优化水资源配置 持续改善滇池水质
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滇池草海补水湖内水质改善技术示范工程设置的围堰
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课题构建的“3-2-4”研究体系
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理论揭示：内部氮磷循环过程对湖体氮磷存量的贡献
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演变态势：2030年滇池流域水量分配及水量平衡规划
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优化配置：2020年区域再生水资源综合利用及优化配置方案
编者按
滇池是云贵高原湖区大型重污染浅水湖泊的典型代表，其富营养化成因复杂，是我国“三湖”治理的重中之重。自“九五”以来的持续和规模化治理，使得滇池的富营养化状况明显改善，水质恶化趋势得到遏制，但尚未实现根本好转。流域生态用水短缺是制约滇池水质进一步改善的一个重要因素，为解决这个问题，“十一五”期间昆明市启动了滇池治理“六大工程”之一的牛栏江-滇池补水工程，加之前期的清水海、掌鸠河等引水工程及流域内污水处理厂尾水外排，形成了天然水、外调水、再生水“三水”共存的复杂格局，彻底改变了滇池区域和流域的水资源系统边界条件，对滇池流域水资源系统的时空分配及水质提升带来了新的机遇和挑战。
因此，明晰滇池流域水资源系统的综合平衡关系以维护流域内水环境可持续发展、优化流域水资源时空格局以满足滇池水质的持续改善、明确流域水资源系统的时空分配与滇池水质提升的联动性以实现水量-水质联合调度等，已成为滇池治理中最为迫切和关键的决策需求和科学问题。
面对滇池流域“三水”共存的复杂格局，为解决流域水资源系统的时空分配问题及滇池水质提升带来的挑战，国家水体污染控制与治理科技重大专项在“十二五”启动了“滇池流域水资源联合调度改善湖体水质关键技术与工程示范”课题（2013ZX07102-006）。课题由北京大学承担，联合云南省水利水电勘测设计研究院、云南省环境科学研究院、中国科学院地理科学与资源研究所、昆明市环境科学研究院等多家科研单位共同完成。
课题以为滇池水质和生态恢复提供最佳的水量、水质与水动力条件为目标，研发并集成了滇池流域水资源优化分配利用及湖泊水质改善集成技术体系，系统、逐级地开发了区域→滇池流域→滇池湖体的水资源综合利用、湖体水质改善以及水资源系统水质-水量时空优化调控等关键技术，有力支撑并构建了“3-2-4”的整体框架，即：从“区域-流域-湖体”三个尺度逐级递进实现水资源系统优化分配，构建流域自然与社会二元水循环，形成区域、流域、水系和湖体的四级分配调度体系与工程示范，实现了补水工程的“三个转变”——由单纯补水向恢复流域自然水循环转变、由单纯水资源利用向为滇池水质改善提供最佳水量与水动力条件转变、由单纯水量调度向水质-水量联合调控转变，支撑了滇池2017年全湖水质提升为Ⅴ类、蓝藻水华由重度逐步过渡为中度。
课题从大系统的角度分析解决滇池流域水环境问题，以水资源配置实现污染源头控制、入湖负荷削减与水资源优化调整，依据滇池富营养化机理研究指导科学治理决策，为滇池水质的持续改善提供了理论前提，为最大限度优化补水工程的综合效益提供了技术支撑。
研发了流域水资源优化分配利用及湖泊水质改善集成技术体系，突破了水资源多尺度动态优化调控在效率和精度上的技术瓶颈
