五种调控方案下的草海水质改善模拟研究

花润泽

摘  要：传统的水资源配置存在重水量轻水质的问题，导致有限的水资源不能被充分利用。为提升水资源利用效率，文章以草海为例，借助EFDC水质水动力模型，针对影响草海水资源情势的五个综合治理工程，通过控制变量法模拟研究了不同情景方案下草海的水质改善情况。结果表明：牛栏江季节调控补水对四个水质指标（CODcr、NH3-N、TN、TP）都有改善效果，而低水位运行和增加牛栏江补水量仅对草海CODcr有改善，水质净化厂尾水提标至A级标准仅对CODcr和TP有一定改善。该研究以期为改善草海水质的水资源调控提供参考。

关键词：草海;水质;调控;水资源

中图分类号：TV213.4       文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）05-0017-03

水量和水质是水资源的二重属性，二者相互影响[1]。传统的水资源优化配置方式，只重視水量的配置，而忽视了水质的重要性，轻视水质的优化，造成有限的水资源不能充分高效利用[2]。草海流域同样面临水资源严重短缺的问题，且水污染较为严重。为了使草海流域有限的水资源更为有效的发挥其利用价值，有必要开展草海水资源调控研究，在合理配置水资源的同时充分考虑水质改善，使不同水质的水资源均能发挥其效益。本文以牛栏江草海补水工程、水质净化厂提标改造工程、新运粮河、老运粮河入湖河口前置库水体净化工程、导藻带工程五个实际工程为背景，通过模型模拟各工程单独运行情况下，分析水资源调控对草海水质的影响，以优化草海水资源调控方案，为草海水质提升提供依据。

1 研究区域

草海位于云南省昆明市，自1996年修建了船闸后，滇池被分割为虽相互联系，但又几乎互不交换水体的草海、外海两部分，草海为北端部分，如图1所示。草海北起大观河入河口，南至海埂船闸，地处低纬度高海拔地区，属于亚热带温润季风气候，多年平均气温14.7℃，多年平均降雨量953mm，年平均蒸发量743mm，水面面积10.8km2，平均水深2.5m，蓄水量2517万m3，占滇池蓄水量的2.67%。

图1 研究区域示意图

2 研究方法

2.1 草海EFDC水质水动力模型

EFDC是通用的水质水动力数学模型，可以适用于任何特定的地表水体或局部水域，并通过对所研究水体的物理、化学和生态过程的数值化标准来实现模拟功能[3]。本研究以《草海水资源优化调度》中构建的草海EFDC水质水动力为基础，根据数据的可得性，该模型选取2014年作为EFDC模型配置和率定的模拟年，同时选取一组独立的数据再次检验率定过的模型，以考察其真实地代表水体的能力，由于新老运粮河河口的生态工程导流带于2015年12月合扰，模型选用2016年1-12月份数据对模型进行验证。

2.2 模拟方案设计

2.2.1 水位调控

草海控制运行的正常高水位为1886.8米，最低工作水位为1885.5米，本研究中模拟分析这两种水位条件对草海水质的影响。

2.2.2 牛栏江补水水量

利用牛栏江来水混合置换草海水体，提高草海水质;2016年牛栏江向草海补水约6.3m3/s，据此针对牛栏江补水水量考虑两种情况：（1）按现状补水水量：6.3m3/s;（2）增加补水水量：10m3/s。

2.2.3 牛栏江补水季节调控

由于牛栏江补水水质枯期优于汛期，据此针对牛栏江补水方式考虑以下三种情况：（1）设计补水：汛期、枯期补水量分别占总引水量的56.8%和43.2%;（2）逐月均匀补

水;（3）季节调配：汛期、枯期补水量分别占总引水量的30%和70%。

2.2.4 水质净化厂尾水补水量

滇池流域水质净化厂改造工程实施后，尾水水质将明显改善，可用于补给草海，据此考虑以下两种情况：（1）维持现状补水量：第一水质净化厂8万m3/d，第三水质净化厂21万m3/d;（2）增加补水量：第一水质净化厂8万m3/d;第三水质净化厂21万m3/d，第九污水处理厂10万m3/d。

2.2.5 水质净化厂尾水提标排入草海

针对水质净化厂尾水水质考虑三种情况，以《昆明市城镇污水处理厂主要水污染物排放限值》规定的A、B、C三个级别衡量：（1）维持现状尾水水质（C级标准）;（2）提标达到B级标准;（3）提标达到A级标准。

