姚云輝，馬 巍，崔松云，齊德軒，淦家偉

（1.中國水利水電科學(xué)研究院 水環(huán)境研究所，北京 100038；2.昆明市西園隧道管理處，云南 昆明 650228；3.云南省水文水資源局昆明分局，云南 昆明 650051）

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2920 km2。滇池湖體略呈弓形，弓背向東，南北長約40 km，東西最寬處12.5 km，平均水深5.05 m，水面面積309 km2，湖容15.6億m3［1］。滇池由海埂節(jié)制閘將其分割為北部的草海和南部的外海，其中外海是滇池的主體部分，水面面積為298 km2；草海是昆明的城市內(nèi)湖，水面面積為 10.8 km2［1］。

滇池作為我國水體污染治理的代表性水域之一，近年來在歷經(jīng)四個“五年計劃”的重點投資治理后，目前流域內(nèi)點源污染負(fù)荷發(fā)展勢頭已得到有效控制，湖泊水質(zhì)污染惡化趨勢已基本扭轉(zhuǎn)，河湖整體水質(zhì)企穩(wěn)向好，湖泊藍(lán)藻水華發(fā)生程度有所減輕，滇池健康水循環(huán)體系得到逐步改善，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［2］。鑒于近期滇池整體水質(zhì)呈現(xiàn)逐年改善狀態(tài)，但考慮到滇池水污染歷時較長且大型湖泊水污染治理中存在的復(fù)雜性和長期性問題，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，研究草海水污染治理對策及已實施工程的水污染防治效果，優(yōu)化其治理與調(diào)度運行方案，實現(xiàn)草海水質(zhì)的持續(xù)性改善，以提振人們對滇池水污染綜合治理的信心，同時為滇池整體水質(zhì)的持續(xù)性改善提供經(jīng)驗，進(jìn)而全面推進(jìn)滇池流域水污染治理各項工作。

2 滇池草海功能定位及其水質(zhì)演變過程

2.1 滇池草海功能定位1996年滇池草海西園隧道工程建成之前，位于外海西南部的?？诤邮堑岢匚ㄒ坏奶烊怀隹冢饔蛩狄妶D1），草海和外海之間相互連通。隨著滇池流域經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展和昆明城市建設(shè)的逐步加快，自1970年代末期滇池水質(zhì)開始受到污染，至1980年代末和1990年代初湖泊水質(zhì)已快速惡化至劣Ⅴ類（見圖2、圖3［3］），滇池有機污染和湖泊富營養(yǎng)化問題日趨嚴(yán)重，藍(lán)藻水華問題突出。為遏制滇池水質(zhì)快速惡化的勢頭，保護(hù)滇池整體水環(huán)境質(zhì)量，并保障昆明主城區(qū)的防洪安全，于1996年在昆明市西山區(qū)蘇家村建成西園隧道工程，并通過船閘和節(jié)制閘隔離了草海與外海間的水力聯(lián)系，同時讓昆明主城區(qū)的廢污水盡可能經(jīng)由草?！鲌@隧道排出滇池，以便減輕主城區(qū)生產(chǎn)生活廢污水對滇池外海的污染，從而實現(xiàn)（外海）蓄清（草海）排污的功效，對后續(xù)的連續(xù)四個“五年計劃”的滇池流域水污染綜合治理規(guī)劃及其方案實施具有重大意義。

圖1 滇池流域水系圖

圖2 1991—2001年期間草海水質(zhì)年際變化過程

圖3 1991—2001年期間外海水質(zhì)年際變化過程

在以“六大工程”為主線的滇池流域水污染綜合治理思路指引下，隨著環(huán)湖截污與交通、外流域調(diào)水與節(jié)水、入湖河道整治、農(nóng)業(yè)農(nóng)村面源治理、生態(tài)修復(fù)與建設(shè)、生態(tài)清淤工程等分步有序地推進(jìn)與逐步落實，在外海水質(zhì)企穩(wěn)向好的同時，近年來草海水質(zhì)也得到顯著改善（見圖4），尤其是昆明市主城區(qū)污水處理廠提標(biāo)改造工程與滇池外海北岸環(huán)湖截污工程建設(shè)，讓昆明主城區(qū)的廢污水和污水處理廠尾水經(jīng)環(huán)湖截污管道直接導(dǎo)入西園隧道并流向下游，從而改變了草海作為蓄清排污的載體功能。隨著草海水質(zhì)的逐步改善，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(fēng)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)外游客觀看海鷗和市區(qū)居民休閑娛樂的場所，地方政府正以“西湖”為目標(biāo)建設(shè)美麗草海，使之成為昆明的城市名片。

