洱海流域水環境問題診斷與水質保護措施研究

馬巍 蔣汝成 周云 蘇建廣 忻龍玉

摘要：

洱海是大理白族人民的集中飲用水水源地，具有湖泊水質演變過程復雜、面源污染治理難度大、流域水資源短缺程度逐步加重、湖濱帶水生植物自然恢復緩慢等環境問題。分析了近年來洱海水質演變情況。按照新時代治水思路的要求，研究提出了高效節水生態農業、生態調蓄帶末端攔截、外流域補水、優化洱海4～7月水位調度等措施，以加快洱海水生態系統的修復與水質的持續性改善。為此，構建了洱海水環境數學模型用于開展相關水質改善措施效果的數值模擬。結果表明：①高效節水農業可從源頭上削減負荷30%以上;②生態調蓄帶匯流區旱季和降雨初期的雨污水可被全部攔截并回用農田;③外流域補水可補齊流域水資源短板，使洱海年度水質改善1.29%～5.15%，并為洱海水位優化調度與湖泊水生態修復提供良好的水資源條件支撐。

關 鍵 詞：

水環境問題; 高效節水生態農業; 面源污染; 生態調蓄帶; 外流域補水; 洱海流域

中圖法分類號： TV213.4

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.07.008

0 引 言

洱海是云貴高原上的第二大淡水湖，優美的自然條件和水生態環境為大理白族人民的繁衍生息提供了水源安全保障，并孕育了優秀的白族文化，留下了“大理古城”歷史文化遺跡和“云南印象”等諸多文化名片，已成為云南省蜚聲海內外的旅游與度假勝地。伴隨著旅游業的迅猛發展與湖區經濟的快速崛起，洱海流域水土資源過度開發、湖泊水生態系統逐步退化[1]、水體富營養化進程加快[2-3]、湖區水環境質量不斷下降[4-5]等問題日益突出。在習近平總書記新時代治水思路“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”的指引下，洱海保護治理工作日新月異，“七大行動”、“八大攻堅戰”等措施正在快速有序地推進和落實。自2018年起，洱海年內水質達標（滿足湖泊Ⅱ類）月數基本穩定在7個月，洱海水質保護成效已逐步顯現，但受資源條件約束與諸多因素的影響，以CODMn指標為表征的有機污染物濃度呈逐年升高的態勢，表明洱海水質演變過程及其時空變化規律十分復雜。盡管國內外學者針對洱海的水質狀況、演變過程及其富營養化特征等都開展了大量的研究[2-4]，但在近期人類活動的強烈干擾下，洱海水質的響應過程更趨復雜。

綜上所述，本文基于近期的水質監測數據及“七大行動”、“八大攻堅戰”等措施得到逐步落實的環境背景條件，采用數值模擬的方法來分析洱海水質的演變過程，識別當前治污策略下洱海尚存在的主要水環境問題，并有針對性地提出了流域水污染治理與湖泊水質保護措施，以期為洱海流域水環境綜合治理和湖泊水生態修復與保護提供科學的參考依據。

1 洱海流域水環境問題診斷

洱海地處云南省大理白族自治州中心地帶，隸屬瀾滄江一級支流黑惠江的支流，是大理市和周邊城鄉居民生產生活用水的供給水源地。洱海形似耳狀，略呈狹長形，南北長為42.5 km，東西寬為5.9 km，湖岸線長為128.0 km，呈北北西-南南東向展布（見圖1）。洱海最高水位為1 966.00 m[6]，對應蓄水容量為29.59億m3;法定最低運行水位為1 964.30 m[6]，對應蓄水容量為25.34 億m3。洱海最大湖泊水面面積為252 km2，最大水深為21.3 m，平均水深為10.6 m，流域面積為2 565 km2。

洱海流域屬于亞熱帶高原季風氣候，多年平均氣溫為15.1 ℃，年均降水量為1 060 mm，湖面蒸發量為1 208 mm。洱海水量主要由大氣降水和入湖徑流補給，主要入湖河流有29條，流域水系如圖1所示。由

