優(yōu)化水資源配置 持續(xù)改善滇池水質
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滇池草海補水湖內(nèi)水質改善技術示范工程設置的圍堰
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課題構建的“3-2-4”研究體系
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理論揭示：內(nèi)部氮磷循環(huán)過程對湖體氮磷存量的貢獻
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演變態(tài)勢：2030年滇池流域水量分配及水量平衡規(guī)劃
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優(yōu)化配置：2020年區(qū)域再生水資源綜合利用及優(yōu)化配置方案
編者按
滇池是云貴高原湖區(qū)大型重污染淺水湖泊的典型代表，其富營養(yǎng)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(xù)和規(guī)；卫，使得滇池的富營養(yǎng)化狀況明顯改善，水質惡化趨勢得到遏制，但尚未實現(xiàn)根本好轉。流域生態(tài)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(nèi)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(qū)域和流域的水資源系統(tǒng)邊界條件，對滇池流域水資源系統(tǒng)的時空分配及水質提升帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。
因此，明晰滇池流域水資源系統(tǒng)的綜合平衡關系以維護流域內(nèi)水環(huán)境可持續(xù)發(fā)展、優(yōu)化流域水資源時空格局以滿足滇池水質的持續(xù)改善、明確流域水資源系統(tǒng)的時空分配與滇池水質提升的聯(lián)動性以實現(xiàn)水量-水質聯(lián)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(tǒng)的時空分配問題及滇池水質提升帶來的挑戰(zhàn)，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(lián)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(lián)合云南省水利水電勘測設計研究院、云南省環(huán)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(huán)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(tài)恢復提供最佳的水量、水質與水動力條件為目標，研發(fā)并集成了滇池流域水資源優(yōu)化分配利用及湖泊水質改善集成技術體系，系統(tǒng)、逐級地開發(fā)了區(qū)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(tǒng)水質-水量時空優(yōu)化調控等關鍵技術，有力支撐并構建了“3-2-4”的整體框架，即：從“區(qū)域-流域-湖體”三個尺度逐級遞進實現(xiàn)水資源系統(tǒng)優(yōu)化分配，構建流域自然與社會二元水循環(huán)，形成區(qū)域、流域、水系和湖體的四級分配調度體系與工程示范，實現(xiàn)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(huán)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(lián)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(tǒng)的角度分析解決滇池流域水環(huán)境問題，以水資源配置實現(xiàn)污染源頭控制、入湖負荷削減與水資源優(yōu)化調整，依據(jù)滇池富營養(yǎng)化機理研究指導科學治理決策，為滇池水質的持續(xù)改善提供了理論前提，為最大限度優(yōu)化補水工程的綜合效益提供了技術支撐。
研發(fā)了流域水資源優(yōu)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(tài)優(yōu)化調控在效率和精度上的技術瓶頸
課題研發(fā)、突破并集成了多尺度的流域水資源優(yōu)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(tài)勢變化以及牛欄江調水工程對滇池水質、水動力和水生態(tài)影響，完成了再生水在流域內(nèi)外的優(yōu)化分配、流域水質-水量聯(lián)合調度、流域生態(tài)用水替代和自然水系構建，實現(xiàn)了復雜水文條件變化下的滇池富營養(yǎng)化氮磷驅動機制的理論突破，構建了“3-2-4”整體框架，研究成果在云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(huán)所發(fā)生的快速和復雜變化為邊界，積極響應多元水循環(huán)下的流域水資源優(yōu)化分配和滇池水質持續(xù)改善的科技需求。針對已有單項分析技術無法實現(xiàn)復雜水文條件變化下的區(qū)域、流域和湖體的多尺度綜合影響評估的不足，以及傳統(tǒng)調度技術在計算效率、精度、多目標優(yōu)化等方面存在的瓶頸，課題自主研發(fā)并集成了集區(qū)域再生水資源綜合利用與減負循環(huán)優(yōu)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(tǒng)水質-水量時空優(yōu)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(qū)域綜合優(yōu)化調度關鍵技術
