基于情景分析的西北內(nèi)陸河流域分層次緩解水環(huán)境壓力途徑探析

丁言者，趙健，雷坤，富國* ，徐敏

1.中國環(huán)境科學(xué)研究院水環(huán)境研究所，國家環(huán)境保護河口與海岸帶環(huán)境重點實驗室，北京 100012

2.南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210023

西北內(nèi)陸河流域是經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱、水資源缺乏。近些年來由于社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，城市人口的不斷增長及城鎮(zhèn)化率的提高，區(qū)域工業(yè)、生活污染物排放量進一步增加，水環(huán)境狀況日趨嚴峻，經(jīng)濟社會快速發(fā)展需求與水資源和水環(huán)境制約矛盾愈發(fā)突出［1］。

西北內(nèi)陸河流域由于上游修建山前水庫、中游綠洲城市大量用水，致使內(nèi)陸河中下游處于間歇斷流狀態(tài)，基本已無環(huán)境容量［2］;另一方面，即使有些河流仍有一定環(huán)境容量，但從危害環(huán)境最小化原則來看，污水排入地表水體仍有不盡人意之處。因此，在西北的內(nèi)陸河區(qū)域，保護河流湖泊地表水環(huán)境的較好方式將是限制污水直接進入河流水體，但是完全“零排放”往往存在技術(shù)及經(jīng)濟因素的限制，此時污水不直接進入水環(huán)境的“零入河”方式將成為比較合理的選擇。

筆者利用相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，通過情景分析法［3-4］分析預(yù)測了西北內(nèi)陸河重點區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展狀況下的水環(huán)境壓力演變趨勢，初步提出了3 個不同層次的減壓取向，旨在為內(nèi)陸河流域因地制宜采取應(yīng)對措施，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

西北三省(區(qū))處于大陸腹地，幅員遼闊，總面積約284 萬km2。山地、高原、盆地相間分布，地形地貌復(fù)雜多變，差異巨大。其間河流眾多，大小河流800 余條，除出境河流伊犁河、額爾齊斯河和黃河外都是內(nèi)陸河。區(qū)域內(nèi)地廣人稀人口空間分布不均衡，少數(shù)民族人口占比較高，2010年，三省(區(qū))總?cè)丝跒? 302 萬人，占全國總?cè)丝诘?.96%。近幾年來，區(qū)域經(jīng)濟穩(wěn)步上升，但人均收入與全國水平差距仍不斷加大，2010年，西北三省(區(qū))GDP 約為1.1萬億元，占全國GDP 總量的2.7%，人均GDP 僅為全國平均水平的70%。西北三省(區(qū))水資源匱乏，水資源量占全國水資源總量不足7%，在空間分布上又極不均勻，是全國缺水最嚴重的地區(qū)，內(nèi)陸河區(qū)尤以資源型缺水、生態(tài)型缺水為主［5］。

對甘肅、青海和新疆西北三省(區(qū))內(nèi)陸河流域的重點發(fā)展經(jīng)濟區(qū)(河西經(jīng)濟區(qū)、柴達木試驗區(qū)、天山北坡經(jīng)濟區(qū))進行研究，研究區(qū)地理位置如圖1及表1 所示。河西經(jīng)濟區(qū)范圍為嘉峪關(guān)市、酒泉市、金昌市、武威市、張掖市5 個城市;柴達木試驗區(qū)范圍為海西州的柴達木盆地部分;天山北坡經(jīng)濟區(qū)范圍主要為烏魯木齊市、哈密地區(qū)、伊犁哈薩克自治州、克拉瑪依市、吐魯番地區(qū)、昌吉州、塔城地區(qū)、石河子、五家渠。2010年，內(nèi)陸河流域河西經(jīng)濟區(qū)、柴達木試驗區(qū)、天山北坡經(jīng)濟區(qū)的總水資源量、GDP、總?cè)丝跀?shù)在西北三省(區(qū))的比重為1.8%、45.4%和22.3%。3 個內(nèi)陸河經(jīng)濟區(qū)中，天山北坡經(jīng)濟區(qū)污、廢水排放量最大，其中工業(yè)廢水達1.8 億t，占新疆全區(qū)工業(yè)廢水排放量的78.95%，生活污水排放量2.35 億t，占新疆全區(qū)生活污水排放量的61.04%;河西經(jīng)濟區(qū)工業(yè)廢水排放量占甘肅省的47.39%，生活污水排放量占甘肅省的21.34%;柴達木試驗區(qū)工業(yè)廢水、生活污水排放量分別占青海省的39.74%和10.64%。

