調水調蓄工程對拉市海水環(huán)境的影響研究

羅 樂，段 波

(中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

1 項目背景

引調水工程是一類重要的水利項目，發(fā)揮著優(yōu)化水資源配置[1]及流域生態(tài)修復[2- 3]等多重效益。麗江是云南省的旅游門戶，人均水資源量583m3，屬重度缺水區(qū)，資源性缺水比較突出。隨著旅游業(yè)、城市建設的快速發(fā)展，2030年麗江中心城區(qū)城市人口規(guī)模將達到43萬人，旅游人口將達到4312萬人次[4]，屆時麗江壩區(qū)人均水資源量將少于300m3，處于極度缺水狀況，用水安全將面臨嚴峻挑戰(zhàn)。麗江壩區(qū)水資源開發(fā)利用率已達到37.7%，接近國際公認的40%的上限，本區(qū)水資源已無開發(fā)潛力。麗江壩區(qū)的缺水只能依靠更大范圍的金沙江調水解決[5]。

金沙江某調水工程任務為解決麗江壩區(qū)城鎮(zhèn)生活、工業(yè)和古城區(qū)生態(tài)景觀用水。工程方案比選階段對輸水線路曾提出經拉市海調蓄和直供水無調蓄兩種方式。利用拉市海調蓄在減少工程規(guī)模、減輕泥沙問題上有一定優(yōu)勢。該方案從金沙江干流河段取水，設計調水流量為2.36m3/s，設計調水量為6822.3萬m3，利用麗江市已實施的拉市海調蓄水工程庫容對引調水進行調蓄。

拉市海位于麗江市玉龍縣拉市鎮(zhèn)，1998年建立云南麗江拉市海高原濕地省級自然保護區(qū)，2004年列入國際重要濕地。拉市海最大水深約7.5m，平均水深4.55m，常年水域面積933.4hm2[6]。2009年實施的拉市海調蓄水工程，擬定正常蓄水位2442.8m，對應湖容為4500萬m3。該方案將使拉市海的水環(huán)境發(fā)生變化。

2 預測方法

2.1 模型建立

數(shù)學模型是預測水環(huán)境變化趨勢的有力工具。國內應用于淺水湖泊水環(huán)境預測的數(shù)學模型有WASP模型、Clean系列湖泊綜合模式[7]、S-P模型、MIKE[8]、EFDC等。

EFDC(Environmental Fluid Dynamics Code)是美國國家環(huán)保署(USEPA)推薦的三維地表水水動力模型，可實現(xiàn)河流、湖泊、水庫、濕地系統(tǒng)、河口和海洋等水體的水動力學和水質模擬，是一個多參數(shù)的有限差分模型[9]。其模型原理為建立物質對流擴散輸運方程，并采用數(shù)值方法對方程進行求解[10]。

拉市海流域研究基礎相對薄弱，缺乏水下地形，僅收集到了麗江城建坐標系下拉市海流域的陸上地形。本研究依據(jù)拉市海歷年逐日水位結合湖盆歷史衛(wèi)星照片，通過描繪衛(wèi)星照片拍攝當日的水邊線，建立拍照當日拉市海水邊線和水位之間的關系，以此確定拉市海水下地形，如圖1—2所示。采用直角正交的平面網格，尺度為100m×100m，設定的計算區(qū)域網格數(shù)1586個，計算網格如圖3所示。

圖1 拉市海湖泊地貌

圖2 拉市海高程圖

圖3 拉市海計算網格

將湖周入流概化為拉市海北部的美泉河、南部的清水河入流，本調水工程入流，將位于拉市海西南部的溢洪道、拉市海隧洞視為出流邊界條件，如圖4所示。

圖4 徑流邊界條件概化

2.2 模型參數(shù)

結合國內對淺水湖泊水質數(shù)值模擬的相關研究[11- 12]和水利水電工程環(huán)境影響數(shù)值模擬經驗確定模型參數(shù)取值，見表1。

表1 模型參數(shù)取值

2.3 模型驗證

2.3.1水溫模型驗證和率定

使用2015年4月1日至8月25日拉市海實測水溫數(shù)據(jù)進行驗證。在拉市隧洞進口斷面實測水溫與模擬獲得的水溫如圖5所示，相應的誤差統(tǒng)計表如圖6所示。模擬水溫基本能反映拉市海實測水溫的變化趨勢。在7月中旬以后，模擬水溫過程的變幅小于實測水溫的變幅。這可能與實際水溫監(jiān)測位置不完全固定、或者監(jiān)測時間未嚴格處于08∶00有關。

圖5 2015年4—8月拉市海隧洞出口附近逐日8∶00水溫比較

2.3.2水質模型驗證

拉市海區(qū)域水質基礎資料較薄弱，邊界條件精度不足，難以對水質模型進行精確驗證。但模擬時所獲得的拉市海COD值應與實測值處于同一量級。采用COD降解系數(shù)0.002或0.001計算，計算結果如圖6所示，獲得的化學需氧量指標值與相應指標在拉市海的量級基本一致，這表明模型用于拉市海水質模擬基本可靠。

圖6 平水年豐水期調水條件下拉市海代表性點位COD隨時間的變化

2.4 初始邊界條件

采用麗江氣象站月平均資料作為拉市海水動力、水溫及水質模擬的風場、氣壓、氣溫、相對濕度、蒸發(fā)量、降水量、短波輻射、云蓋度等邊界條件。調水水溫采用石鼓站旬平均水溫的再平均值。以拉市海實測水質作為入湖河流的水質開展模擬，對金沙江調水入拉市海水量的水質采用2015年金沙江石鼓站的實測水質。考慮到工程調水泵站后接沉砂池，大于等于0.05mm粒徑泥沙沉降率為93.42%～87.82%，主要是粒徑小于0.005mm的粘性泥沙進入拉市海。同時，認為來沙過程恒定，含沙量均為0.20kg/m3。

