優化水資源配置 持續改善滇池水質

　　滇池草海補水湖內水質改善技術示范工程設置的圍堰

　　課題構建的“3-2-4”研究體系

　　理論揭示：內部氮磷循環過程對湖體氮磷存量的貢獻

　　演變態勢：2030年滇池流域水量分配及水量平衡規劃

　　優化配置：2020年區域再生水資源綜合利用及優化配置方案

　　滇池是雲貴高原湖區大型重污染淺水湖泊的典型代表，其富營養化成因復雜，是我國“三湖”治理的重中之重。自“九五”以來的持續和規模化治理，使得滇池的富營養化狀況明顯改善，水質惡化趨勢得到遏制，但尚未實現根本好轉。流域生態用水短缺是制約滇池水質進一步改善的一個重要因素，為解決這個問題，“十一五”期間昆明市啟動了滇池治理“六大工程”之一的牛欄江-滇池補水工程，加之前期的清水海、掌鳩河等引水工程及流域內污水處理廠尾水外排，形成了天然水、外調水、再生水“三水”共存的復雜格局，徹底改變了滇池區域和流域的水資源系統邊界條件，對滇池流域水資源系統的時空分配及水質提升帶來了新的機遇和挑戰。

　　因此，明晰滇池流域水資源系統的綜合平衡關系以維護流域內水環境可持續發展、優化流域水資源時空格局以滿足滇池水質的持續改善、明確流域水資源系統的時空分配與滇池水質提升的聯動性以實現水量-水質聯合調度等，已成為滇池治理中最為迫切和關鍵的決策需求和科學問題。

　　面對滇池流域“三水”共存的復雜格局，為解決流域水資源系統的時空分配問題及滇池水質提升帶來的挑戰，國家水體污染控制與治理科技重大專項在“十二五”啟動了“滇池流域水資源聯合調度改善湖體水質關鍵技術與工程示范”課題（2013ZX07102-006）。課題由北京大學承擔，聯合雲南省水利水電勘測設計研究院、雲南省環境科學研究院、中國科學院地理科學與資源研究所、昆明市環境科學研究院等多家科研單位共同完成。

　　課題以為滇池水質和生態恢復提供最佳的水量、水質與水動力條件為目標，研發並集成了滇池流域水資源優化分配利用及湖泊水質改善集成技術體系，系統、逐級地開發了區域→滇池流域→滇池湖體的水資源綜合利用、湖體水質改善以及水資源系統水質-水量時空優化調控等關鍵技術，有力支撐並構建了“3-2-4”的整體框架，即：從“區域-流域-湖體”三個尺度逐級遞進實現水資源系統優化分配，構建流域自然與社會二元水循環，形成區域、流域、水系和湖體的四級分配調度體系與工程示范，實現了補水工程的“三個轉變”——由單純補水向恢復流域自然水循環轉變、由單純水資源利用向為滇池水質改善提供最佳水量與水動力條件轉變、由單純水量調度向水質-水量聯合調控轉變，支撐了滇池2017年全湖水質提升為Ⅴ類、藍藻水華由重度逐步過渡為中度。

　　課題從大系統的角度分析解決滇池流域水環境問題，以水資源配置實現污染源頭控制、入湖負荷削減與水資源優化調整，依據滇池富營養化機理研究指導科學治理決策，為滇池水質的持續改善提供了理論前提，為最大限度優化補水工程的綜合效益提供了技術支撐。

　　研發了流域水資源優化分配利用及湖泊水質改善集成技術體系，突破了水資源多尺度動態優化調控在效率和精度上的技術瓶頸

　　課題研發、突破並集成了多尺度的流域水資源優化分配利用及湖泊水質改善集成技術體系，深度解析了滇池流域中、遠期水資源平衡態勢變化以及牛欄江調水工程對滇池水質、水動力和水生態影響，完成了再生水在流域內外的優化分配、流域水質-水量聯合調度、流域生態用水替代和自然水系構建，實現了復雜水文條件變化下的滇池富營養化氮磷驅動機制的理論突破，構建了“3-2-4”整體框架，研究成果在雲南省和昆明市的滇池治理決策中得到應用和推廣。

