滇中引水工程对洱海水环境影响

冯 健，周怀东，彭文启，杜 霞

（中国水利水电科学研究院 水环境研究所，北京 100038）

1 研究背景

滇中地区位于金沙江、珠江、红河、澜沧江的一、二级支流源头地区以及四大水系的分水岭地带，径流年内、年际变化大，且受地形条件影响，水资源开发利用困难，2009—2010年云南遭遇百年一遇特大干旱，该区域工程性、资源性缺水问题愈显突出，水环境问题日益加剧[1]。滇中地区是云南发展的核心区域，其水资源的需求不断增加，使得该地区水资源供需矛盾日益突出。国务院批复的《长江流域综合规划简要报告》（1990年）和《全国水资源综合规划》（2010年）均提出在金沙江干流引水，以满足滇中地区用水需求[2]。2011年1月8—10日，有关部门在北京召开会议，对《滇中引水工程规划报告》（2010年修订、送审稿）（以下简称《规划报告》）进行了审查，审查意见提出“下阶段应进一步研究利用洱海、滇池输水的可行性”。本文根据滇中引水工程规划设计方案，滇中引水规划利用洱海输水线路见图1，预测分析滇中引水工程实施对洱海水环境的影响，论证利用洱海输水的环境可行性，为工程规划设计输水线路选取与优化、工程实施水环境改善效果分析提供技术支撑。

图1 滇中引水规划利用洱海输水线示意

2 洱海流域污染源评价与预测

预测2030/2040年引水工程对洱海水质的影响，首先需要预测无引水工程条件下洱海流域的人口、工业、农业的发展及其污染负荷，以及洱海的各类水环境保护规划中控污措施实施后实际污染物的入湖量。规划期内在现有治理水平下，随着人口增加和流域社会经济的发展，流域污染负荷产生量将呈增加趋势。因此根据洱海流域人口与社会经济的发展趋势，需要预测规划期污染物总量及入湖量。本文将污染源分为工业污水、城镇生活污水、城镇面源、农业面源、水土流失、旅游面源、干湿沉降等类型，参考《云南洱海绿色流域建设与水污染防治规划》（2010年）的调查评估数据，以洱海流域现状年农村与农业面源、乡镇污水、工业企业、旅游业、水土流失等发展情况[3-7]，利用SWAT模型[8-9]等工具分析预测2030/2040年丰水年（P=10%）、平水年（P=50%）、枯水年（P=90%）条件下的污染负荷量，并根据洱海相关规划预测2030/2040年污染治理措施条件下入湖污染物的削减量，计算结果如表1所示。

表1 规划水平年2030/2040年实施规划工程后污染物入湖负荷量 （单位：t/a）

3 湖泊计算模型

采用平面二维非恒定模型，其中的紊流模型采用混长模型，水流与水质模型的控制方程采用守恒形式，控制方程连续方程和水平向动量方程：

式中：u、v为水深平均流速分量；qx=uh，qy=vH分别为x、y向单宽流量；ξ为水位；H为总水深；β为水平向流速垂直分布非均匀分布修正系数；g为重力加速度；C为谢才系数；fs风摩阻系数；uw、vw分别为x、y向风速度；Qs为源汇项，主要用来模拟湖泊出入流；ε为水深平均涡黏系数，由混长紊流模型计算；t为时间；ρa空气密度；ρw水的密度。

二维非恒定水质模型控制方程为：

洱海二维模型包括整个洱海湖区，模拟范围为东西向20km，南北向40km。模型计算网格距为400m，计算单元数东西方向50个，南北方向100个，见图2。

图2 洱海模型计算区域及计算网格

4 洱海水质预测

分别计算了2030/2040年丰、平、枯水年典型条件下的3个方案：（1）方案一：“不利用洱海”方案；（2）方案二：“利用洱海”方案，引水水质采用2010年水源地水质；（3）方案三：“利用洱海”方案，引水水质采用河流Ⅱ类水水质。方案一主要预测无滇中引水工程条件下洱海在2030/2040年的水质状况；方案二是在方案一的基础上，加入滇中引水工程的影响，以水源地现状水质来进行预测；由于引水水源地在2030/2040年的水质目标为河流Ⅱ类水水质，如果治理措施能达到预期效果，即假定2030/2040年水源地状况达到了Ⅱ类标准，所以将其也做为一个方案，即方案三。

各预测方案的初始浓度场为洱海现状条件下实测浓度场，采用洱海典型风场西南风4.1m/s为风场条件。洱海现状水质基本不超过地表水Ⅱ类标准，但是随着近年来经济的发展，在人口活动剧烈的下关等地区洱海水质呈恶化趋势。滇中引水工程将在2030年完工，本次预测的难度在于首先要预测2030/2040年污染源增加的情况下，洱海的在2030/2040年的水质状况（方案一），然后再叠加进滇中引水工程实施后对洱海的水质影响（方案二和方案三），通过计算证实经过长期引水，并考虑湖泊的自净能力之后，在达到均衡状态下，湖泊的污染物浓度分布的变化。

