牛栏江—滇池补水工程:改善滇池水环境引水调控技术及应用
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2.3 滇池流域水环境质量状况

滇池位于流域中心,地处昆明市下游,它既是昆明市生活用水(近年来由于湖泊水质较差,滇池已退出城市生活供水水源地舞台)及工农业用水的主要水源地,又是昆明市城市生活污水及工业废水的受纳水域。由于城市规模不断扩大,人口快速增长,生活小区不断涌现,城市生活点源及非点源污染难以有效控制,滇池湖泊有机污染及富营养化十分严重,湖泊水质污染在过去的二十多年内没能得到有效遏制。

2.3.1 滇池水环境质量状况评价

1.滇池水环境质量总体评价

受滇池流域陆域污染负荷入湖和湖泊内源双重影响,近年来滇池湖泊水质污染仍非常严重,滇池草海、外海常年处于重、中度富营养化状态。

2010年,滇池草海化学需氧量(COD)、高锰酸盐指数(CODMn)、总磷(TP)、总氮(TN)、氨氮(NH3-N)的年均水质浓度分别为34mg/L、8.49 mg/L、0.60 mg/L、11.14 mg/L、6.34 mg/L,各指标的水质类别分别为Ⅴ类、Ⅳ类、劣Ⅴ类、劣Ⅴ类、劣Ⅴ类,综合水质类别为劣Ⅴ类,主要的超Ⅴ类水质指标有TN(超Ⅴ类标准值4.5倍)、NH3-N(超Ⅴ类标准值2.2倍)、TP(超Ⅴ类标准值2.0倍)。2010年草海水体透明度(0.94m)较2008年(0.57m)有较大幅度提高,草海水体的叶绿素a浓度(0.071mg/L)较2008年(0.064mg/L)略有增加。

2010年滇池外海COD、CODMn、TP、TN、NH3-N的年均水质浓度分别为65mg/L、10.0mg/L、0.20mg/L、2.62mg/L、0.26mg/L,各指标的水质类别分别为劣Ⅴ类、Ⅳ类、Ⅴ类、劣Ⅴ类、Ⅱ类,综合水质类别为劣Ⅴ类,主要的超Ⅴ类水质指标有COD(超Ⅴ类标准值0.6倍)、TN(超Ⅴ类标准值0.31倍)。2010年外海的水体透明度为0.34m,较2008年(0.42m)略有下降(下降幅度为0.08m);外海水体的叶绿素a浓度水平为0.091mg/L,较2008年的浓度水平(0.063mg/L)有显著增加,增幅达到50%。

2.湖泊富营养化状况评价

2010年滇池草海综合富营养化指数达到73,为重度富营养化。氮、磷浓度显著高于Ⅴ类水质标准,其中TN年均水质浓度(11.14mg/L)超Ⅴ类水质标准4.57倍,TP年均水质浓度(0.60mg/L)超Ⅴ类水质标准2倍(图2-5)。高浓度的氮、磷给蓝藻的繁殖提供了充足的营养物质。12个月中,仅有1月、10月水体叶绿素a的浓度低于0.04mg/L(蓝藻暴发临界浓度),其余月份中,3月和12月叶绿素a相对最高,分别为0.165mg/L和0.14mg/L,期间在8—9月份蓝藻再次出现小的浓度高峰,达到0.099mg/L。

2010年滇池外海各监测站点的综合营养状态指数约为68~73,属于中度和重度富营养化(图2-6)。相比Ⅴ类水质标准,TN年均水质浓度为2.59 mg/L,超Ⅴ类水质标准值约0.3倍;TP年均水质浓度为0.20mg/L,基本满足Ⅴ类水标准。2010全年叶绿素a浓度仅1—3月接近但仍超过蓝藻暴发的临界浓度(0.04mg/L),其余月份的叶绿素a浓度均超过0.08mg/L。滇池外海自2010年4月后水体中叶绿素a浓度快速增大,5月即达到年内的最大值(0.128mg/L),滇池外海蓝藻全面暴发。

图2-5 2010年草海富营养化状况图月份

图2-6 2010年外海富营养化状况图

3.滇池年内水质变化过程分析

2010年滇池草海、外海各主要水质指标湖区平均浓度年内变化过程见图2-7。从图中所示的评价结果,可以得出如下几点认识:

(1)草海并不是所有水质指标都比外海差,2010年草海的COD、CODMn和透明度3项指标基本全年都较外海好,且草海的叶绿素a浓度水平除个别月份(如3月、12月)外,其余月份均较外海低。

(2)2010年外海全年的COD指标浓度介于50~80mg/L之间,其水质类别常年均为劣Ⅴ类,其中主汛期(6—9月)的浓度值最高(接近80mg/L);草海的COD浓度值除2月和4月稍高(超过Ⅴ类水质标准)外,其余月份均满足Ⅳ~Ⅴ类水质。

