五種調控方案下的草海水質改善模擬研究

花潤澤

摘? 要：傳統的水資源配置存在重水量輕水質的問題，導致有限的水資源不能被充分利用。為提升水資源利用效率，文章以草海為例，借助EFDC水質水動力模型，針對影響草海水資源情勢的五個綜合治理工程，通過控制變量法模擬研究了不同情景方案下草海的水質改善情況。結果表明：牛欄江季節調控補水對四個水質指標（CODcr、NH3-N、TN、TP）都有改善效果，而低水位運行和增加牛欄江補水量僅對草海CODcr有改善，水質凈化廠尾水提標至A級標準僅對CODcr和TP有一定改善。該研究以期為改善草海水質的水資源調控提供參考。

關鍵詞：草海;水質;調控;水資源

中圖分類號：TV213.4? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）05-0017-03

水量和水質是水資源的二重屬性，二者相互影響[1]。傳統的水資源優化配置方式，只重視水量的配置，而忽視了水質的重要性，輕視水質的優化，造成有限的水資源不能充分高效利用[2]。草海流域同樣面臨水資源嚴重短缺的問題，且水污染較為嚴重。為了使草海流域有限的水資源更為有效的發揮其利用價值，有必要開展草海水資源調控研究，在合理配置水資源的同時充分考慮水質改善，使不同水質的水資源均能發揮其效益。本文以牛欄江草海補水工程、水質凈化廠提標改造工程、新運糧河、老運糧河入湖河口前置庫水體凈化工程、導藻帶工程五個實際工程為背景，通過模型模擬各工程單獨運行情況下，分析水資源調控對草海水質的影響，以優化草海水資源調控方案，為草海水質提升提供依據。

1 研究區域

草海位于云南省昆明市，自1996年修建了船閘后，滇池被分割為雖相互聯系，但又幾乎互不交換水體的草海、外海兩部分，草海為北端部分，如圖1所示。草海北起大觀河入河口，南至海埂船閘，地處低緯度高海拔地區，屬于亞熱帶溫潤季風氣候，多年平均氣溫14.7℃，多年平均降雨量953mm，年平均蒸發量743mm，水面面積10.8km2，平均水深2.5m，蓄水量2517萬m3，占滇池蓄水量的2.67%。

圖1 研究區域示意圖

2 研究方法

2.1 草海EFDC水質水動力模型

EFDC是通用的水質水動力數學模型，可以適用于任何特定的地表水體或局部水域，并通過對所研究水體的物理、化學和生態過程的數值化標準來實現模擬功能[3]。本研究以《草海水資源優化調度》中構建的草海EFDC水質水動力為基礎，根據數據的可得性，該模型選取2014年作為EFDC模型配置和率定的模擬年，同時選取一組獨立的數據再次檢驗率定過的模型，以考察其真實地代表水體的能力，由于新老運糧河河口的生態工程導流帶于2015年12月合擾，模型選用2016年1-12月份數據對模型進行驗證。

2.2 模擬方案設計

2.2.1 水位調控

草海控制運行的正常高水位為1886.8米，最低工作水位為1885.5米，本研究中模擬分析這兩種水位條件對草海水質的影響。

2.2.2 牛欄江補水水量

利用牛欄江來水混合置換草海水體，提高草海水質;2016年牛欄江向草海補水約6.3m3/s，據此針對牛欄江補水水量考慮兩種情況：（1）按現狀補水水量：6.3m3/s;（2）增加補水水量：10m3/s。

2.2.3 牛欄江補水季節調控

由于牛欄江補水水質枯期優于汛期，據此針對牛欄江補水方式考慮以下三種情況：（1）設計補水：汛期、枯期補水量分別占總引水量的56.8%和43.2%;（2）逐月均勻補

水;（3）季節調配：汛期、枯期補水量分別占總引水量的30%和70%。

2.2.4 水質凈化廠尾水補水量

滇池流域水質凈化廠改造工程實施后，尾水水質將明顯改善，可用于補給草海，據此考慮以下兩種情況：（1）維持現狀補水量：第一水質凈化廠8萬m3/d，第三水質凈化廠21萬m3/d;（2）增加補水量：第一水質凈化廠8萬m3/d;第三水質凈化廠21萬m3/d，第九污水處理廠10萬m3/d。

2.2.5 水質凈化廠尾水提標排入草海

針對水質凈化廠尾水水質考慮三種情況，以《昆明市城鎮污水處理廠主要水污染物排放限值》規定的A、B、C三個級別衡量：（1）維持現狀尾水水質（C級標準）;（2）提標達到B級標準;（3）提標達到A級標準。

