水處理設(shè)備：國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)在“十二五”啟動了“滇池流域水資源聯(lián)合調(diào)度改善湖體水質(zhì)關(guān)鍵技術(shù)與工程示范”課題
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(fù)雜，國“三湖”治理的重中之重。自“九五”以來的繼續(xù)和規(guī)�；卫�，使得滇池的富營養(yǎng)化狀況明顯改善，水質(zhì)惡化趨勢得到遏制，但尚未實(shí)現(xiàn)根本好轉(zhuǎn)。流域生態(tài)用水短缺是制約滇池水質(zhì)進(jìn)一步改善的一個(gè)重要因素，為解決這個(gè)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(bǔ)水工程，加之前期的清水海、掌鳩河等引水工程及流域內(nèi)污水處置廠尾水外排，形成了天然水、外調(diào)水、再生水“三水”共存的復(fù)雜格局，完全改變了滇池區(qū)域和流域的水資源系統(tǒng)邊境條件，對滇池流域水資源系統(tǒng)的時(shí)空分配及水質(zhì)提升帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)水處理設(shè)備。
滇池草海補(bǔ)水湖內(nèi)水質(zhì)改善技術(shù)示范工程設(shè)置的圍堰
因此，明晰滇池流域水資源系統(tǒng)的綜合平衡關(guān)系以維護(hù)流域內(nèi)水環(huán)境可持續(xù)發(fā)展、優(yōu)化流域水資源時(shí)空格局以滿足滇池水質(zhì)的繼續(xù)改善、明確流域水資源系統(tǒng)的時(shí)空分配與滇池水質(zhì)提升的聯(lián)動性以實(shí)現(xiàn)水量-水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度等，已成為滇池治理中最為迫切和關(guān)鍵的決策需求和科學(xué)問題。
面對滇池流域“三水”共存的復(fù)雜格局，為解決流域水資源系統(tǒng)的時(shí)空分配問題及滇池水質(zhì)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(xiàng)在十二五”啟動了滇池流域水資源聯(lián)合調(diào)度改善湖體水質(zhì)關(guān)鍵技術(shù)與工程示范”課題（2013ZX07102-006課題由北京大學(xué)承當(dāng)，聯(lián)合云南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院、云南省環(huán)境科學(xué)研究院、中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所、昆明市環(huán)境科學(xué)研究院等多家科研單位共同完成。
演變態(tài)勢：2030年滇池流域水量分配及水量平衡規(guī)劃
課題以為滇池水質(zhì)和生態(tài)恢復(fù)提供最佳的水量、水質(zhì)與水動力條件為目標(biāo)，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(zhì)改善集成技術(shù)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(zhì)改善以及水資源系統(tǒng)水質(zhì)-水量時(shí)空優(yōu)化調(diào)控等關(guān)鍵技術(shù)，有力支撐并構(gòu)建了3-2-4整體框架，即：從“區(qū)域-流域-湖體”三個(gè)尺度逐級遞進(jìn)實(shí)現(xiàn)水資源系統(tǒng)優(yōu)化分配，構(gòu)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(diào)度體系與工程示范，實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)水工程的三個(gè)轉(zhuǎn)變”由單純補(bǔ)水向恢復(fù)流域自然水循環(huán)轉(zhuǎn)變、由單純水資源利用向?yàn)榈岢厮|(zhì)改善提供最佳水量與水動力條件轉(zhuǎn)變、由單純水量調(diào)度向水質(zhì)-水量聯(lián)合調(diào)控轉(zhuǎn)變，支撐了滇池2017年全湖水質(zhì)提升為Ⅴ類、藍(lán)藻水華由重度逐步過渡為中度。
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
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(shí)現(xiàn)污染源頭控制、入湖負(fù)荷削減與水資源優(yōu)化調(diào)整，依據(jù)滇池富營養(yǎng)化機(jī)理研究指導(dǎo)科學(xué)治理決策，為滇池水質(zhì)的繼續(xù)改善提供了理論前提，為最大限度優(yōu)化補(bǔ)水工程的綜合效益提供了技術(shù)支撐水處理設(shè)備。
研發(fā)了流域水資源優(yōu)化分配利用及湖泊水質(zhì)改善集成技術(shù)體系，突破了水資源多尺度動態(tài)優(yōu)化調(diào)控在效率和精度上的技術(shù)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(zhì)改善集成技術(shù)體系，深度解析了滇池流域中、遠(yuǎn)期水資源平衡態(tài)勢變化以及牛欄江調(diào)水工程對滇池水質(zhì)、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(zhì)-水量聯(lián)合調(diào)度、流域生態(tài)用水替代和自然水系構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜水文條件變化下的滇池富營養(yǎng)化氮磷驅(qū)動機(jī)制的理論突破，構(gòu)建了3-2-4整體框架，研究效果在云南省和昆明市的滇池治理決策中得到應(yīng)用和推廣。
