1.3 牛栏江-滇池补水工程论证的技术需求
滇池是昆明市赖以生存、发展和支撑的重要水源，由于流域水资源极度匮乏，为满足昆明市不断增长的需水要求，滇池在承接了整个流域的工农业回归水和城市生活污水后，仍然被多次循环重复利用，长期处于超负荷重复利用状态。目前，滇池流域水资源开发利用率高达161%，滇池流域水资源开发利用已难以为继，同时也是造成滇池湖泊水污染治理久治不愈、湖泊水质污染态势未见根本性好转的原因所在。
滇池流域水资源的供需平衡完全靠径流水、无外来水资源补给，其供水量远远超过了本地水资源量，水资源承载能力严重超载。在滇池流域50年的径流系列中，滇池能达到或接近正常蓄水位只有10年，满蓄率仅为20%。滇池水量补给系数为9.73（径流面积2920km2与湖泊面积309km2之比值），太湖水量补给系数为15.61，巢湖水量补给系数为17.30，滇池与太湖、巢湖相比来水小，水体交换速度慢。此外滇池年入湖水量中还有2.4亿m3为城市生产与生活废污水，在多年平均实际入湖水量中，污水与清水各占一半，过高的污径比是滇池水污染治理的困难所在。加之滇池流域是云南省省会所在地，是云南省政治、经济、文化、交通枢纽、旅游集散与中转中心，流域人口增长迅速，城市生活和生产废污水排放量快速增加，同时滇池周围有大量农田径流和城市纳污河道径流汇入，污染来源广，控制难度大，在水资源极其短缺、流域生态环境用水被严重挤占的现实条件下，滇池治理和生态环境改善的目标是难以实现的。在资源性缺水和滇池水质污染较重的双重压力下，迫切需要优质的外流域调水，恢复并补充被严重挤占的河湖生态环境用水，缓解滇池流域水资源严重匮乏的局面，以遏制并扭转滇池湖泊水质当前的演变趋势。
1.3.1 牛栏江-滇池补水工程的提出
为了尽快有效地抑制滇池日益严重的水质污染趋势，改善滇池湖泊水环境质量，在继续加大力度进行流域污染源综合治理的同时，适时开展“引水济滇”，不仅可以增加滇池流域水资源量，缓解流域水资源严重匮乏的局面，改善滇池入出湖水量极不平衡的状况，而且可改善湖泊水动力条件，加快湖泊水体的循环和交换，缩短湖泊换水周期，并提高水体自净能力，增加湖泊水环境容量，从而达到以动治静、以清释污、以丰补枯、改善滇池水环境质量和富营养化状况的效果。
国内外诸多实例证明，通过引水来配合湖泊水污染治理措施可达到较好的湖泊水质改善效果，如引钱（塘江）济西（湖）工程，加快了西湖水的循环与流动，缩短了湖水的换水周期，引水后西湖水体富营养化状况得到了有效控制（俞建军，1998；夏新华等，2008）；太湖流域利用治太工程体系，先后多次开展了引长江水改善流域内湖泊水环境的尝试，尤其是2002年水利部组织有关单位开展了以改善流域水环境为主要目标的引江济太调水试验，引水期间太湖水环境改善效果显著（马巍等，2007；田向荣等，2007；郝文彬等，2012），尤其是2007年太湖蓝藻水华暴发期间，引江济太工程对蓝藻水华的抑制及突发事故应急处理中发挥了至关重要的作用（姜宇等，2011）。
党中央、国务院非常重视滇池水污染治理工作，温家宝总理在“三湖”治理座谈会上明确指出：“要把治理‘三湖’作为国家工程摆在更加突出、更加紧迫、更加重要的位置，科学规划、加强领导、明确责任，坚持高标准、严要求，坚定信心，坚持不懈地把‘三湖’治理好，这是中国生态环境建设带有标志性的工程，也是在生态环境方面对人民甚至对人类负责的一个表现”；“要通过全面系统、科学严格的污染治理，力争用五年时间使湖体富营养化趋势得到遏制，水质得到改善；再用十到二十年，或者更长的时间，逐步恢复‘三湖’地区山清水秀的自然风貌，努力形成流域生态良性循环、人与自然和谐相处的宜居环境”。
2008年12月云南省人民政府审批通过《滇池流域水污染防治规划（2006—2010年）补充报告》，首次把“外流域调水”列入滇池流域水污染防治六大措施之一，提出“牛栏江-滇池补水工程”作为滇池流域水污染防治外流域调水措施，并列为云南省“十一五”重大建设项目。目前，牛栏江-滇池补水工程已建成通水。
1.3.2 牛栏江-滇池补水工程概况
