滇池流域水环境承载力及其提升方案研究

淦家伟 杨洋 马巍 陈欣 戍国标

摘要： 在外流域引水为流域饮用水安全、湖泊健康水循环和污水处理厂尾水外排提供水源安全保障的情况下，滇池流域内的经济社会活动与湖泊水质演变失去了联系， 但以水环境容量为核心的流域水环境承载力，仍可以对入湖河流单元的点源、面源污染物总量的控制起指导作用，并通过水质浓度限值来实现对入湖河流水质目标的精细化管理。以滇池流域现有的水循环过程和水资源条件为背景，采用典型水文年过程重新核算了滇池的水环境容量，研究了入湖河流的水质目标浓度管控方案，确定了入湖河流的生态环境流量需求，并提出了流域水环境承载力的提升方案。研究结果表明：保障入湖河流的生态环境流量可以使滇池水环境容量增加4.4%～8.6%，提高滇池流域水环境的承载力，并为流域产业结构调整、空间管控规划等提供一定的安全余量。

关 键 词： 水环境承载力; 水环境容量; 生态环境流量; 水质目标浓度管控; 滇池流域

中图法分类号：  X143

文献标志码：  A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.08.006

0 引 言

滇池流域地处长江、珠江和红河的分水岭地带，区域内人均水资源量不足200 m3[1-2]。滇池位于流域中心及湖盆最低点，既是昆明人民的水源地，同时又承纳流域内的点、面源污染负荷。伴随着区域经济社会的快速发展，河湖生态及农业用水被逐步挤占，城市生活污水和农田灌溉退水逐步成为维持湖泊水量平衡的主要水源，这导致河湖水质污染日益严重[3-5]、流域水环境承载力严重超载[6-8]、湖泊富营养化问题十分突出[1，9-10]。为支撑云南省面向南亚东南亚辐射中心战略的实施和省会城市昆明向特大型城市持续发展，自进入21世纪初以来，陆续实施了一系列外流域引水工程，比如掌鸠河（2008年）、清水海（2010年）等引水工程基本解决了昆明人民喝滇池水的痛苦经历，牛栏江-滇池补水工程（2013年底通水）为滇池外海北部环湖截污及污水处理厂尾水外排提供了水资源条件保障[2]，部分实现了滇池流域入湖水量的“清污分流”（流域水循环过程详见图1[1]）。“十二五”期末滇池水质持续恶化趋势已得到有效控制，“十三五”期间湖泊整体水质企稳向好趋势明显（见图2和图3）。目前，滇池草海、外海整体水质类别为Ⅳ～Ⅴ类，年际间受水情条件影响存在明显波动。

牛栏江来水初步解决了滇池流域内湖泊生态环境用水的清洁水源问题，但入湖河流季节性断流问题突出。同时，污水处理厂水质提升后的尾水被迫外排（110万m3/d，总体满足Ⅲ～Ⅳ类水标准，TN指标浓度较高），从而出现“（尾）水多”与“（清）水少”共存、牛栏江来水如何优化配置以及流域内多种水资源如何合理利用等问题。因此，亟需以现有的多水源（本区来水、污水处理厂尾水、外流域引水等）条件为背景，结合其水循环特点，系统梳理滇池流域水环境承载力概念与内涵[1，11]，研究滇池流域水环境承载力状况及其时空分布特征;并从新时代全面推进河湖长制的管理需求出发，提出流域水环境承载力提升方案及其水质约束条件，以促使滇池水生态系统功能逐步恢复并最终实现其良性循环。

1 研究方法

滇池位于金沙江一级支流普渡河的源头区，毗邻昆明主城区下游，流域面积2 920 km2。滇池是云贵高原上最大的淡水湖泊，环湖有37条入湖河流及沟渠（水系见图4），海口河是滇池唯一的天然出口，后因昆明主城区防洪和湖泊水质保护需要，于1996年在草海西岸建设了西园隧道排水通道，并由海埂节制闸将滇池分割为草海和外海两部分，其中外海是主体，水面积为298 km2，约占滇池的96.7%，蓄水量占滇池总湖容的98.5%[7]。