(3)2010年滇池外海CODMn指标湖区平均浓度介于6.7~12.7mg/L之间,其中1—4月、6月、8月水质浓度满足Ⅳ类标准,5月、7月及9—12月水质浓度所属水质类别为Ⅴ类,年内9—12月指标浓度最高,均超过12mg/L;2010年草海CODMn指标的水质类别全年均属Ⅳ类水质。

图2-7(一)2010年滇池草海、外海年内水质变化过程图

图2-7(二)2010年滇池草海、外海年内水质变化过程图

(4)2010年滇池外海TP指标浓度介于0.16~0.27mg/L之间,其中1月、3—5月及7月水质为劣Ⅴ类,其余月份水质满足Ⅴ类水质标准,其中9月水质浓度最低、7月浓度最高;2010年滇池草海TP指标浓度介于0.21~1.23mg/L,最大值与最小值相差约6倍,年内草海TP水质浓度随时间变化降低趋势十分显著。

(5)2010年滇池外海TN指标平均浓度介于2.0~3.4mg/L之间,年内变化幅度较大,最小值出现在2月和8月,最大值出现在4月,年内各月水质类别基本均为劣Ⅴ类(2月和8月为Ⅴ类);2010年草海TN指标浓度年内变化过程与TP指标基本类似,最大值(17.80mg/L,3月)较最小值(5.72mg/L,9月)相差3倍多,全年水质均为劣Ⅴ类。

(6)滇池外海的NH3-N指标浓度较低,2010年年内各月NH3-N平均浓度均低于0.44mg/L,属Ⅱ类水质;2010年草海NH3-N浓度介于0.78~12.42mg/L之间,年内水质变化较大,最大值(12.42mg/L,4月)较最小值(0.78mg/L,12月)相差约16倍,其年内变化过程与TP、TN指标基本类似。

(7)2010年滇池外海叶绿素a的浓度介于0.043~0.128mg/L之间(年均值为0.091mg/L),年内各月的叶绿素a浓度均高于0.04mg/L(蓝藻暴发临界浓度),其中2月、3月的叶绿素a浓度最低,自4月开始各月叶绿素a的浓度均超过0.08mg/L,5—7月及11月的叶绿素a浓度进一步升高,均超过0.120mg/L;草海的叶绿素a浓度总体较外海低0.02mg/L,浓度介于0.012~0.165mg/L之间,其中只有1月和10月的叶绿素a浓度较低(低于蓝藻暴发临界浓度0.04mg/L),其余月份的叶绿素a浓度均较高。

(8)2010年滇池外海水体透明度介于0.27~0.42m之间(年均值为0.34m),年内其中7月水体透明度最低,12月水体透明度相对较高;2010年草海水体透明度介于0.52~2.07m(年均值为0.94m),年内各月水体透明度呈波浪状逐步增加趋势。

4.滇池水质空间分布特征

受滇池入湖污染负荷来源、内源污染程度及湖流流速缓慢等因素影响,滇池湖区水质空间分布差异性明显。总体而言,除COD、CODMn、透明度及叶绿素a等少数指标外,草海水质污染程度较外海严重许多,如TP指标草海与外海相差约3倍、TN指标相差4倍多、NH3-N指标相差超过30倍。

滇池外海水面面积较大(约300km2),主要的入湖污染负荷沿东岸线分布(西岸为西山,入湖污染源稀少),且绝大部分入湖污染负荷均来自于东北岸的昆明主城区,加之滇池湖流十分缓慢,水体交换能力弱,从而形成目前北高南低、东高西低的水质空间分布格局。滇池水质监测站点布置见图2-8。下面以CODMn、TP、TN和NH3-N 4项指标为例,分别给出了2010年滇池自北向南不同站点(以晖湾中、观音山中、海口西和滇池南)的水质浓度变化过程对比图(图2-9)和自东向西不同站点(观音山东、观音山中、观音山西)的水质浓度变化过程对比图(图2-10)。

图2-8 滇池水质监测站点空间分布图

图2-9 2010年滇池外海水质空间分布状况图(南北方向比较)

2.3.2 主要河流入湖水质状况评价

1.滇池主要河流入湖水质总体评价

在滇池的主要入湖河流中,除盘龙江外,其他河流流程短,天然补给水量少,河流在旱季时常出现断流,周围居民垃圾倾倒入河的现象较为严重,当有水时,水质污染严重。2010年滇池主要入湖河流中,东大河全年平均水质为Ⅴ类,其余河流在所有时段的综合水质类别均为劣Ⅴ类(各河流的入湖水质评价结果见表2-2),且非汛期水质较汛期差。