圖1 研究區(qū)地理位置示意Fig.1 Location map of the study area

表1 評價區(qū)范圍Table 1 Scope of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源

環(huán)境現(xiàn)狀數(shù)據(jù)采用甘肅、青海、新疆三省(區(qū))2010年污染源普查數(shù)據(jù)，環(huán)境趨勢數(shù)據(jù)采用2001—2010年環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)。所評價重點經(jīng)濟區(qū)的GDP、污染物排放量等數(shù)據(jù)為其覆蓋地區(qū)對應(yīng)類型的數(shù)據(jù)加和。

1.3 評價方法

1.3.1 現(xiàn)狀評價

區(qū)域主要污染物排放水平以萬元工業(yè)增加值污染物排放強度進行衡量，計算公式如下:

其中，Eq 為萬元工業(yè)增加值污染物排放強度，kg/萬元;Q 為某污染物的年排放量，kg;Iv為工業(yè)增加值，萬元。

1.3.2 預(yù)測評價

1.3.2.1 污染物排放及其參數(shù)的設(shè)計

(1)人口規(guī)模預(yù)測

人口數(shù)量的預(yù)測運用趨勢外推法，基準數(shù)據(jù)為各地市2010年常住人口。人數(shù)增長速度以近10年人口平均增長速度為基點，并結(jié)合各年度人均增長趨勢進行適當調(diào)整。參照當前人口增長水平，以及我國人口增長的基本趨勢，設(shè)定評價區(qū)域各地市人口增長預(yù)期速度，同時考慮經(jīng)濟快速增長城市人口機械遷移因素，適當提高重點城市的人口增長預(yù)期速度［4］。

(2)工業(yè)增加值預(yù)測

采用規(guī)劃梳理的測算方法，根據(jù)國家關(guān)于西部大開發(fā)的戰(zhàn)略目標、西北三省(區(qū))“十二五”規(guī)劃和遠期戰(zhàn)略目標，對評價區(qū)域地市(縣)的經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整方向和幅度進行預(yù)期，形成各地區(qū)2015年工業(yè)增加值預(yù)期情景［6］。

(3)工業(yè)源污染物預(yù)測

工業(yè)廢水排放量預(yù)測公式:

其中，Wt為預(yù)測年工業(yè)廢水排放量，t;W0為基準年工業(yè)廢水排放量，t;t 為基準年至預(yù)測年的時間間隔，a;rw為工業(yè)廢水排放量年增長率，根據(jù)2006—2010年工業(yè)廢水排放量的年均變化率確定［7］。

污染物排放量采用排放強度法進行預(yù)測［8］:

工業(yè)污染物排放量=預(yù)測年萬元工業(yè)增加值×污染物排放強度

(4)城鎮(zhèn)生活源污染物預(yù)測

城鎮(zhèn)生活污染負荷預(yù)測依據(jù)第一次全國污染源普查城鎮(zhèn)生活源產(chǎn)排污系數(shù)手冊中建立的城鎮(zhèn)居民生活污水污染物量系數(shù)法。生活污水及污染物產(chǎn)生量的計算公式:

