工程，拟定正常蓄水位2442.8m，对应湖容为4500万m3。该方案将使拉市海的水环境发生变化。

2 预测方法

2.1 模型建立

数学模型是预测水环境变化趋势的有力工具。国内应用于浅水湖泊水环境预测的数学模型有WASP模型、Clean系列湖泊综合模式[7]、S-P模型、MIKE[8]、EFDC等。

EFDC(Environmental Fluid Dynamics Code)是美国国家环保署(USEPA)推荐的三维地表水水动力模型，可实现河流、湖泊、水库、湿地系统、河口和海洋等水体的水动力学和水质模拟，是一个多参数的有限差分模型[9]。其模型原理为建立物质对流扩散输运方程，并采用数值方法对方程进行求解[10]。

拉市海流域研究基础相对薄弱，缺乏水下地形，仅收集到了丽江城建坐标系下拉市海流域的陆上地形。本研究依据拉市海历年逐日水位结合湖盆历史卫星照片，通过描绘卫星照片拍摄当日的水边线，建立拍照当日拉市海水边线和水位之间的关系，以此确定拉市海水下地形，如图1—2所示。采用直角正交的平面网格，尺度为100m×100m，设定的计算区域网格数1586个，计算网格如图3所示。

图1 拉市海湖泊地貌

图2 拉市海高程图

图3 拉市海计算网格

将湖周入流概化为拉市海北部的美泉河、南部的清水河入流，本调水工程入流，将位于拉市海西南部的溢洪道、拉市海隧洞视为出流边界条件，如图4所示。

图4 径流边界条件概化

2.2 模型参数

结合国内对浅水湖泊水质数值模拟的相关研究[11- 12]和水利水电工程环境影响数值模拟经验确定模型参数取值，见表1。

表1 模型参数取值

2.3 模型验证

2.3.1水温模型验证和率定

使用2015年4月1日至8月25日拉市海实测水温数据进行验证。在拉市隧洞进口断面实测水温与模拟获得的水温如图5所示，相应的误差统计表如图6所示。模拟水温基本能反映拉市海实测水温的变化趋势。在7月中旬以后，模拟水温过程的变幅小于实测水温的变幅。这可能与实际水温监测位置不完全固定、或者监测时间未严格处于08∶00有关。

图5 2015年4—8月拉市海隧洞出口附近逐日8∶00水温比较

2.3.2水质模型验证

拉市海区域水质基础资料较薄弱，边界条件精度不足，难以对水质模型进行精确验证。但模拟时所获得的拉市海COD值应与实测值处于同一量级。采用COD降解系数0.002或0.001计算，计算结果如图6所示，获得的化学需氧量指标值与相应指标在拉市海的量级基本一致，这表明模型用于拉市海水质模拟基本可靠。

图6 平水年丰水期调水条件下拉市海代表性点位COD随时间的变化

2.4 初始边界条件

采用丽江气象站月平均资料作为拉市海水动力、水温及水质模拟的风场、气压、气温、相对湿度、蒸发量、降水量、短波辐射、云盖度等边界条件。调水水温采用石鼓站旬平均水温的再平均值。以拉市海实测水质作为入湖河流的水质开展模拟，对金沙江调水入拉市海水量的水质采用2015年金沙江石鼓站的实测水质。考虑到工程调水泵站后接沉砂池，大于等于0.05mm粒径泥沙沉降率为93.42%～87.82%，主要是粒径小于0.005mm的粘性泥沙进入拉市海。同时，认为来沙过程恒定，含沙量均为0.20kg/m3。

3 预测结果

3.1 水温影响分析

根据工程典型年调度运行工况，结合实测水温、气象资料及影响拉市海水量的蒸发、降水、出入流情况，建立拉市海二维湖泊水动力及水温模型，对工程运行后拉市海水温的变化进行预测。选取拉市海湖心水温为代表，平水年工程运行后湖心水温变化情况为：补水后，7、8、9三个月的月平均水温增加0.1℃，5月份降低0.1℃，主要由金沙江来水水温与拉市坝区来水水温差异引起，总体而言水温变化幅度较小。水温分布如图7所示。