课题研发、突破并集成了多尺度的流域水资源优化分配利用及湖泊水质改善集成技术体系，深度解析了滇池流域中、远期水资源平衡态势变化以及牛栏江调水工程对滇池水质、水动力和水生态影响，完成了再生水在流域内外的优化分配、流域水质-水量联合调度、流域生态用水替代和自然水系构建，实现了复杂水文条件变化下的滇池富营养化氮磷驱动机制的理论突破，构建了“3-2-4”整体框架，研究成果在云南省和昆明市的滇池治理决策中得到应用和推广。
课题以牛栏江补水工程实施后滇池流域的自然、社会水循环所发生的快速和复杂变化为边界，积极响应多元水循环下的流域水资源优化分配和滇池水质持续改善的科技需求。针对已有单项分析技术无法实现复杂水文条件变化下的区域、流域和湖体的多尺度综合影响评估的不足，以及传统调度技术在计算效率、精度、多目标优化等方面存在的瓶颈，课题自主研发并集成了集区域再生水资源综合利用与减负循环优化决策技术、牛栏江补水的湖体水质改善关键技术和流域水资源系统水质-水量时空优化调控关键技术为一体的流域水资源综合调度改善湖体水质的关键技术体系。
1.流域再生水跨区域综合优化调度关键技术
为解决现有及规划年滇池流域集中式再生水在不同行业用户间用水矛盾突出以及近期“用不了”而远期“不够用”的供需不平衡等问题，针对再生水在城市多空间与多行业联动的动态调度优化难点，以循环、减负、改善滇池水质为目标，以CE-NSGA-II为优化计算引擎，开发逐步时空分解精细优化决策技术，构建了基于网格尺度的滇池区域集中式再生水的时-空动态多目标优化配置技术。在时间尺度上制定了具有时间适应性与规划连续性的再生水资源行业分配方案；在空间尺度上开展了“区域-行业-网格”降尺度弹性化精细配置，以保障方案落地，实现了不同行业优先度保障、再生水资源循环利用及滇池入湖负荷减负的目标。
2.牛栏江补水的湖体水质改善关键技术
此技术将网格细化为0.003km2，实现了对滇池水体的高精度数值模拟，并开发了新的沉积物模块；依托开发的并行计算技术与调度平台，将模拟计算步长由分钟缩短为30秒，水位波动精度达到97%的准确度，精确描述了水动力、水质的空间变化，在时空上实现模拟的高精度与高效率。在此基础上，开发了湖泊营养物质循环过程通量核算技术，能够获取任一时间内滇池水体不同形态营养盐参与的物理、生物、化学反应过程通量，揭示了流域复杂水循环格局变化下的滇池水质非线性响应机制；通过开发增强学习技术和模拟-优化方法，研发了补水工程区水量水质动态监控调度技术，提出了既定目标水质条件下的最优调水方案。
3.流域水资源系统水质-水量时空优化调控关键技术
在充分考虑流域内外水源水量多样化以及入湖河流生态用水和污染负荷时空变化大等因素，研发了具有响应快速、系统误差低等优势的流域水文-水动力-水质-水生态过程多情景模拟预测技术。基于滇池流域水资源时空分质优化调控技术，以及课题组自主开发的第二代贝叶斯递归回归树算法（BRRTv2.0），突破了流域多源水资源联合调度改善湖泊水质在配置系统的多目标、计算成本、调度方案准确性等方面的技术瓶颈，获得入湖多通道的水质水量合理分配方案，最大程度地实现了调水区与受水区、引水与防灾、外海与草海、流域内与外、上游与下游、昆明缺水与生态基流、再生水利用与滇池水质改善之间的动态平衡；实现了陆面-湖体全过程的流域水文-水质模拟与优化调控；制定了丰、平、枯年型的调度规则，开展了基于滇池水质水动力模拟的水力调度优化的间接耦合；开展了流域水资源优化配置、德泽水库-滇池联合优化调度、入湖河流水量水质合理调度及滇池水位运行与综合调度。