圖1可以看出：北部為洱源和鄧川盆地，入湖河流有彌苴河、永安江、羅時江（簡稱“北三江”），入湖水量約占54.0%;西部為藏滇褶皺系，點蒼山屏列于洱海西岸，主要有蒼山十八溪及棕樹河，入湖水量約占27.2%;東部有鳳尾箐、玉龍河、南村河、下和箐，入湖水量約占0.2%;南部有波羅江、白塔河，入湖水量約占3.8%。湖周主要入湖溝渠有125條，大多分布在洱海西部蒼山區域，入湖水量約占14.8%。洱海有2個出口：西洱河（南部）和引洱入賓隧洞（東南角），其中西洱河多年平均出湖量為6.97億m3，引洱入賓隧洞自1994年建成以來，多年平均引水量為0.71億m3。

根據2018年洱海湖區常規水質監測數據可知，洱海主要水質指標COD、CODMn、TP、TN的年均水質濃度分別為16.100，3.750，0.028 mg/L和0.620 mg/L，分屬Ⅲ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅲ類水質，綜合水質類別為Ⅲ類;超Ⅱ類水質目標的有COD、TP、TN 三個指標，超標幅度分別為7.2%，10.2%，23.5%;洱海綜合營養狀態指數為43.1，屬中營養水平。從年內變化過程來看（見圖2），年內各水質超標月份均集中在6～10月。從年際變化過程來看（見圖3），各指標呈現波浪式變化特點，其中COD指標在2010年達到了極大值（17.5 mg/L），2015年達到極小值（13.3 mg/L），2018年又出現了極大值（16.1 mg/L）;TP指標在2016～2017年期間出現了極大值（0.029 mg/L），其中2008～2013年期間呈現逐年升高的趨勢，近3 a（2017～2019年）來呈現快速下降的變化趨勢;TN指標以2014年為分界點，2009～2014年期間呈逐年降低的趨勢，2014年以后呈逐年升高的趨勢，2019年達到了極大值（0.63 mg/L）;CODMn指標總體呈現逐年升高的趨勢。2010～2019年期間，洱海綜合營養狀態指數（TLI）為38.8～43.1（見圖4），均為中營養，其中2014～2017年期間水體富營養化升高趨勢較為明顯（TLI年均增加1.1），2017～2019年期間TLI升高態勢明顯趨緩（年均增加0.3），說明自2016年起開啟的“搶救式”保護洱海模式對減緩洱海水體富營養化的演變進程、保護洱海水質是有效的，同時以葉綠素a為代表的浮游植物生物量是影響洱海水體富營養狀態的決定性因素。

目前洱海主要存在如下幾個水環境問題。

（1） 洱海流域多年平均天然徑流量為11.45億m3，扣除湖面蒸發損失后，實際可用水資源量為8.29億m3，流域內年用水及引洱入賓水量合計為4.50億m3;目前洱海流域水資源開發利用程度已高達54.3%，來水量偏少年份（如2011，2013，2014年和2019年）的水資源開發利用程度已超過90%，流域水資源匱乏問題日益突出。

（2） 近年來洱海水質類別為Ⅲ類，營養狀態水平為中營養，超Ⅱ類標準的水質指標主要有COD、TP和TN，超標時段集中在雨季（6～10月），水質超標幅度為16.0%～60.6%，超標原因可能主要是農田面源污染及農灌退水溝渠滯留污染物在雨季初期集中入湖，以及水生植物冬季死亡后隨著氣溫升高而造成植物腐解后短期內大量釋放營養物質影響所致。

（3） 洱海水質演變過程及其成因十分復雜：① 容易受入湖河流水質的影響，比如2017～2019年，洱海湖區的TP濃度隨入湖河流水質濃度的逐年降低而呈現出明顯的改善過程（見圖5）;② 受到湖區浮游植物光合作用而合成的有機物、固氮效應、湖面蒸發濃縮以及內源釋放等的影響顯著，比如在2015～2018年入湖河流水質顯著改善的條件下，COD指標仍快速升高;③ 同時TN/CODMn濃度也呈逐年升高的態勢（見圖3）。可見，洱海水質保護治理工作任重而道遠。