图7 工程运行前后拉市海水温变化对比

3.2 水质影响分析

金沙江高锰酸盐指数、氨氮、总磷优于拉市海水质(仅在丰水期金沙江氨氮和总磷浓度高于拉市海)，但金沙江来水总氮浓度高于拉市海内总氮的浓度。金沙江调水工程补水入拉市海后，水质变化情况为高锰酸盐指数明显改善，氨氮、总磷总体降低，总氮有所增加，在不同代表年情况下均能满足Ⅲ类水标准。

平水年枯水期工程调水前后拉市海水质情况对比如图8所示。

图8 工程运行前后拉市海主要水质指标变化对比

3.3 泥沙影响分析

金沙江为多沙河流[13]，引调水工程入湖调蓄方案需分析泥沙淤泥可能带来的环境问题[14]。工程运行还应考虑泥沙淤积对拉市海的影响。采用EFDC建立拉市海二维湖泊水动力与泥沙模型，预测泥沙淤积情况。平水年金沙江调水工程进水断面、湖心断面和拉市海隧洞进口断面(出流)含沙量年变化如图9所示。

由图9可见，拉市隧道进口处含沙量基本为零，表明调水入拉市海的泥沙基本都淤积在拉市海内，出湖的很少。拉市海的库容在4000万m3量级以上，每年泥沙淤积量1.80万m3，对拉市海库容的影响微不足道。拉市海内泥沙的沉积厚度分布如图10所示。淤积部位主要发生在金沙江调水工程入拉市海处。

图9 工程运行后典型断面含沙量年变化

图10 工程运行后拉市海泥沙淤积分布

3.4 水体透明度影响分析

拉市海透明度主要受悬浮物(泥沙)浓度的影响。由于拉市海缺乏系统的水体透明度监测资料，依据在其他湖泊获得的关于悬浮物浓度和水体透明度之间的关系，通过类比方法确定金沙江调水对拉市海透明度的影响。参照美国Okeechobee湖总悬浮固体与赛氏深度关系，如图11所示[15]，预测金沙江调水工程平水年6月1日(含沙量较大，具有代表性)运行期间拉市海透明度情况，如图12所示。

图11 Okeechobee湖总悬浮固体与赛氏深度的关系

图12 平水年来沙量较大时拉市海水体透明度分布

由于预测对含沙量的估计选择了最不利情况，预测结果偏保守。金沙江调水时，在拉市海内，仅调水入拉市海处的较小范围(引水隧洞出口两侧各100m，出口外延约400m范围)内水体透明度受到影响(透明度由1.48m下降至0.1～1.0m)，约占拉市海湖面面积的0.44%，而占湖体绝大部分的其他区域的透明度基本没有改变。

4 结论及建议

本研究应用EFDC建立水动力与水质、水温、泥沙数学模型，预测金沙江某调水工程利用拉市海调蓄方案对拉市海水环境的影响。预测结果表明工程运行后拉市海湖中心断面水温变化幅度为-0.1～0.1℃。拉市海全湖水质均满足Ⅲ类水质标准，尤其是CODMn明显改善，氨氮和总磷总体有所降低，但金沙江来水总氮浓度较高，使拉市海总氮有所升高。引水带来的泥沙全部沉积在拉市海中，相对拉市海湖容，淤积量很小，沉积主要分布在金沙江调水工程入拉市海处，引水隧洞出口两侧各100m，出口外延约400m范围的水体透明度受到影响。结合现状年拉市海存在枯水期CODMn超标情况，金沙江调水工程利用拉市海调蓄方案能在一定程度上改善拉市海总体水质，满足水功能区划要求。水温、透明度、泥沙方面的影响程度较小。

类似引调水工程对调蓄湖泊水环境的影响可参照本研究进行预测分析，并结合工程特点和环境特征进行调整。

引调水工程利用湖泊调蓄产生的环境影响是全方位、多方面的，水环境只是湖泊生态系统中的一项关键环境因子，应基于水环境的影响分析，进一步研究对依赖于湖泊水环境的水生生态、湿地鸟类的影响。综合上述方面的分析，才能对工程方案的选择和优化作出科学决策。