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摘要：
洱海是大理白族人民的集中饮用水水源地，具有湖泊水质演变过程复杂、面源污染治理难度大、流域水资源短缺程度逐步加重、湖滨带水生植物自然恢复缓慢等环境问题。分析了近年来洱海水质演变情况。按照新时代治水思路的要求，研究提出了高效节水生态农业、生态调蓄带末端拦截、外流域补水、优化洱海4～7月水位调度等措施，以加快洱海水生态系统的修复与水质的持续性改善。为此，构建了洱海水环境数学模型用于开展相关水质改善措施效果的数值模拟。结果表明：①高效节水农业可从源头上削减负荷30%以上;②生态调蓄带汇流区旱季和降雨初期的雨污水可被全部拦截并回用农田;③外流域补水可补齐流域水资源短板，使洱海年度水质改善1.29%～5.15%，并为洱海水位优化调度与湖泊水生态修复提供良好的水资源条件支撑。
关 键 词：
水环境问题; 高效节水生态农业; 面源污染; 生态调蓄带; 外流域补水; 洱海流域
中图法分类号： TV213.4
文献标志码： A
DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.07.008
0 引 言
洱海是云贵高原上的第二大淡水湖，优美的自然条件和水生态环境为大理白族人民的繁衍生息提供了水源安全保障，并孕育了优秀的白族文化，留下了“大理古城”历史文化遗迹和“云南印象”等诸多文化名片，已成为云南省蜚声海内外的旅游与度假胜地。伴随着旅游业的迅猛发展与湖区经济的快速崛起，洱海流域水土资源过度开发、湖泊水生态系统逐步退化[1]、水体富营养化进程加快[2-3]、湖区水环境质量不断下降[4-5]等问题日益突出。在习近平总书记新时代治水思路“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的指引下，洱海保护治理工作日新月异，“七大行动”、“八大攻坚战”等措施正在快速有序地推进和落实。自2018年起，洱海年内水质达标（满足湖泊Ⅱ类）月数基本稳定在7个月，洱海水质保护成效已逐步显现，但受资源条件约束与诸多因素的影响，以CODMn指标为表征的有机污染物浓度呈逐年升高的态势，表明洱海水质演变过程及其时空变化规律十分复杂。尽管国内外学者针对洱海的水质状况、演变过程及其富营养化特征等都开展了大量的研究[2-4]，但在近期人类活动的强烈干扰下，洱海水质的响应过程更趋复杂。
综上所述，本文基于近期的水质监测数据及“七大行动”、“八大攻坚战”等措施得到逐步落实的环境背景条件，采用数值模拟的方法来分析洱海水质的演变过程，识别当前治污策略下洱海尚存在的主要水环境问题，并有针对性地提出了流域水污染治理与湖泊水质保护措施，以期为洱海流域水环境综合治理和湖泊水生态修复与保护提供科学的参考依据。
1 洱海流域水环境问题诊断
洱海地处云南省大理白族自治州中心地带，隶属澜沧江一级支流黑惠江的支流，是大理市和周边城乡居民生产生活用水的供给水源地。洱海形似耳状，略呈狭长形，南北长为42.5 km，东西宽为5.9 km，湖岸线长为128.0 km，呈北北西-南南东向展布（见图1）。洱海最高水位为1 966.00 m[6]，对应蓄水容量为29.59亿m3;法定最低运行水位为1 964.30 m[6]，对应蓄水容量为25.34 亿m3。洱海最大湖泊水面面积为252 km2，最大水深为21.3 m，平均水深为10.6 m，流域面积为2 565 km2。
洱海流域属于亚热带高原季风气候，多年平均气温为15.1 ℃，年均降水量为1 060 mm，湖面蒸发量为1 208 mm。洱海水量主要由大气降水和入湖径流补给，主要入湖河流有29条，流域水系如图1所示。由
图1可以看出：北部为洱源和邓川盆地，入湖河流有弥苴河、永安江、罗时江（简称“北三江”），入湖水量约占54.0%;西部为藏滇褶皱系，点苍山屏列于洱海西岸，主要有苍山十八溪及棕树河，入湖水量约占27.2%;东部有凤尾箐、玉龙河、南村河、下和箐，入湖水量约占0.2%;南部有波罗江、白塔河，入湖水量约占3.8%。湖周主要入湖沟渠有125条，大多分布在洱海西部苍山区域，入湖水量约占14.8%。洱海有2个出口：西洱河（南部）和引洱入宾隧洞（东南角），其中西洱河多年平均出湖量为6.97亿m3，引洱入宾隧洞自1994年建成以来，多年平均引水量为0.71亿m3。
根据2018年洱海湖区常规水质监测数据可知，洱海主要水质指标COD、CODMn、TP、TN的年均水质浓度分别为16.100，3.750，0.028 mg/L和0.620 mg/L，分属Ⅲ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅲ类水质，综合水质类别为Ⅲ类;超Ⅱ类水质目标的有COD、TP、TN 三個指标，超标幅度分别为7.2%，10.2%，23.5%;洱海综合营养状态指数为43.1，属中营养水平。从年内变化过程来看（见图2），年内各水质超标月份均集中在6～10月。从年际变化过程来看（见图3），各指标呈现波浪式变化特点，其中COD指标在2010年达到了极大值（17.5 mg/L），2015年达到极小值（13.3 mg/L），2018年又出现了极大值（16.1 mg/L）;TP指标在2016～2017年期间出现了极大值（0.029 mg/L），其中2008～2013年期间呈现逐年升高的趋势，近3 a（2017～2019年）来呈现快速下降的变化趋势;TN指标以2014年为分界点，2009～2014年期间呈逐年降低的趋势，2014年以后呈逐年升高的趋势，2019年达到了极大值（0.63 mg/L）;CODMn指标总体呈现逐年升高的趋势。2010～2019年期间，洱海综合营养状态指数（TLI）为38.8～43.1（见图4），均为中营养，其中2014～2017年期间水体富营养化升高趋势较为明显（TLI年均增加1.1），2017～2019年期间TLI升高态势明显趋缓（年均增加0.3），说明自2016年起开启的“抢救式”保护洱海模式对减缓洱海水体富营养化的演变进程、保护洱海水质是有效的，同时以叶绿素a为代表的浮游植物生物量是影响洱海水体富营养状态的决定性因素。 目前洱海主要存在如下几个水环境问题。
