牛栏江—草海补水与西园隧洞协同运行方案研究

姚 云 辉,马 巍，施 国 武，班 静 雅，齐 德 轩

(1.中国水利水电科学研究院 水环境所，北京 100038； 2.昆明市西园隧道管理处，云南 昆明 650228;3.云南省水利水电勘测设计研究院，云南 昆明 650021)

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，流域面积为2 920 km2。滇池湖体略呈弓形，弓背向东，南北长约40 km，东西最宽处为12.5 km，平均水深为5.05 m，水面面积为309 km2，湖容为15.6亿m3。滇池由海埂节制闸将其分割为草海和外海，草海位于滇池北端(见图1)，是昆明市的城市内湖，水面积为10.8 km2[1]，约占滇池水面面积的3.50%，库容约占滇池总湖容的1.30%。

滇池是我国河湖水体污染治理的典型代表，历经4个“五年计划”的重点投资治理后，目前流域点源污染已得到了控制，湖泊水质污染恶化趋势已基本得到了扭转，河湖整体水质企稳向好[2-3]，滇池健康水循环体系得到了逐步改善，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。但是考虑到滇池特殊的地理环境及大型湖泊水污染治理的复杂性和长期性特点，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，梳理影响草海水动力条件与水质演变的主要工程措施，识别湖区水质演变的驱动力因素，研究草海水质变化与各工程措施间的响应关系，优化工程治理措施及其协同调度运行方案，以实现草海水质的持续性改善并提升其水景观质量；同时，也可以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，已成为相关部门讨论问题的热点。

2 滇池草海水质演变及其防治对策

2.1 水质演变过程

在1996年草海西园隧洞工程建成前，位于外海西南部的海口河是滇池唯一的天然出口，流域水系如图1所示。草海与外海水系连通，水质变化过程基本同步，但因草海湖泊面积及湖容均很小，入草海的废污水在湖中的滞留时间较短(小于60 d)，而进入外海的废污水的滞留时间则长达2～3 a，故大量入湖污染物沉积到湖底并形成了底泥和污染内源，从而使得草海水质明显较外海水质差(见图2和图3)[4-6]。

图2 1991～2001年期间草海水质年际变化过程Fig.2 Annual changes of water quality in Caohai sub-lake during 1991～2001

自1996年西园隧洞工程建成后，随着大量原本流入外海的废污水被转移至草海并经西园隧洞排出，草海水质(如TP、TN、CODMn等)在1996～2009年期间呈现出逐年快速升高的趋势(见图2和图4)，其中，1998～1999年，污染物浓度降低是受大洪水期间草外海间防洪联合调度影响所致。2009年以后，受昆明市污水处理厂建设、城市污水收集管网系统的不断完善、水质净化厂尾水提标改造、环湖截污工程运行等综合影响，大观河、西坝河、船房河等河流的入湖水质得到了显著改善，故草海TP、TN浓度在2009～2011年期间随之呈现出了显著的改善过程[7-9]。

图3 1991～2001年期间外海水质年际变化过程Fig.3 Annual changes of water quality in Waihai sub-lake during 1991～2001

图4 2002～2017年期间草海水质年际变化过程Fig.4 Annual changes of water quality in Caohai sub-lake during 2002～2017

2.2 水污染治理措施

西园隧洞工程建成之初，为保护滇池主体部分(外海)水环境质量，让昆明主城区的废污水尽可能经由截污管道-草海-西园隧洞排出滇池，从而实现(外海)蓄清(草海)排污的功效，因此，将草海的功能定位为蓄清排污载体。随着滇池流域水污染综合治理体系“六大工程”的逐步落实[10-11]，外海水质企稳向好，草海水质得到了显著改善，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赏海鸥、领略高原湖泊风光和居民休闲娱乐的重要场所，草海的生态服务功能和价值日益突出，并逐步成为昆明市的城市名片。

为配合滇池流域水污染综合治理需求[12-13]，适应草海水质逐步改善后新的功能定位和景观建设的需要，自2015年以来，草海流域陆续实施了若干与水污染治理相关的工程项目，其中对草海水动力与水质影响较大的工程主要包括牛栏江—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。西园隧洞是草海唯一的出湖通道，最大下泄流量为40.0 m3/s[14]，承担了草海流域来水、滇池北岸环湖截污工程、外海北部富藻水外排工程、新老运粮河前置库工程、海埂大堤水体置换通道等排出的水量，在保障滇池流域防洪安全、推进湖泊水环境综合整治等方面意义重大、成效显著，目前旱季经西园隧洞出湖流量常年超过30.0 m3/s。

牛栏江-草海补水应急通道建设工程是综合发挥牛栏江—滇池补水工程效益、解决草海实施清污水物理隔离、清污分流后清流区水资源短缺的重要工程，为草海环湖截污和清污分流提供了必要的水量保障，实现了湖区清污水的分向流动，2016年牛栏江向草海补水规模为55.0万m3/d(约6.3 m3/s)。2016年实施完成的新老运粮河入湖河口前置库水体净化生态工程(俗称“导流带”工程)，将目前草海污染最重的新老运粮河和王家堆渠入湖水围挡在东风坝前置库内,并使其沿导流带流向西园隧洞，实现“污水”与“清水”间的物理隔离并在导流带东西两侧流动[15-17]。海埂大堤水体置换通道工程，是改善并提升草海清流区敏感水域水景观的重要工程措施，通过若干个溢流井收集附近的表层富藻水，并通过尾水管道和泵站经西园隧洞排出滇池，工程最大设计出流能力为11.0 m3/s。各工程位置布置示意如图5所示。