其中，G 為城鎮(zhèn)生活源水污染物年產(chǎn)生量，kg/a;Nc為城鎮(zhèn)常住人口，萬人，依據(jù)前文所述的人口規(guī)模預(yù)測方法計算得到;F 為城鎮(zhèn)生活源水污染物產(chǎn)生系數(shù)，g/(人·d)，數(shù)據(jù)根據(jù)第一次全國污染源普查城鎮(zhèn)生活源產(chǎn)排污系數(shù)手冊［9］確定。

1.3.2.2 情景設(shè)計

(1)工業(yè)源排污情景

萬元工業(yè)增加值污染物排放量水平設(shè)計3 個情景:情景1，基本維持2010年基期的萬元工業(yè)增加值污染物排污量狀況;情景2，2006—2010年萬元工業(yè)增加值污染物排放量水平按年遞減率外延，對于遞增的區(qū)域按照比現(xiàn)狀降低10%處理;情景3，與全國2010年萬元工業(yè)增加值排放量平均水平比較，遠劣于全國水平的提高50%，接近全國水平的提高20%，優(yōu)于全國水平的提高10%。

(2)城鎮(zhèn)生活源排污情景

根據(jù)評價區(qū)2010年生活污水收集處理率及COD、氨氮去除率現(xiàn)狀，依據(jù)《“十二五”全國城鎮(zhèn)污水處理及再生利用設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》、《甘肅省環(huán)境保護“十二五”規(guī)劃》、《青海省環(huán)境保護“十二五”規(guī)劃》、《新疆維吾爾自治區(qū)環(huán)境保護“十二五”規(guī)劃》等相關(guān)規(guī)劃，制定2015年的生活源削減情景。

情景1:COD、氨氮消減率達到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》二級出水標準。

情景2:COD、氨氮消減率達到GB 18918—2002一級B 出水標準。

情景3:COD、氨氮消減率達到GB 18918—2002一級A 出水標準。

同時，設(shè)計情景的污水收集處理率根據(jù)各地區(qū)處理現(xiàn)狀進行微調(diào)。

2 區(qū)域主要污染物排放強度水平分析

2.1 現(xiàn)狀評估

2010年統(tǒng)計資料分析顯示:甘肅萬元工業(yè)增加值COD 排放量低于全國平均水平，青海、新疆兩省(區(qū))高出全國水平;西北三省(區(qū))相比，甘肅萬元工業(yè)增加值COD 排放量遠低于新疆和青海，青海略低于新疆;西北三省(區(qū))萬元工業(yè)增加值氨氮排放量均高于全國平均水平，西北三省(區(qū))間差距不大，效率水平由高到低依次為新疆、青海、甘肅。內(nèi)陸河重點經(jīng)濟區(qū)中天山北坡經(jīng)濟區(qū)萬元工業(yè)增加值污染物排放量控制水平較好，河西經(jīng)濟區(qū)污染物排放強度的控制有待進一步加強(表2)。

表2 2010年萬元工業(yè)增加值污染物排放量Table 2 Quantity of pollutant discharged for every 10 thousand yuan worth of industrial value added in 2010 kg/萬元

2.2 趨勢分析

“十一五”期間西北三省(區(qū))萬元工業(yè)增加值污染物排放量呈下降趨勢，但仍有個別重點區(qū)和城市出現(xiàn)了增長。甘肅省內(nèi)陸河重點區(qū)域河西經(jīng)濟區(qū)萬元工業(yè)增加值COD 及氨氮排放量都呈下降趨勢，且COD 排放量下降較為明顯。個別城市如嘉峪關(guān)市的萬元工業(yè)增加值COD 排放量基本持平，萬元工業(yè)增加值氨氮排放量呈上升趨勢，且增幅較大。青海省內(nèi)陸河重點區(qū)域柴達木試驗區(qū)萬元工業(yè)增加值COD、氨氮排放量都有一定上升。天山北坡經(jīng)濟區(qū)萬元工業(yè)增加值COD 和氨氮排放量均呈下降趨勢，降幅較大。但個別城市污染物排放強度出現(xiàn)增長現(xiàn)象，吐魯番地區(qū)的萬元工業(yè)增加值COD 排放量及哈密地區(qū)的萬元工業(yè)增加值氨氮排放量均呈現(xiàn)不同程度的增長(表3)。