（1） 洱海流域多年平均天然径流量为11.45亿m3，扣除湖面蒸发损失后，实际可用水资源量为8.29亿m3，流域内年用水及引洱入宾水量合计为4.50亿m3;目前洱海流域水资源开发利用程度已高达54.3%，来水量偏少年份（如2011，2013，2014年和2019年）的水资源开发利用程度已超过90%，流域水资源匮乏问题日益突出。
（2） 近年来洱海水质类别为Ⅲ类，营养状态水平为中营养，超Ⅱ类标准的水质指标主要有COD、TP和TN，超标时段集中在雨季（6～10月），水质超标幅度为16.0%～60.6%，超标原因可能主要是农田面源污染及农灌退水沟渠滞留污染物在雨季初期集中入湖，以及水生植物冬季死亡后随着气温升高而造成植物腐解后短期内大量释放营养物质影响所致。
（3） 洱海水质演变过程及其成因十分复杂：① 容易受入湖河流水质的影响，比如2017～2019年，洱海湖区的TP浓度随入湖河流水质浓度的逐年降低而呈现出明显的改善过程（见图5）;② 受到湖区浮游植物光合作用而合成的有机物、固氮效应、湖面蒸发浓缩以及内源释放等的影响显著，比如在2015～2018年入湖河流水质显著改善的条件下，COD指标仍快速升高;③ 同时TN/CODMn浓度也呈逐年升高的态势（见图3）。可见，洱海水质保护治理工作任重而道远。
（4） 受水资源条件制约，不得已拦蓄流域内全部雨污水是维持洱海年内水量基本平衡的重要保障，从而出现了洱海水位的升降与湖区水质浓度变化基本同步的现象（见图6）。同时，在适宜沉水植物生长发育的5～6月，水位快速升高和日益加重的水体富营养化，抑制了2006～2016年期间湖滨带水生植被的自然恢复（见图7），削弱了沉水植物对浮游植物生长的抑制作用，尤其是水体交换性能极差的北湖湖湾，从而加剧了北部湖湾区的藻类生长及水力富集效应。
2 数据来源和研究方法
2.1 数据来源
水质数据主要来自大理白族自治州环境监测站、大理市环境监测站2016年和2018年湖区17个水质监测站点逐月水质监测资料，以及2016年和2018年洱海主要入湖河流逐月水质监测资料。水质指标主要包括化学需氧量（COD）、高锰酸盐指数（CODMn）、总磷（TP）、总氮（TN）、氨氮（NH3-N）、透明度和叶绿素等。水量数据主要来自于大理白族自治州水文水资源局编制的《洱海水资源监测评价年报》，降雨、蒸发及风场资料主要来自于国家气象局网站下载的大理州国控站数据。
2.2 研究方法
（1） 水质指标评价法。采用最常用的单因子评价法对洱海水质进行评价，即取某一评价因子的多次监测平均值，与该因子的标准值相比较，当某一项指标超过洱海Ⅱ类水质保护目标的标准值时，就表示洱海已经不能完全满足该功能区的水质目标要求。
（2） 综合营养状态指数法。在洱海水体富营养化评价中，根据沈晓飞等[7]对
SL 395-2007《地表水资源质量评价技术规程》中推荐的营养状态指数法和《地表水环境质量评价办法（试行）》（环办[2011]22号）中推荐采用的综合营养状态指数法（TLI（））进行对比分析，结果表明，洱海水体富营养化评价宜采用综合营养状态指数法，其分级评价标准应符合表1中的规定。
（3） 数学模型法。
流场是湖泊中入湖污染物输移扩散的主要载体，湖流研究一直受到研究者的高度重视。风是湖流运动的主驱动力，由于风场变化频繁且湖流运动缓慢，大规模的湖流观测较为困难，因此，近年来数值模拟被广泛地运用于各类水体动力学与水质迁移扩散方面的研究。
洱海属大型的高原浅水湖泊，东临玉案山，西及点苍山，处于北北西-南南东走向的峡谷中，湖面风场受到湖周山势影响气流运动具有明显的方向性;同时，峡谷中无凸出山体遮挡，故湖面可采用均匀风场条件。根据国内外大量浅水湖泊的研究成果[8-10]，风是洱海湖流运动的主驱动力，洱海湖流以风生流为主，入湖污染物在风生湖流和吞吐流的共同驱动下完成湖内的输移扩散。因此，可利用平面二维水流运动方程（式（1））和对流扩散方程（式（2））进行数学描述[8-9]。
式中：h为水深，m;C可以分别为TP、TN、NH3-N、COD的浓度，mg/L;M为横向单宽流量，m2/s;N为纵向单宽流量，m2/s;Ex为横向扩散系数，m2/s;Ey为纵向扩散系数，m2/s;S为源（汇）项，g/（m2·s）;F（c）为生化反应项。
模拟指标重点选择近期影响洱海水质类别变化的COD、CODMn、TP、TN 4项。各类特征污染物指标的生化反应项均可作一级简化处理，其中COD、CODMn考慮自净衰减并通过自净衰减系数和内源释放速率反映;TP、TN考虑各种物理、化学及生物因素引起的自然净化与内源释放，通过综合自净和释放系数反映。
采用矩形网格（250 m×250 m）对洱海湖体进行计算单元划分（合计3 969个），采用变量交错布置的方式在计算网格上对上述方程进行离散，其中对流项采用迎风格式，扩散项采用中心差分，用迭代法求解离散方程组。利用洱海2016年和2018年湖内17个常规水质监测点每月一次的水质监测数据和同期的水位、入出湖流量、水质及气象数据资料，对洱海水动力与水质模型进行参数率定与模型校验。结果表明（分别见图8和图9）：洱海水动力与水质模型能够较好地反映洱海的湖流形态与入湖污染物的时空变化特征，模拟结果具有较高的模拟精度，水动力与水质模型可为水情变化条件下的洱海湖流、水质时空分布模拟提供科学的技术手段。
3 洱海流域面源污染治理与湖泊水质保护对策
针对洱海流域目前存在的初期高浓度雨污水及大量的农田面源污染难以有效控制、流域水资源短缺导致洱海只能拦蓄全部雨污水而无法实现“蓄清排污”的调度运行方式，以及湖滨沉水植物大面积消失致使湖泊水生态系统退化严重并加剧湖湾的藻类生长及其富集等主要水环境问题，遵循“源头控制-过程阻断-末端拦截-水生态修复”的综合治理思路，分别提出了如下水环境治理与湖泊水质保护对策。 （1） 高效节水生态农业建设是流域面源控制与源头治理的重要举措。
在环湖截污工程已全面落实并逐步发挥效益的情况下，面源污染是洱海入湖污染负荷的最主要来源。因此，亟需推进环洱海和主要入湖河流禁养区的奶牛及生猪养殖的转移和退出，流域内种植结构调整并取缔高水高肥的大蒜种植，推进生态农业示范园以及高标准生态农田、生态沟渠等建设;加快推进农田水利改革进程，推广喷灌、滴灌、微灌、水肥一体化等节水农业技术，大力推动农业节水减排，加强灌区工程规划与建设、管理，注重农业灌溉排水管理和面源污染控制。逐步取缔大水漫灌，规范农业取水，实施农业定额取水制度，着力提高用水效率。与湖滨缓冲区库塘和湿地生态建设和低污染水净化工程相结合，实施环洱海地区农业灌溉用水提升改造工程，加大农田高营养退水的重复利用率，减少农田灌溉在河流的清水取水量，以有效削减农田面源污染负荷。通过高效节水生态农业建设，洱海流域面源入湖负荷量削减率超过30%，这对流域污染物面源削减、入湖污染物总量控制及洱海水质整体达标都具有重要的推动作用。