图2-10 2010年滇池外海水质空间分布状况图(东西方向比较)

表2-2 2010年滇池主要河流入湖水质评价

续表

近年来,导致滇池水质严重污染的主要原因是滇池环湖入湖河流水质太差所致。据2010年主要河流入湖水质资料统计,进入草海的4条主要河流(运粮河、新河、西坝河、船房河)水质均为劣Ⅴ类,各河流COD、CODMn、TP、TN、NH3-N 5项指标年均入湖水质浓度分别为50mg/L、11.67mg/L、0.96mg/L、17.08mg/L、10.61mg/L,各河流年内入湖水质变化过程见图2-11。进入外海的10条河流中,除东大河水质为Ⅴ类外,其余各入湖河流年均水质均为劣Ⅴ类,尤其以大清河、宝象河入湖水质最差,进入外海各指标(COD、CODMn、TP、TN、NH3-N)的最大浓度值分别高达117mg/L、29.6mg/L、1.79mg/L、28.20mg/L、21.60mg/L。外海主要河流年均入湖水质浓度(COD、CODMn、TP、TN、NH3-N)分别为30mg/L、5.79mg/L、0.27mg/L、6.87mg/L、2.09mg/L,各河流年内入湖水质变化过程见图2-12。主要超Ⅴ类的水质指标为TN和NH3-N。

2.滇池主要河流入湖水质变化趋势

2004年以来,入滇池河流水质总体较差,呈现严重的有机污染特征,影响水质的主要指标包括CODMn、NH3-N、BOD5、TP等。6年来,河道监测断面水质以劣V类为主,2004年占监测断面的69.23%,至2008年和2009年劣V类监测断面占86.21%,主要是流经城区的断面,而位于河流上游的断面水质相对较好。相比于功能区水质目标要求,2004年有30.77%的断面达标,而至2009年仅有13.79%的断面水质达到功能区水质要求。经过“十五”和“十一五”期间的河道整治工作,虽然部分入湖河流水质得到明显改善,但是仍有多条河流水质状况不容乐观。

图2-11(一)2010年滇池草海环湖入湖河流水质年内变化过程图

图2-11(二)2010年滇池草海环湖入湖河流水质年内变化过程图

图2-12 2010年滇池外海环湖入湖河流水质年内变化过程图

表2-3 近年来滇池主要河流入湖水质评价结果(2004—2010年)

续表

注 2010年纳入评价范围的水质指标仅为COD、CODMn、TP、TN、NH3-N5项。

入草海的各条河流中,近年来新运粮河有机污染最为严重,水质恶化趋势显著;CODMn、BOD5、NH3-N,以及TP、TN浓度均逐年升高,而溶解氧(DO)一直处于较低的水平。经过整治的船房河水质显著改善,船房河的CODMn、BOD5、NH3-N、TP、TN浓度分别在2007年和2008年以来显著下降,DO含量迅速上升,水质显著好转(表2-3)。

2008—2009年入外海的河流中,采莲河、金家河、马料河等各项有机污染和富营养化指标均呈现上升趋势,DO迅速下降,河流水质恶化(表2-3)。经过整治的河流大清河、新宝象河、盘龙江、茨巷河、柴河、大河等水质均有明显改善,这说明2008年和2009年滇池入湖河道整治“158”工程取得了良好的效果。

2.3.3 滇池流域污染来源分析

近十余年来滇池入湖污染负荷呈上升趋势,尤其是营养盐TN、TP负荷大幅度上升,严重加剧了滇池富营养化态势。滇池污染物来源按照常规可以分成生活、工业和非点源三大类,其中生活和工业污染源主要来自昆明市区,非点源污染主要来自环湖农田径流。自20世纪80年代中后期以来,滇池湖体接纳的污染源中,生活污水量所占比例一直最大,其次是农业非点源,工业污染源所占比重最小。尽管近年来工业污染源排放总量呈显著下降趋势,但由于城镇生活污水和农业非点源所占比重日益增大且增长较快,滇池流域污染源排放总量仍呈上升趋势。

近十几年来滇池污染治理过程表明,工业污染治理成效显著,但是生活污染源和非点源污染尚未得到有效控制。另外,近年来随着滇池污染日益加剧,大量陆域入湖污染负荷沉积湖底,滇池底泥内源污染也相当严重,当外源得到有效治理控制后,随着上覆水体水质浓度的下降,底泥与上覆水浓度差增大,底泥释放必将随之增大,进而逐渐成为滇池水体的重要污染来源。近些年滇池入湖污染负荷统计见表2-4。