圖4 2002—2017年期間草海水質(zhì)年際變化過程

2.2 滇池草海水質(zhì)演變過程在西園隧道工程建設(shè)前，草海與外海水系連通，其水質(zhì)污染過程與滇池外海水質(zhì)變化過程基本同步（見圖2、圖3），但因草海湖泊面積及湖容均很?。娣e占比為3.5%，水量占比為1.3%），入草海的廢污水在湖體中的滯留時間較短（小于60天），而進(jìn)入外海的廢污水的滯留時間則長達(dá)2～3年，大量入湖污染物沉積到外海湖底并形成底泥和內(nèi)源，從而使得草海水質(zhì)明顯較外海水質(zhì)差［4］。

自1996年草海西園隧道工程投入運行后，隨著原本排入滇池外海的廢污水源源不斷地進(jìn)入草海，草海水質(zhì)濃度（如TP、TN、CODMn等指標(biāo)）在1996—2009年期間呈現(xiàn)逐年快速升高趨勢（見圖2、圖4），其中1998、1999年受大洪水期間草外海間防洪聯(lián)合調(diào)度影響，草外海水的大量摻混導(dǎo)致草海水質(zhì)濃度明顯降低而外海水質(zhì)濃度則有所升高（見圖2、圖3）。2009年以后，受昆明市污水處理廠建設(shè)、污水處理廠尾水提標(biāo)改造、城市污水收集管網(wǎng)系統(tǒng)的不斷完善和環(huán)湖截污工程運行等綜合影響，大觀河、西壩河、船房河和新運糧河等進(jìn)入草海的各入湖河流水質(zhì)得到顯著改善，草海的TP、TN指標(biāo)濃度在2009—2011年也隨之呈現(xiàn)出斷崖式降低過程［5］。

綜合1991—2017年期間草海水質(zhì)年際變化過程及其與滇池流域水污染治理進(jìn)程的關(guān)聯(lián)性分析結(jié)果可知，受湖泊面積和湖容均較小因素影響，草海水質(zhì)直接受入湖河流水質(zhì)濃度影響與控制，且無明顯的滯后效應(yīng)。故通過工程措施截留入湖污染負(fù)荷，盡可能改善并降低各入湖河流的水質(zhì)濃度，并結(jié)合必要的水動力改善措施提升其水體置換效率，是滇池草海流域水污染治理的重要策略，也是持續(xù)推進(jìn)草海水質(zhì)改善的關(guān)鍵對策。

3 影響草海水動力與水污染治理的重大工程

自1996年以來，為適應(yīng)滇池流域綜合治理和草外海水污染治理需要，陸續(xù)實施了若干與水污染治理相關(guān)的工程項目，其中與草海關(guān)系密切且對草海水動力與水質(zhì)影響較大的工程主要包括西園隧道工程、牛欄江—草海應(yīng)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(shè)工程等，各工程位置示意見圖5。

圖5 滇池草海水系及水污染防治工程布置示意圖

3.1 西園隧道工程西園隧道工程是滇池綜合治理的重點工程，由水域分隔（船閘、節(jié)制閘）、西園隧道和沙河整治三大項目組成，其中西園隧道全長4.8 km，洞身直徑4.8 m，最大下泄流量為40 m3/s［6］；節(jié)制閘為滇池草海和外海的唯一過水通道，最大過流能力為36 m3/s；沙河是西園隧洞唯一的行洪通道，全長約12.5 km。自1996年建成投入運行至2015年底，草海經(jīng)西園隧洞累計排水量42.41億m3，年均約2.02億m3，在保障滇池流域防洪安全、湖泊水環(huán)境綜合整治等方面發(fā)揮了明顯的效益。隨著2015年滇池北岸環(huán)湖截污工程、污水處理廠尾水外排工程、外海水體置換工程等項目的陸續(xù)運行，經(jīng)西園隧洞出湖水量大幅度增加。目前在旱季經(jīng)西園隧洞出湖流量常年超過30 m3/s。