（2） 农业耕作区与湖滨带衔接区构建条带状生态调蓄带是强化末端拦截的有效手段。
生态调蓄带工程是集截污、调蓄、水质净化、水资源回用、向湖滨湿地补水及湖滨生态景观建设于一体的综合利用工程。在洱海西岸农田耕作密集区与湖滨湿地的衔接区沿湖岸构建条带状调蓄池，利用生态调蓄带的有效库容拦截并调蓄洱海西岸各沟渠枯水季的入湖废污水、初期雨污水及部分农田面源径流，在调蓄带湿地中充分静置、沉积及净化功效作用下，让经由调蓄带后再通过湖滨湿地净化后的入湖水质得到充分净化和改善。同时，将调蓄带内水资源回用于调蓄带汇流区的农田灌溉，以减少农田灌溉用水对洱海及苍山十八溪清洁水资源的消耗，让更多的清水直接流入洱海，因此洱海西岸生态调蓄带工程可在农灌沟渠污染物入湖减排效益方面发挥显著的功效。比如2016年，抚仙湖北岸生态调蓄带工程已投入运行并发挥了入湖污染物减排效益。从抚仙湖北岸生态调蓄带工程的实际运行效果来看：① 枯水季节的废污水和雨季的初期雨污水可全部被拦截并回用于农田灌溉;② 典型枯水年水情条件下，调蓄带可使汇水区直接入湖的TP、TN、COD和NH3-N污染负荷削减约70%以上。
（3） 沉水植物复苏生长期（4～7月）的低水位运行是加快湖滨带水生植被自然修复与湖泊水生态系统健康循环的重要驱动力。
湖泊底部良好的光照是沉水植物赖以生长的基本前提，其直接影响沉水植物在湖泊中的最大分布水深[10-12]。近年来，频繁的人类活动加速了洱海水体富营养演化进程，水体透明度下降对湖滨沉水植物造成了严重的弱光胁迫[1]，沉水植被分布面积由1980s的约40%下降至2006年的8%～10%（见图9），沉水植物分布水深下限由1980s的9～10 m退化到6 m以内。因此，对于洱海湖滨带沉水植被的修复，除了亟需在合适的湖区进行人为补种以加快水生态系统修复以外，更需要为沉水植物的自然生长与繁衍提供条件。
中科院水生所研究表明：适宜面积的沉水植物分布是维持洱海良好水生态系统的重要保障，沉水植被对洱海水质改善起到重要作用。在4～6月水温大于15 ℃后，沉水植被开始复苏生长，该时段是洱海水位优化调控的窗口期;此外，水生植被占洱海18%的水面才能发挥较佳的净化功能。为此，结合洱海保护条例的法定最低运行水位要求并考虑到蓄水压力，洱海沉水植被复苏生长期（4～6月）可适度维持低水位（1 964.30～1 964.60 m）运行，这样有利于促进6 m水深以内沉水植被的快速复苏生长;同时，7～8月份，地表径流中携带有大量的面源负荷入湖，是洱海水体透明度明显下降的时段，可维持较低水位（1 964.60～1 964.80 m）运行，这样有利于湖滨浅水区（6 m以内）沉水植物的生长，并为浅水区沉水植被逐步向适度深水区（6～10 m）延展创造条件。
通过2017～2018年期间4～7月适度的低水位调度实践（水位变幅1 964.26～1 964.79 m）并结合适当的人工修复措施（栽种本地种水草），洱海湖滨带水生植被恢复性增长十分显著，2018年分布面积达33.4 km2（见图9），占比为13.36%。因此，4～7月洱海维持较低水位运行是促进洱海沉水植被自然修复和湖泊水生态系统健康循环的重要驱动力。
（4） 外流域补水可为沉水植被复苏生长期低水位运行及洱海水质持续性改善提供关键的水资源条件支撑。
在当前流域水资源仅能维持湖泊水量基本平衡的条件下，洱海水质与湖泊水位变化具有明显的关联性。雨季将大量的农业农村面源负荷拦蓄在湖内，是洱海雨季水质严重超标的关键所在。因此，结合洱海湖滨带沉水植物复苏生长期（4～7月）的低水位运行和汛前期不蓄水、汛中期少蓄水、汛后期蓄水的“蓄清排浑”调度运行需求，亟需外流域补水来提供灵活调度的水资源支撑，以加快洱海湖滨湿地沉水植被的自然恢复并向适度深水区延展;同时，也有利于快速推进洱海湖区水质持续性改善和整体水质达标的早日实现。
通过云南省水利水电勘测设计研究院对洱海周边的引水水源点进行比选，从黑惠江干流和桃源河支流建设大型水库引水，平水年型可引水量为2.31亿m3，其中具有多年调节性能的桃源水库补水量为1.07亿m3，黑惠江干流引水量为1.24亿m3。桃源河水质现状水质较好，建库后，各指标的水质浓度如下：COD为4.000 mg/L，CODMn为1.100 mg/L，TP为0.010 mg/L，TN为0.140 mg/L;黑惠江干流水质目标为Ⅱ類，结合现状年水质情况和水质保护目标要求，黑惠江干流引水水质设计为枯水期：COD为6.000 mg/L，CODMn 为1.500 mg/L，TP为0.025 mg/L，TN为0.500 mg/L;丰水期：COD为10.000 mg/L，CODMn为2.500 mg/L，TP为0.050 mg/L，TN为0.500 mg/L。 以2018年洱海流域的水文与水环境条件为背景，在设计的补水过程和引水水质条件下，在维持洱海年内水量基本平衡的条件下，外流域补水可以实现洱海湖滨带沉水植被复苏与生长期的低水位运行（见图10）。同时，数学模型模拟预测结果也表明，洱海全湖年内整体水质（COD、CODMn、TP、TN）可分别由补水前的16.260，3.540，0.027 mg/L和0.650 mg/L降低到15.420，3.360，0.027 mg/L和0.630 mg/L，改善幅度分别为5.15%、5.01%、1.29%、3.32%，补水前后各水质指标浓度年内变化过程如图11所示。
由此可见，以黑惠江干流和桃源水库为水源的外流域补水工程，可为洱海湖滨带沉水植被复苏生长期的低水位运行以及洱海水质持续性改善提供可靠的水资源条件支撑。
4 结 论
（1） 洱海流域多年平均天然径流量为11.45亿m3，扣除湖面蒸发损失后，水资源开发利用率已达到54.3%，来水量偏少年份甚至超过90.0%以上，显然，流域水资源匮乏问题日益突出。在洱海流域种植业发达、旅游资源丰富及干湿季节分明的背景条件下，农业面源污染物随降雨径流在6～10月期间集中入湖，是近年来洱海雨季水质超标的关键环境驱动因子;受资源条件制约的年内水位节律波动变化抑制了湖滨带水生植被的自然恢复和洱海“蓄清排浑”功能的发挥。