（4） 受水資源條件制約，不得已攔蓄流域內全部雨污水是維持洱海年內水量基本平衡的重要保障，從而出現了洱海水位的升降與湖區水質濃度變化基本同步的現象（見圖6）。同時，在適宜沉水植物生長發育的5～6月，水位快速升高和日益加重的水體富營養化，抑制了2006～2016年期間湖濱帶水生植被的自然恢復（見圖7），削弱了沉水植物對浮游植物生長的抑制作用，尤其是水體交換性能極差的北湖湖灣，從而加劇了北部湖灣區的藻類生長及水力富集效應。

2 數據來源和研究方法

2.1 數據來源

水質數據主要來自大理白族自治州環境監測站、大理市環境監測站2016年和2018年湖區17個水質監測站點逐月水質監測資料，以及2016年和2018年洱海主要入湖河流逐月水質監測資料。水質指標主要包括化學需氧量（COD）、高錳酸鹽指數（CODMn）、總磷（TP）、總氮（TN）、氨氮（NH3-N）、透明度和葉綠素等。水量數據主要來自于大理白族自治州水文水資源局編制的《洱海水資源監測評價年報》，降雨、蒸發及風場資料主要來自于國家氣象局網站下載的大理州國控站數據。

2.2 研究方法

（1） 水質指標評價法。采用最常用的單因子評價法對洱海水質進行評價，即取某一評價因子的多次監測平均值，與該因子的標準值相比較，當某一項指標超過洱海Ⅱ類水質保護目標的標準值時，就表示洱海已經不能完全滿足該功能區的水質目標要求。

（2） 綜合營養狀態指數法。在洱海水體富營養化評價中，根據沈曉飛等[7]對

SL 395-2007《地表水資源質量評價技術規程》中推薦的營養狀態指數法和《地表水環境質量評價辦法（試行）》（環辦[2011]22號）中推薦采用的綜合營養狀態指數法（TLI（））進行對比分析，結果表明，洱海水體富營養化評價宜采用綜合營養狀態指數法，其分級評價標準應符合表1中的規定。

（3） 數學模型法。

流場是湖泊中入湖污染物輸移擴散的主要載體，湖流研究一直受到研究者的高度重視。風是湖流運動的主驅動力，由于風場變化頻繁且湖流運動緩慢，大規模的湖流觀測較為困難，因此，近年來數值模擬被廣泛地運用于各類水體動力學與水質遷移擴散方面的研究。

洱海屬大型的高原淺水湖泊，東臨玉案山，西及點蒼山，處于北北西-南南東走向的峽谷中，湖面風場受到湖周山勢影響氣流運動具有明顯的方向性;同時，峽谷中無凸出山體遮擋，故湖面可采用均勻風場條件。根據國內外大量淺水湖泊的研究成果[8-10]，風是洱海湖流運動的主驅動力，洱海湖流以風生流為主，入湖污染物在風生湖流和吞吐流的共同驅動下完成湖內的輸移擴散。因此，可利用平面二維水流運動方程（式（1））和對流擴散方程（式（2））進行數學描述[8-9]。

式中：h為水深，m;C可以分別為TP、TN、NH3-N、COD的濃度，mg/L;M為橫向單寬流量，m2/s;N為縱向單寬流量，m2/s;Ex為橫向擴散系數，m2/s;Ey為縱向擴散系數，m2/s;S為源（匯）項，g/（m2·s）;F（c）為生化反應項。

模擬指標重點選擇近期影響洱海水質類別變化的COD、CODMn、TP、TN 4項。各類特征污染物指標的生化反應項均可作一級簡化處理，其中COD、CODMn考慮自凈衰減并通過自凈衰減系數和內源釋放速率反映;TP、TN考慮各種物理、化學及生物因素引起的自然凈化與內源釋放，通過綜合自凈和釋放系數反映。

采用矩形網格（250 m×250 m）對洱海湖體進行計算單元劃分（合計3 969個），采用變量交錯布置的方式在計算網格上對上述方程進行離散，其中對流項采用迎風格式，擴散項采用中心差分，用迭代法求解離散方程組。利用洱海2016年和2018年湖內17個常規水質監測點每月一次的水質監測數據和同期的水位、入出湖流量、水質及氣象數據資料，對洱海水動力與水質模型進行參數率定與模型校驗。結果表明（分別見圖8和圖9）：洱海水動力與水質模型能夠較好地反映洱海的湖流形態與入湖污染物的時空變化特征，模擬結果具有較高的模擬精度，水動力與水質模型可為水情變化條件下的洱海湖流、水質時空分布模擬提供科學的技術手段。

