牛欄江—滇池補水工程對滇池外海的水環境改善效果研究

毛建忠,孫燕利,賀克雕,2,孔桂芬,楊中蘭

(1.云南省水文水資源局,云南 昆明 650106; 2.云南大學生態學與環境學院,云南 昆明 650091)

牛欄江—滇池補水工程對滇池外海的水環境改善效果研究

毛建忠1,孫燕利1,賀克雕1,2,孔桂芬1,楊中蘭1

(1.云南省水文水資源局,云南 昆明 650106; 2.云南大學生態學與環境學院,云南 昆明 650091)

利用牛欄江-滇池補水工程運行前后的水質實測資料,對滇池外海的水環境改善效果進行研究。選取TP、TN、NH3-N、CODMn、Chl-a、SD等主要水環境指標,從指標濃度變化、水質類別變化、指標向好率變化和極大值變化等方面分析牛欄江-滇池補水工程對滇池外海的水環境改善效果。結果表明,牛欄江-滇池補水工程運行后,滇池外海各監測站點的TP、TN、NH3-N、CODMn、Chl-a、SD及營養狀態指數均優于調水前,富營養化水平明顯好轉,水環境改善成效顯著。

牛欄江-滇池補水工程;滇池外海;水環境;改善效果

隨著昆明市經濟社會的發展,滇池流域人口數量和主城區面積不斷增加,滇池水質狀況總體呈下降趨勢,20世紀70年代后期滇池富營養化進程明顯加快。一般說來,磷是影響湖泊水生植物特別是藻類的關鍵性營養元素[1]。根據經濟合作發展組織的統計調查,世界上有80%以上的湖泊富營養化進程受磷控制,滇池就屬于磷控制型[2]。從80年代末起,外海水質長期在Ⅴ類～劣Ⅴ類區間波動,1992年滇池首次發生較大規模的微囊藻水華,至今幾乎每年都暴發藍藻水華,水體污染和富營養化程度日趨嚴重,湖泊水生態系統受到嚴重損害。

2007年,云南省針對滇池污染治理工作確定了6大水污染綜合治理措施,其中“外流域調水水資源補給措施”已于2013年12月28日建成通水,即牛欄江-滇池補水工程。工程對增加滇池流域水資源量,提高水資源承載力,改善水環境,協調昆明市及曲靖市的社會經濟發展具有重要意義[3]。工程調水經輸水渠(管)道匯入盤龍江(清水通道),并從滇池外海北部的盤龍江入湖口匯入滇池外海,工程設計年補水量5.72億m3。牛欄江—滇池補水工程是優化配置水資源的一項重大舉措,工程運行至今已2年有余,向滇池外海補充優質水源共10.71億m3,其中2014年調水4.46億m3,2015年調水6.25億m3。工程調水進入滇池外海后,對滇池水環境的改善效果已成為各級政府和社會公眾關注的焦點,但缺乏利用實測數據開展的研究。本文選擇滇池外海為研究對象,利用工程運行前后的水質實測資料,對滇池外海的水質狀況和水環境改善效果進行分析,以期為滇池的水污染綜合治理和水資源科學調度提供科學依據。

1 研究區概況

滇池是云南省最大的高原淡水湖泊,位于102°36′E～102°47′E,24°40′N～25°02′N,屬長江流域金沙江水系。滇池位于昆明市主城區的下游,湖泊面積298 km2,湖體略呈弓形,弓背向東,為南北走向,南北最長32 km,東西寬12.5 km,湖岸線長163.2 km。當水位為1 886.5 m時,平均水深4.4 m,最大水深10.9 m,湖容積12.9億m3,是典型的寬淺型高原湖泊。滇池水域被水工建筑物(船閘)分為2部分,北部為草海,南部為外海,外海水面面積占比約96.7%,為滇池主體,出口位于湖泊西南端的海口鎮,出流入螳螂川,后流入普渡河,最后在祿勸縣境內的三江口匯入金沙江干流。

2 數據來源

云南省水環境監測中心長期在滇池外海設置了五水廠、海埂、白魚口、中灘、昆陽、海晏6個常規監測點,見圖1,2013年增加烏龍、觀音山中、海晏中、白魚口中、沙堤、河泊所、大河尾、海埂中、富善、王官、晉寧、紅泥咀12個站點,2014年以后再次增加觀音山、西華中、暉彎中3個監測點,共21個站點。主要監測指標有pH值、電導率、DO、CODMn、NH3-N、TP、TN、SD等,其中五水廠、海埂、白魚口、中灘、大河尾、海埂中和觀音山中加測Chl-a。