　　課題以牛欄江補水工程實施后滇池流域的自然、社會水循環所發生的快速和復雜變化為邊界，積極響應多元水循環下的流域水資源優化分配和滇池水質持續改善的科技需求。針對已有單項分析技術無法實現復雜水文條件變化下的區域、流域和湖體的多尺度綜合影響評估的不足，以及傳統調度技術在計算效率、精度、多目標優化等方面存在的瓶頸，課題自主研發並集成了集區域再生水資源綜合利用與減負循環優化決策技術、牛欄江補水的湖體水質改善關鍵技術和流域水資源系統水質-水量時空優化調控關鍵技術為一體的流域水資源綜合調度改善湖體水質的關鍵技術體系。

　　1.流域再生水跨區域綜合優化調度關鍵技術

　　為解決現有及規劃年滇池流域集中式再生水在不同行業用戶間用水矛盾突出以及近期“用不了”而遠期“不夠用”的供需不平衡等問題，針對再生水在城市多空間與多行業聯動的動態調度優化難點，以循環、減負、改善滇池水質為目標，以CE-NSGA-II為優化計算引擎，開發逐步時空分解精細優化決策技術，構建了基於網格尺度的滇池區域集中式再生水的時-空動態多目標優化配置技術。在時間尺度上制定了具有時間適應性與規劃連續性的再生水資源行業分配方案﹔在空間尺度上開展了“區域-行業-網格”降尺度彈性化精細配置，以保障方案落地，實現了不同行業優先度保障、再生水資源循環利用及滇池入湖負荷減負的目標。

　　2.牛欄江補水的湖體水質改善關鍵技術

　　此技術將網格細化為0.003km2，實現了對滇池水體的高精度數值模擬，並開發了新的沉積物模塊﹔依托開發的並行計算技術與調度平台，將模擬計算步長由分鐘縮短為30秒，水位波動精度達到97%的准確度，精確描述了水動力、水質的空間變化，在時空上實現模擬的高精度與高效率。在此基礎上，開發了湖泊營養物質循環過程通量核算技術，能夠獲取任一時間內滇池水體不同形態營養鹽參與的物理、生物、化學反應過程通量，揭示了流域復雜水循環格局變化下的滇池水質非線性響應機制﹔通過開發增強學習技術和模擬-優化方法，研發了補水工程區水量水質動態監控調度技術，提出了既定目標水質條件下的最優調水方案。

　　3.流域水資源系統水質-水量時空優化調控關鍵技術

　　在充分考慮流域內外水源水量多樣化以及入湖河流生態用水和污染負荷時空變化大等因素，研發了具有響應快速、系統誤差低等優勢的流域水文-水動力-水質-水生態過程多情景模擬預測技術。基於滇池流域水資源時空分質優化調控技術，以及課題組自主開發的第二代貝葉斯遞歸回歸樹算法（BRRT v2.0），突破了流域多源水資源聯合調度改善湖泊水質在配置系統的多目標、計算成本、調度方案准確性等方面的技術瓶頸，獲得入湖多通道的水質水量合理分配方案，最大程度地實現了調水區與受水區、引水與防災、外海與草海、流域內與外、上游與下游、昆明缺水與生態基流、再生水利用與滇池水質改善之間的動態平衡﹔實現了陸面-湖體全過程的流域水文-水質模擬與優化調控﹔制定了豐、平、枯年型的調度規則，開展了基於滇池水質水動力模擬的水力調度優化的間接耦合﹔開展了流域水資源優化配置、德澤水庫-滇池聯合優化調度、入湖河流水量水質合理調度及滇池水位運行與綜合調度。

　　其中，課題在流域水文、湖體水動力和模擬-優化等方面的關鍵技術具有自主知識產權，實現了水位模擬誤差≦3%，TN和TP模擬誤差≦15%，Chl-a模擬誤差≦20%，其精度不低於國內外同類技術，模擬-優化計算效率提高20%左右。