3 洱海流域面源污染治理與湖泊水質保護對策

針對洱海流域目前存在的初期高濃度雨污水及大量的農田面源污染難以有效控制、流域水資源短缺導致洱海只能攔蓄全部雨污水而無法實現“蓄清排污”的調度運行方式，以及湖濱沉水植物大面積消失致使湖泊水生態系統退化嚴重并加劇湖灣的藻類生長及其富集等主要水環境問題，遵循“源頭控制-過程阻斷-末端攔截-水生態修復”的綜合治理思路，分別提出了如下水環境治理與湖泊水質保護對策。

（1） 高效節水生態農業建設是流域面源控制與源頭治理的重要舉措。

在環湖截污工程已全面落實并逐步發揮效益的情況下，面源污染是洱海入湖污染負荷的最主要來源。因此，亟需推進環洱海和主要入湖河流禁養區的奶牛及生豬養殖的轉移和退出，流域內種植結構調整并取締高水高肥的大蒜種植，推進生態農業示范園以及高標準生態農田、生態溝渠等建設;加快推進農田水利改革進程，推廣噴灌、滴灌、微灌、水肥一體化等節水農業技術，大力推動農業節水減排，加強灌區工程規劃與建設、管理，注重農業灌溉排水管理和面源污染控制。逐步取締大水漫灌，規范農業取水，實施農業定額取水制度，著力提高用水效率。與湖濱緩沖區庫塘和濕地生態建設和低污染水凈化工程相結合，實施環洱海地區農業灌溉用水提升改造工程，加大農田高營養退水的重復利用率，減少農田灌溉在河流的清水取水量，以有效削減農田面源污染負荷。通過高效節水生態農業建設，洱海流域面源入湖負荷量削減率超過30%，這對流域污染物面源削減、入湖污染物總量控制及洱海水質整體達標都具有重要的推動作用。

（2） 農業耕作區與湖濱帶銜接區構建條帶狀生態調蓄帶是強化末端攔截的有效手段。

生態調蓄帶工程是集截污、調蓄、水質凈化、水資源回用、向湖濱濕地補水及湖濱生態景觀建設于一體的綜合利用工程。在洱海西岸農田耕作密集區與湖濱濕地的銜接區沿湖岸構建條帶狀調蓄池，利用生態調蓄帶的有效庫容攔截并調蓄洱海西岸各溝渠枯水季的入湖廢污水、初期雨污水及部分農田面源徑流，在調蓄帶濕地中充分靜置、沉積及凈化功效作用下，讓經由調蓄帶后再通過湖濱濕地凈化后的入湖水質得到充分凈化和改善。同時，將調蓄帶內水資源回用于調蓄帶匯流區的農田灌溉，以減少農田灌溉用水對洱海及蒼山十八溪清潔水資源的消耗，讓更多的清水直接流入洱海，因此洱海西岸生態調蓄帶工程可在農灌溝渠污染物入湖減排效益方面發揮顯著的功效。比如2016年，撫仙湖北岸生態調蓄帶工程已投入運行并發揮了入湖污染物減排效益。從撫仙湖北岸生態調蓄帶工程的實際運行效果來看：① 枯水季節的廢污水和雨季的初期雨污水可全部被攔截并回用于農田灌溉;② 典型枯水年水情條件下，調蓄帶可使匯水區直接入湖的TP、TN、COD和NH3-N污染負荷削減約70%以上。