（2） 遵循“源头控制-过程阻断-末端拦截-水生态修复”的系统治理思路，以种植业结构调整、规模化畜禽养殖迁转、高效节水技术推广、生态塘库建设为主要抓手的流域面源源头治理与过程阻断是关键。农业耕作区与湖滨带衔接区构建条带状生态调蓄带，是强化农田面源末端拦截和水资源重复利用的最有效手段，可实现生态调蓄带汇流区旱季雨污水和初期高浓度雨水全拦截，以及枯水年型下全年雨污水拦截率超过70%以上。
（3） 在该流域来水量不足时依托外流域补水，在4～7月实施低水位调度运行以提升湖滨带水生植被的自然修复能力，发挥洱海汛前期“蓄清排浑”功效，使洱海年度水质改善达1.29%～5.15%，并可加快湖泊水生态系统向良好方向发展，同时也可为洱海水质的持续性改善提供良好的水资源条件支撑。
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（编辑：赵秋云）
引用本文：
马巍，蒋汝成，周云，等.
洱海流域水环境问题诊断与水质保护措施研究
[J].人民长江，2021，52（7）：45-53.
Study on diagnosis of water environmental problems and water quality
protection countermeasures in Erhai Lake Basin MA Wei1，JIANG Rucheng2，ZHOU Yun2，SU Jianguang2，XIN Longyu3
（1.Department of Water Ecology and Environment，China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China; 2.Planning Department，Yunnan Water Conservancy and Hydroelectric Survey Design and Research Institute，Kunming 650021，China; 3.Beijing Hanyu Information Technology Co.，Ltd.，Beijing 102308，China）
Abstract：
Erhai Lake is a main drinking water source of the Bai ethnicity in Dali，Yunnan Province.There are some water environmental problems in Erhai Lake，such as the complicated evolution process of water quality，the difficulty to effectively control non-point source pollution，the aggravation of water resource shortage，and the slow natural recovery of submerged plants along the lakeside.According to the new thinking on water conservancy in the new era，this paper puts forward some targeted measures，such as facilitating the development of efficient water-saving agriculture，strengthening the end interception of pollutants by the ecological storage zones，carrying out projects to supplement water from other river basins，and optimizing the water level scheduling of Erhai Lake from April to July，which are keys to achieve Erhai Lake′s sustainable improvement of water quality and water ecosystem as well.Therefore，this paper established amathematical model of water environment of Erhai Lake to carry out the numerical simulation of water quality improving measures.The results showed that the efficient water-saving agriculture could reduce more than 30% of the pollution loads from the source.The rain sewage in the confluence area during the dry season and the early rainfall period could all be intercepted and reused by the ecological storage zones.The water supplementation from other basins can make up the shortcoming of water resource shortage，to improve annual water quality of Erhai Lake by 1.29%～5.15%，which can provide a good water resources condition support for the optimal scheduling of water level and water ecological restoration in Erhai Lake.