3.2 牛欄江-草海應(yīng)急補水工程牛欄江—滇池補水工程作為滇池水污染綜合治理“六大工程”體系的關(guān)鍵性工程，于2013年底通水并對近年來遏制滇池水質(zhì)持續(xù)變差、促使滇池水質(zhì)持續(xù)性改善發(fā)揮了至關(guān)重要的作用［7］。為兼顧滇池外海和草海水質(zhì)的協(xié)同改善，快速提升草海水環(huán)境質(zhì)量，以適應(yīng)草海新的功能定位，2015年昆明市實施了牛欄江-草海補水應(yīng)急通道建設(shè)工程，自2015年5月5日起，將牛欄江水通過盤龍江引入玉帶河，經(jīng)玉帶河、篆塘河分流入大觀河、西壩河進(jìn)入草海作為生態(tài)補水，提升草海水體置換效率。2016年牛欄江向草海補水規(guī)模為55萬m3/d（約6.3 m3/s）。

3.3 新老運糧河入湖河口前置庫水體凈化生態(tài)工程2016年新老運糧河入湖河口前置庫水體凈化生態(tài)工程建設(shè)又稱“導(dǎo)流帶工程”，于2016年初建設(shè)完成，即從東風(fēng)壩北側(cè)至老運糧河建設(shè)1057 m導(dǎo)流帶，將新、老運糧河入湖河水導(dǎo)入東風(fēng)壩，并沿草海西側(cè)湖岸建設(shè)一條直通西園隧道的導(dǎo)流圍堰（全長約3 km，距離湖岸線35 m，設(shè)計過流能力為27萬m3/d），前置庫總面積超過3 km2。該工程通過東風(fēng)壩導(dǎo)流帶將目前草海污染最重的新、老運糧河和王家堆渠水圍擋在前置庫內(nèi)并導(dǎo)流至西園隧洞，再排入滇池下游的沙河。

導(dǎo)流帶工程建設(shè)將草海分割為3個部分：東風(fēng)壩庫區(qū)、草海北部條帶狀湖區(qū)和草海南部湖區(qū)，其中東風(fēng)壩庫區(qū)面積約占草?？偯娣e的29%，北部條帶狀湖區(qū)面積約占16%，草海南部湖區(qū)約占55%。通過導(dǎo)流帶工程將使草海湖區(qū)水體實現(xiàn)“清污分流”，讓污染相對較為嚴(yán)重的新老運糧河污水進(jìn)入東風(fēng)壩庫區(qū)并沿導(dǎo)流帶流動，讓牛欄江—草海應(yīng)急補水工程的清水進(jìn)入草海并沿條帶狀湖區(qū)自北向南流進(jìn)南部湖區(qū)［8］。

3.4 草海大堤加固提升與水體置換通道建設(shè)工程對草海大堤迎水面采取原狀取土全護(hù)砼灌注樁的方式進(jìn)行加固，以滿足現(xiàn)行規(guī)范的安全要求。同時沿整個草海大堤布設(shè)20個單面升降閘門收集井，兩個單面升降閘門收集井之間用預(yù)制鋼管（管徑2.0 m）連接。管道按0.1%的坡降沿草海大堤沿線布置，表層水外排系統(tǒng)采用“溢流堰+單孔閘門”的收集方式，采用管道將收集到的草海表層水輸送至滇池外海北部水體置換工程的排水管道，并通過泵站和尾水通道，最終將草、外海的表層富藻水排放至西園隧洞。工程最大設(shè)計出流能力為11 m3/s。

4 草海水動力與水質(zhì)改善效果評估

4.1 滇池草海水動力與水質(zhì)模擬模型草海位于滇池北部，湖泊水面面積為10.8 km2，平均水深約為2 m。根據(jù)國內(nèi)外大量淺水湖泊的研究成果［3］表明，風(fēng)是草海水流運動的主驅(qū)動力，其湖流運動以風(fēng)生湖流為主、吞吐流為輔，環(huán)湖入湖污染物在風(fēng)生湖流和吞吐流的牽引與驅(qū)動作用下完成在湖體內(nèi)的遷移擴(kuò)散過程。草海的風(fēng)生湖流運動及污染物質(zhì)在水體中的運動可以分別用水深平均的平面二維水流運動基本方程和對流擴(kuò)散的平面二維方程進(jìn)行數(shù)學(xué)描述［2，9-10］，其中模擬的主要水質(zhì)指標(biāo)包括CODMn、TP、TN。各污染物指標(biāo)的生化反應(yīng)項均作一級簡化處理，CODMn考慮自凈衰減，通過自凈衰減系數(shù)反映；TP、TN考慮各種因素引起的釋放與沉降，通過綜合沉降和釋放系數(shù)反映。該模型已成功應(yīng)用于滇池、太湖、呼倫湖、武漢東湖等大型淺水湖泊的水流水質(zhì)模擬計算，效果較好。