3 預測結果

3.1 水溫影響分析

根據(jù)工程典型年調度運行工況，結合實測水溫、氣象資料及影響拉市海水量的蒸發(fā)、降水、出入流情況，建立拉市海二維湖泊水動力及水溫模型，對工程運行后拉市海水溫的變化進行預測。選取拉市海湖心水溫為代表，平水年工程運行后湖心水溫變化情況為：補水后，7、8、9三個月的月平均水溫增加0.1℃，5月份降低0.1℃，主要由金沙江來水水溫與拉市壩區(qū)來水水溫差異引起，總體而言水溫變化幅度較小。水溫分布如圖7所示。

圖7 工程運行前后拉市海水溫變化對比

3.2 水質影響分析

金沙江高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷優(yōu)于拉市海水質(僅在豐水期金沙江氨氮和總磷濃度高于拉市海)，但金沙江來水總氮濃度高于拉市海內總氮的濃度。金沙江調水工程補水入拉市海后，水質變化情況為高錳酸鹽指數(shù)明顯改善，氨氮、總磷總體降低，總氮有所增加，在不同代表年情況下均能滿足Ⅲ類水標準。

平水年枯水期工程調水前后拉市海水質情況對比如圖8所示。

圖8 工程運行前后拉市海主要水質指標變化對比

3.3 泥沙影響分析

金沙江為多沙河流[13]，引調水工程入湖調蓄方案需分析泥沙淤泥可能帶來的環(huán)境問題[14]。工程運行還應考慮泥沙淤積對拉市海的影響。采用EFDC建立拉市海二維湖泊水動力與泥沙模型，預測泥沙淤積情況。平水年金沙江調水工程進水斷面、湖心斷面和拉市海隧洞進口斷面(出流)含沙量年變化如圖9所示。

由圖9可見，拉市隧道進口處含沙量基本為零，表明調水入拉市海的泥沙基本都淤積在拉市海內，出湖的很少。拉市海的庫容在4000萬m3量級以上，每年泥沙淤積量1.80萬m3，對拉市海庫容的影響微不足道。拉市海內泥沙的沉積厚度分布如圖10所示。淤積部位主要發(fā)生在金沙江調水工程入拉市海處。

圖9 工程運行后典型斷面含沙量年變化

圖10 工程運行后拉市海泥沙淤積分布

3.4 水體透明度影響分析

拉市海透明度主要受懸浮物(泥沙)濃度的影響。由于拉市海缺乏系統(tǒng)的水體透明度監(jiān)測資料，依據(jù)在其他湖泊獲得的關于懸浮物濃度和水體透明度之間的關系，通過類比方法確定金沙江調水對拉市海透明度的影響。參照美國Okeechobee湖總懸浮固體與賽氏深度關系，如圖11所示[15]，預測金沙江調水工程平水年6月1日(含沙量較大，具有代表性)運行期間拉市海透明度情況，如圖12所示。

圖11 Okeechobee湖總懸浮固體與賽氏深度的關系

圖12 平水年來沙量較大時拉市海水體透明度分布

由于預測對含沙量的估計選擇了最不利情況，預測結果偏保守。金沙江調水時，在拉市海內，僅調水入拉市海處的較小范圍(引水隧洞出口兩側各100m，出口外延約400m范圍)內水體透明度受到影響(透明度由1.48m下降至0.1～1.0m)，約占拉市海湖面面積的0.44%，而占湖體絕大部分的其他區(qū)域的透明度基本沒有改變。

4 結論及建議

本研究應用EFDC建立水動力與水質、水溫、泥沙數(shù)學模型，預測金沙江某調水工程利用拉市海調蓄方案對拉市海水環(huán)境的影響。預測結果表明工程運行后拉市海湖中心斷面水溫變化幅度為-0.1～0.1℃。拉市海全湖水質均滿足Ⅲ類水質標準，尤其是CODMn明顯改善，氨氮和總磷總體有所降低，但金沙江來水總氮濃度較高，使拉市海總氮有所升高。引水帶來的泥沙全部沉積在拉市海中，相對拉市海湖容，淤積量很小，沉積主要分布在金沙江調水工程入拉市海處，引水隧洞出口兩側各100m，出口外延約400m范圍的水體透明度受到影響。結合現(xiàn)狀年拉市海存在枯水期CODMn超標情況，金沙江調水工程利用拉市海調蓄方案能在一定程度上改善拉市海總體水質，滿足水功能區(qū)劃要求。水溫、透明度、泥沙方面的影響程度較小。

類似引調水工程對調蓄湖泊水環(huán)境的影響可參照本研究進行預測分析，并結合工程特點和環(huán)境特征進行調整。

引調水工程利用湖泊調蓄產生的環(huán)境影響是全方位、多方面的，水環(huán)境只是湖泊生態(tài)系統(tǒng)中的一項關鍵環(huán)境因子，應基于水環(huán)境的影響分析，進一步研究對依賴于湖泊水環(huán)境的水生生態(tài)、濕地鳥類的影響。綜合上述方面的分析，才能對工程方案的選擇和優(yōu)化作出科學決策。