表3 萬元工業(yè)增加值污染物排放量變化趨勢Table 3 Variation tendency of quantity of pollutant discharged for every 10 thousand Yuan worth of industrial value added

3 區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展水環(huán)境壓力分析

預(yù)測所用的經(jīng)濟、人口數(shù)據(jù)來自《西北(甘青新)重點區(qū)域和行業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略環(huán)境評價產(chǎn)業(yè)專題工作報告》［6］。

3.1 預(yù)測結(jié)果

根據(jù)1.3 節(jié)的預(yù)測方法，得到各地區(qū)2015年的工業(yè)源污染物排放強度水平和城鎮(zhèn)生活源污染物發(fā)生量及削減情景。

(1)工業(yè)源

各情景下2015年工業(yè)源污染物排放強度如表4 所示，情景1 維持了2010年的污染物排放強度水平，情景2 與情景3 在各自的情景原則設(shè)定下，污染物排放強度均有所下降，且情景2 下的排污強度略低于情景3。

表4 2015年萬元工業(yè)增加值污染物排放量Table 4 Scenarios of quantity of pollutant discharged for every 10 thousand yuan worth of industrial value added kg/萬元

(2)城鎮(zhèn)生活源

表5 為根據(jù)《第一次全國污染源普查城鎮(zhèn)生活源產(chǎn)排污系數(shù)手冊》確定的各地區(qū)城鎮(zhèn)生活污水產(chǎn)污系數(shù)。表6 為各情景方案下城鎮(zhèn)生活污水處理率和主要污染物去除率，其中天山北坡經(jīng)濟區(qū)的烏魯木齊市、克拉瑪依市、石河子、五家渠因其基準年(2010年)的污水收集處理情況相對好于其他地區(qū)，故在情景設(shè)定時將污水處理率一項相應(yīng)提高。

3.2 污染負荷排放環(huán)境壓力評估

根據(jù)情景設(shè)計方案預(yù)測得出2015年主要污染負荷，組合出西北內(nèi)陸河流域考慮重點產(chǎn)業(yè)以及生活源負荷的COD、氨氮組合方案各9 個。表7 為COD 組合方案，表8 為氨氮組合方案。區(qū)域9 個方案的總負荷與2010年污染源普查的排放數(shù)據(jù)比對得到總負荷增長率。增長率可直接理解為對水環(huán)境的壓力變化。

從表7 和表8 可以看出:河西經(jīng)濟區(qū)可通過加強產(chǎn)業(yè)自身的清潔生產(chǎn)工作提高資源環(huán)境效率來尋求發(fā)展空間，或是通過消減生活源來支撐當?shù)毓I(yè)發(fā)展。但個別地區(qū)如柴達木試驗區(qū)，COD 各組合方案的增長率均在10%以上，最高達到了121%，表明常規(guī)的污染控制與資源效率提高手段已不足以減輕環(huán)境壓力。該地區(qū)雖然生活源有一定減排空間，但經(jīng)濟發(fā)展過快，工業(yè)污染負荷增長迅速，生活源的消減無法給工業(yè)源的快速增長提供足夠空間，此時應(yīng)采取“零排放”措施控制排污總量，或是因地制宜的選取最終納污地，尋求“零入河”的方式來減小水環(huán)境壓力。