云南省委、省政府高度重视滇池治理问题，主要领导多次亲自布置研究和听取关于治理滇池水环境的汇报，确定了有关滇池的“环湖截污和交通工程、外流域调水及节水工程、入湖河道整治工程、农业农村面源治理工程、生态修复与建设工程、生态清淤工程”六大水污染综合治理措施，其中环湖截污、环湖生态、入湖河道治理、底泥疏浚、水源地保护为滇池水污染控制措施，外流域引水为水资源补给措施。
牛栏江-滇池补水工程是一项水资源综合利用工程，“十二五”期间重点向滇池补充恢复性生态环境水量，改善湖泊水环境质量，并在昆明市发生供水危机时，提供城市生活及工业用水。牛栏江-滇池补水工程是滇池水污染综合治理必不可少的措施，是昆明市水资源保障体系的重要组成部分。作为云南省滇中引水的近期工程，牛栏江-滇池补水工程是云南省水资源优化配置的重大工程之一，在云南省水资源开发利用中具有十分重要的地位和作用。工程的顺利实施，对于高原明珠-滇池的水环境综合治理，提高滇池水资源与水环境承载能力，保障昆明市国民经济社会健康快速发展都具有十分重要的作用。同时，对于云南省其他水利工程建设具有良好的示范作用和借鉴意义，也是河湖连通工程的一个成功范例。
（1）工程规模。依据《引水改善滇池水环境效果研究》成果，在滇池流域水污染综合治理的基础上，牛栏江水源地引水水质优于地表水Ⅲ类，盘龙江引水入湖与海口河排水出湖引排线路下，滇池北岸实施截流工程措施条件下，各年型下滇池需环境补水5.5亿～6.5亿m3，可使2020年外海年均水质满足Ⅳ类水质目标要求。2020年以后各年型下滇池环境补水3.5亿～5.5亿m3，2030年外海年均水质可基本满足Ⅲ类水质目标要求。年内分配要求汛期约占年补水量的60%，枯季约占40%。据此，确定牛栏江-滇池补水工程的引水规模为6亿m3左右，并初步确定牛栏江-滇池补水工程汛期引水流量为23m3/s，枯季为20m3/s。
（2）工程总布设。通过多方案技术经济和综合分析比较，推荐牛栏江滇池补水工程方案为“德泽水库”方案。水源点为德泽水库，汛期最大引水流量23m3/s，枯季引水流量20m3/s，多年平均年引水量6.25亿m3，考虑输水损失系数为3%，则进入滇池的环境水量为6.06亿m3，其中枯季水量为2.60亿m3，汛期水量为3.46亿m3，水量汛枯比为57∶43。引水量及引水过程基本满足2020年滇池水环境补水要求。
牛栏江-滇池补水工程由德泽水库水源枢纽工程、德泽干河提水泵站工程及德泽干河泵站至昆明（盘龙江）的输水线路工程组成。由德泽干河提水泵站在德泽水库内提水后、经输水建筑物自流至盘龙江、再进入滇池，工程总布置见图1-1。德泽水库枢纽工程坝址位于德泽大桥上游约4.2km处，由混凝土面板堆石坝、左岸溢洪道、右岸泄洪隧洞、左岸输水隧洞等组成。大坝为混凝土面板堆石坝，坝顶高程1796.3m，坝顶长380m，最大坝高142m。溢洪道堰顶高程1781.0m，设置13m×9m（宽×高）弧形闸门控制流量，全长635.5m；泄洪隧洞进口底板高程1730m，设6m×7m（宽×高）闸门控制流量，隧洞洞身段长659.4m，全长860.2m；输水隧洞进口底板高程1680m，隧洞洞身段长728.6m，全长833.5m。
图1-1 牛栏江-滇池引水工程布置平面示意图
德泽库内干河泵站站址位于库尾左岸支流——干河的右岸，距德泽水库坝址18km，该处泥沙淤积高程为1740m，取水口进口底板高程与泥沙淤积高程齐平，输水洞直径4m，最小淹没深3m，取水的最小水位要求为1747m。泵站由进水隧洞、调压井、主洞室、工作竖井、主交通洞、通风洞、出水竖井、地面出水池、地面GIS楼、地面副厂房等组成。泵站取水口位于牛栏江左岸、干河河口下游约330 m处，引水隧洞过大石缸梁子、何家脑壳后下穿干河河床后到调压井，总长3382m，进口底板高程1740m，取水口设置一道孔口尺寸4m×4m事故检修闸门。引水隧洞后段设圆筒溢流式调压井，井筒直径17 m，井高84m，调压井下游接泵站进水管。调压井与泵站进水主管处设4m×4m事故检修闸门。进水主管末端采用3条“y”形岔管分水后，通过4条进水支管引水进入泵站主泵房。泵站4条出水支管在主厂房后汇合为一条出水主管后采用竖井埋管的方式上穿至地面山坡高程1885m处，再以混凝土包管铺设方式上升到布置在坡面高程约1975m处的泵站出水池，出水池后接输水渠道箱涵。库内干河泵站主泵房为地下厂房，副厂房及降压开关站等布置于地面干河右岸山坡高程约1880m处。泵站进水口、地面厂区、地下泵房分别采用场内公路、主交通洞、工作竖井等连接。
