研發高效截污技術 提升滇池治污效能 減少污染改善水質
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課題組部分成員。
滇池是云貴高原上的一顆明珠，具有防洪、供水、旅游、漁業、水上運輸及調節氣候等多種功能，是維持滇池盆地生態平衡的核心，是支撐云南省昆明市國民經濟建設和社會事業發展的生態基礎。滇池水環境保護已成為昆明市可持續發展的重大需求。
2008年昆明市政府做出了提速滇池治理的重大戰略決策，提出實施“環湖截污、環湖公路、環湖生態、入湖河道治理、底泥疏浚、外流域引水”六大工程措施。實施滇池環湖截污工程面臨的設計邊界條件十分復雜，既要投資有限滿足“百年工程”適當超前，又要在滇池周邊土地價值高、生態塘庫建設規模受限的條件下，滿足近遠期不同水質水量匯流—輸移交替，即近期以農村農業面源混流污染負荷控制為主、遠期以城市市政污水及城市初期雨水污染負荷控制為主。同時，滇池環湖截污干渠面臨近期匯流超設計服務范圍的截污和由此導致的水質凈化廠低濃度運行。如何保證工程設計目標的實現，是國內湖泊截污最復雜的工程，迫切需要技術支撐。
2012年，國家重大水專項“滇池環湖截污治污體系聯合運用關鍵技術及工程示范課題2012ZX07102001”獲得原環境保護部立項批復。在昆明滇池投資有限責任公司、昆明滇池水務股份有限公司的領導下，中國市政工程西南設計研究總院有限公司課題負責人蔡松柏教授的帶領下，昆明市環境科學研究院、云南省環境科學研究院、重慶大學約90余位專業人員持續6年的攻堅克難，完成了“滇池環湖截污治污體系聯合運用關鍵技術及工程示范課題”，編制“滇池環湖截污治污體系聯合應用技術指南”填補了在環湖截污工程方面國家規劃設計指導文件的空白，“混合污水截污工程優化設計規劃軟件包”提高了環湖截污的設計水平和設計效率，“滇池環湖截污治污體系聯合應用運行規程”指導滇池環湖截污工程近遠期運行，“滇池環湖截污工程水質水量調查及效能評估”支撐解決滇池環湖截污配套需求，通過集成初期雨水、農村農業面源高效截留技術、水質水量雙錯峰技術，交互式污水處理廠和水質凈化廠調度技術，建設的環湖截污治污體系智能化控制平臺示范，形成了環湖截污治污“分類分質、高效截流，聯合運行、達標排放，智能控制、智慧管理”，從降雨到高效截污，到污水處理廠調度的全流程模型控制調度全覆蓋的技術體系，具備推廣至整個滇池環湖截污工程的應用條件，支撐了滇池環湖截污工程目標的實現和進一步提高，確保滇池環湖截污工程充分發揮投資環境效益。
現狀調查找準問題，評估現狀截污治污體系效能，應用SWMM模型解析滇池環湖截污工程截留目標
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在滇池環湖截污工程設計時，為快速推進“一湖四片”建設，提速滇池治理，為牛欄江調水保駕護航，按批復的“滇池環湖生態保護規劃”，將2030年遠期規劃目標農村面源截留率為30%、城市初期雨水截留率為50%，點源截留率為90%作為近遠期目標。
滇池環湖截污東岸及南岸干渠（不包括海口段的環湖截污干管）的整個設計服務范圍（面積約為232.6平方公里），同時考慮到現狀雨季上游部分山區徑流會隨溝渠或河道進入干渠，將模型構建區域擴大到環湖截污系統整個匯水區域，面積約為462.33平方公里，分別利用SWMM模型對設計服務范圍和整個匯水區域范圍兩種情景下的環湖截污系統運行效能進行模擬驗證。
區域現狀排水系統除新建城區外主要為合流制排水體制，污水通過市政雨污水管道、溝渠以及河道截污管截流進入環湖截污干渠，經末端污水處理廠處理達標后排入滇池。以區域遙感影像、數字地形模型（DEM）、河流溝渠矢量數據為基礎，結合區域特征、道路網絡、河流溝渠分布進行區域排水方向分析，利用GIS軟件將環湖截污整個匯水區域劃分為772個子匯水區域，同時對研究區排水系統進行概化，刪除對研究影響不大的支次管（渠）將排水系統概化為340條管（渠）、294個節點。利用同樣的方法將設計服務范圍劃分為488個子匯水區域，將設計服務范圍內的排水系統概化為292條管（渠）、240個節點。