（3） 沉水植物復蘇生長期（4～7月）的低水位運行是加快湖濱帶水生植被自然修復與湖泊水生態系統健康循環的重要驅動力。

湖泊底部良好的光照是沉水植物賴以生長的基本前提，其直接影響沉水植物在湖泊中的最大分布水深[10-12]。近年來，頻繁的人類活動加速了洱海水體富營養演化進程，水體透明度下降對湖濱沉水植物造成了嚴重的弱光脅迫[1]，沉水植被分布面積由1980s的約40%下降至2006年的8%～10%（見圖9），沉水植物分布水深下限由1980s的9～10 m退化到6 m以內。因此，對于洱海湖濱帶沉水植被的修復，除了亟需在合適的湖區進行人為補種以加快水生態系統修復以外，更需要為沉水植物的自然生長與繁衍提供條件。

中科院水生所研究表明：適宜面積的沉水植物分布是維持洱海良好水生態系統的重要保障，沉水植被對洱海水質改善起到重要作用。在4～6月水溫大于15 ℃后，沉水植被開始復蘇生長，該時段是洱海水位優化調控的窗口期;此外，水生植被占洱海18%的水面才能發揮較佳的凈化功能。為此，結合洱海保護條例的法定最低運行水位要求并考慮到蓄水壓力，洱海沉水植被復蘇生長期（4～6月）可適度維持低水位（1 964.30～1 964.60 m）運行，這樣有利于促進6 m水深以內沉水植被的快速復蘇生長;同時，7～8月份，地表徑流中攜帶有大量的面源負荷入湖，是洱海水體透明度明顯下降的時段，可維持較低水位（1 964.60～1 964.80 m）運行，這樣有利于湖濱淺水區（6 m以內）沉水植物的生長，并為淺水區沉水植被逐步向適度深水區（6～10 m）延展創造條件。

通過2017～2018年期間4～7月適度的低水位調度實踐（水位變幅1 964.26～1 964.79 m）并結合適當的人工修復措施（栽種本地種水草），洱海湖濱帶水生植被恢復性增長十分顯著，2018年分布面積達33.4 km2（見圖9），占比為13.36%。因此，4～7月洱海維持較低水位運行是促進洱海沉水植被自然修復和湖泊水生態系統健康循環的重要驅動力。

（4） 外流域補水可為沉水植被復蘇生長期低水位運行及洱海水質持續性改善提供關鍵的水資源條件支撐。

在當前流域水資源僅能維持湖泊水量基本平衡的條件下，洱海水質與湖泊水位變化具有明顯的關聯性。雨季將大量的農業農村面源負荷攔蓄在湖內，是洱海雨季水質嚴重超標的關鍵所在。因此，結合洱海湖濱帶沉水植物復蘇生長期（4～7月）的低水位運行和汛前期不蓄水、汛中期少蓄水、汛后期蓄水的“蓄清排渾”調度運行需求，亟需外流域補水來提供靈活調度的水資源支撐，以加快洱海湖濱濕地沉水植被的自然恢復并向適度深水區延展;同時，也有利于快速推進洱海湖區水質持續性改善和整體水質達標的早日實現。

通過云南省水利水電勘測設計研究院對洱海周邊的引水水源點進行比選，從黑惠江干流和桃源河支流建設大型水庫引水，平水年型可引水量為2.31億m3，其中具有多年調節性能的桃源水庫補水量為1.07億m3，黑惠江干流引水量為1.24億m3。桃源河水質現狀水質較好，建庫后，各指標的水質濃度如下：COD為4.000 mg/L，CODMn為1.100 mg/L，TP為0.010 mg/L，TN為0.140 mg/L;黑惠江干流水質目標為Ⅱ類，結合現狀年水質情況和水質保護目標要求，黑惠江干流引水水質設計為枯水期：COD為6.000 mg/L，CODMn 為1.500 mg/L，TP為0.025 mg/L，TN為0.500 mg/L;豐水期：COD為10.000 mg/L，CODMn為2.500 mg/L，TP為0.050 mg/L，TN為0.500 mg/L。

以2018年洱海流域的水文與水環境條件為背景，在設計的補水過程和引水水質條件下，在維持洱海年內水量基本平衡的條件下，外流域補水可以實現洱海湖濱帶沉水植被復蘇與生長期的低水位運行（見圖10）。同時，數學模型模擬預測結果也表明，洱海全湖年內整體水質（COD、CODMn、TP、TN）可分別由補水前的16.260，3.540，0.027 mg/L和0.650 mg/L降低到15.420，3.360，0.027 mg/L和0.630 mg/L，改善幅度分別為5.15%、5.01%、1.29%、3.32%，補水前后各水質指標濃度年內變化過程如圖11所示。