滇池三面环山，湖面风场相对较为稳定，常年以西南风为主且年际变化不大。考虑到滇池西岸为高出湖水面500 m的西山，东、南、北部地势相对平坦，当西南风吹过滇池湖面时，受西山遮挡影响，湖面风场十分复杂。因此，本文采用反映西山复杂地形影响下中小尺度准三维气流动力学模式进行湖区三维风场模拟[2，12]，为滇池水动力模拟提供湖面风场边界条件（见图5）。同时根据国内外大量浅水湖泊的研究成果[12-14]可知，风是滇池水流运动的主驱动力，故滇池湖泊水流运动及污染物在水体中的迁移扩散过程可分别用平面二维水流运动方程和对流扩散方程进行数学描述[13-15]，其中模拟指标主要包括CODMn、TP、TN。各类污染物指标的生化反应项均可作一级简化处理。

利用滇池2014年和2015年湖內10个常规水质监测点的水质数据和同期的水文气象数据及污染源资料，对滇池水环境数学模型进行了参数率定与模型校验，湖流流场（见图6）及水质模拟结果（见图7）均表明：滇池水环境数学模型能够较好地模拟湖泊的湖流形态和环流结构，水质模拟精度较高（滇池10个水质监测站点的水质模拟误差均控制20%以内），可为滇池湖流模拟、水环境容量计算和水环境承载力提升方案研究提供可靠的技术手段。

2 滇池流域水环境承载力研究

在滇中引水工程建成通水前，滇池流域的水资源配置格局已基本形成，其水资源条件由本区来水和掌鸠河、清水海、牛栏江外流域引水共同组成，合计水资源总量为14.50亿m3[1，16]。同时，为加快滇池水质改善进程，外海北部环湖截污工程将昆明主城区水质净化厂的尾水（约110万m3/d）经环湖截污干管导向西园隧道，排向滇池下游，致使流域内的经济社会发展与滇池水环境质量失去了必然联系，流域水循环过程不闭合（见图1），即支撑滇池流域经济社会发展的水资源条件和排污量与湖泊水量水质无必然联系，因此滇池入湖负荷量无法客观反映流域人口与经济规模及污染防治的水平，滇池水环境容量也无法与流域人口和经济规模建立相应的响应关系，故滇池流域水环境承载力仅为狭义的承载力概念，即滇池水环境容量，并以滇池旱、雨季的环境容量来指导对流域点、面源总量的控制，且通过水质浓度限值来实现对入湖河流水质目标的精细化管理。

2.1 数据来源

本文所用研究数据来源于云南省滇池保护条例、云南省水功能区划、滇池流域水环境功能区划、云南省水文水资源局昆明分局、昆明市环境监测中心、国家气象局、昆明市气象局、滇池管理局、牛栏江-滇池补水工程调度中心等。表征滇池草海和外海有机污染程度及水体富营养化水平的特征污染物指标（CODMn、TN、TP）的水质目标为GB3838-2002《地表水环境质量标准》中的湖库Ⅳ和Ⅲ类水质标准。

2.2 计算条件

在现有的水资源条件和流域水循环格局下，以昆明大观楼站1951～2015年年降雨量进行频率分析（见图8），选择典型枯水年（P=90%，1988年）作为设计水文条件，采用开发的滇池流域水文与非点源污染负荷预测模型为技术工具，模拟预测当前遭遇枯水年型的降雨量条件下环湖河流的逐月入湖水量。考虑年内降雨径流过程携带面源负荷总量控制需求，按照滇池流域水污染防治“十三五”规划提出的规划目标要求“滇池水质稳定在Ⅳ类，关键性指标达到Ⅲ类”，研究滇池年内逐月水质均满足规划水质目标条件下的水环境承载力。

2.3  滇池水环境容量及入湖水质浓度管控方案

在典型枯水年设计水文条件、牛栏江-滇池补水工程运行和入湖河流水质基本不劣于现状条件下，遵照滇池保护条例的调度运行规程[17]，为了使滇池水质达到规划水质保护目标（外海：Ⅲ类;草海：Ⅳ类），计算得到滇池湖泊水环境承载力和入湖河流分区水质目标浓度限值，其结果分别如表1和表2所列。