输水线路布置在牛栏江左岸，总体走向S223°W，主要由隧洞、渠道（箱涵及明渠）、倒虹吸、渡槽等组成。线路起点为德泽干河泵站出水池出口、干河隧洞进口，末端控制点为大五山隧洞出口（后接龙泉渠道进入盘龙江，入点高程1903.00m），大五山隧洞出口位于昆明市松华坝水库下游2.2km（直线距离）的盘龙江左岸，与龙泉渠道衔接，龙泉渠道在松华坝水库下游3km处（河道距离）汇入盘龙江；线路起始高程为1972.96m（德泽干河泵站出水池出口与干河隧洞进口底板衔接处高程），末端控制高程1912.00m（大五山隧洞出口与龙泉渠道起始断面衔接处底板高程）。输水线路总长115.72km（含龙泉渠道），其中隧洞9条、总长103.65km，占89.57%（单洞长度最长的洞段为大五山隧洞，长36.14km）；渠道5段、总长9.76km，占8.43%；倒虹吸2条、总长1.22km，占1.05%；渡槽1段、总长1.09 km，占0.94%。
（3）工程建设情况。牛栏江-滇池补水工程，施工工期安排为筹建期6个月（与施工准备期搭接5个月），施工准备期9个月，主体工程施工期37个月，工程完建期2个月，总工期48个月。作为滇池外流域引水工程的牛栏江-滇池补水工程试验场地工程于2008年底开工建设。2011年7月，国家发展和改革委员会以发改农经〔2010〕463号文《国家发展改革委关于云南省牛栏江-滇池补水工程可行性研究的批复》对“牛栏江-滇池补水工程可行性研究”成果进行了批复。2011年8月，水利部水利水电规划设计总院在昆明召开会议，对《牛栏江-滇池补水工程初步设计报告》进行了技术审查。
牛栏江-滇池补水工程试验场地工程建设进展顺利，德泽水库枢纽、干河泵站工程和输水线路均已开工建设，工程已于2013年底竣工通水，年补水量5.72亿m3。
1.3.3 牛栏江-滇池补水工程论证的科技需求
1.滇池流域水资源优化配置及牛栏江-滇池补水工程的地位与作用
如前所述，滇池流域地处长江、珠江、红河三大流域的分水岭地带，水资源缺乏，仅依靠本地水资源难以维系该区域水资源的良性循环和可持续利用。为解决滇池流域缺水问题，从20世纪90年代初云南省就开始研究外流域“引水济昆”水源选点工作，解决昆明市城镇生活及工业近期缺水问题的掌鸠河-云龙水库跨流域调水工程（一期）于1999年开工建设，2007年建成供水，工程设计供水量2.20亿m3。此外，清水海引水一期工程2012年已建成，向昆明国际航空城及现代新昆明呈贡新城供水0.97亿m3。目前，服务于滇池湖泊水生态环境恢复与改善所需环境水量的牛栏江-滇池补水工程已经全线贯通并投入运行；远期解决滇中地区缺水问题的滇中引水工程已经列入国家“十二五”发展战略规划，各项前期工作正在有条不紊地进行中。
随着各项外流域调水工程的规划和逐步实施，滇池流域水资源配置将不再局限于流域内，而将扩大到整个滇中地区，乃至整个金沙江流域，如何处理好区域经济社会发展需水与生态环境用水、节水与调水、供水与排水等水资源配置，处理好本区水资源、近距离引水及远距离调水等空间水量调配关系，各水源各月供水时段、供水量的时间水量配置关系以及各调水水源水位与滇池运行水位联合调度，以达到滇池流域水资源配置最优化及滇池流域水质改善的生态环境效益最大化，将是当前滇池流域水资源配置及优化研究中面临的主要科学问题。
本书将结合现阶段、近期及中远期滇池流域可能出现的新的水资源情势变化，遵循“三先三后”治水思路，从各行业水资源配置、水资源调配的时空特点以及多水源联合调度等方面综合考虑，研究不同水平年滇池流域多水源配置的基本需求和优化模式，阐述牛栏江-滇池补水工程在滇池流域近期水资源优化配置中的突出地位和作用，为近期滇池流域水资源优化调度提供科学依据，为牛栏江-滇池补水工程的合理调度提供科学依据。