采用矩形網(wǎng)格對草海湖區(qū)進(jìn)行計算單元劃分（網(wǎng)格尺寸為75 m×75 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(jìn)行離散，其中對流項采用迎風(fēng)格式，擴(kuò)散項采用中心差分，用迭代法求解離散方程組。利用草海2015年和2016年兩年2個常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測點每月一次的水質(zhì)監(jiān)測資料及其同期的出入湖水量水質(zhì)數(shù)據(jù)和水文氣象監(jiān)測資料，對草海水動力與水質(zhì)模型進(jìn)行了參數(shù)率定與模型校驗。模型參數(shù)取值及水質(zhì)模擬過程詳見表1和圖6。結(jié)果表明，滇池草海水動力與水質(zhì)模型具有較高的模擬精度，能夠較好地反映草海水動力變化過程與入湖污染物的時空變化特征，可為草海水污染治理措施的效果評估提供科學(xué)的技術(shù)手段。

表1 滇池草海水動力與水質(zhì)模型率定與校驗的模型參數(shù)值

圖6 2016年滇池草海水質(zhì)模擬效果

4.2 重大工程對草海水質(zhì)改善效果評估

（1）“導(dǎo)流帶”工程對草海水質(zhì)改善效果。在入草海的7條河流（王家堆渠、老運糧河、新運糧河、烏龍河、大觀河、西壩河和船房河）中，王家堆渠、新運糧河和老運糧河污染相對較重。根據(jù)昆明市水環(huán)境監(jiān)測中心和云南省水文水資源局昆明分局提供的入湖水量與水質(zhì)資料統(tǒng)計，2016年草海入湖的化學(xué)需氧量（COD）、總磷（TP）、總氮（TN）和氨氮（NH3-N）負(fù)荷量分別為436、5.54、242和45.54 t，如果扣除牛欄江—草海應(yīng)急補水工程經(jīng)大觀河攜帶的入湖負(fù)荷量影響，則上述3條重污染河流入湖的污染負(fù)荷所占比重將分別為66.7%、85.7%、77.5%、89.6%，因此，為減輕重污染河流水質(zhì)入湖對草海水體的污染，并加快滇池草海水污染治理進(jìn)程，昆明市政府于2016年初完成的草海東風(fēng)壩“導(dǎo)流帶”工程，將新老運糧河和王家堆渠的重污染水體在東風(fēng)壩庫區(qū)靜置后直接由西園隧洞排出，對草海水質(zhì)帶來了顯著的改善效果，但將加重導(dǎo)流帶庫區(qū)的水質(zhì)污染程度。

根據(jù)草海水動力與水質(zhì)數(shù)學(xué)模型對2016年草海東風(fēng)壩“導(dǎo)流帶”工程實施效果的模擬結(jié)果表明，東風(fēng)壩導(dǎo)流帶工程可使現(xiàn)狀年草海北部條帶狀湖區(qū)的CODMn、TP、TN指標(biāo)的年均水質(zhì)濃度分別由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指標(biāo)濃度分別改善7.5%、15.1%和24.1%；可使草海南部主體湖區(qū)的CODMn、TP、TN指標(biāo)的年均水質(zhì)濃度分別改善6.1%、19.1%和27.5%。東風(fēng)壩導(dǎo)流帶成功阻斷了新老運糧河和王家堆渠重污染水體直接進(jìn)入草海主體湖區(qū)，但將重污染水體留在了東風(fēng)壩庫區(qū)（見圖7），從而導(dǎo)致東風(fēng)壩庫區(qū)水質(zhì)明顯變差，變差幅度為25%～59.6%。

圖7 2016年草海湖區(qū)水質(zhì)空間分布圖

（2）牛欄江—草海應(yīng)急補水工程規(guī)模合理性。牛欄江經(jīng)盤龍江-玉帶河-大觀河補給草海的水量是草海各入湖河流中水質(zhì)相對最好的水源，可大幅度改善草海北部條帶狀湖區(qū)的水動力條件，對草海南部湖區(qū)水動力條件影響不明顯，對東風(fēng)壩庫區(qū)水體流動特性無影響（見圖8）。