課題以牛欄江補(bǔ)水工程實(shí)施后滇池流域的自然、社會水循環(huán)所發(fā)生的快速和復(fù)雜變化為邊界，積極響應(yīng)多元水循環(huán)下的流域水資源優(yōu)化分配和滇池水質(zhì)繼續(xù)改善的科技需求。針對已有單項(xiàng)分析技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)復(fù)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缺乏，以及激進(jìn)調(diào)度技術(shù)在計(jì)算效率、精度、多目標(biāo)優(yōu)化等方面存在瓶頸，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(fù)循環(huán)優(yōu)化決策技術(shù)、牛欄江補(bǔ)水的湖體水質(zhì)改善關(guān)鍵技術(shù)和流域水資源系統(tǒng)水質(zhì)-水量時(shí)空優(yōu)化調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)為一體的流域水資源綜合調(diào)度改善湖體水質(zhì)的關(guān)鍵技術(shù)體系純水設(shè)備。
1.流域再生水跨區(qū)域綜合優(yōu)化調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)
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(yuǎn)期“不夠用”供需不平衡等問題，針對再生水在鄉(xiāng)村多空間與多行業(yè)聯(lián)動的動態(tài)調(diào)度優(yōu)化難點(diǎn)，以循環(huán)、減負(fù)、改善滇池水質(zhì)為目標(biāo)，以CE-NSGA -II為優(yōu)化計(jì)算引擎，開發(fā)逐步時(shí)空分解精細(xì)優(yōu)化決策技術(shù)，構(gòu)建了基于網(wǎng)格尺度的滇池區(qū)域集中式再生水的時(shí)-空動態(tài)多目標(biāo)優(yōu)化配置技術(shù)。時(shí)間尺度上制定了具有時(shí)間適應(yīng)性與規(guī)劃連續(xù)性的再生水資源行業(yè)分配方案；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(xì)配置，以保證方案落地，實(shí)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(fù)荷減負(fù)的目標(biāo)。
2.牛欄江補(bǔ)水的湖體水質(zhì)改善關(guān)鍵技術(shù)
此技術(shù)將網(wǎng)格細(xì)化為0.003km2實(shí)現(xiàn)了對滇池水體的高精度數(shù)值模擬，并開發(fā)了新的堆積物模塊；依托開發(fā)的并行計(jì)算技術(shù)與調(diào)度平臺，將模擬計(jì)算步長由分鐘縮短為30秒，水位動搖精度達(dá)到97%準(zhǔn)確度，精確描述了水動力、水質(zhì)的空間變化，時(shí)空上實(shí)現(xiàn)模擬的高精度與高效率。此基礎(chǔ)上，開發(fā)了湖泊營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)過程通量核算技術(shù)，能夠獲取任一時(shí)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(xué)反應(yīng)過程通量，揭示了流域復(fù)雜水循環(huán)格局變化下的滇池水質(zhì)非線性響應(yīng)機(jī)制；通過開發(fā)增強(qiáng)學(xué)習(xí)技術(shù)和模擬-優(yōu)化方法，研發(fā)了補(bǔ)水工程區(qū)水量水質(zhì)動態(tài)監(jiān)控調(diào)度技術(shù)，水處理設(shè)備提出了既定目標(biāo)水質(zhì)條件下的最優(yōu)調(diào)水方案。
3.流域水資源系統(tǒng)水質(zhì)-水量時(shí)空優(yōu)化調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)
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(fù)荷時(shí)空變化大等因素，研發(fā)了具有響應(yīng)快速、系統(tǒng)誤差低等優(yōu)勢的流域水文-水動力-水質(zhì)-水生態(tài)過程多情景模擬預(yù)測技術(shù)�；诘岢亓饔蛩Y源時(shí)空分質(zhì)優(yōu)化調(diào)控技術(shù)，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(diào)度改善湖泊水質(zhì)在配置系統(tǒng)的多目標(biāo)、計(jì)算本錢、調(diào)度方案準(zhǔn)確性等方面的技術(shù)瓶頸，獲得入湖多通道的水質(zhì)水量合理分配方案，最大水平地實(shí)現(xiàn)了調(diào)水區(qū)與受水區(qū)、引水與防災(zāi)、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(zhì)改善之間的動態(tài)平衡；實(shí)現(xiàn)了陸面-湖體全過程的流域水文-水質(zhì)模擬與優(yōu)化調(diào)控；制定了豐、平、枯年型的調(diào)度規(guī)則，開展了基于滇池水質(zhì)水動力模擬的水力調(diào)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(diào)度、入湖河流水量水質(zhì)合理調(diào)度及滇池水位運(yùn)行與綜合調(diào)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(guān)鍵技術(shù)具有自主知識產(chǎn)權(quán)，實(shí)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(shù)，模擬-優(yōu)化計(jì)算效率提高20%左右。