為解決現(xiàn)有及規(guī)劃年滇池流域集中式再生水在不同行業(yè)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(yè)聯(lián)動的動態(tài)調度優(yōu)化難點，以循環(huán)、減負、改善滇池水質為目標，以CE-NSGA-II為優(yōu)化計算引擎，開發(fā)逐步時空分解精細優(yōu)化決策技術，構建了基于網(wǎng)格尺度的滇池區(qū)域集中式再生水的時-空動態(tài)多目標優(yōu)化配置技術。在時間尺度上制定了具有時間適應性與規(guī)劃連續(xù)性的再生水資源行業(yè)分配方案；在空間尺度上開展了“區(qū)域-行業(yè)-網(wǎng)格”降尺度彈性化精細配置，以保障方案落地，實現(xiàn)了不同行業(yè)優(yōu)先度保障、再生水資源循環(huán)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(wǎng)格細化為0.003km2，實現(xiàn)了對滇池水體的高精度數(shù)值模擬，并開發(fā)了新的沉積物模塊；依托開發(fā)的并行計算技術與調度平臺，將模擬計算步長由分鐘縮短為30秒，水位波動精度達到97%的準確度，精確描述了水動力、水質的空間變化，在時空上實現(xiàn)模擬的高精度與高效率。在此基礎上，開發(fā)了湖泊營養(yǎng)物質循環(huán)過程通量核算技術，能夠獲取任一時間內(nèi)滇池水體不同形態(tài)營養(yǎng)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(huán)格局變化下的滇池水質非線性響應機制；通過開發(fā)增強學習技術和模擬-優(yōu)化方法，研發(fā)了補水工程區(qū)水量水質動態(tài)監(jiān)控調度技術，提出了既定目標水質條件下的最優(yōu)調水方案。
3.流域水資源系統(tǒng)水質-水量時空優(yōu)化調控關鍵技術
在充分考慮流域內(nèi)外水源水量多樣化以及入湖河流生態(tài)用水和污染負荷時空變化大等因素，研發(fā)了具有響應快速、系統(tǒng)誤差低等優(yōu)勢的流域水文-水動力-水質-水生態(tài)過程多情景模擬預測技術；诘岢亓饔蛩Y源時空分質優(yōu)化調控技術，以及課題組自主開發(fā)的第二代貝葉斯遞歸回歸樹算法（BRRTv2.0），突破了流域多源水資源聯(lián)合調度改善湖泊水質在配置系統(tǒng)的多目標、計算成本、調度方案準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(xiàn)了調水區(qū)與受水區(qū)、引水與防災、外海與草海、流域內(nèi)與外、上游與下游、昆明缺水與生態(tài)基流、再生水利用與滇池水質改善之間的動態(tài)平衡；實現(xiàn)了陸面-湖體全過程的流域水文-水質模擬與優(yōu)化調控；制定了豐、平、枯年型的調度規(guī)則，開展了基于滇池水質水動力模擬的水力調度優(yōu)化的間接耦合；開展了流域水資源優(yōu)化配置、德澤水庫-滇池聯(lián)合優(yōu)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(yōu)化等方面的關鍵技術具有自主知識產(chǎn)權，實現(xiàn)了水位模擬誤差≤3%，TN和TP模擬誤差≤15%，Chl-a模擬誤差≤20%，其精度不低于國內(nèi)外同類技術，模擬-優(yōu)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(tài)勢，揭示了滇池富營養(yǎng)化響應及氮磷驅動機制
通過對滇池流域水資源系統(tǒng)現(xiàn)狀的調查、流域水量平衡特征的系統(tǒng)分析以及多水源聯(lián)合調度的可行性分析，課題對1980年~2030年水資源系統(tǒng)進行概化，明確了滇池流域水資源系統(tǒng)的演變態(tài)勢，對基準年、近期規(guī)劃年（2020年）和遠期規(guī)劃年（2030年）的滇池水量平衡進行了系統(tǒng)分析預測，對不同供水保證率下的水資源供需平衡進行核算，實現(xiàn)了對滇池流域水資源系統(tǒng)平衡態(tài)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，外排量取決于滇池水量平衡；在外流域調水工程未實施前，城市尾水只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并再利用。2030年，牛欄江-滇池補水工程轉供曲靖市，滇池生態(tài)補水主要由滇中引水工程解決，生態(tài)補水量大于牛欄江-滇池補水工程的補水量，城市尾水也可全部直接外排，并在流域內(nèi)和下游循環(huán)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(tǒng)邊界發(fā)生重大變化的條件下，明晰復雜水文格局下的滇池富營養(yǎng)化響應機制并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(yǎng)鹽通量的影響。研究發(fā)現(xiàn)：
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(nèi)源負荷通量升高、反硝化通量降低，相對不利于氮濃度的降低，而高運行水位則有利于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于枯水年；而枯水年的外源負荷輸入通量降低、藻類沉降通量增加，相對較為利于總磷、磷酸鹽濃度的降低。
3.滇池存在季節(jié)性氮限制。其主要誘因是湖體內(nèi)部的氮磷循環(huán)過程與外源輸入的耦合作用，強烈的湖內(nèi)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(nèi)特殊月份氮元素相對匱乏。此外，還發(fā)現(xiàn)了滇池湖體內(nèi)氮、磷循環(huán)的協(xié)同效應，并識別了藻類在氮磷循環(huán)間的紐帶作用，揭示了氮限制湖泊特殊的氮磷協(xié)同效應的表現(xiàn)形式，即削減氮負荷會對磷循環(huán)產(chǎn)生劇烈的影響。因此，研究發(fā)現(xiàn)，在流域水資源系統(tǒng)邊界發(fā)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并不完全同步，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(xiàn)補水工程的“三個轉變”