由此可見，以黑惠江干流和桃源水庫為水源的外流域補水工程，可為洱海湖濱帶沉水植被復蘇生長期的低水位運行以及洱海水質持續性改善提供可靠的水資源條件支撐。

4 結 論

（1） 洱海流域多年平均天然徑流量為11.45億m3，扣除湖面蒸發損失后，水資源開發利用率已達到54.3%，來水量偏少年份甚至超過90.0%以上，顯然，流域水資源匱乏問題日益突出。在洱海流域種植業發達、旅游資源豐富及干濕季節分明的背景條件下，農業面源污染物隨降雨徑流在6～10月期間集中入湖，是近年來洱海雨季水質超標的關鍵環境驅動因子;受資源條件制約的年內水位節律波動變化抑制了湖濱帶水生植被的自然恢復和洱海“蓄清排渾”功能的發揮。

（2） 遵循“源頭控制-過程阻斷-末端攔截-水生態修復”的系統治理思路，以種植業結構調整、規模化畜禽養殖遷轉、高效節水技術推廣、生態塘庫建設為主要抓手的流域面源源頭治理與過程阻斷是關鍵。農業耕作區與湖濱帶銜接區構建條帶狀生態調蓄帶，是強化農田面源末端攔截和水資源重復利用的最有效手段，可實現生態調蓄帶匯流區旱季雨污水和初期高濃度雨水全攔截，以及枯水年型下全年雨污水攔截率超過70%以上。

（3） 在該流域來水量不足時依托外流域補水，在4～7月實施低水位調度運行以提升湖濱帶水生植被的自然修復能力，發揮洱海汛前期“蓄清排渾”功效，使洱海年度水質改善達1.29%～5.15%，并可加快湖泊水生態系統向良好方向發展，同時也可為洱海水質的持續性改善提供良好的水資源條件支撐。

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（編輯：趙秋云）

引用本文：

馬巍，蔣汝成，周云，等.

洱海流域水環境問題診斷與水質保護措施研究

[J].人民長江，2021，52（7）：45-53.

Study on diagnosis of water environmental problems and water quality

protection countermeasures in Erhai Lake Basin

MA Wei1，JIANG Rucheng2，ZHOU Yun2，SU Jianguang2，XIN Longyu3

（1.Department of Water Ecology and Environment，China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China; 2.Planning Department，Yunnan Water Conservancy and Hydroelectric Survey Design and Research Institute，Kunming 650021，China; 3.Beijing Hanyu Information Technology Co.，Ltd.，Beijing 102308，China）

Abstract：

Erhai Lake is a main drinking water source of the Bai ethnicity in Dali，Yunnan Province.There are some water environmental problems in Erhai Lake，such as the complicated evolution process of water quality，the difficulty to effectively control non-point source pollution，the aggravation of water resource shortage，and the slow natural recovery of submerged plants along the lakeside.According to the new thinking on water conservancy in the new era，this paper puts forward some targeted measures，such as facilitating the development of efficient water-saving agriculture，strengthening the end interception of pollutants by the ecological storage zones，carrying out projects to supplement water from other river basins，and optimizing the water level scheduling of Erhai Lake from April to July，which are keys to achieve Erhai Lake′s sustainable improvement of water quality and water ecosystem as well.Therefore，this paper established amathematical model of water environment of Erhai Lake to carry out the numerical simulation of water quality improving measures.The results showed that the efficient water-saving agriculture could reduce more than 30% of the pollution loads from the source.The rain sewage in the confluence area during the dry season and the early rainfall period could all be intercepted and reused by the ecological storage zones.The water supplementation from other basins can make up the shortcoming of water resource shortage，to improve annual water quality of Erhai Lake by 1.29%～5.15%，which can provide a good water resources condition support for the optimal scheduling of water level and water ecological restoration in Erhai Lake.

Key words：

water environmental problems;efficient water-saving ecological agriculture;non-point pollutant;ecological storage zones;water supplementation from other basins;Erhai Lake Basin