3 草海湖区水质空间分布特征

草海湖泊水面积为10.8 km2，平均水深约为2 m。根据国内外大量有关浅水湖泊的研究成果[18-19]，可以发现，风是草海水流运动的主驱动力，草海湖流运动以风生流为主、吞吐流为辅，入湖污染物在风生湖流和吞吐流的驱动与牵引作用下完成在湖体内的迁移扩散过程。对于草海的风生湖流运动及污染物质在水体中的运动，可以采用平面二维水流运动方程和对流扩散方程进行数学描述[15，18]，采用矩形网格对草海湖区进行计算单元划分(网格尺寸为50 m×50 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。

主要模拟指标包括CODMn、TP和TN，各项指标的生化反应项均作一级简化处理，CODMn考虑自净衰减，通过自净系数反映；TP、TN考虑各种环境因素引起的释放与沉降，通过综合沉降和释放系数反映。利用2015，2016年2个常规水质监测站点的资料，对模型参数进行率定与校验。如图6所示的模拟结果表明，草海水质模型具有较高的模拟精度，能够较好地反映草海入湖污染物的时空变化过程。

受东风坝导流带影响，草海水体被分割为相对独立的东风坝湖区和草海清流区。受新、老运粮河和王家堆渠入湖水质较差的影响，东风坝库区水质明显要劣于草海北部和南部的清流区水质。根据2016年滇池草海水质模拟结果，东风坝湖区CODMn、TP和TN三项指标的年均水质浓度分别为6.07，0.20 mg/L和9.86 mg/L，草海北部条带湖区及南部湖区三项指标水质浓度值分别为3.69，0.13，4.63，5.03，0.11 mg/L和3.76 mg/L。从水质空间分布差异来看(图7)，草海水质总体呈现出自北向南逐步好转的趋势，但毗邻西园隧洞的南部水质受东风坝库区来水经西园隧洞出流高浓度的影响，较草海清流区湖中心水质略有变差；从各指标差异性来看(见图7)，湖区TP、TN指标浓度受陆域入湖负荷影响显著，而CODMn指标受湖泊内源污染及因湖区蓝藻水华从大气中吸收的碳素影响较为突出。

4 牛栏江来水与草海水质响应关系

4.1 牛栏江来水量变化对草海清流区水质的影响

在东风坝导流带工程的物理阻隔作用下，新、老运粮河和王家堆渠较差的入湖水在东风坝库区拦截、静置并经生物措施净化后沿导流带流向西园隧道排出草海，从而为相对清洁的牛栏江来水改善草海清流区的水动力条件和水环境质量提供了良好的基础。

作为草海清流区的清洁水源，牛栏江来水将对草海清流区水质带来一定的水质改善效果。基于现状年边界条件和补水期间牛栏江来水水质状况，牛栏江入湖水量变化对草海水质影响模拟结果(见图8)表明：草海北部条带状湖区和南部湖区的各项水质指标浓度均随牛栏江来水量增加呈现较为明显的降低趋势，但单位补水量的水质改善效率将随补水量增加而逐步降低。结合草海清流区换水周期需求(30～40 d)和单位补水量的水质改善效率，推荐牛栏江—草海应急补水通道工程的补水规模为3 m3/s。

图6 2016年草海水质模拟效果Fig.6 Simulation results of water quality in Caohai sub-lake

图7 2016年6月草海湖区水质空间分布特征Fig.7 Spatial distribution characteristics of Caohai sub-lake water quality in June 2016

图8 草海清流区水质浓度与牛栏江补水量变化关系Fig.8 Relationship between water quality concentration in Caohai sub-lake and water diversion of Niulan river

4.2 牛栏江来水水质变化对草海清流区水质的影响

根据2016年草海入湖河流水质状况分析，新、老运粮河和王家堆渠污染较重的入湖水经东风坝湖区静置、生物措施净化后，沿导流带经西园隧洞排出湖外，大观河、西坝河和船房河已实现环湖截污，目前只有乌龙河尚未实现入湖点源拦截与治理。基于2016年草海入湖边界条件，结合牛栏江—滇池补水工程设计目标水质浓度(TP≤0.05 mg/L，TN≤1.00 mg/L)和现状入湖水质浓度，按照推荐的草海补水规模(3 m3/s)，设计了牛栏江补水入湖水质浓度方案，采用数学模型建立了草海清流区TP、TN水质浓度与牛栏江来水水质间的响应关系，其结果见图9和图10。