3 结果与分析

以2016年实际水位条件下，牛栏江补水量6.3m3/s，入草海尾水量为10万m3/d，尾水水质为A级标准及新、老运粮河外排为基准情景，通过控制单一变量，分别改变水位条件、牛栏江补水季节调控方式、牛栏江补水水量、水质净化厂尾水补水水量和尾水水质提标五个条件，并用EFDC水质水动力模型模拟出草海2个常规监测点位水质指标的年均值，得到五种因素影响下草海不同水质指标的平均浓度，并与基准情景的模拟结果对比，进而分析各因素对草海水质的影响，结果见表1。

结果表明：（1）低水位运行对CODcr改善明显，改善率达到40.84%;NH3-N、TN和TP恶化;主要是因为低水位条件湖体库容减小，水体置换周期加快，湖体水质接近牛栏江来水水质，牛栏江来水的CODcr浓度远低于湖体水质浓度，而NH3-N、TN和TP浓度高于湖体水质浓度。（2）高水位运行对NH3-N、TN和TP都有一定改善作用，主要是因为高水位条件下湖体库容增大，水体置换周期加大，起到了一定的调蓄作用，对于来水浓度较高的污染物增加了一定的降解时问，有利于NH3-N、TN和TP的改善。（3）牛栏江逐月均匀补水和按季节调控补水对所有指标都有改善效果，主要是因为2016年牛栏江来水汛期CODcr、NH3-N、TN、TP的浓度分别是枯期的2.82倍、1.75倍、144倍、145倍，汛期按30%补水，枯期按70%补水，更有利于草海水质的改善。（4）增加牛栏江补水量，CODcr有明显改善。NH3-N、TN、TP恶化主要是因为牛栏江来水的CODcr浓度低至874mg/L达到I类水标准;而NH3-N（0.84mg/L）、TN（4.5mg/L）和TP（0.15mg/L）浓度均高于草海湖体。NH3-N（0.31mg/L）、TN（3.47mg/L）和TP（0.14mg/L）浓度;在增加牛栏江补水量的同时，也增加了污染负荷入湖量。（5）水质净化厂尾水提标达到A级标准后排入草海，对CODcr和TP有一定改善，但会导致TN和NH3-N恶化，主要是因为即使水质净化厂尾水提标达到A级标准，其NH3-N（1mg/L）和TN（5mg/L）仍高于草海湖体的NH3-N和TN浓度，在增加补水量的同时，也增加了污染负荷入湖量。

4 结论与展望

4.1 结论

（1）低水位运行和增加牛栏江补水量仅对草海CODcr有改善，NH3-N、TN、TP出现不同程度的恶化，主要是因为低水位条件湖体库容小，水体置换周期加快，湖体水质接近牛栏江来水水质，牛栏江来水的CODcr浓度远低于湖体水质浓度，而NH3-N、TN、TP浓度高于湖体水质浓度，在增加补水量的同时，也增加了污染负荷入湖量。

（2）牛栏江按季节调控补水对所有指标都有改善效

果，主要是因为牛栏江来水汛期和枯期水质浓度差异较大，2016年牛栏江来水汛期CODcr、NH3-N、TN、TP的浓度分别是枯期的2.82倍1.75倍、1.44倍、1.45倍，汛期按30%补水，枯期按70%补水，更有利于草海水质的改善。

（3）水质净化厂尾水提标达到《昆明市城镇污水处理厂主要水污染物排放限值》A级标准后补草海对CODcr和TP有一定改善，NH3-N、TN出现不同程度的恶化，主要是因为即使水质是化厂尾水提标，其NH3-N（1mg/L）和TN（5mg/L）仍高于草海湖体的浓度。

4.2 展望

（1）草海水质水位关系复杂，需在稳定的边界条件下进行更长时间的观测和验证草海水质受气候因素、水位库容、入湖污染负荷、重大治理工程治理力度的影响，进而提高结果的可靠度。

（2）水位、补水量、季节调度等不同因素对草海水质具有不同影响，对不同指标存在有利或有弊的一面，因而需开展多种情景组合方案下的影响，才能为实际工程提供参考。

参考文献：

[1]钱玲，刘媛，晁建颖.我国水质水量联合调度研究现状和发展趋势[J].环境科学与技术，2013，36（S1）：484-487.

[2]刘亚锋.水资源优化配置在区域水量分配中的应用研究[J].陕西水利，2010（03）：117-118.

[3]唐天均，杨晟，尹魁浩，等.基于EFDC模型的深圳水库富营养化模拟[J].湖泊科学，2014，26（03）：393-400.