表2-4 近年来滇池流域主要污染物来源分析

续表

与2000年相比,2010年滇池流域的工业污染源得到有效控制,COD、TP、TN排放量分别较2000年下降了52.5%、61.2%、85.7%,较2008年减少了1.43%、15.0%、66.7%;而城镇生活污染负荷排放量,随着流域人口不断增长、居民生活水平不断提高、生活方式改变影响,人均生活污染负荷逐年增大,流域负荷排放量呈不断上升趋势。2010年生活污染物排放量COD、TN、TP比2000年增长了120.2%、45.0%、51.6%,较2008年增长了17.1%、20.4%、10.3%。

2.3.4 滇池湖泊水质演变趋势分析

滇池湖泊水质污染始于20世纪80年代初期,并随着流域社会经济的快速发展,排入流域河湖水体的污染负荷也逐年显著增加,20世纪90年代水质迅速恶化。自20世纪90年代以来,滇池整体水质为劣Ⅴ类(见图2-13、图2-14),水污染极其严重。而且水质指标CODMn、TP、TN和叶绿素a浓度呈上升趋势,表明滇池富营养化和有机污染日益加重。

图2-13 1990—2001年滇池主要水质指标实测浓度年际变化图(草海均值)

随着国家“三湖三河”水污染综合治理工作的不断深入开展,同时滇池流域近年来实施了“六大治污工程体系”,滇池流域水污染情势和湖泊水质恶化趋势得到了一定程度的遏制,如图2-15、图2-16中所示的外海TP、TN指标浓度分别自2005年、2007年起呈逐年下降趋势,这由此说明滇池流域在“十五”和“十一五”期间陆续实施的流域水污染综合治理措施正在发挥治污效益,且将随着各项治污、截污和生态补水工程的逐步落实,滇池外海水质将呈逐年改善趋势。不过近1~2年(2009年、2010年)滇池外海TP、TN指标浓度又呈一定的增加态势。从图2-17所示的近年来滇池草外海水质变化过程,可以得出以下一些认识。

图2-14 1990—2001年滇池主要水质指标实测浓度年际变化图(外海均值)

图2-15 2002—2010年滇池草海各指标水质浓度年际变化图

图2-16 2002—2010年滇池外海各指标水质浓度年际变化图

图2-17(一)2002—2010年滇池草海、外海水质浓度年际变化过程图

图2-17(二)2002—2010年滇池草海、外海水质浓度年际变化过程图

(1)草海COD浓度值呈显著的逐年下降趋势,从2004年66mg/L下降到2010年34mg/L,下降幅度接近50%;外海COD浓度呈一定的波动性下降趋势,2006年达到极大值(70mg/L),2009年下降到最低(52mg/L),2010年又增加到65 mg/L,年际变化较大。

(2)近年来滇池草、外海的CODMn指数呈逐年增加趋势,尤其是外海,CODMn指标浓度增加幅度较为显著,如2002年外海CODMn指标年均浓度为5.48mg/L(III类水质),到2009年升高到11.58 mg/L(V类水质),2010年又略有下降为10.03mg/L(IV~V类水质),自2002年以来滇池外海CODMn几乎升高了1倍;与此对应的是,滇池外海水体透明度呈逐年下降趋势,由2002年0.72m下降到目前的0.34m,下降幅度超过60%,由此说明近年来滇池外海有机污染呈逐年加重趋势。

(3)滇池草海除COD、透明度及叶绿素a等少数指标外,其余各指标(如TP、TN、NH3-N和CODMn等)负荷浓度均呈逐年增加趋势(2010年除外),水污染程度日趋严重。究其原因,主要是由于滇池沿岸实施的环湖截污工程将大量的城市生活污水通过截污管道汇入草海,再经草海出口——西园隧洞排出滇池。草海在环滇池截污工程中起到了污水收集、输送通道与调节容器的作用,故草海水体的污染状况呈日趋严重态势。

(4)受滇池流域水污染综合治理措施的控污效果影响,滇池主要河流的入湖水量有一定程度的改善,入湖污染负荷呈逐年减少趋势,湖泊水质有一定程度的改善,如2005—2008年期间的TP指标、2007—2009年期间的TN指标,但受一些不确定性因素及湖泊内源污染等影响,滇池外海水质年际变化幅度较大,且近期(如2008—2010年的TP指标、2009—2010年的TN指标)湖泊水质浓度有所升高,亟需查明原因,并遏制其趋势。

(5)对比分析湖泊水质与主要河流的入湖水质资料发现,近几年滇池主要河流的入湖CODMn指标浓度(如2010年主要河流的入湖CODMn指标年均水质浓度为5.7mg/L)远较外海的CODMn指标浓度(2010年滇池外海CODMn指标年均水质浓度为10.03mg/L)低,这由此说明滇池外海(包括草海)的有机污染负荷还有其他重要来源(如内源释放)或河流入湖水质的例行监测代表性不够等。