结果表明：在导流带分隔下的草海清流区水质与牛栏江来水水质间线性相关系显著，其中TP浓度直接受牛栏江来水的影响与控制，当牛栏江来水中的TP浓度达到湖泊Ⅳ类(≤0.10 mg/L)时，草海北部条带状湖区TP浓度满足湖泊Ⅳ类水质标准，南部湖区TP浓度超Ⅳ类标准约10%；当牛栏江来水中的TP浓度≤0.08 mg/L时，草海北部条带状湖区和南部湖区的TP浓度均满足湖泊Ⅳ类水质标准。尽管草海清流区TN指标浓度与牛栏江来水水质呈现显著的线性相关关系，但即使牛栏江来水水质达到湖泊Ⅲ类水质标准(≤1.00 mg/L)，清流区水质仍超过湖泊Ⅳ类水质标准值70%和150%。由此说明，草海的TN指标浓度仍受入湖河流水质影响与控制，现状条件下牛栏江来水水质的改善无法使草海湖区的TN指标达标，因此亟需进一步加强重污染入湖河流(比如乌龙河)的截污导流和综合治理。

图9 草海清流区TP指标浓度与牛栏江来水间的响应关系 Fig.9 Relationship between TP concentration in Caohai sub-lake and water quality from Niulan river

图10 草海清流区TN指标浓度与牛栏江来水间的响应关系Fig.10 The relationship between water quality concentration in Caohai sub-lake and water diversion of Niulan river

5 牛栏江—草海补水与西园隧洞工程协同运行方案

5.1 西园隧洞与海埂大堤排水对草海清流区水质影响

东风坝导流带工程建设运行后，实现了草海湖体内的“清污分流”，避免了当前入湖水质较差的王家堆渠、新老运粮河水污染草海清流区水质。2016～2017年的运行结果表明，东风坝导流带工程对草海水质改善与保护效果十分明显。但随着草海海埂大堤水体置换通道工程的建设与运行，出流能力达11.0 m3/s的水体置换通道排水，很大可能将东风坝库区沿导流带流动的“污水”牵引至海埂大堤水体置换通道，从而扩大前置库水体对草海南部湖库的水质污染。

基于2016年草海入湖水量水质边界条件，设计了西园隧洞和海埂大堤不同排水方案，利用数值模拟技术，建立了草海清流区TP、TN水质浓度与西园隧洞排水量间的响应关系(见图11)。结果表明：西园隧洞与海埂大堤水体置换通道排水对草海清流区水质影响较为显著，且草海南部湖区整体水质状况与西园隧洞排水规模相关性显著，具体表现为随着西园隧洞排水量的减少和水体置换通道排水量的增加，草海南部湖区水质整体呈现出逐步变差的趋势。

图11 草海南部湖区TP、TN浓度与西园隧道排水量间的响应关系Fig.11 Response relation between water quality concentration in Caohai sub-lake and waterdischarge of Xiyuan tunnel

5.2 牛栏江来水与西园隧洞工程协同运行方案

根据西园隧洞与海埂大堤水体置换通道排水效果模拟结果可知，海埂大堤水体置换通道排水对草海(南部)湖区水质改善作用不大，同时因其缩短了牛栏江补水在湖体中的滞留时间，削弱了湖水滞留对入湖污染负荷的净化效果，从而使得海埂大堤水体置换通道排水对湖区水质改善明显弱于从西园隧洞的排水。但由于草海属于中重度富营养水体，蓝藻水华问题较为突出，通过水体置换通道将表层富藻水排出湖外，有利于提升海埂大堤周边的水景观环境质量。为最大程度地改善草海湖区水环境质量并提升海埂大堤附近的水景观环境质量，解决海埂大堤周边水域表层蓝藻水的富集现象，牛栏江草海补水工程与西园隧洞工程协同运行方案如下：

(1) 牛栏江—草海补水工程推荐规模为3.0 m3/s。

(2) 东风坝湖区来水应全部直接进入西园隧洞排出，西园隧洞出湖流量应大于东风坝库区的来水流量。

(3) 牛栏江—草海补水工程入湖水量中，建议30%～40%水量(1.0 m3/s)由海埂大堤水体置换通道排出，以提升海埂大堤周边敏感水域的水景观质量；60%～70%水量(2.0 m3/s)由西园隧洞排出，以尽可能大地发挥牛栏江草海补水工程改善草海水环境质量的效益。

(4) 乌龙河水质污染十分严重，近期应尽快将乌龙河水导入东风坝前置库，以减轻乌龙河来水对草海清流区的水质污染。

6 结 语

草海是昆明市的城市内湖和城市名片，也是国内外游客和城区居民休闲娱乐的重要场所。随着滇池水质整体趋稳并向好发展，草海在滇池流域水污染综合治理中的作用与功能定位越来越明晰，原作为滇池蓄清排污载体的草海也被赋予了更多的生态承载与水景观服务价值。为加快草海水体循环与交换、改善湖区水环境质量，近期陆续实施了牛栏江—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，实现了湖区清污水的分向流动，缩短了清流区水体的换水周期。

通过牛栏江—草海应急补水工程、西园隧洞工程、海埂大堤水体置换通道工程与导流带工程的协同运行和联合调度，并结合乌龙河汇流区的点源污染治理，可最大程度地发挥草海各项水污染治理工程的综合效益。