結合改善水環境效果分析工作的需求,本文選取2009—2015年的各監測點水質監測資料作為水環境改善效果分析的基礎數據源。結合滇池外海水污染特征分析,選取TP、TN、NH3-N、CODMn、SD、Chl-a 6項水環境指標以及營養狀態指數IE作為分析的主要指標。據統計,以上站點2009—2015年,對TP、TN、NH3-N、CODMn、SD、Chl-a 6項水環境指標共開展了854項次監測,共獲得監測數據4 696組。

圖1 滇池外海監測站點示意圖

3 研究方法

本研究重點考慮滇池外海在工程運行前后的水環境改善效果,采取的方法是以工程竣工運行時間節點劃分為工程運行前(2009—2013年)和工程運行后(2014—2015年),對比2個時期滇池外海水體的富營養化關鍵因子(TP、TN、NH3-N、CODMn、SD、Chl-a)、營養狀態指數、水質評價分析結果的差異與變化,進行統計分析后,科學評估滇池外海水環境的變化趨勢和改善效果,分為以下5個步驟。

步驟1：根據2009—2013年滇池外海6個常規監測點的TP、TN、NH3-N、CODMn、SD、Chl-a 6項水環境指標的監測資料,用算術平均法計算各站點工程運行前各指標均值。營養狀態指數根據《地表水資源質量評價技術規程》采用指數法[4],評價項目包括TP、TN、Chl-a、CODMn和SD,采用線性插值法將水質指標濃度值轉換為賦分值,再根據以下公式計算：

(1)

式中:IE為營養狀態指數,IE多年均值同樣采用算術平均法計算;Ei評價項目賦分值;N為評價項目個數。

步驟2：用同樣方法計算工程運行后(2014—2015年)滇池外海21個站點TP、TN、NH3-N、CODMn、SD、Chl-a 6項水環境指標和營養狀態指數的年均值,并與工程運行前的結果進行比較分析。

步驟3：根據SL395—2007《地表水資源質量評價技術規程》,按照水質站的口徑,對滇池外海21個站點2013—2015年NH3-N、TN、CODMn、TP 4項水環境指標進行區域水質評價,分析連續3年滇池外海區域水質的變化規律。如各項指標屬于Ⅰ～Ⅲ類水標準比例增加,屬于Ⅳ～Ⅴ及劣Ⅴ類水標準比例減少甚至消失,我們即可認為在調水入湖后外海水體水質變化呈向好趨勢。

圖2 工程運行前后外海各站點水環境指標對比

步驟4：采用2013—2015年外海18個站點的監測數據(西華中、暉灣中和觀音山缺少2013年監測數據,故未進行對比分析),對影響外海水質的TP、TN、NH3-N、CODMn、Chl-a等水環境指標逐一進行對比分析,將各站點2014、2015年的指標濃度和2013年同期分別進行比較,計算各指標濃度低于2013年同期的測次比例,即定義為指標向好率,以指標向好率不小于65%的站點多少來判斷水質改善效果好壞,指標向好率不小于65%的站點比例越大,水質改善效果越好。

步驟5：分析比較外海監測站點的重要水質特征值,選取外海21個監測站點,比較調水前后TP、TN、NH3-N、CODMn等水環境指標的極大值,計算各站點以上4個參數調水前后極大值變化率,計算方法見式(2),以極大值變化率正負,判斷調水前后水質變化。

(2)

式中：R為極大值變化率；M1為補水后極大值；M0為補水前極大值。

4 水環境改善效果分析

4.1 水環境指標濃度

牛欄江-滇池補水工程運行前后滇池外海TP、TN、NH3-N、CODMn、SD、Chl-a 6項水環境指標濃度和營養狀態指數對比見圖2。

與牛欄江-滇池補水工程運行前的均值相比,滇池外海21個監測點2014、2015年的NH3-N質量濃度年均值都有所降低,其中21個數值降低幅度達50%,3個出現在2014年,18個出現在2015年;TN年均值中有95.2%的數值降低,其中7個數值降低幅度達50%,均出現在2015年;CODMn年均值中有97.6%的數值降低;TP年均值都有不同程度降低,其中29個數值減幅達50%,13個出現在2014年,16個出現在2015年;SD年均值中有95.2%的數值增大;營養狀態指數年均值都小于工程運行前,大部分站點呈現出從中度富營養向輕度富營養狀態轉變的趨勢;開展Chl-a檢測的7個站點2014、2015年的年均值減小,其中9個數值小于多年均值的50%,4個出現在2014年,5個出現在2015年。