　　定量解析流域中遠期水資源平衡態勢，揭示了滇池富營養化響應及氮磷驅動機制

　　通過對滇池流域水資源系統現狀的調查、流域水量平衡特征的系統分析以及多水源聯合調度的可行性分析，課題對1980年~2030年水資源系統進行概化，明確了滇池流域水資源系統的演變態勢，對基准年、近期規劃年（2020年）和遠期規劃年（2030年）的滇池水量平衡進行了系統分析預測，對不同供水保証率下的水資源供需平衡進行核算，實現了對滇池流域水資源系統平衡態勢的定量化評估。

　　評估結果表明，為削減滇池入湖污染負荷，城市尾水應盡量直接外排，外排量取決於滇池水量平衡﹔在外流域調水工程未實施前，城市尾水隻有排入滇池才能維持湖泊的水量平衡﹔在牛欄江-滇池補水工程多年平均向滇池補水5.66億m3的前提下，滇池依靠清潔水量已能維持湖泊水量平衡，不再需要城市尾水的補給，城市尾水可以全部外排並再利用。2030年，牛欄江-滇池補水工程轉供曲靖市，滇池生態補水主要由滇中引水工程解決，生態補水量大於牛欄江-滇池補水工程的補水量，城市尾水也可全部直接外排，並在流域內和下游循環再利用。

　　在牛欄江-滇池補水工程、引水工程及尾水外排導致的流域水資源系統邊界發生重大變化的條件下，明晰復雜水文格局下的滇池富營養化響應機制並識別氮磷驅動機制是研究的關鍵。課題組設置了48個情景，以探索不同水文年（相對豐水年與相對枯水年）、不同運行水位（1886m低水位與1887.5m高水位）、不同調水工況對滇池外海水動力、水質及營養鹽通量的影響。研究發現：

　　1.水動力、水質對運行水位的響應具有不一致性。低運行水位可以加速滇池水體的交換速率，降低磷酸鹽濃度，但導致氨氮內源負荷通量升高、反硝化通量降低，相對不利於氮濃度的降低，而高運行水位則有利於藻類和氮濃度的降低。

　　2.水動力、水質在不同水文年的響應具有不一致性。在同等條件下，豐水年能改善39%的水動力，但總磷、磷酸鹽、氨氮濃度的改善比例低於枯水年﹔而枯水年的外源負荷輸入通量降低、藻類沉降通量增加，相對較為利於總磷、磷酸鹽濃度的降低。

　　3.滇池存在季節性氮限制。其主要誘因是湖體內部的氮磷循環過程與外源輸入的耦合作用，強烈的湖內反硝化、較低的固氮通量以及更易的磷底泥釋放過程的共同作用導致了滇池湖體內特殊月份氮元素相對匱乏。此外，還發現了滇池湖體內氮、磷循環的協同效應，並識別了藻類在氮磷循環間的紐帶作用，揭示了氮限制湖泊特殊的氮磷協同效應的表現形式，即削減氮負荷會對磷循環產生劇烈的影響。因此，研究發現，在流域水資源系統邊界發生重大變化的條件下，補水帶來的水動力條件的改善與水質改善並不完全同步，邊界條件變化對氮、磷、藻類的影響機制差異十分顯著，需開展精細化的評估。

　　構建“3-2-4”整體框架，實現補水工程的“三個轉變”

　　課題從“區域-流域-湖體”三個尺度逐級遞進，提出了“清水入湖、中水回用、清污分流”的滇池流域健康水循環總技術路線，通過對滇池流域水資源系統調查評價，集成構建了滇池流域“自然-社會”二元水循環方案：

