滇池流域水環境承載力及其提升方案研究

淦家偉 楊洋 馬巍 陳欣 戍國標

摘要： 在外流域引水為流域飲用水安全、湖泊健康水循環和污水處理廠尾水外排提供水源安全保障的情況下，滇池流域內的經濟社會活動與湖泊水質演變失去了聯系， 但以水環境容量為核心的流域水環境承載力，仍可以對入湖河流單元的點源、面源污染物總量的控制起指導作用，并通過水質濃度限值來實現對入湖河流水質目標的精細化管理。以滇池流域現有的水循環過程和水資源條件為背景，采用典型水文年過程重新核算了滇池的水環境容量，研究了入湖河流的水質目標濃度管控方案，確定了入湖河流的生態環境流量需求，并提出了流域水環境承載力的提升方案。研究結果表明：保障入湖河流的生態環境流量可以使滇池水環境容量增加4.4%～8.6%，提高滇池流域水環境的承載力，并為流域產業結構調整、空間管控規劃等提供一定的安全余量。

關 鍵 詞： 水環境承載力; 水環境容量; 生態環境流量; 水質目標濃度管控; 滇池流域

中圖法分類號： ?X143

文獻標志碼： ?A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.08.006

0 引 言

滇池流域地處長江、珠江和紅河的分水嶺地帶，區域內人均水資源量不足200 m3[1-2]。滇池位于流域中心及湖盆最低點，既是昆明人民的水源地，同時又承納流域內的點、面源污染負荷。伴隨著區域經濟社會的快速發展，河湖生態及農業用水被逐步擠占，城市生活污水和農田灌溉退水逐步成為維持湖泊水量平衡的主要水源，這導致河湖水質污染日益嚴重[3-5]、流域水環境承載力嚴重超載[6-8]、湖泊富營養化問題十分突出[1，9-10]。為支撐云南省面向南亞東南亞輻射中心戰略的實施和省會城市昆明向特大型城市持續發展，自進入21世紀初以來，陸續實施了一系列外流域引水工程，比如掌鳩河（2008年）、清水海（2010年）等引水工程基本解決了昆明人民喝滇池水的痛苦經歷，牛欄江-滇池補水工程（2013年底通水）為滇池外海北部環湖截污及污水處理廠尾水外排提供了水資源條件保障[2]，部分實現了滇池流域入湖水量的“清污分流”（流域水循環過程詳見圖1[1]）。“十二五”期末滇池水質持續惡化趨勢已得到有效控制，“十三五”期間湖泊整體水質企穩向好趨勢明顯（見圖2和圖3）。目前，滇池草海、外海整體水質類別為Ⅳ～Ⅴ類，年際間受水情條件影響存在明顯波動。

牛欄江來水初步解決了滇池流域內湖泊生態環境用水的清潔水源問題，但入湖河流季節性斷流問題突出。同時，污水處理廠水質提升后的尾水被迫外排（110萬m3/d，總體滿足Ⅲ～Ⅳ類水標準，TN指標濃度較高），從而出現“（尾）水多”與“（清）水少”共存、牛欄江來水如何優化配置以及流域內多種水資源如何合理利用等問題。因此，亟需以現有的多水源（本區來水、污水處理廠尾水、外流域引水等）條件為背景，結合其水循環特點，系統梳理滇池流域水環境承載力概念與內涵[1，11]，研究滇池流域水環境承載力狀況及其時空分布特征;并從新時代全面推進河湖長制的管理需求出發，提出流域水環境承載力提升方案及其水質約束條件，以促使滇池水生態系統功能逐步恢復并最終實現其良性循環。

1 研究方法

滇池位于金沙江一級支流普渡河的源頭區，毗鄰昆明主城區下游，流域面積2 920 km2。滇池是云貴高原上最大的淡水湖泊，環湖有37條入湖河流及溝渠（水系見圖4），海口河是滇池唯一的天然出口，后因昆明主城區防洪和湖泊水質保護需要，于1996年在草海西岸建設了西園隧道排水通道，并由海埂節制閘將滇池分割為草海和外海兩部分，其中外海是主體，水面積為298 km2，約占滇池的96.7%，蓄水量占滇池總湖容的98.5%[7]。