滇中引水工程进行了多种水源方案的比选研究，最后确定金沙江虎跳峡及以上河段的奔子栏和石鼓为两处备选的水源地，奔子栏和石鼓备选水源地各有优势，实际工程最终采用哪一个水源地还待进一步研究。石鼓位于洱海北面100km处，奔子栏位于洱海北方270km处。现今石鼓和奔子栏的水质也有逐年恶化的趋势见表2，综合考虑石鼓和奔子栏2010年水质状况，水源地引水水质分别取CODMn、TN、TP的浓度分别为2.0、0.66和0.05mg/L。由于石鼓和奔子栏水源地2030/2040年的水质目标为地表水水质Ⅱ类标准，另取CODMn、TN、TPⅡ类水水质浓度限值4.0、0.5和0.1mg/L再进行预测。

表2 2007—2009年水源地石鼓水质监测平均值（单位：mg/L）

2030/2040年洱海水质的变化是多种因素作用的结果，使用建立的洱海水动力和水质模型，预测得2030/2040年丰、平、枯条件下全湖平均的水质浓度，如表3所示。

表3 规划水平年水质状况预测值 （单位：mg/L）

经过洱海水动力学及水质模型的计算，“不利用洱海”方案下（方案一）2030/2040年各污染物的预测浓度均低于Ⅱ类水平，即如果到2030/2040年如果可以有效执行洱海水污染防治规划中提出的洱海污染源削减方案，洱海2030/2040年可达Ⅱ类水质。如图3和图4所示，“利用洱海”方案（方案二和方案三）比方案一的TN、TP平均浓度有所提高，其中对TP影响较大，方案二和方案三TP浓度均超过Ⅱ类水标准，即方案二和方案三使洱海TP浓度下降一个类别。如图5所示，方案二比方案一CODMn浓度将降低，方案三比方案一CODMn浓度升高，方案一和方案三都考虑了2030/2040年洱海流域人口、工业、农业的发展产生的污染物对洱海的影响，区别主要是由于滇中引水工程的引水水质不同，在长期引水条件下，在湖泊水体的对流、扩散、自净等作用下，污染物质迁移转化，在洱海内形成了不同的浓度分布。各方案条件CODMn均不超过Ⅱ类，表明CODMn不是洱海水质保护的关键性水质指标。综合考虑，大理政府要求2030/2040年洱海水质保护目标为Ⅱ类水质，如果滇中引水工程采用“利用洱海”方案，将会与洱海保护规划的目标相矛盾。考虑滇中引水工程对洱水的影响，建议滇中引水工程采用“不利用洱海”方案。

图3 规划水平年各方案水质预测TN浓度表

图4 规划水平年各方案水质预测TP浓度表

图5 规划水平年各方案水质预测CODMn浓度表

进一步分析洱海污染物浓度场的分布情况。以2030年平水年各方案6月TP浓度场为例，如图6所示。2030年平水年各方案TP的浓度场都基本呈现北部湖区水质浓度较高，南部湖区浓度次之，而湖心区水质浓度最低的分布，洱海水质这种北高南低的分布状况与污染物的入湖量的空间分布有直接关系。经预测在2030年平水年，洱海北部较大的入湖河流“北三江”罗时江、弥苴河、永安江的入湖TP占总量的34%，北三江是洱海主要的污染物来源，“北三江”所输送的入湖TP量造成洱海北部湖区的污染物浓度最高。洱海的污染负荷主要通过入湖河口进入洱海，由于入湖河口远离洱海湖心区域，入湖河流对洱海湖心污染物浓度影响较小，所以湖心处的污染物浓度最低。对比3个方案，从图6中可以看出方案二和方案三的TP浓度场在方案一基础上有所升高，方案一超过浓度0.05mg/L的面积占全湖面积的23%，而方案二和方案三则分别上升为86%和93%，所以滇中引水工程将使洱海水TP浓度较高的面积不断扩大，造成洱海水质恶化。

图6 2030平水年方案一、二、三TP浓度场模拟（单位：mg/L）

5 结论

本文通过模型计算发现，滇中引水工程实施后洱海出口处丰、平、枯水文年型下CODMn、TN的出库水质浓度均不超过Ⅱ类水水质标准，而TP出洱海水质浓度都超过湖泊Ⅱ类水质标准，即“利用洱海”方案对TP的影响较大，会造成洱海的TP浓度升高，从Ⅱ类恶化为Ⅲ类。根据洱海保护相关规划，大理政府要求2030/2040年洱海水质保护目标为Ⅱ类水质，如果滇中引水工程采用“利用洱海”方案，将会与洱海保护规划的目标相矛盾。所以，考虑滇中引水工程对洱水的影响和对洱海的保护，建议滇中引水工程采用“不利用洱海”方案。

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