Key words：
water environmental problems;efficient water-saving ecological agriculture;non-point pollutant;ecological storage zones;water supplementation from other basins;Erhai Lake Basin
洱海是大理白族人民的集中饮用水水源地，具有湖泊水质演变过程复杂、面源污染治理难度大、流域水资源短缺程度逐步加重、湖滨带水生植物自然恢复缓慢等环境问题。分析了近年来洱海水质演变情况。按照新时代治水思路的要求，研究提出了高效节水生态农业、生态调蓄带末端拦截、外流域补水、优化洱海4～7月水位调度等措施，以加快洱海水生态系统的修复与水质的持续性改善。为此，构建了洱海水环境数学模型用于开展相关水质改善措施效果的数值模拟。结果表明：①高效节水农业可从源头上削减负荷30%以上;②生态调蓄带汇流区旱季和降雨初期的雨污水可被全部拦截并回用农田;③外流域补水可补齐流域水资源短板，使洱海年度水质改善1.29%～5.15%，并为洱海水位优化调度与湖泊水生态修复提供良好的水资源条件支撑。
关 键 词：
水环境问题; 高效节水生态农业; 面源污染; 生态调蓄带; 外流域补水; 洱海流域
中图法分类号： TV213.4
文献标志码： A
DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.07.008
0 引 言
洱海是云贵高原上的第二大淡水湖，优美的自然条件和水生态环境为大理白族人民的繁衍生息提供了水源安全保障，并孕育了优秀的白族文化，留下了“大理古城”历史文化遗迹和“云南印象”等诸多文化名片，已成为云南省蜚声海内外的旅游与度假胜地。伴随着旅游业的迅猛发展与湖区经济的快速崛起，洱海流域水土资源过度开发、湖泊水生态系统逐步退化[1]、水体富营养化进程加快[2-3]、湖区水环境质量不断下降[4-5]等问题日益突出。在习近平总书记新时代治水思路“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的指引下，洱海保护治理工作日新月异，“七大行动”、“八大攻坚战”等措施正在快速有序地推进和落实。自2018年起，洱海年内水质达标（满足湖泊Ⅱ类）月数基本稳定在7个月，洱海水质保护成效已逐步显现，但受资源条件约束与诸多因素的影响，以CODMn指标为表征的有机污染物浓度呈逐年升高的态势，表明洱海水质演变过程及其时空变化规律十分复杂。尽管国内外学者针对洱海的水质状况、演变过程及其富营养化特征等都开展了大量的研究[2-4]，但在近期人类活动的强烈干扰下，洱海水质的响应过程更趋复杂。
综上所述，本文基于近期的水质监测数据及“七大行动”、“八大攻坚战”等措施得到逐步落实的环境背景条件，采用数值模拟的方法来分析洱海水质的演变过程，识别当前治污策略下洱海尚存在的主要水环境问题，并有针对性地提出了流域水污染治理与湖泊水质保护措施，以期为洱海流域水环境综合治理和湖泊水生态修复与保护提供科学的参考依据。
1 洱海流域水环境问题诊断
洱海地处云南省大理白族自治州中心地带，隶属澜沧江一级支流黑惠江的支流，是大理市和周边城乡居民生产生活用水的供给水源地。洱海形似耳状，略呈狭长形，南北长为42.5 km，东西宽为5.9 km，湖岸线长为128.0 km，呈北北西-南南东向展布（见图1）。洱海最高水位为1 966.00 m[6]，对应蓄水容量为29.59亿m3;法定最低运行水位为1 964.30 m[6]，对应蓄水容量为25.34 亿m3。洱海最大湖泊水面面积为252 km2，最大水深为21.3 m，平均水深为10.6 m，流域面积为2 565 km2。
洱海流域属于亚热带高原季风气候，多年平均气温为15.1 ℃，年均降水量为1 060 mm，湖面蒸发量为1 208 mm。洱海水量主要由大气降水和入湖径流补给，主要入湖河流有29条，流域水系如图1所示。由
图1可以看出：北部为洱源和邓川盆地，入湖河流有弥苴河、永安江、罗时江（简称“北三江”），入湖水量约占54.0%;西部为藏滇褶皱系，点苍山屏列于洱海西岸，主要有苍山十八溪及棕树河，入湖水量约占27.2%;东部有凤尾箐、玉龙河、南村河、下和箐，入湖水量约占0.2%;南部有波罗江、白塔河，入湖水量约占3.8%。湖周主要入湖沟渠有125条，大多分布在洱海西部苍山区域，入湖水量约占14.8%。洱海有2个出口：西洱河（南部）和引洱入宾隧洞（东南角），其中西洱河多年平均出湖量为6.97亿m3，引洱入宾隧洞自1994年建成以来，多年平均引水量为0.71亿m3。
根据2018年洱海湖区常规水质监测数据可知，洱海主要水质指标COD、CODMn、TP、TN的年均水质浓度分别为16.100，3.750，0.028 mg/L和0.620 mg/L，分属Ⅲ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅲ类水质，综合水质类别为Ⅲ类;超Ⅱ类水质目标的有COD、TP、TN 三個指标，超标幅度分别为7.2%，10.2%，23.5%;洱海综合营养状态指数为43.1，属中营养水平。从年内变化过程来看（见图2），年内各水质超标月份均集中在6～10月。从年际变化过程来看（见图3），各指标呈现波浪式变化特点，其中COD指标在2010年达到了极大值（17.5 mg/L），2015年达到极小值（13.3 mg/L），2018年又出现了极大值（16.1 mg/L）;TP指标在2016～2017年期间出现了极大值（0.029 mg/L），其中2008～2013年期间呈现逐年升高的趋势，近3 a（2017～2019年）来呈现快速下降的变化趋势;TN指标以2014年为分界点，2009～2014年期间呈逐年降低的趋势，2014年以后呈逐年升高的趋势，2019年达到了极大值（0.63 mg/L）;CODMn指标总体呈现逐年升高的趋势。2010～2019年期间，洱海综合营养状态指数（TLI）为38.8～43.1（见图4），均为中营养，其中2014～2017年期间水体富营养化升高趋势较为明显（TLI年均增加1.1），2017～2019年期间TLI升高态势明显趋缓（年均增加0.3），说明自2016年起开启的“抢救式”保护洱海模式对减缓洱海水体富营养化的演变进程、保护洱海水质是有效的，同时以叶绿素a为代表的浮游植物生物量是影响洱海水体富营养状态的决定性因素。 目前洱海主要存在如下几个水环境问题。