模擬驗證結論：近期，以最不利全籠罩降雨情景模擬計算，在設計232.6平方公里服務范圍，在設計降雨條件下，以污水處理廠和水質凈化廠規模為約束條件，滇池截污干渠的現狀總截留率為79.23%，高于工程目標截留量。同樣，以最不利全籠罩降雨情景模擬計算，以匯流服務范圍462.33平方公里模擬，在設計降雨條件下，滇池截污干渠的截留率為48.23%，低于工程目標。而2030年規劃期，以最不利全籠罩降雨情景模擬計算，在設計232.6平方公里服務范圍，在設計降雨條件下，滇池截污干渠東岸和南岸的規劃期總截留率為79.23%和89.4%，高于工程目標截留量。此時和設計的要求一致，根據城市化的進程，擇機根據進水水質的變化，調整水質凈化廠工藝，擴建污水處理廠和水質凈化廠規模。
農業面源“高水高收高用”新理念，顛覆環湖傳統農業生產“抽清排污”灌溉模式，構建農業面源截留創新理論
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傳統的農業生產模式，一方面從湖泊抽取清水進行灌溉，另一方面又將灌溉的回歸水排入湖泊。其結果就是，大量的農業面源進入湖泊并帶來電耗和水資源大量消耗。因此，提出“農業面源高水高收高用理念”，即建設并聯串聯的多塘系統收集距離湖泊較高較遠的農村面源，主要有農田徑流、農業灌溉回歸水，按農業灌溉標準進行處理回用，有效節約水資源和提灌能耗。
同時利用已建的農業灌溉系統，在非灌溉期間，特別是汛期，采用多塘聯動循環減少入湖污染負荷，有效地為解決滇池環湖截污現狀面臨的“小城市大農村超服務面積范圍截留農村面源”問題提供技術支撐。根據此理念，大理環湖截污二期生態塘庫工程可行性研究通過專家論證，云南省發改委批復規模化推廣應用。
農村面源高效截流技術、污水處理廠與水質凈化廠交互運行及干渠清空模式，有效提高進水廠水質濃度，保證水質凈化廠運行達標排放
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課題組多次對滇池周邊進行深入而細致的現場調查工作，系統調查了滇池環湖截污工程周邊溝渠、河道、村莊污水在旱季和雨季與截污干渠的接入情況，并對溝渠、河流、村莊污水進行了采樣監測分析工作，調查期間同步進行水樣采集，完成了典型匯水區雨污水匯流—輸移過程的詳細監測及典型匯水區水質水量過程分析。通過調查全面掌握了滇池東、南岸環湖截污干渠周邊河道、溝渠和村莊現狀，明確了溝渠與東岸環湖截污干渠的關系、溝渠的水質水量及污水匯流—輸移規律。標識了各溝渠的水質水量范圍，根據農村面源水質峰值均化的特點，采用時間控制，選擇性截入干渠，有效減少入湖污染負荷。同時，根據超服務范圍及分流范圍小導致的入渠水質濃度低的現狀，研究滇池環湖截污干渠超長停留時間產生的沉淀效應，提出干渠達標清水回用、灌溉或進入濕地運行模式，有效應對截留超服務范圍導致的水質凈化廠低進水水質濃度。根據進水碳源不足，研究提出通過進水提升泵站將農村面源與污水混合調度至水質凈化廠增加碳源的技術措施，保證水質凈化廠處理達標排放，減少碳源的投加量。
城市初期雨水高效截流，干渠——污水處理廠聯合運行，減少入湖污染負荷，提升滇池環湖截污治污體系效能
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隨著“一湖四片”城市化進程，滇池環湖截污工程由服務“小城市大農村”逐步轉變為“大城市小農村”，環湖截污治污體系收集截流處理的污水水量與水質及匯流-輸移將發生質的變化。課題組研究開發了高效截流、聯合運行技術。
截污治污體系高效截流技術，實現分質高效截流
根據電導率—營養鹽水質高度相關的特性，研發城市初期雨水快速檢測響應技術，構建高效的截流城市初期雨水控制模式和極限截流半徑控制技術，支撐遠期環湖截污干渠快速收集、高效截流的技術需求。
截污治污體系有機協同，實現雨季聯合運行達標排放
研究證實，初期雨水自源頭至1公里內初期沖刷效應顯著，參考國外的初期雨水“半英寸”法則，在新區規劃有條件時，根據污水處理廠可能承擔的沖擊水量負荷，初期雨水的初期部分采用源頭撇流進入污水管控制，初期雨水的后期部分采用雨水管直接規劃與截污干渠銜接及常規雨水管布置應用SWMM與ArcGIS軟件建立的2030年截污干渠雨水/污水渠的水質水量實時動態模型，驗證環湖截污干渠截流污水的能力，對進入環湖截污干渠的節點污染負荷進行了預測排序，控制干渠的錯峰/削峰技術，提升了干渠的污染物總量截流能力；針對干渠收集截流的雨季城市混合污水濃度低水量大的特點，開展低濃度及沖擊負荷進水對污水處理廠正常運行的影響研究，研發了工藝參數調控、營養鹽補加、生物—化學協同除磷等關鍵技術，實現了截污干渠—污水處理廠聯合運行，雨季穩定達標排放。