分析表明,除個別站點外,超過95%以上的站點的TP、NH3-N、CODMn、SD、Chl-a、營養化指數都呈向好趨勢,同一站點SD年均值逐年遞增,其余各水環境指標的年均值逐年遞減,大部分站點TN明顯呈下降趨勢。張國涵等[5]認為,從牛欄江引入滇池的清潔水能有效稀釋TP、TN,與本研究結果相符。

4.2 水質類別

對外海21個站點2013—2015年NH3-N、TN、CODMn、TP 4項水環境指標進行單因子評價[3]并統計各類水質比例,再按水質站口徑進行區域水質評價,統計結果見圖3。

圖3 滇池外海各站點各水質類別比例

可以看出,2013—2015年,滇池外海水體中按NH3-N、TN、CODMn和TP評價的Ⅰ～Ⅲ類水比例呈穩步增加的趨勢,其中Ⅰ～Ⅲ類水比例最大值是按NH3-N評價,2015年達到98.11%;比例增加最快的是按CODMn評價,工程運行后增加了4倍多;而Ⅳ～Ⅴ類水及劣Ⅴ類水比例穩步下降,其中按NH3-N、CODMn評價的劣Ⅴ類水比例到2015年均下降為0。

4.3 指標向好率

為直觀顯示滇池外海水質改善效果,采用指標向好率進行水環境改善效果分析,計算統計結果見表1、圖4。

表1 2014、2015年與2013年相比5項指標向好率統計

注:A為指標向好率為100%的站點數;B為指標向好率不小于65%的站點數;C為指標向好率小于65%的站點數。

圖4 2014、2015年與2013年相比5項指標向好率對比

參與分析的18個水質監測站點中,2014年CODMn、NH3-N、TP、TN和Chl-a的指標向好率不小于65%的站點分別為18、15、14、4和6個,其中,CODMn和NH3-N的改善效果較為顯著;2015年CODMn、NH3-N、TP、TN和Chl-a的指標向好率不小于65%的站點分別為18、15、13、12和6個,TN在2014年的基礎上改善程度最大,2015年指標向好率達100%的站點數有不同程度增加。總體上,牛欄江-滇池補水工程運行后,各水環境指標均有不同程度改善,尤其是對CODMn、NH3-N、TP的改善較為顯著。

4.4 指標極大值

對外海18個站點工程運行前后(2013—2015年)TP、TN、NH3-N、CODMn等水環境指標的極大值變化率進行比較,結果見圖5。

圖5 調水前后各站點極大值變化率

TP、TN、NH3-N、CODMn均為逆向指標,指標濃度越小表示水環境質量越好,因此,如極大值變化率為負,則說明該站點工程運行后水質好于工程運行前。從圖5可以看出,NH3-N極大值變化率為負的站點有16個,占全部站點的88.9%;TN極大值變化率為負的站點有11個,占全部站點的61.1%;CODMn極大值變化率為負的站點有8個,占全部站點的44.4%;TP極大值變化率為負的站點有13個,占全部站點的72.2%。18個監測站點4個水環境指標共有49項次極大值變化率為負,占總項次的68.1%。以上統計結果表明,工程運行后外海大部分站點的主要污染指標均有一定程度改善。

5 結 論

a. 牛欄江-滇池補水工程運行后,滇池外海各監測站點的NH3-N、TP、CODMn、TN、Chl-a、SD及營養狀態指數均優于調水前,其中NH3-N、TP、Chl-a質量濃度明顯降低,CODMn、TN質量濃度亦呈下降趨勢,SD上升,富營養化水平明顯好轉,已呈現出從中度富營養向輕度富營養狀態轉變的趨勢,補水工程的水質改善成效顯著。

b. 通過對工程運行前后區域水質評價分析表明,工程運行后外海水域按NH3-N、TN、CODMn和TP評價的Ⅰ～Ⅲ類水比例大于工程運行前,且呈逐年穩步增加的趨勢,與之對應的是Ⅳ～Ⅴ類水及劣Ⅴ類水比例穩步下降,部分水環境指標劣Ⅴ類比例為0,其中,按CODMn評價改善效果最為顯著,可以說滇池外海區域水質總體呈向好的趨勢。

c. 指標向好率分析表明,牛欄江-滇池補水工程運行后,外海各指標均有不同程度改善,尤其是對CODMn、NH3-N、TP的改善較為顯著,大多數站點水質都不同程度變好。

d. 極大值變化率統計結果表明工程運行后外海大部分站點TP、TN、NH3-N、CODMn等參數的極大值都小于運行前,外海水域的水質狀況呈向好趨勢。

e. 牛欄江—滇池補水工程2015年調水量比2014年多1.8億m3,對比這2個年份滇池外海的水質監測數據以及各項統計指標,2015年的水質狀況要明顯好于2014年,這表明調水量也是影響外海水環境質量的重要因素。牛欄江來水極大地改善滇池入出湖水量嚴重失衡的狀態,可有效減輕湖體的內源污染程度[6]。因此,在保證牛欄江下游用水和實現滇池流域內汛期洪水資源化的前提下,應適當增加調水量,確保滇池外海實現水體的高效置換[7-8]。