其中，课题在流域水文、湖体水动力和模拟-优化等方面的关键技术具有自主知识产权，实现了水位模拟误差≤3%，TN和TP模拟误差≤15%，Chl-a模拟误差≤20%，其精度不低于国内外同类技术，模拟-优化计算效率提高20%左右。
定量解析流域中远期水资源平衡态势，揭示了滇池富营养化响应及氮磷驱动机制
通过对滇池流域水资源系统现状的调查、流域水量平衡特征的系统分析以及多水源联合调度的可行性分析，课题对1980年~2030年水资源系统进行概化，明确了滇池流域水资源系统的演变态势，对基准年、近期规划年（2020年）和远期规划年（2030年）的滇池水量平衡进行了系统分析预测，对不同供水保证率下的水资源供需平衡进行核算，实现了对滇池流域水资源系统平衡态势的定量化评估。
评估结果表明，为削减滇池入湖污染负荷，城市尾水应尽量直接外排，外排量取决于滇池水量平衡；在外流域调水工程未实施前，城市尾水只有排入滇池才能维持湖泊的水量平衡；在牛栏江-滇池补水工程多年平均向滇池补水5.66亿m3的前提下，滇池依靠清洁水量已能维持湖泊水量平衡，不再需要城市尾水的补给，城市尾水可以全部外排并再利用。2030年，牛栏江-滇池补水工程转供曲靖市，滇池生态补水主要由滇中引水工程解决，生态补水量大于牛栏江-滇池补水工程的补水量，城市尾水也可全部直接外排，并在流域内和下游循环再利用。
在牛栏江-滇池补水工程、引水工程及尾水外排导致的流域水资源系统边界发生重大变化的条件下，明晰复杂水文格局下的滇池富营养化响应机制并识别氮磷驱动机制是研究的关键。课题组设置了48个情景，以探索不同水文年（相对丰水年与相对枯水年）、不同运行水位（1886m低水位与1887.5m高水位）、不同调水工况对滇池外海水动力、水质及营养盐通量的影响。研究发现：
1.水动力、水质对运行水位的响应具有不一致性。低运行水位可以加速滇池水体的交换速率，降低磷酸盐浓度，但导致氨氮内源负荷通量升高、反硝化通量降低，相对不利于氮浓度的降低，而高运行水位则有利于藻类和氮浓度的降低。
2.水动力、水质在不同水文年的响应具有不一致性。在同等条件下，丰水年能改善39%的水动力，但总磷、磷酸盐、氨氮浓度的改善比例低于枯水年；而枯水年的外源负荷输入通量降低、藻类沉降通量增加，相对较为利于总磷、磷酸盐浓度的降低。
3.滇池存在季节性氮限制。其主要诱因是湖体内部的氮磷循环过程与外源输入的耦合作用，强烈的湖内反硝化、较低的固氮通量以及更易的磷底泥释放过程的共同作用导致了滇池湖体内特殊月份氮元素相对匮乏。此外，还发现了滇池湖体内氮、磷循环的协同效应，并识别了藻类在氮磷循环间的纽带作用，揭示了氮限制湖泊特殊的氮磷协同效应的表现形式，即削减氮负荷会对磷循环产生剧烈的影响。因此，研究发现，在流域水资源系统边界发生重大变化的条件下，补水带来的水动力条件的改善与水质改善并不完全同步，边界条件变化对氮、磷、藻类的影响机制差异十分显著，需开展精细化的评估。
构建“3-2-4”整体框架，实现补水工程的“三个转变”
课题从“区域-流域-湖体”三个尺度逐级递进，提出了“清水入湖、中水回用、清污分流”的滇池流域健康水循环总技术路线，通过对滇池流域水资源系统调查评价，集成构建了滇池流域“自然-社会”二元水循环方案：
1.明确入湖河流功能定位，确定入湖河流的受纳水源，即清水廊道和尾水通道，达到同时模拟水循环通量和路径的目的。
2.清水廊道采用水库和牛栏江为补水水源，通过水系连通工程和水库生态调度，实现牛栏江-滇池补水工程“多口补滇”，保障清水廊道的生态用水。
3.尾水通道受纳经过处理后的城市生活污水、城市初期雨水以及农业面源污水，最后截至环湖截污干管直接外排出滇池流域，作为滇池下游安宁-富民工业走廊的消耗性工业用水。