滇池三面環山，湖面風場相對較為穩定，常年以西南風為主且年際變化不大。考慮到滇池西岸為高出湖水面500 m的西山，東、南、北部地勢相對平坦，當西南風吹過滇池湖面時，受西山遮擋影響，湖面風場十分復雜。因此，本文采用反映西山復雜地形影響下中小尺度準三維氣流動力學模式進行湖區三維風場模擬[2，12]，為滇池水動力模擬提供湖面風場邊界條件（見圖5）。同時根據國內外大量淺水湖泊的研究成果[12-14]可知，風是滇池水流運動的主驅動力，故滇池湖泊水流運動及污染物在水體中的遷移擴散過程可分別用平面二維水流運動方程和對流擴散方程進行數學描述[13-15]，其中模擬指標主要包括CODMn、TP、TN。各類污染物指標的生化反應項均可作一級簡化處理。

利用滇池2014年和2015年湖內10個常規水質監測點的水質數據和同期的水文氣象數據及污染源資料，對滇池水環境數學模型進行了參數率定與模型校驗，湖流流場（見圖6）及水質模擬結果（見圖7）均表明：滇池水環境數學模型能夠較好地模擬湖泊的湖流形態和環流結構，水質模擬精度較高（滇池10個水質監測站點的水質模擬誤差均控制20%以內），可為滇池湖流模擬、水環境容量計算和水環境承載力提升方案研究提供可靠的技術手段。

2 滇池流域水環境承載力研究

在滇中引水工程建成通水前，滇池流域的水資源配置格局已基本形成，其水資源條件由本區來水和掌鳩河、清水海、牛欄江外流域引水共同組成，合計水資源總量為14.50億m3[1，16]。同時，為加快滇池水質改善進程，外海北部環湖截污工程將昆明主城區水質凈化廠的尾水（約110萬m3/d）經環湖截污干管導向西園隧道，排向滇池下游，致使流域內的經濟社會發展與滇池水環境質量失去了必然聯系，流域水循環過程不閉合（見圖1），即支撐滇池流域經濟社會發展的水資源條件和排污量與湖泊水量水質無必然聯系，因此滇池入湖負荷量無法客觀反映流域人口與經濟規模及污染防治的水平，滇池水環境容量也無法與流域人口和經濟規模建立相應的響應關系，故滇池流域水環境承載力僅為狹義的承載力概念，即滇池水環境容量，并以滇池旱、雨季的環境容量來指導對流域點、面源總量的控制，且通過水質濃度限值來實現對入湖河流水質目標的精細化管理。

2.1 數據來源

本文所用研究數據來源于云南省滇池保護條例、云南省水功能區劃、滇池流域水環境功能區劃、云南省水文水資源局昆明分局、昆明市環境監測中心、國家氣象局、昆明市氣象局、滇池管理局、牛欄江-滇池補水工程調度中心等。表征滇池草海和外海有機污染程度及水體富營養化水平的特征污染物指標（CODMn、TN、TP）的水質目標為GB3838-2002《地表水環境質量標準》中的湖庫Ⅳ和Ⅲ類水質標準。

2.2 計算條件

在現有的水資源條件和流域水循環格局下，以昆明大觀樓站1951～2015年年降雨量進行頻率分析（見圖8），選擇典型枯水年（P=90%，1988年）作為設計水文條件，采用開發的滇池流域水文與非點源污染負荷預測模型為技術工具，模擬預測當前遭遇枯水年型的降雨量條件下環湖河流的逐月入湖水量。考慮年內降雨徑流過程攜帶面源負荷總量控制需求，按照滇池流域水污染防治“十三五”規劃提出的規劃目標要求“滇池水質穩定在Ⅳ類，關鍵性指標達到Ⅲ類”，研究滇池年內逐月水質均滿足規劃水質目標條件下的水環境承載力。