課題從“區(qū)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(huán)總技術路線，通過對滇池流域水資源系統(tǒng)調查評價，集成構建了滇池流域“自然-社會”二元水循環(huán)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(huán)通量和路徑的目的。
2.清水廊道采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(tài)調度，實現(xiàn)牛欄江-滇池補水工程“多口補滇”，保障清水廊道的生態(tài)用水。
3.尾水通道受納經(jīng)過處理后的城市生活污水、城市初期雨水以及農(nóng)業(yè)面源污水，最后截至環(huán)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(yè)走廊的消耗性工業(yè)用水。
4.加強環(huán)湖濕地與入湖河流的水路連通，充分發(fā)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(nóng)業(yè)面源污染負荷。
在二元水循環(huán)方案的框架下，課題制定了區(qū)域、流域、水系和湖體的四級調度優(yōu)化方案：
1.在區(qū)域尺度，以再生水的優(yōu)化調度實現(xiàn)流域減負。以滇池流域及下游螳螂川沿岸工業(yè)園區(qū)再生水資源為對象，編制了《區(qū)域再生水資源綜合利用及優(yōu)化配置方案》，完成了近期規(guī)劃年（2020年）各子區(qū)再生水管網(wǎng)建設方案和水資源優(yōu)化配置方案設計以及遠期規(guī)劃年（2030年）的總體框架，實現(xiàn)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(qū)域間的優(yōu)化調度。方案被滇池流域“十三五”規(guī)劃采納應用，為昆明市再生水資源綜合管理、水資源統(tǒng)一配置及可持續(xù)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(qū)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(lián)合調度優(yōu)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(tài)需水過程，確定原則為“汛期多補，枯期少補”，并制定了不同來水條件下德澤-滇池聯(lián)合調度方案。通過對優(yōu)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(yōu)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(guī)則。
3.在水系尺度，以多通道、多用途的水資源調配實現(xiàn)自然水系循環(huán)。規(guī)劃了河湖水系連通工程，自盤龍江落點設泵站提水，沿松華壩水庫東干渠、東大溝，經(jīng)過東白沙河水庫壩下，設分水口進寶象河，繼續(xù)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(tài)流量。線路全長59.63km，其中利用現(xiàn)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。此方案已列入云南省水利發(fā)展“十三五”水系連通工程規(guī)劃、滇中城市經(jīng)濟圈一體化水網(wǎng)規(guī)劃等。
4.在湖體尺度，以水量-水質動態(tài)優(yōu)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(huán)境提升綜合整治工作實施方案》，利用所研發(fā)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(zhàn)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(nèi)水質改善技術示范工程。課題以最優(yōu)的草海示范區(qū)TN和TP水質改善為優(yōu)化目標，應用補水工程區(qū)水量-水質動態(tài)監(jiān)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(yōu)調水水量，以及全湖平均最優(yōu)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(guī)則得到了應用，實現(xiàn)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(yōu)化。經(jīng)2017年4月~10月實施與示范，TN比2012年同期平均下降30％，實現(xiàn)了在牛欄江不同來水濃度情況下示范區(qū)水質改善的調度，驗證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(xiàn)了補水工程由單一目標向水系循環(huán)、水質改善和聯(lián)合調度的“三個轉變”。
課題組開發(fā)的滇池流域水資源系統(tǒng)聯(lián)合調度業(yè)務化平臺整合了課題研發(fā)的集成技術體系以及所制定的各項優(yōu)化方案，于2016年10月部署迄今并得到業(yè)務化應用，運行效果良好。此平臺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證和相關治理決策。
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
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