（1） 洱海流域多年平均天然径流量为11.45亿m3，扣除湖面蒸发损失后，实际可用水资源量为8.29亿m3，流域内年用水及引洱入宾水量合计为4.50亿m3;目前洱海流域水资源开发利用程度已高达54.3%，来水量偏少年份（如2011，2013，2014年和2019年）的水资源开发利用程度已超过90%，流域水资源匮乏问题日益突出。
（2） 近年来洱海水质类别为Ⅲ类，营养状态水平为中营养，超Ⅱ类标准的水质指标主要有COD、TP和TN，超标时段集中在雨季（6～10月），水质超标幅度为16.0%～60.6%，超标原因可能主要是农田面源污染及农灌退水沟渠滞留污染物在雨季初期集中入湖，以及水生植物冬季死亡后随着气温升高而造成植物腐解后短期内大量释放营养物质影响所致。
（3） 洱海水质演变过程及其成因十分复杂：① 容易受入湖河流水质的影响，比如2017～2019年，洱海湖区的TP浓度随入湖河流水质浓度的逐年降低而呈现出明显的改善过程（见图5）;② 受到湖区浮游植物光合作用而合成的有机物、固氮效应、湖面蒸发浓缩以及内源释放等的影响显著，比如在2015～2018年入湖河流水质显著改善的条件下，COD指标仍快速升高;③ 同时TN/CODMn浓度也呈逐年升高的态势（见图3）。可见，洱海水质保护治理工作任重而道远。
（4） 受水资源条件制约，不得已拦蓄流域内全部雨污水是维持洱海年内水量基本平衡的重要保障，从而出现了洱海水位的升降与湖区水质浓度变化基本同步的现象（见图6）。同时，在适宜沉水植物生长发育的5～6月，水位快速升高和日益加重的水体富营养化，抑制了2006～2016年期间湖滨带水生植被的自然恢复（见图7），削弱了沉水植物对浮游植物生长的抑制作用，尤其是水体交换性能极差的北湖湖湾，从而加剧了北部湖湾区的藻类生长及水力富集效应。
2 数据来源和研究方法
2.1 数据来源
水质数据主要来自大理白族自治州环境监测站、大理市环境监测站2016年和2018年湖区17个水质监测站点逐月水质监测资料，以及2016年和2018年洱海主要入湖河流逐月水质监测资料。水质指标主要包括化学需氧量（COD）、高锰酸盐指数（CODMn）、总磷（TP）、总氮（TN）、氨氮（NH3-N）、透明度和叶绿素等。水量数据主要来自于大理白族自治州水文水资源局编制的《洱海水资源监测评价年报》，降雨、蒸发及风场资料主要来自于国家气象局网站下载的大理州国控站数据。
2.2 研究方法
（1） 水质指标评价法。采用最常用的单因子评价法对洱海水质进行评价，即取某一评价因子的多次监测平均值，与该因子的标准值相比较，当某一项指标超过洱海Ⅱ类水质保护目标的标准值时，就表示洱海已经不能完全满足该功能区的水质目标要求。
（2） 综合营养状态指数法。在洱海水体富营养化评价中，根据沈晓飞等[7]对
SL 395-2007《地表水资源质量评价技术规程》中推荐的营养状态指数法和《地表水环境质量评价办法（试行）》（环办[2011]22号）中推荐采用的综合营养状态指数法（TLI（））进行对比分析，结果表明，洱海水体富营养化评价宜采用综合营养状态指数法，其分级评价标准应符合表1中的规定。
（3） 数学模型法。
流场是湖泊中入湖污染物输移扩散的主要载体，湖流研究一直受到研究者的高度重视。风是湖流运动的主驱动力，由于风场变化频繁且湖流运动缓慢，大规模的湖流观测较为困难，因此，近年来数值模拟被广泛地运用于各类水体动力学与水质迁移扩散方面的研究。
洱海属大型的高原浅水湖泊，东临玉案山，西及点苍山，处于北北西-南南东走向的峡谷中，湖面风场受到湖周山势影响气流运动具有明显的方向性;同时，峡谷中无凸出山体遮挡，故湖面可采用均匀风场条件。根据国内外大量浅水湖泊的研究成果[8-10]，风是洱海湖流运动的主驱动力，洱海湖流以风生流为主，入湖污染物在风生湖流和吞吐流的共同驱动下完成湖内的输移扩散。因此，可利用平面二维水流运动方程（式（1））和对流扩散方程（式（2））进行数学描述[8-9]。
式中：h为水深，m;C可以分别为TP、TN、NH3-N、COD的浓度，mg/L;M为横向单宽流量，m2/s;N为纵向单宽流量，m2/s;Ex为横向扩散系数，m2/s;Ey为纵向扩散系数，m2/s;S为源（汇）项，g/（m2·s）;F（c）为生化反应项。
模拟指标重点选择近期影响洱海水质类别变化的COD、CODMn、TP、TN 4项。各类特征污染物指标的生化反应项均可作一级简化处理，其中COD、CODMn考慮自净衰减并通过自净衰减系数和内源释放速率反映;TP、TN考虑各种物理、化学及生物因素引起的自然净化与内源释放，通过综合自净和释放系数反映。
采用矩形网格（250 m×250 m）对洱海湖体进行计算单元划分（合计3 969个），采用变量交错布置的方式在计算网格上对上述方程进行离散，其中对流项采用迎风格式，扩散项采用中心差分，用迭代法求解离散方程组。利用洱海2016年和2018年湖内17个常规水质监测点每月一次的水质监测数据和同期的水位、入出湖流量、水质及气象数据资料，对洱海水动力与水质模型进行参数率定与模型校验。结果表明（分别见图8和图9）：洱海水动力与水质模型能够较好地反映洱海的湖流形态与入湖污染物的时空变化特征，模拟结果具有较高的模拟精度，水动力与水质模型可为水情变化条件下的洱海湖流、水质时空分布模拟提供科学的技术手段。
3 洱海流域面源污染治理与湖泊水质保护对策
针对洱海流域目前存在的初期高浓度雨污水及大量的农田面源污染难以有效控制、流域水资源短缺导致洱海只能拦蓄全部雨污水而无法实现“蓄清排污”的调度运行方式，以及湖滨沉水植物大面积消失致使湖泊水生态系统退化严重并加剧湖湾的藻类生长及其富集等主要水环境问题，遵循“源头控制-过程阻断-末端拦截-水生态修复”的综合治理思路，分别提出了如下水环境治理与湖泊水质保护对策。 （1） 高效节水生态农业建设是流域面源控制与源头治理的重要举措。
在环湖截污工程已全面落实并逐步发挥效益的情况下，面源污染是洱海入湖污染负荷的最主要来源。因此，亟需推进环洱海和主要入湖河流禁养区的奶牛及生猪养殖的转移和退出，流域内种植结构调整并取缔高水高肥的大蒜种植，推进生态农业示范园以及高标准生态农田、生态沟渠等建设;加快推进农田水利改革进程，推广喷灌、滴灌、微灌、水肥一体化等节水农业技术，大力推动农业节水减排，加强灌区工程规划与建设、管理，注重农业灌溉排水管理和面源污染控制。逐步取缔大水漫灌，规范农业取水，实施农业定额取水制度，着力提高用水效率。与湖滨缓冲区库塘和湿地生态建设和低污染水净化工程相结合，实施环洱海地区农业灌溉用水提升改造工程，加大农田高营养退水的重复利用率，减少农田灌溉在河流的清水取水量，以有效削减农田面源污染负荷。通过高效节水生态农业建设，洱海流域面源入湖负荷量削减率超过30%，这对流域污染物面源削减、入湖污染物总量控制及洱海水质整体达标都具有重要的推动作用。