2.3 ?滇池水環境容量及入湖水質濃度管控方案

在典型枯水年設計水文條件、牛欄江-滇池補水工程運行和入湖河流水質基本不劣于現狀條件下，遵照滇池保護條例的調度運行規程[17]，為了使滇池水質達到規劃水質保護目標（外海：Ⅲ類;草海：Ⅳ類），計算得到滇池湖泊水環境承載力和入湖河流分區水質目標濃度限值，其結果分別如表1和表2所列。

在當前的流域水循環過程與牛欄江來水經盤龍江入湖條件下，滇池CODMn、TP、TN三個指標的水環境容量分別為11 129，326 t/a和5 854 t/a。其中，湖面降雨降塵入湖的CODMn、TP、TN分別為487，37 t/a和441 t/a，分別約占滇池水環境容量的4.2%，11.1%和7.3%;湖泊內源釋放的CODMn、TP、TN分別約為4 511，169 t/a和2 594 t/a，約占滇池水環境容量的40.5%，51.1%，43.3%;在考慮湖面降塵、湖泊內源釋放和湖面水量蒸發擠占了滇池水體的大部分容量后，3個指標（CODMn、TP、TN）可茲利用的水環境容量分別為6 131，120 t/a和2 820 t/a;同時，水環境容量的年內及空間分布差異十分顯著（見圖9和圖10）。由于內源釋放（包括湖面藻類光合作用合成有機物）和降雨降塵負荷短期內很難有效控制，故從總量控制的角度將對陸域點源、面源治理提出更嚴格的控制與管理要求，即TP和CODMn應執行比水功能區劃（草海入湖河流Ⅳ類、外海入湖河流Ⅲ類）更嚴格的水質濃度限值（見表2）。

3 滇池流域水環境承載力提升方案

基于水環境容量的概念與內涵[1]，并結合滇池流域水循環過程中存在的“尾水多”、“清水少（河流季節性斷流）”及牛欄江-滇池補水工程來水入湖過于集中（盤龍江單通道入湖）等問題，以流域內現有的水資源條件為背景，以入湖河流的生態環境流量需求來指導多水源（本區來水、上游水庫泄水、牛欄江補水和水質凈化廠尾水）的合理配置，從而可增加滇池的水環境容量，提升滇池流域水環境承載能力。

3.1 滇池環湖入湖河流生態環境流量需求

基于滇池環湖入湖河流的功能定位（防洪、排澇、排水、景觀、自然河道），綜合考慮河道基本生態需水、城區河道景觀需水和水面蒸發及滲漏損失補水需求，采用水文學與水力學相結合的方法，計算得到了為保障各主要入湖河道的生態環境安全和維持基本的流水景觀的滇池環湖入湖河道的生態環境需水總量，為5.87億m3/a（18.60 m3/s）[1]。其中，滇池環湖主要入湖河流的生態環境流量分別為：新運糧河0.70 m3/s、老運糧河1.07 m3/s、大觀河1.18 m3/s、西壩河0.30 m3/s、船房河0.95 m3/s、采蓮河0.40 m3/s、盤龍江2.71 m3/s、海河1.50 m3/s、大清河0.80 m3/s、蝦壩河0.92 m3/s、姚安河0.46 m3/s、老寶象河0.30 m3/s、寶象河1.99 m3/s、馬料河0.77 m3/s、洛龍河1.01 m3/s、撈魚河1.16 m3/s、大河0.15 m3/s、柴河0.14 m3/s、東大河0.65 m3/s、護城河0.48 m3/s。

3.2 ?多水源條件下滇池環湖入湖河流生態環境流量滿足程度

入湖河流的生態環境流量可由本區段河道來水、上游已建水庫調度下泄、臨近污水處理廠尾水回用和牛欄江引水量組成。單純從水資源量配置角度，需遵循本區優先，污水處理廠尾水次之的原則，如水量仍不足時再考慮外流域調水補給。由于大河、柴河、東大河和古城河位于滇池南岸，距離牛欄江-滇池補水工程出口（盤龍江）較遠，暫不考慮牛欄江來水對上述河流生態環境補水的可行性。如表3所列，滇池各主要入湖河流可用的多水源情況表明，除外海南部幾條距離較遠的河流外，其余各主要入湖河流的生態環境流量均可得到較好滿足。