在当前的流域水循环过程与牛栏江来水经盘龙江入湖条件下，滇池CODMn、TP、TN三个指标的水环境容量分别为11 129，326 t/a和5 854 t/a。其中，湖面降雨降尘入湖的CODMn、TP、TN分别为487，37 t/a和441 t/a，分别约占滇池水环境容量的4.2%，11.1%和7.3%;湖泊内源释放的CODMn、TP、TN分别约为4 511，169 t/a和2 594 t/a，约占滇池水环境容量的40.5%，51.1%，43.3%;在考虑湖面降尘、湖泊内源释放和湖面水量蒸发挤占了滇池水体的大部分容量后，3个指标（CODMn、TP、TN）可兹利用的水环境容量分别为6 131，120 t/a和2 820 t/a;同时，水环境容量的年内及空间分布差异十分显著（见图9和图10）。由于内源释放（包括湖面藻类光合作用合成有机物）和降雨降尘负荷短期内很难有效控制，故从总量控制的角度将对陆域点源、面源治理提出更严格的控制与管理要求，即TP和CODMn应执行比水功能区划（草海入湖河流Ⅳ类、外海入湖河流Ⅲ类）更严格的水质浓度限值（见表2）。

3 滇池流域水环境承载力提升方案

基于水环境容量的概念与内涵[1]，并结合滇池流域水循环过程中存在的“尾水多”、“清水少（河流季节性断流）”及牛栏江-滇池补水工程来水入湖过于集中（盘龙江单通道入湖）等问题，以流域内现有的水资源条件为背景，以入湖河流的生态环境流量需求来指导多水源（本区来水、上游水库泄水、牛栏江补水和水质净化厂尾水）的合理配置，从而可增加滇池的水环境容量，提升滇池流域水环境承载能力。

3.1 滇池环湖入湖河流生态环境流量需求

基于滇池环湖入湖河流的功能定位（防洪、排涝、排水、景观、自然河道），综合考虑河道基本生态需水、城区河道景观需水和水面蒸发及渗漏损失补水需求，采用水文学与水力学相结合的方法，计算得到了为保障各主要入湖河道的生态环境安全和维持基本的流水景观的滇池环湖入湖河道的生态环境需水总量，为5.87亿m3/a（18.60 m3/s）[1]。其中，滇池环湖主要入湖河流的生态环境流量分别为：新运粮河0.70 m3/s、老运粮河1.07 m3/s、大观河1.18 m3/s、西坝河0.30 m3/s、船房河0.95 m3/s、采莲河0.40 m3/s、盘龙江2.71 m3/s、海河1.50 m3/s、大清河0.80 m3/s、虾坝河0.92 m3/s、姚安河0.46 m3/s、老宝象河0.30 m3/s、宝象河1.99 m3/s、马料河0.77 m3/s、洛龙河1.01 m3/s、捞鱼河1.16 m3/s、大河0.15 m3/s、柴河0.14 m3/s、东大河0.65 m3/s、护城河0.48 m3/s。

3.2  多水源条件下滇池环湖入湖河流生态环境流量满足程度

入湖河流的生态环境流量可由本区段河道来水、上游已建水库调度下泄、临近污水处理厂尾水回用和牛栏江引水量组成。单纯从水资源量配置角度，需遵循本区优先，污水处理厂尾水次之的原则，如水量仍不足时再考虑外流域调水补给。由于大河、柴河、东大河和古城河位于滇池南岸，距离牛栏江-滇池补水工程出口（盘龙江）较远，暂不考虑牛栏江来水对上述河流生态环境补水的可行性。如表3所列，滇池各主要入湖河流可用的多水源情況表明，除外海南部几条距离较远的河流外，其余各主要入湖河流的生态环境流量均可得到较好满足。

3.3  基于入湖河流生态环境流量需求下的滇池流域水环境承载力

通过外流域补水多口分流和本区多水源工程（包括上游水库下泄、河道区间汇流、提标尾水回用等）的优化配置，不仅可为湖周入湖河流的生态环境用水提供良好的水源保障，同时亦可改善草海、外海的水动力条件，让更多的清洁水量从水质相对较好的外海东岸入湖，并经外海北部的水体置换通道和海口河排出，从而可有效提升滇池水环境容量（见图11）并促进滇池草海和外海水质持续性改善。

在入湖河流生态环境流量保障方案下，扣除湖面降雨降尘、内源释放及湖面蒸发浓缩挤占的环境容量后，滇池流域3个指标（TP、TN、CODMn）可利用的水环境容量分别为125.3，2 961.0 t/a和6 661.0 t/a，分别较入湖河流环境流量无保障方案增加了4.4%，5.0%，8.6%。其中，草海各指标的水环境容量增幅很大（分别为23.5%，14.7%，32.3%）;外海尽管分流了部分水量进入草海，但随着入湖水量的空间优化，其水环境容量仍较分流入草海前有所增加，外海3个指标的容量亦分别增加了1.7%，3.7%，5.5%。基于入湖河流生态环境流量需求下的入湖水量及过程的空间优化调整，可较大程度地提高滇池流域的水环境承载力，也可为滇池流域产业结构调整、空间管控规划、流域总量控制预留一定的安全余量，并为全面推进河湖长制和流域水环境质量持续性改善提供科学的技术支持。