4 緩解水環(huán)境壓力對策取向

隨著西部大開發(fā)的深入推進，西北地區(qū)經(jīng)濟迎來新一輪的高速發(fā)展，重點區(qū)域工業(yè)廢水及污染物產(chǎn)生(排放)量將維持在較高水平，為支撐重點區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展，緩解水環(huán)境壓力，實現(xiàn)“十二五”減排目標，西北各地可根據(jù)自身區(qū)域工業(yè)發(fā)展特點及現(xiàn)有區(qū)域減排潛力，參考以下3 種不同層次的減壓取向:

表5 城鎮(zhèn)生活污水污染物產(chǎn)污系數(shù)Table 5 Pollutants producing coefficient of domestic wastewater

表6 城鎮(zhèn)生活污水處理率和主要污染物去除率Table 6 Scenarios of the rate of domestic wastewater being treated and the pollutant removal efficiency %

表7 COD 組合方案Table 7 Combination plan of COD

(1)行業(yè)內(nèi)部加強結(jié)構(gòu)及工程減排，力求實現(xiàn)增產(chǎn)不增污(或減污)

如河西經(jīng)濟區(qū)這類工業(yè)源污染物排放量大，且明顯高于生活源的地區(qū)，減壓方法可傾向于加強區(qū)域產(chǎn)業(yè)發(fā)展導(dǎo)向，合理調(diào)整工業(yè)布局、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和用水結(jié)構(gòu)，嚴格限制新上高耗水、高污染項目，同時鼓勵發(fā)展用水效率高的產(chǎn)業(yè)，加快高科技、低污染、低耗能的項目引資落戶，改進生產(chǎn)工藝和加強廢水處理，加強城市和工業(yè)園區(qū)再生水利用工程建設(shè)，提高工業(yè)部門水的重復(fù)利用率。

工業(yè)廢水按性質(zhì)力爭實現(xiàn)分質(zhì)處理和排放。常規(guī)廢水如食品加工類廢水(不含重金屬、有毒有機等有害物質(zhì))以及工業(yè)企業(yè)的生活污水可進城鎮(zhèn)污水處理廠處理，處理后的達標尾水作為農(nóng)灌及生態(tài)用水。有毒有害廢水如石油化工等含有重金屬、有毒有機物等危害較大的工業(yè)廢水需進行深度處理，有條件的企業(yè)可充分利用當?shù)靥柲芎屯恋刭Y源，采用蒸發(fā)-冷凝-回收低鹽水-工業(yè)再生利用的污水資源化利用鏈，或防滲蒸發(fā)池-固廢處理場-危廢處置廠的完整處理處置鏈［10-12］，努力實現(xiàn)工業(yè)廢水“零排放”。

表8 氨氮組合方案Table 8 Combination plan of ammonia nitrogen

(2)在工業(yè)廢水處理效率提高不足以緩解水環(huán)境壓力的情況下，可從區(qū)域減排體系出發(fā)，通過生活點源的減排為工業(yè)發(fā)展尋求空間，實現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟增長不增污(或減污)

像天山北坡經(jīng)濟區(qū)這類以生活源排污為主，且排放量較大的地區(qū)，可傾向于加快城鎮(zhèn)生活污水處理廠和管網(wǎng)配套工程等污水處理設(shè)施的建設(shè)，提高污水廠穩(wěn)定運行水平，強化脫氨及脫氮工藝等生活源污染物的消減工作。通過加強再生水利用工程建設(shè)，提高水的重復(fù)利用率。盡可能多地深度處理并回用城鎮(zhèn)污水處理廠的達標排水，可將其作為工業(yè)低質(zhì)供水或用于園林綠化。從區(qū)域減排體系出發(fā)，通過強化生活點源的減排工作，為區(qū)域工業(yè)發(fā)展尋求空間。

(3)在經(jīng)濟技術(shù)可行條件下生活源減排與工業(yè)廢水處理效率提高都不足以緩解水環(huán)境壓力的情況下，可考慮因地制宜地采取“零入河”管理方式解決污水出路問題，實現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟增長水質(zhì)改善(或不惡化)。