建設環湖截污治污體系智能化控制平臺，集成自降雨到污水處理廠及水質凈化廠交互運行全流程關鍵調度技術示范應用
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課題組在示范區利用配套資金建設環湖截污治污體系智能化控制平臺。其關聯水質凈化廠降雨監測站，與氣象預報進行通訊聯系，內置基礎數據庫，污染HYSWMM5.0模型，農村面源、初期雨水高效截留模型，截污干渠水質水量雙錯峰及干渠清空模型，污水處理廠及水質凈化廠交互運行調度模型，實現自降雨到交互式運行的雨季全流程調度控制。示范的智能化控制平臺具備擴展至東岸環湖截污干渠和南岸截污干渠的全環湖截污調度功能、數據修正功能、統計績效考核功能，保證滇池環湖截污工程的近遠期工程目標的實現，最大限度地截留入湖污染負荷。
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滇池環湖截污治污體系聯合應用技術指南填補了國內環湖截污指導文件空白，混合污水截污工程優化設計規劃軟件包提高規劃設計效率，滇池環湖截污治污體系聯合應用運行規程有效指導系統運行
課題組研究分析并總結昆明滇池環湖截污工程、大理洱海環湖截污工程、成都黑龍灘環湖截污工程規劃設計運行的經驗和教訓，采用課題的研究成果，編制完成滇池環湖截污治污體系聯合應用技術指南，填補國內環湖截污規劃設計空白。
混合污水截污工程優化設計規劃軟件包是在鴻業排水軟件的基礎上，采用課題的研究成果，編制完成的針對環湖截污工程規劃設計的軟件，是滇池環湖截污治污體系聯合應用技術指南的配套軟件，極大地提高環湖截污規劃設計效率。
滇池環湖截污治污體系聯合應用運行規程是在總結環湖截污運行的特點和面對運行存在的問題基礎上，采用課題研究成果，編制完成的指導環湖截污運行的規程。
滇池環湖截污治污體系聯合應用技術指南、混合污水截污工程優化設計規劃軟件包、滇池環湖截污治污體系運行規程構成環湖截污完整的規劃設計運行體系，有效指導環湖截污體系的規劃設計運行。
結束語
在十分復雜設計邊界條件下實施的滇池環湖截污干渠工程，受到社會的極大關注。在國家重大水專項的支持下，參與攻關的多家單位持續的不斷努力，“滇池環湖截污治污體系聯合運用關鍵技術及工程示范課題”通過對農村面源產生及輸移過程的研究，提出“高水高收高用”農村農業面源截留模式創新理論，顛覆了傳統的“抽清排污”農業生產方式，解決了環湖截污工程設計服務區域外基本同等面積的農村面源混流截入環湖干渠的問題，保證了滇池環湖截污工程目標的實現，同時也在大理環湖截污二期塘庫工程進行規模化推廣實際應用。
課題組提出的城市初期雨水高效截留模式、農村農業面源高效截留模式、水質水量雙錯峰模式、干渠清水模式技術集成的環湖截污治污體系智能化控制平臺，有效地應對目前滇池塘庫工程不足、混流截留的現狀，保證工程目標的實現并進一步提升了環湖截污近遠期工程目標。編制完成的“滇池環湖截污治污體系聯合應用技術指南”“混合污水截污工程優化設計規劃軟件包”“滇池環湖截污治污體系聯合應用運行規程”一整套完整技術理論體系，不僅填補了國內環湖截污規劃設計理論和運行指導性文件的空白，而且為滇池環湖截污工程的有效運行提供技術支撐，為滇池湖泊水體由工程完成前2012年劣Ⅴ類轉化為Ⅴ類，實現全湖水環境企穩向好的歷史性轉變做出了貢獻，有效發揮了滇池環湖截污工程投資環境效益。
蔡松柏張玉徐曉梅張智
課題負責人及主要課題骨干：
課題負責人：蔡松柏
子課題負責人：羅萬申張玉徐曉梅張智趙磊
中國市政工程西南設計研究總院有限公司：劉長興程弋然
昆明市環境科學研究院：葉海云
重慶大學：陽春付國楷曾曉嵐姚娟娟馬華張勤
云南省環境科學研究院：王俊松
平臺和軟件：陳赤峰谷德性
課題組成員研究工作。
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