3 結果與分析

以2016年實際水位條件下，牛欄江補水量6.3m3/s，入草海尾水量為10萬m3/d，尾水水質為A級標準及新、老運糧河外排為基準情景，通過控制單一變量，分別改變水位條件、牛欄江補水季節調控方式、牛欄江補水水量、水質凈化廠尾水補水水量和尾水水質提標五個條件，并用EFDC水質水動力模型模擬出草海2個常規監測點位水質指標的年均值，得到五種因素影響下草海不同水質指標的平均濃度，并與基準情景的模擬結果對比，進而分析各因素對草海水質的影響，結果見表1。

結果表明：（1）低水位運行對CODcr改善明顯，改善率達到40.84%;NH3-N、TN和TP惡化;主要是因為低水位條件湖體庫容減小，水體置換周期加快，湖體水質接近牛欄江來水水質，牛欄江來水的CODcr濃度遠低于湖體水質濃度，而NH3-N、TN和TP濃度高于湖體水質濃度。（2）高水位運行對NH3-N、TN和TP都有一定改善作用，主要是因為高水位條件下湖體庫容增大，水體置換周期加大，起到了一定的調蓄作用，對于來水濃度較高的污染物增加了一定的降解時問，有利于NH3-N、TN和TP的改善。（3）牛欄江逐月均勻補水和按季節調控補水對所有指標都有改善效果，主要是因為2016年牛欄江來水汛期CODcr、NH3-N、TN、TP的濃度分別是枯期的2.82倍、1.75倍、144倍、145倍，汛期按30%補水，枯期按70%補水，更有利于草海水質的改善。（4）增加牛欄江補水量，CODcr有明顯改善。NH3-N、TN、TP惡化主要是因為牛欄江來水的CODcr濃度低至874mg/L達到I類水標準;而NH3-N（0.84mg/L）、TN（4.5mg/L）和TP（0.15mg/L）濃度均高于草海湖體。NH3-N（0.31mg/L）、TN（3.47mg/L）和TP（0.14mg/L）濃度;在增加牛欄江補水量的同時，也增加了污染負荷入湖量。（5）水質凈化廠尾水提標達到A級標準后排入草海，對CODcr和TP有一定改善，但會導致TN和NH3-N惡化，主要是因為即使水質凈化廠尾水提標達到A級標準，其NH3-N（1mg/L）和TN（5mg/L）仍高于草海湖體的NH3-N和TN濃度，在增加補水量的同時，也增加了污染負荷入湖量。

4 結論與展望

4.1 結論

（1）低水位運行和增加牛欄江補水量僅對草海CODcr有改善，NH3-N、TN、TP出現不同程度的惡化，主要是因為低水位條件湖體庫容小，水體置換周期加快，湖體水質接近牛欄江來水水質，牛欄江來水的CODcr濃度遠低于湖體水質濃度，而NH3-N、TN、TP濃度高于湖體水質濃度，在增加補水量的同時，也增加了污染負荷入湖量。

（2）牛欄江按季節調控補水對所有指標都有改善效

果，主要是因為牛欄江來水汛期和枯期水質濃度差異較大，2016年牛欄江來水汛期CODcr、NH3-N、TN、TP的濃度分別是枯期的2.82倍1.75倍、1.44倍、1.45倍，汛期按30%補水，枯期按70%補水，更有利于草海水質的改善。

（3）水質凈化廠尾水提標達到《昆明市城鎮污水處理廠主要水污染物排放限值》A級標準后補草海對CODcr和TP有一定改善，NH3-N、TN出現不同程度的惡化，主要是因為即使水質是化廠尾水提標，其NH3-N（1mg/L）和TN（5mg/L）仍高于草海湖體的濃度。

4.2 展望

（1）草海水質水位關系復雜，需在穩定的邊界條件下進行更長時間的觀測和驗證草海水質受氣候因素、水位庫容、入湖污染負荷、重大治理工程治理力度的影響，進而提高結果的可靠度。

（2）水位、補水量、季節調度等不同因素對草海水質具有不同影響，對不同指標存在有利或有弊的一面，因而需開展多種情景組合方案下的影響，才能為實際工程提供參考。

參考文獻：

[1]錢玲，劉媛，晁建穎.我國水質水量聯合調度研究現狀和發展趨勢[J].環境科學與技術，2013，36（S1）：484-487.

[2]劉亞鋒.水資源優化配置在區域水量分配中的應用研究[J].陜西水利，2010（03）：117-118.

[3]唐天均，楊晟，尹魁浩，等.基于EFDC模型的深圳水庫富營養化模擬[J].湖泊科學，2014，26（03）：393-400.