4 结 论

（1） 外海北部环湖截污工程将昆明主城区污水处理厂尾水（约110万m3/d）经截污干管导向西园隧道并排向滇池下游，致使流域内经济社会活动与滇池水质失去了联系，故滇池流域水环境承载力为狭义的水环境承载力，可以水环境容量来指导流域点、面源污染物总量控制，并通过水质浓度限值来实现入湖河流水质目标的精细化管理。

（2） 在现有的水循环过程及牛栏江来水补给湖泊环境用水条件下，滇池CODMn、TP、TN三个指标的水环境容量分别为11 129，326 t/a和5 854 t/a，在扣除湖区干湿沉降、内源释放及水面蒸发浓缩挤占了滇池的大部分容量后，3个指标可兹利用的水环境容量分别为6 131，120 t/a和2 820 t/a，仅占总环境容量的55.1%，36.9%，48.2%;同时，滇池水环境容量的年内季节分布及空间分布差异十分显著。

（3） 保障入湖河流的生态环境流量可以提高滇池湖泊的水环境容量，即在入湖河流生态流量保障方案下，3个指标可兹利用的水环境容量分别为6 661.0，125.3 t/a和2 961.0 t/a，分别较无环境流量保障方案增加了8.6%，4.4%，5.0%。其中，草海各指标的水环境容量增幅很大，分别为23.5%，14.7%，32.3%;外海尽管分流了部分水量进入草海，但入湖水量空间优化使外海可利用的水环境容量仍有所增加，增幅为1.7%～5.5%。

（4） 在受入湖污染物总量约束及时空分布格局下，提出了分区入湖河流的季节性水质浓度限值的要求，且各入湖河流的CODMn、TP水质浓度限值明显严于水环境功能区划确定的水质目标浓度值;同时，多水源配置中的尾水水质提标改造是污水处理厂尾水规模化利用的限制性因素。

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（编辑：赵秋云）

引用本文：

淦家伟，杨洋，马巍，等.

滇池流域水环境承载力及其提升方案研究

[J].人民长江，2021，52（8）：38-43，49.

Study on water environmental carrying capacity and improvement scheme

in Dianchi Lake basin

GAN Jiawei1，2，YANG Yang3，MA Wei1，CHEN Xin3，SHU Guobiao3

（ 1.Department of Water Ecology and Environment，China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China; 2.Water Ecological Management Center of Dianchi in Kunming，Kunming 650228，China; 3.Yunnan Institute of Water & Hydropower Engineering Investigation，Design and Research，Kunming 650021，China ）

Abstract：

Under the condition that water diversion from the outer basin provides water source safety guarantee for drinking water safety，healthy water circulation，and tail water discharged from sewage treatment plants in Dianchi Lake basin，there is not a water relation between social-economic activity and water quality in Dianchi Lake basin.However，the water environment carrying capacity of the basin still provide a guidance for the total amount control of point and non-point source pollutants in the rivers entering the lake，and the fine management of the water quality target of rivers entering the lake will be realized by water quality concentration limit.Based on the existing water cycle process and water resources conditions in Dianchi Lake basin，we checked the water environmental capacity of Dianchi Lake by using typical hydrological year process，studied the control scheme of water quality target concentration of rivers entering the lake，determined the eco-environmental flow demand of rivers entering the lake，and put forward the scheme to improve the water environment carrying capacity in Dianchi Lake basin.The numerical simulation results show that the water environmental capacity of Dianchi Lake can be increased by 4.4% to 8.6% if the required eco-environmental flow into the lake is guaranteed.Therefore，ensuring the eco-environmental flow of rivers into the lake is the key measure to improve the water environment carrying capacity，and can provide a certain safety margin for the industrial structure adjustment and space control planning of Dianchi Lake basin.

Key words：

water environment carrying capacity;water environmental capacity;eco-environmental flow;concentration control of water quality target;improvement scheme;Dianchi Lake basin