[1] 陳田耕.磷在湖泊富營養化中的作用[J].海洋湖沼通報,1986(1):79-84.(CHEN Tiangeng. Phosphorus role in lake eutrophication[J]. Transactions of Oceanology and Limnology,1986(1): 79-84.(in Chinese))

[2]金相燦,劉鴻亮,屠清瑛.中國湖泊富營養化[M].北京:中國環境科學出版社,1990: 21-23.

[3] 蘇紅兵,張天明,胡朝英. 基于生態足跡的調水工程環境影響評價:以牛欄江-滇池補水工程為例[J]. 人民長江,2015,46(10):48-51.(SU Hongbing,ZHANG Tianming,HU Chaoying. Environmental impact assessment on water diversion project based on ecological footprint: case of NiuLan River-Dianchi Water Supplement Project[J]. Yangze River,2015,46(10):48-51.(in Chinese))

[4] 王圣瑞,劉文斌,曾維華,等. 滇池水環境[M].北京:科學出版社,2015: 3-68.

[5] 張國涵,高原. 牛欄江-滇池補水工程對滇池外海總磷和總氮含量的影響[J]. 環境科學導刊,2015,34(5):22-26.(ZHANG Guohan,GAO Yuan. Impacts of water supply engineering from Niulanjiang River to Waihai of Dianchi Lake on the content of total nitrogen and total phosphorus [J]. Environmental Science Survey,2015,34(5):22-26.(in Chinese))

[6] 徐天寶,馬巍,黃偉. 牛欄江-滇池補水工程改善滇池水環境效果預測[J].人民長江,2013,44(12):11-13,40. (XU Tianbao,MA Wei,HUANG Wei. Effect prediction of improving water environment by Niulan River-Dianchi Lake Water Supplement Project [J]. Yangze River,2013,44(12):11-13,40. (in Chinese))

[7] 華祖林,顧莉,劉曉東.調水對改善淺水型湖泊水體的置換率研究[J].水資源保護,2009,25(1):9-17.(HUA Zulin,GU Li,LIU Xiaodong.Improving water exchange rate of shallow lakes through water diversion works[J].Water Resources Protection,2009,25(1):9-17. (in Chinese))

[8] 桂重,段波.牛欄江引水盤龍江入湖對滇池水質改善效果分析[J]. 山西建筑,2015,41(31):209-210,258. (GUI Zhong,DUAN Bo. On water quality improvement analysis at Dianchi Lake by diverting water of Panlong River into lakes at Niulan River[J]. Shangxi Architecture,2015,41(31):209-210,258. (in Chinese))

Study of water environment improvement effect by Niulan River-Dianchi Lake Water Supplement Project in Waihai area of Dianchi Lake

MAO Jianzhong1, SUN Yanli1, HE Kediao1, 2, KONG Guifen1, YANG Zhonglan1

(1.HydrologyandWaterResourcesBureauofYunnanProvince,Kunming650106,China; 2.SchoolofEcologyandEnvironmentalScience,YunnanUniversity,Kunming650091,China)

This study focused on the water environment improvement in the Waihai area of Dianchi Lake based on measured data before and after the Niulan River-Dianchi Lake Water Supplement Project was implemented. Water environmental indices including TP, TN, NH3-N, CODMn, Chl-a, and SD were selected to assess the improvement effects in regard to the variations of index concentration, water quality classification, rate of indices that show improving values, and maximum values. The results show that TP, TN, NH3-N, CODMn, Chl-a, and SD, as well as the trophic level index improved after the water supplement project was implemented, and the level of eutrophication declined significantly, indicating that the Niulan River-Dianchi Lake Water Supplement Project had a marked effect on water environment improvement.

Niulan River-Dianchi Lake Water Supplement Project; Waihai area of Dianchi Lake; water environment; improvement effect

10.3880/j.issn.1004-6933.2017.02.009

水利部公益性行業專項經費項目(9201401026-02)

毛建忠(1968—),男,高級工程師,主要從事水環境監測評價與管理研究。E-mail:13888999137@139.com

X824

A

1004-6933(2017)02-0047-05

2016-05-13 編輯：王 芳)