3.3 ?基于入湖河流生態環境流量需求下的滇池流域水環境承載力

通過外流域補水多口分流和本區多水源工程（包括上游水庫下泄、河道區間匯流、提標尾水回用等）的優化配置，不僅可為湖周入湖河流的生態環境用水提供良好的水源保障，同時亦可改善草海、外海的水動力條件，讓更多的清潔水量從水質相對較好的外海東岸入湖，并經外海北部的水體置換通道和海口河排出，從而可有效提升滇池水環境容量（見圖11）并促進滇池草海和外海水質持續性改善。

在入湖河流生態環境流量保障方案下，扣除湖面降雨降塵、內源釋放及湖面蒸發濃縮擠占的環境容量后，滇池流域3個指標（TP、TN、CODMn）可利用的水環境容量分別為125.3，2 961.0 t/a和6 661.0 t/a，分別較入湖河流環境流量無保障方案增加了4.4%，5.0%，8.6%。其中，草海各指標的水環境容量增幅很大（分別為23.5%，14.7%，32.3%）;外海盡管分流了部分水量進入草海，但隨著入湖水量的空間優化，其水環境容量仍較分流入草海前有所增加，外海3個指標的容量亦分別增加了1.7%，3.7%，5.5%。基于入湖河流生態環境流量需求下的入湖水量及過程的空間優化調整，可較大程度地提高滇池流域的水環境承載力，也可為滇池流域產業結構調整、空間管控規劃、流域總量控制預留一定的安全余量，并為全面推進河湖長制和流域水環境質量持續性改善提供科學的技術支持。

4 結 論

（1） 外海北部環湖截污工程將昆明主城區污水處理廠尾水（約110萬m3/d）經截污干管導向西園隧道并排向滇池下游，致使流域內經濟社會活動與滇池水質失去了聯系，故滇池流域水環境承載力為狹義的水環境承載力，可以水環境容量來指導流域點、面源污染物總量控制，并通過水質濃度限值來實現入湖河流水質目標的精細化管理。

（2） 在現有的水循環過程及牛欄江來水補給湖泊環境用水條件下，滇池CODMn、TP、TN三個指標的水環境容量分別為11 129，326 t/a和5 854 t/a，在扣除湖區干濕沉降、內源釋放及水面蒸發濃縮擠占了滇池的大部分容量后，3個指標可茲利用的水環境容量分別為6 131，120 t/a和2 820 t/a，僅占總環境容量的55.1%，36.9%，48.2%;同時，滇池水環境容量的年內季節分布及空間分布差異十分顯著。

（3） 保障入湖河流的生態環境流量可以提高滇池湖泊的水環境容量，即在入湖河流生態流量保障方案下，3個指標可茲利用的水環境容量分別為6 661.0，125.3 t/a和2 961.0 t/a，分別較無環境流量保障方案增加了8.6%，4.4%，5.0%。其中，草海各指標的水環境容量增幅很大，分別為23.5%，14.7%，32.3%;外海盡管分流了部分水量進入草海，但入湖水量空間優化使外海可利用的水環境容量仍有所增加，增幅為1.7%～5.5%。

（4） 在受入湖污染物總量約束及時空分布格局下，提出了分區入湖河流的季節性水質濃度限值的要求，且各入湖河流的CODMn、TP水質濃度限值明顯嚴于水環境功能區劃確定的水質目標濃度值;同時，多水源配置中的尾水水質提標改造是污水處理廠尾水規模化利用的限制性因素。

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（編輯：趙秋云）

引用本文：

淦家偉，楊洋，馬巍，等.

滇池流域水環境承載力及其提升方案研究

[J].人民長江，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