2.牛栏江补水对滇池流域水文水资源情势及入湖污染负荷变化影响
根据《云南省水资源综合规划》有关成果，滇池流域本区年径流深188.7mm，滇池本区水资源总量5.55亿m3。牛栏江-滇池补水工程建成后，近期（2020年前）多年平均年设计引水量5.72亿m3，每年可向滇池补充生态恢复水量5.66亿m3，比滇池流域多年平均水资源量还略多，滇池入湖水量将增加约1倍，加上掌鸠河、清水海引水供水工程城市供水后的回归水量，滇池入湖水量还将增加。外流域调水的加入，将彻底改变滇池流域已有的水资源情势及水文条件；同时随着相对清洁的牛栏江水源源不断地进入滇池，滇池流域河湖生态环境用水可得到有效恢复与补充，湖泊水资源短缺局面得到大幅度改善，为昆明市主城区的生产、生活废污水（每年约2.4亿m3）截流（不进入滇池外海）提供了水资源保障，为滇池环湖城镇截污提供了可靠的支持，从而对滇池环湖点源和非点源（包括城市和农村）负荷入湖产生积极而重大的影响。
根据《滇池流域水污染防治“十二五”规划》的新思路，要实现流域尺度下的清污分流和分质供水，达到滇池及其下游河流水质同时改善的双赢局面，促使滇池流域及周边地区实现较佳的生态环境价值及社会经济价值，达到滇池水质目标。如何评价和分析牛栏江-滇池补水工程清水入滇对流域水资源情势、水文变化及非点源污染变化的影响，这也是牛栏江-滇池补水工程需要解决的一个科学问题。
3.复杂地形影响下滇池水环境模拟及牛栏江补水改善滇池水质效果预测
在长期的内、外应力综合作用下，滇池流域基本上形成了以滇池为中心，南、北、东三面宽、西面窄的不对称阶梯状地貌格局。第一级主要为以三角洲平原、湖积平原、洪积平原及湖滨围垦地组成的内环平原，区域面积522.8km2，除东部和东南部有部分低山和台地外，区域多为平原地貌，是滇池流域开发强度最大和人类活动最频繁的区域。第二级以台地、岗地、湖成阶地及丘陵为主组成的中环台地丘陵，区域面积975.6km2，坡度比较平缓，土地垦殖率较高，同时工矿及居民用地量大，特别在北部的新河、盘龙江、宝象河流域分布有大量工厂、学校、工矿用地及居民地。山地区域海拔为2100m，区域面积1421.6km2，是滇池流域的主要汇水区。滇池盆地是云南东部较大的山间盆地之一，盆地四周为山地地貌形态，盆地内为堆积地貌，盆地西南为断裂下陷的洼地——滇池，滇池湖岸线长156km。
滇池作为滇池流域的最低点，西面紧贴西山，受西山高大山体的遮挡影响，滇池湖区常年主导风向为西南风。当西南风吹过滇池湖区时，受西山遮挡作用，湖面风场十分复杂。污染物在滇池湖内的输移扩散等特性，很大程度上取决定于湖流运动规律。滇池属大型的宽浅型湖泊，水流运动主要受湖面风场的影响与控制，湖流以风生环流为主。因此，风场将对滇池湖流运动产生决定性影响。牛栏江补水，主要通过蓄清排污、加快水体循环与交换、提高水体自净能力、减少湖泊内源沉积量等方式，以达到改善滇池湖泊水质的效果。
滇池水面开阔，湖面风场影响水流、水流影响水质，因此如何预测评价牛栏江补水对滇池水动力与水质的影响?这是牛栏江-滇池补水工程面临的又一个科学问题。
为充分发挥牛栏江-滇池补水工程清水入湖改善滇池水环境的作用，就必须提前解决上述科学问题，因此，本书以滇池流域经济社会发展的水资源需求为出发点，提出符合流域水资源特点的滇池流域水资源配置优化方案；建立滇池流域水文与非点源迁移转化过程模拟技术，重点开发适应复杂地形条件的滇池风生湖流及水环境过程数学模拟技术，以及基于模拟的流域系统优化调控技术，实现不同设计水平年滇池流域主要污染物的入湖负荷预测及其时空分布规律分析，核算不同设计水平年滇池水环境容量和容量总量控制优化方案；在充分考虑不同阶段滇池流域控源减排和生态修复能力的前提下，提出不同设计水平年满足水质水生态保护目标的环境补水量、系列年环境补水过程及外流域补水水质要求，结合牛栏江-滇池补水工程引水量及引水过程，分析工程运行对滇池水环境改善效果，研究制定牛栏江-滇池补水工程入湖实施方案，为牛栏江-滇池补水工程的运行管理和科学调度提供技术支撑。