4.加强环湖湿地与入湖河流的水路连通，充分发挥其作为滇池最后一道保护屏障的作用，削减难以收集的中后期雨水和农业面源污染负荷。
在二元水循环方案的框架下，课题制定了区域、流域、水系和湖体的四级调度优化方案：
1.在区域尺度，以再生水的优化调度实现流域减负。以滇池流域及下游螳螂川沿岸工业园区再生水资源为对象，编制了《区域再生水资源综合利用及优化配置方案》，完成了近期规划年（2020年）各子区再生水管网建设方案和水资源优化配置方案设计以及远期规划年（2030年）的总体框架，实现了流域再生水资源在不同需水用户间综合利用和尾水资源在区域间的优化调度。方案被滇池流域“十三五”规划采纳应用，为昆明市再生水资源综合管理、水资源统一配置及可持续利用提供科学指导，为滇池流域再生水资源的综合利用和主城区污水处理厂尾水外排及资源化利用提供了科学支撑，有效降低了入湖负荷。
2.在流域尺度，以水量-水质联合调度优化提升滇池水质改善。以不同水质的水量合理配置为切入点，核算入湖河流逐月生态需水过程，确定原则为“汛期多补，枯期少补”，并制定了不同来水条件下德泽-滇池联合调度方案。通过对优化调度下入湖河道水量和水质的模拟，以及对入湖污染物负荷与滇池湖体水质改善的模拟优化，制定了入湖通道合理分配方案及在此方案下的滇池水位运行规则。
3.在水系尺度，以多通道、多用途的水资源调配实现自然水系循环。规划了河湖水系连通工程，自盘龙江落点设泵站提水，沿松华坝水库东干渠、东大沟，经过东白沙河水库坝下，设分水口进宝象河，继续沿等高线朝东南方向走，分别向马料河、洛龙河、捞鱼河、梁王河等补充河道生态流量。线路全长59.63km，其中利用现有沟渠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，设提水泵站两处，总装机容量7500kW，各段设计流量为12.7m3/s~6.51m3/s。此方案已列入云南省水利发展“十三五”水系连通工程规划、滇中城市经济圈一体化水网规划等。
4.在湖体尺度，以水量-水质动态优化最大程度提升补水的滇池局部水质改善效果。课题组积极响应昆明市《滇池草海及周边水环境提升综合整治工作实施方案》，利用所研发的牛栏江补水的湖体水质改善关键技术，在水质改善最具挑战的滇池草海实施了围堰全长2929m、面积5.4km2的滇池草海补水湖内水质改善技术示范工程。课题以最优的草海示范区TN和TP水质改善为优化目标，应用补水工程区水量-水质动态监控调度技术，获取了既定水质目标下的最小调水量，即全年总调水量3.2亿m3，明确了不同时段最优调水水量，以及全湖平均最优停留时间（10天~15天）。
课题组提出的牛栏江补水改善草海水质的补水水量方案及补水调度规则得到了应用，实现了对牛栏江补水草海中盘龙江-玉带河大观河、西坝河-草海调水方案的优化。经2017年4月~10月实施与示范，TN比2012年同期平均下降30％，实现了在牛栏江不同来水浓度情况下示范区水质改善的调度，验证了技术方案的有效性。
通过构建以上“3-2-4”整体框架，课题实现了补水工程由单一目标向水系循环、水质改善和联合调度的“三个转变”。
课题组开发的滇池流域水资源系统联合调度业务化平台整合了课题研发的集成技术体系以及所制定的各项优化方案，于2016年10月部署迄今并得到业务化应用，运行效果良好。此平台及模型成果同时支撑了昆明市部分“十三五”工程项目（如十四厂）建设对滇池草海及外海水质和蓝藻生长影响等的工程论证和相关治理决策。
课题牵头组织单位：昆明市水务局
课题责任单位：北京大学
课题负责人：刘永
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