（2） 农业耕作区与湖滨带衔接区构建条带状生态调蓄带是强化末端拦截的有效手段。
生态调蓄带工程是集截污、调蓄、水质净化、水资源回用、向湖滨湿地补水及湖滨生态景观建设于一体的综合利用工程。在洱海西岸农田耕作密集区与湖滨湿地的衔接区沿湖岸构建条带状调蓄池，利用生态调蓄带的有效库容拦截并调蓄洱海西岸各沟渠枯水季的入湖废污水、初期雨污水及部分农田面源径流，在调蓄带湿地中充分静置、沉积及净化功效作用下，让经由调蓄带后再通过湖滨湿地净化后的入湖水质得到充分净化和改善。同时，将调蓄带内水资源回用于调蓄带汇流区的农田灌溉，以减少农田灌溉用水对洱海及苍山十八溪清洁水资源的消耗，让更多的清水直接流入洱海，因此洱海西岸生态调蓄带工程可在农灌沟渠污染物入湖减排效益方面发挥显著的功效。比如2016年，抚仙湖北岸生态调蓄带工程已投入运行并发挥了入湖污染物减排效益。从抚仙湖北岸生态调蓄带工程的实际运行效果来看：① 枯水季节的废污水和雨季的初期雨污水可全部被拦截并回用于农田灌溉;② 典型枯水年水情条件下，调蓄带可使汇水区直接入湖的TP、TN、COD和NH3-N污染负荷削减约70%以上。
（3） 沉水植物复苏生长期（4～7月）的低水位运行是加快湖滨带水生植被自然修复与湖泊水生态系统健康循环的重要驱动力。
湖泊底部良好的光照是沉水植物赖以生长的基本前提，其直接影响沉水植物在湖泊中的最大分布水深[10-12]。近年来，频繁的人类活动加速了洱海水体富营养演化进程，水体透明度下降对湖滨沉水植物造成了严重的弱光胁迫[1]，沉水植被分布面积由1980s的约40%下降至2006年的8%～10%（见图9），沉水植物分布水深下限由1980s的9～10 m退化到6 m以内。因此，对于洱海湖滨带沉水植被的修复，除了亟需在合适的湖区进行人为补种以加快水生态系统修复以外，更需要为沉水植物的自然生长与繁衍提供条件。
中科院水生所研究表明：适宜面积的沉水植物分布是维持洱海良好水生态系统的重要保障，沉水植被对洱海水质改善起到重要作用。在4～6月水温大于15 ℃后，沉水植被开始复苏生长，该时段是洱海水位优化调控的窗口期;此外，水生植被占洱海18%的水面才能发挥较佳的净化功能。为此，结合洱海保护条例的法定最低运行水位要求并考虑到蓄水压力，洱海沉水植被复苏生长期（4～6月）可适度维持低水位（1 964.30～1 964.60 m）运行，这样有利于促进6 m水深以内沉水植被的快速复苏生长;同时，7～8月份，地表径流中携带有大量的面源负荷入湖，是洱海水体透明度明显下降的时段，可维持较低水位（1 964.60～1 964.80 m）运行，这样有利于湖滨浅水区（6 m以内）沉水植物的生长，并为浅水区沉水植被逐步向适度深水区（6～10 m）延展创造条件。
通过2017～2018年期间4～7月适度的低水位调度实践（水位变幅1 964.26～1 964.79 m）并结合适当的人工修复措施（栽种本地种水草），洱海湖滨带水生植被恢复性增长十分显著，2018年分布面积达33.4 km2（见图9），占比为13.36%。因此，4～7月洱海维持较低水位运行是促进洱海沉水植被自然修复和湖泊水生态系统健康循环的重要驱动力。
（4） 外流域补水可为沉水植被复苏生长期低水位运行及洱海水质持续性改善提供关键的水资源条件支撑。
在当前流域水资源仅能维持湖泊水量基本平衡的条件下，洱海水质与湖泊水位变化具有明显的关联性。雨季将大量的农业农村面源负荷拦蓄在湖内，是洱海雨季水质严重超标的关键所在。因此，结合洱海湖滨带沉水植物复苏生长期（4～7月）的低水位运行和汛前期不蓄水、汛中期少蓄水、汛后期蓄水的“蓄清排浑”调度运行需求，亟需外流域补水来提供灵活调度的水资源支撑，以加快洱海湖滨湿地沉水植被的自然恢复并向适度深水区延展;同时，也有利于快速推进洱海湖区水质持续性改善和整体水质达标的早日实现。
通过云南省水利水电勘测设计研究院对洱海周边的引水水源点进行比选，从黑惠江干流和桃源河支流建设大型水库引水，平水年型可引水量为2.31亿m3，其中具有多年调节性能的桃源水库补水量为1.07亿m3，黑惠江干流引水量为1.24亿m3。桃源河水质现状水质较好，建库后，各指标的水质浓度如下：COD为4.000 mg/L，CODMn为1.100 mg/L，TP为0.010 mg/L，TN为0.140 mg/L;黑惠江干流水质目标为Ⅱ類，结合现状年水质情况和水质保护目标要求，黑惠江干流引水水质设计为枯水期：COD为6.000 mg/L，CODMn 为1.500 mg/L，TP为0.025 mg/L，TN为0.500 mg/L;丰水期：COD为10.000 mg/L，CODMn为2.500 mg/L，TP为0.050 mg/L，TN为0.500 mg/L。 以2018年洱海流域的水文与水环境条件为背景，在设计的补水过程和引水水质条件下，在维持洱海年内水量基本平衡的条件下，外流域补水可以实现洱海湖滨带沉水植被复苏与生长期的低水位运行（见图10）。同时，数学模型模拟预测结果也表明，洱海全湖年内整体水质（COD、CODMn、TP、TN）可分别由补水前的16.260，3.540，0.027 mg/L和0.650 mg/L降低到15.420，3.360，0.027 mg/L和0.630 mg/L，改善幅度分别为5.15%、5.01%、1.29%、3.32%，补水前后各水质指标浓度年内变化过程如图11所示。
由此可见，以黑惠江干流和桃源水库为水源的外流域补水工程，可为洱海湖滨带沉水植被复苏生长期的低水位运行以及洱海水质持续性改善提供可靠的水资源条件支撑。
4 结 论
（1） 洱海流域多年平均天然径流量为11.45亿m3，扣除湖面蒸发损失后，水资源开发利用率已达到54.3%，来水量偏少年份甚至超过90.0%以上，显然，流域水资源匮乏问题日益突出。在洱海流域种植业发达、旅游资源丰富及干湿季节分明的背景条件下，农业面源污染物随降雨径流在6～10月期间集中入湖，是近年来洱海雨季水质超标的关键环境驱动因子;受资源条件制约的年内水位节律波动变化抑制了湖滨带水生植被的自然恢复和洱海“蓄清排浑”功能的发挥。