定量解析流域中遠(yuǎn)期水資源平衡態(tài)勢，揭示了滇池富營養(yǎng)化響應(yīng)及氮磷驅(qū)動機(jī)制
通過對滇池流域水資源系統(tǒng)現(xiàn)狀的調(diào)查、流域水量平衡特征的系統(tǒng)分析以及多水源聯(lián)合調(diào)度的可行性分析，課題對1980年~2030年水資源系統(tǒng)進(jìn)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(zhǔn)年、近期規(guī)劃年（2020年）和遠(yuǎn)期規(guī)劃年（2030年）滇池水量平衡進(jìn)行了系統(tǒng)分析預(yù)測，對不同供水保證率下的水資源供需平衡進(jìn)行核算，水處理設(shè)備實(shí)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(jié)果標(biāo)明，為削減滇池入湖污染負(fù)荷，鄉(xiāng)村尾水應(yīng)盡量直接外排，外排量取決于滇池水量平衡；外流域調(diào)水工程未實(shí)施前，鄉(xiāng)村尾水只有排入滇池才干維持湖泊的水量平衡；牛欄江-滇池補(bǔ)水工程多年平均向滇池補(bǔ)水5.66億m3前提下，滇池依靠清潔水量已能維持湖泊水量平衡，不再需要鄉(xiāng)村尾水的補(bǔ)給，鄉(xiāng)村尾水可以全部外排并再利用。2030年，牛欄江-滇池補(bǔ)水工程轉(zhuǎn)供曲靖市，滇池生態(tài)補(bǔ)水主要由滇中引水工程解決，生態(tài)補(bǔ)水量大于牛欄江-滇池補(bǔ)水工程的補(bǔ)水量，鄉(xiāng)村尾水也可全部直接外排，并在流域內(nèi)和下游循環(huán)再利用純水設(shè)備。
牛欄江-滇池補(bǔ)水工程、引水工程及尾水外排導(dǎo)致的流域水資源系統(tǒng)邊境發(fā)生重大變化的條件下，明晰復(fù)雜水文格局下的滇池富營養(yǎng)化響應(yīng)機(jī)制并識別氮磷驅(qū)動機(jī)制是研究的關(guān)鍵。課題組設(shè)置了48個(gè)情景，以探索不同水文年（相對豐水年與相對枯水年）不同運(yùn)行水位（1886m低水位與1887.5m高水位）不同調(diào)水工況對滇池外海水動力、水質(zhì)及營養(yǎng)鹽通量的影響。研究發(fā)現(xiàn)：
1.水動力、水質(zhì)對運(yùn)行水位的響應(yīng)具有不一致性。低運(yùn)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(dǎo)致氨氮內(nèi)源負(fù)荷通量升高、反硝化通量降低，相對有利于氮濃度的降低，而高運(yùn)行水位則有利于藻類和氮濃度的降低純水設(shè)備。
2.水動力、水質(zhì)在不同水文年的響應(yīng)具有不一致性。同等條件下，豐水年能改善39%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(fù)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(qiáng)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(dǎo)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(yīng)，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(yīng)的表示形式，即削減氮負(fù)荷會對磷循環(huán)發(fā)生劇烈的影響。因此，研究發(fā)現(xiàn)，流域水資源系統(tǒng)邊境發(fā)生重大變化的條件下，補(bǔ)水帶來的水動力條件的改善與水質(zhì)改善并不完全同步，邊境條件變化對氮、磷、藻類的影響機(jī)制差異十分顯著，需開展精細(xì)化的評估水處理設(shè)備。
理論揭示：內(nèi)部氮磷循環(huán)過程對湖體氮磷存量的貢獻(xiàn)
構(gòu)建“3-2-4整體框架，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)水工程的三個(gè)轉(zhuǎn)變”
課題構(gòu)建的3-2-4研究體系
課題從“區(qū)域-流域-湖體”三個(gè)尺度逐級遞進(jìn)，提出了清水入湖、中水回用、清污分流”滇池流域健康水循環(huán)總技術(shù)路線，通過對滇池流域水資源系統(tǒng)調(diào)查評價(jià)，集成構(gòu)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(dá)到同時(shí)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(bǔ)水水源，通過水系連通工程和水庫生態(tài)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)牛欄江-滇池補(bǔ)水工程“多口補(bǔ)滇”保證清水廊道的生態(tài)用水。
3.尾水通道受納經(jīng)過處置后的鄉(xiāng)村生活污水、鄉(xiāng)村初期雨水以及農(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，作為滇池下游安定-富民工業(yè)走廊的消耗性工業(yè)用水。