　　1.明確入湖河流功能定位，確定入湖河流的受納水源，即清水廊道和尾水通道，達到同時模擬水循環通量和路徑的目的。

　　2.清水廊道採用水庫和牛欄江為補水水源，通過水系連通工程和水庫生態調度，實現牛欄江-滇池補水工程“多口補滇”，保障清水廊道的生態用水。

　　3.尾水通道受納經過處理后的城市生活污水、城市初期雨水以及農業面源污水，最后截至環湖截污干管直接外排出滇池流域，作為滇池下游安寧-富民工業走廊的消耗性工業用水。

　　4.加強環湖濕地與入湖河流的水路連通，充分發揮其作為滇池最后一道保護屏障的作用，削減難以收集的中后期雨水和農業面源污染負荷。

　　在二元水循環方案的框架下，課題制定了區域、流域、水系和湖體的四級調度優化方案：

　　1.在區域尺度，以再生水的優化調度實現流域減負。以滇池流域及下游螳螂川沿岸工業園區再生水資源為對象，編制了《區域再生水資源綜合利用及優化配置方案》，完成了近期規劃年（2020年）各子區再生水管網建設方案和水資源優化配置方案設計以及遠期規劃年（2030年）的總體框架，實現了流域再生水資源在不同需水用戶間綜合利用和尾水資源在區域間的優化調度。方案被滇池流域“十三五”規劃採納應用，為昆明市再生水資源綜合管理、水資源統一配置及可持續利用提供科學指導，為滇池流域再生水資源的綜合利用和主城區污水處理廠尾水外排及資源化利用提供了科學支撐，有效降低了入湖負荷。

　　2.在流域尺度，以水量-水質聯合調度優化提升滇池水質改善。以不同水質的水量合理配置為切入點，核算入湖河流逐月生態需水過程，確定原則為“汛期多補，枯期少補”，並制定了不同來水條件下德澤-滇池聯合調度方案。通過對優化調度下入湖河道水量和水質的模擬，以及對入湖污染物負荷與滇池湖體水質改善的模擬優化，制定了入湖通道合理分配方案及在此方案下的滇池水位運行規則。

　　3.在水系尺度，以多通道、多用途的水資源調配實現自然水系循環。規劃了河湖水系連通工程，自盤龍江落點設泵站提水，沿鬆華壩水庫東干渠、東大溝，經過東白沙河水庫壩下，設分水口進寶象河，繼續沿等高線朝東南方向走，分別向馬料河、洛龍河、撈魚河、梁王河等補充河道生態流量。線路全長59.63km，其中利用現有溝渠27.02km，借用河道2.39km，新建管道20.22km、渠道2.19km、隧洞1.46km、倒虹吸2.61km，設提水泵站兩處，總裝機容量7500kW，各段設計流量為12.7m3/s~6.51m3/s。此方案已列入雲南省水利發展“十三五”水系連通工程規劃、滇中城市經濟圈一體化水網規劃等。

　　4.在湖體尺度，以水量-水質動態優化最大程度提升補水的滇池局部水質改善效果。課題組積極響應昆明市《滇池草海及周邊水環境提升綜合整治工作實施方案》，利用所研發的牛欄江補水的湖體水質改善關鍵技術，在水質改善最具挑戰的滇池草海實施了圍堰全長2929m、面積5.4km2的滇池草海補水湖內水質改善技術示范工程。課題以最優的草海示范區TN和TP水質改善為優化目標，應用補水工程區水量-水質動態監控調度技術，獲取了既定水質目標下的最小調水量，即全年總調水量3.2億m3，明確了不同時段最優調水水量，以及全湖平均最優停留時間（10天~15天）。

　　課題組提出的牛欄江補水改善草海水質的補水水量方案及補水調度規則得到了應用，實現了對牛欄江補水草海中盤龍江-玉帶河大觀河、西壩河-草海調水方案的優化。經2017年4月~10月實施與示范，TN比 2012 年同期平均下降 30％，實現了在牛欄江不同來水濃度情況下示范區水質改善的調度，驗証了技術方案的有效性。

　　通過構建以上“3-2-4”整體框架，課題實現了補水工程由單一目標向水系循環、水質改善和聯合調度的“三個轉變”。

　　課題組開發的滇池流域水資源系統聯合調度業務化平台整合了課題研發的集成技術體系以及所制定的各項優化方案，於2016年10月部署迄今並得到業務化應用，運行效果良好。此平台及模型成果同時支撐了昆明市部分“十三五”工程項目（如十四廠）建設對滇池草海及外海水質和藍藻生長影響等的工程論証和相關治理決策。

　　課題牽頭組織單位：昆明市水務局

　　課題責任單位：北京大學

　　課題負責人：劉永