（2） 遵循“源头控制-过程阻断-末端拦截-水生态修复”的系统治理思路，以种植业结构调整、规模化畜禽养殖迁转、高效节水技术推广、生态塘库建设为主要抓手的流域面源源头治理与过程阻断是关键。农业耕作区与湖滨带衔接区构建条带状生态调蓄带，是强化农田面源末端拦截和水资源重复利用的最有效手段，可实现生态调蓄带汇流区旱季雨污水和初期高浓度雨水全拦截，以及枯水年型下全年雨污水拦截率超过70%以上。
（3） 在该流域来水量不足时依托外流域补水，在4～7月实施低水位调度运行以提升湖滨带水生植被的自然修复能力，发挥洱海汛前期“蓄清排浑”功效，使洱海年度水质改善达1.29%～5.15%，并可加快湖泊水生态系统向良好方向发展，同时也可为洱海水质的持续性改善提供良好的水资源条件支撑。
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（编辑：赵秋云）
引用本文：
马巍，蒋汝成，周云，等.
洱海流域水环境问题诊断与水质保护措施研究
[J].人民长江，2021，52（7）：45-53.
Study on diagnosis of water environmental problems and water quality
protection countermeasures in Erhai Lake Basin MA Wei1，JIANG Rucheng2，ZHOU Yun2，SU Jianguang2，XIN Longyu3
（1.Department of Water Ecology and Environment，China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China; 2.Planning Department，Yunnan Water Conservancy and Hydroelectric Survey Design and Research Institute，Kunming 650021，China; 3.Beijing Hanyu Information Technology Co.，Ltd.，Beijing 102308，China）
Abstract：
Erhai Lake is a main drinking water source of the Bai ethnicity in Dali，Yunnan Province.There are some water environmental problems in Erhai Lake，such as the complicated evolution process of water quality，the difficulty to effectively control non-point source pollution，the aggravation of water resource shortage，and the slow natural recovery of submerged plants along the lakeside.According to the new thinking on water conservancy in the new era，this paper puts forward some targeted measures，such as facilitating the development of efficient water-saving agriculture，strengthening the end interception of pollutants by the ecological storage zones，carrying out projects to supplement water from other river basins，and optimizing the water level scheduling of Erhai Lake from April to July，which are keys to achieve Erhai Lake′s sustainable improvement of water quality and water ecosystem as well.Therefore，this paper established amathematical model of water environment of Erhai Lake to carry out the numerical simulation of water quality improving measures.The results showed that the efficient water-saving agriculture could reduce more than 30% of the pollution loads from the source.The rain sewage in the confluence area during the dry season and the early rainfall period could all be intercepted and reused by the ecological storage zones.The water supplementation from other basins can make up the shortcoming of water resource shortage，to improve annual water quality of Erhai Lake by 1.29%～5.15%，which can provide a good water resources condition support for the optimal scheduling of water level and water ecological restoration in Erhai Lake.
Key words：
water environmental problems;efficient water-saving ecological agriculture;non-point pollutant;ecological storage zones;water supplementation from other basins;Erhai Lake Basin