柴達木試驗區(qū)在各情景方案下的水環(huán)境壓力變化率幾乎都為正值，可見該類地區(qū)僅通過常規(guī)的污染物減排、控制手段已不足以緩解經(jīng)濟快速增長帶來的環(huán)境壓力，在經(jīng)濟技術(shù)條件有限，無法實現(xiàn)“零排放”時，可以考慮因地制宜地采取“零入河”的管理方式。目前，世界范圍對于內(nèi)陸河流域，生活污水及食品類工業(yè)廢水“零入河”方式是:處理后的市政污水+荒漠土地=綠洲(森林)［13-14］。借鑒國外的管理方式，基于我國西北內(nèi)陸河流域大面積荒漠、地表蒸發(fā)強烈、地廣人稀的特點，考慮將達標工業(yè)廢水排放至沙漠深處的低洼地［15-16］。目前西北內(nèi)陸河流域已有荒漠排放處置工業(yè)廢水的實踐，積累了一定的經(jīng)驗教訓(xùn)，如新疆烏魯木齊石化、獨山子石化等大型污水庫已運行十余年［17-18］。還有較多的工業(yè)企業(yè)修建幾十公里的排污管道，將處理后的工業(yè)廢水排至荒漠洼地，這也是工業(yè)廢水“零入河”的一種初期形式，仍有很多方面有待加強完善。

“零入河”的管理方式因易受到各種復(fù)雜因素影響而存在諸如地下水和土壤累積性環(huán)境風(fēng)險的問題［19-20］，因此今后應(yīng)根據(jù)內(nèi)陸河區(qū)一般存在荒漠無徑流區(qū)面積大的特點，合理選擇、科學(xué)使用、規(guī)范管理對環(huán)境無影響的最終納污地，實現(xiàn)工業(yè)持久性有毒污染物的“零入河”，保障內(nèi)陸河流域的可持續(xù)發(fā)展。

建議最終納污地選擇應(yīng)盡量符合以下原則:

1)累積影響范圍極小原則。處于不受洪水影響、地下水位梯度接近零的荒漠無徑流區(qū)。將地表水體及地下水體運動導(dǎo)致的污染物質(zhì)的水平方向的輸運控制在盡可能小的范圍內(nèi)，使累積污染范圍最小化。

2)保護人體健康原則。遠離人類居住區(qū)。避免污染地下飲用水源，或作為農(nóng)業(yè)灌溉水源。

3)地表生物影響最小原則。遠離鳥類遷徙通道、動物夏眠和冬眠區(qū)，以及其他敏感的生物環(huán)境保護目標。盡量控制水面，避免對鳥類等動物的吸引。

4)集中控制原則。最終納污地數(shù)量不易過多，以便于未來在科技進步到一定水平后，對有價值的污染物質(zhì)進行低成本回收利用。

最終納污地接納污水使用和管理上要注意:

1)管道輸送污水。最終納污地接納的一定是經(jīng)深度處理達標后的工業(yè)廢水及部分其他污水。輸送管道必須做到防漏，實現(xiàn)定期檢查。

2)盡量減少污水輸送量。在條件允許的情況下，利用太陽能等蒸發(fā)冷凝等固化手段，最大可能地回收淡水，降低水資源消耗量，減少污水輸送量。

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［5］中國環(huán)境科學(xué)研究院. 西北(甘青新)重點區(qū)域和行業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略環(huán)境評價報告［R］.北京:中國環(huán)境科學(xué)研究院，2013.

［6］中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所. 西北(甘青新)重點區(qū)域和行業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略環(huán)境評價產(chǎn)業(yè)專題工作報告［R］. 北京:中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，2012.

［7］中國環(huán)境科學(xué)研究院. 西北(甘青新)重點區(qū)域和行業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略環(huán)境評價水環(huán)境專題報告書［R］. 北京:中國環(huán)境科學(xué)研究院，2012.

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