4.加強(qiáng)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維護(hù)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(fù)荷。
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(diào)度優(yōu)化方案：
1.區(qū)域尺度，純水設(shè)備以再生水的優(yōu)化調(diào)度實(shí)現(xiàn)流域減負(fù)。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(shè)方案和水資源優(yōu)化配置方案設(shè)計(jì)以及遠(yuǎn)期規(guī)劃年（2030年）總體框架，實(shí)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(diào)度。方案被滇池流域“十三五”規(guī)劃采用應(yīng)用，為昆明市再生水資源綜合管理、水資源統(tǒng)一配置及可繼續(xù)利用提供科學(xué)指導(dǎo)，為滇池流域再生水資源的綜合利用和主城區(qū)污水處置廠尾水外排及資源化利用提供了科學(xué)支撐，有效降低了入湖負(fù)荷。
2.流域尺度，以水量-水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化提升滇池水質(zhì)改善。以不同水質(zhì)的水量合理配置為切入點(diǎn)，核算入湖河流逐月生態(tài)需水過程，確定原則為“汛期多補(bǔ)，枯期少補(bǔ)”并制定了不同來水條件下德澤-滇池聯(lián)合調(diào)度方案。通過對優(yōu)化調(diào)度下入湖河道水量和水質(zhì)的模擬，以及對入湖污染物負(fù)荷與滇池湖體水質(zhì)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(yùn)行規(guī)則。
3.水系尺度，以多通道、多用途的水資源調(diào)配實(shí)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(diǎn)設(shè)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(shè)分水口進(jìn)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(bǔ)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(shè)提水泵站兩處，總裝機(jī)容量7500kW各段設(shè)計(jì)流量為12.7m3/s~6.51m3/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、滇中鄉(xiāng)村經(jīng)濟(jì)圈一體化水網(wǎng)規(guī)劃等純水設(shè)備。
4.湖體尺度，以水量-水質(zhì)動態(tài)優(yōu)化最大水平提升補(bǔ)水的滇池局部水質(zhì)改善效果。課題組積極響應(yīng)昆明市《滇池草海及周邊水環(huán)境提升綜合整治工作實(shí)施方案》利用所研發(fā)的牛欄江補(bǔ)水的湖體水質(zhì)改善關(guān)鍵技術(shù)，水質(zhì)改善最具挑戰(zhàn)的滇池草海實(shí)施了圍堰全長2929m面積5.4km2滇池草海補(bǔ)水湖內(nèi)水質(zhì)改善技術(shù)示范工程。課題以最優(yōu)的草海示范區(qū)TN和TP水質(zhì)改善為優(yōu)化目標(biāo)，應(yīng)用補(bǔ)水工程區(qū)水量-水質(zhì)動態(tài)監(jiān)控調(diào)度技術(shù)，獲取了既定水質(zhì)目標(biāo)下的最小調(diào)水量，即全年總調(diào)水量3.2億m3明確了不同時(shí)段最優(yōu)調(diào)水水量，以及全湖平均最優(yōu)停留時(shí)間（10天~15天）
純水設(shè)備課題組提出的牛欄江補(bǔ)水改善草海水質(zhì)的補(bǔ)水水量方案及補(bǔ)水調(diào)度規(guī)則得到應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對牛欄江補(bǔ)水草海中盤龍江-玉帶河大觀河、西壩河-草海調(diào)水方案的優(yōu)化。經(jīng)2017年4月~10月實(shí)施與示范，TN比2012年同期平均下降30％，實(shí)現(xiàn)了牛欄江不同來水濃度情況下示范區(qū)水質(zhì)改善的調(diào)度，驗(yàn)證了技術(shù)方案的有效性。
通過構(gòu)建以上“3-2-4整體框架，課題實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)水工程由單一目標(biāo)向水系循環(huán)、水質(zhì)改善和聯(lián)合調(diào)度的三個(gè)轉(zhuǎn)變”
課題組開發(fā)的滇池流域水資源系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)度業(yè)務(wù)化平臺整合了課題研發(fā)的集成技術(shù)體系以及所制定的各項(xiàng)優(yōu)化方案，于2016年10月布置迄今并得到業(yè)務(wù)化應(yīng)用，運(yùn)行效果良好。此平臺及模型效果同時(shí)支撐了昆明市局部“十三五”工程項(xiàng)目（如十四廠）建設(shè)對滇池草海及外海水質(zhì)和藍(lán)藻生長影響等的工程論證和相關(guān)治理決策。
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