圖8 草海各湖區(qū)流速與牛欄江補水量變化關(guān)系

牛欄江草海補水量作為草海的清潔水源，牛欄江來水將對草海湖區(qū)水質(zhì)帶來一定的水質(zhì)改善效果，草海北湖條帶狀湖區(qū)和南部湖區(qū)的各項水質(zhì)指標(biāo)濃度均隨補水量增加呈逐漸降低趨勢（見圖9），但單位補水量的水質(zhì)改善效率隨補水量增加而呈明顯的降低趨勢。因此，綜合考慮牛欄江—滇池補水工程任務(wù)、滇池整體水環(huán)境改善效益、草海水質(zhì)改善需求及水體置換效率等因素，目前的補水規(guī)模5～8 m3/s明顯偏大，不利于牛欄江—滇池補水工程綜合效益的發(fā)揮，建議牛欄江—草海補水工程的適宜規(guī)模為2～4 m3/s。

圖9 草海南部湖區(qū)水質(zhì)濃度與牛欄江補水量變化關(guān)系

（3）草海海埂大堤水體置換通道工程效果評估。在“導(dǎo)流帶”工程分隔草海水域特征的條件下，海埂大堤水體置換通道工程將原本由西園隧道出湖的水量經(jīng)由沿海埂大堤沿線布設(shè)的收集井排出草海，從而縮短了由北部入湖的牛欄江來水的水流流程，加快了草海（不含東風(fēng)壩導(dǎo)流帶庫區(qū)）水體的循環(huán)與交換，同時也減少了草海南部湖區(qū)中參與環(huán)流的流量通量，并降低了西園隧道出湖水流的牽引作用，故水體置換通道工程對草海南部湖區(qū)的水動力條件有所削弱（見圖10），變幅約為5%～8%。

圖10 水體置換通道工程對草海湖區(qū)流場影響

在環(huán)湖截污工程和“導(dǎo)流帶”工程實施后，進(jìn)入草海的污染負(fù)荷多來自于城市面源和零星點源，而入湖水量則以牛欄江—草海應(yīng)急補水工程分流盤龍江水為主，入湖水質(zhì)總體較好，但草海湖區(qū)水質(zhì)仍將在Ⅴ～劣Ⅴ之間停留較長的時間。故草海海埂大堤水體置換通道工程，將加快草海北部條帶狀湖區(qū)水體的循環(huán)與交換，縮短草海南部湖區(qū)的水力停留時間，并有利于草海南部湖區(qū)表層富藻水的順利外排和良好水景觀功能的維持與改善。因進(jìn)入草海的水量多為經(jīng)盤龍江分流入湖的牛欄江補水量，水質(zhì)相對較好，且湖區(qū)水力停留時間短，故該工程不會對草海水質(zhì)改善帶來明顯效果，但對海埂大堤表層富藻水外排和良好水景觀功能維持方面效果顯著。

綜合所述，近期實施的牛欄江—草海應(yīng)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)了草海湖區(qū)清污水的分向流動，縮短了清流區(qū)水體換水周期。通過上述工程的協(xié)同運行和聯(lián)合調(diào)度，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。

5 結(jié)論

（1）東風(fēng)壩“導(dǎo)流帶”工程實現(xiàn)了草海湖內(nèi)清污水的分向流動，可使現(xiàn)狀年草海北部湖區(qū)的CODMn、TP、TN指標(biāo)的年均水質(zhì)濃度分別改善7.5%、15.1%和24.1%，使草海南部湖區(qū)的年均水質(zhì)濃度分別改善6.1%、19.1%和27.5%；但“導(dǎo)流帶”也成功阻斷了新老運糧河和王家堆渠重污染水體直接進(jìn)入草海南部湖區(qū)，從而致使東風(fēng)壩庫區(qū)水質(zhì)明顯變差，增幅為25%～59.6%。

（2）牛欄江補水量作為草海的清潔水源，將對草海湖區(qū)水質(zhì)帶來一定的水質(zhì)改善效果，草海北湖和南部湖區(qū)的水質(zhì)濃度均隨補水量增加呈逐漸降低趨勢，但單位補水量的水質(zhì)改善效率隨補水量增加而呈明顯的降低趨勢。因此，綜合考慮牛欄江—滇池補水工程任務(wù)、滇池整體水環(huán)境改善效益、草海水質(zhì)改善需求及水體置換效率等因素，目前的補水規(guī)模5～8 m3/s明顯偏大，建議牛欄江—草海補水工程的適宜規(guī)模為2～4 m3/s。

（3）海埂大堤水體置換通道工程將減少草海進(jìn)入西園隧道的水量，縮短由北部入湖的牛欄江來水的水流流程，加快草海水體的循環(huán)與交換，有利于草海南部湖區(qū)表層富藻水的順利外排和良好水景觀功能的維持與改善，但將降低西園隧道出湖水流的牽引作用，并對草海南部湖區(qū)的水動力條件有所削弱，變幅約為5%～8%。