京津冀區(qū)域工業(yè)水污染排放空間密度特征研究

張靜，段揚，張偉*，蔣洪強

1. 環(huán)境保護部環(huán)境規(guī)劃院//京津冀區(qū)域環(huán)境研究中心，北京 100012；

2. 環(huán)境保護部環(huán)境規(guī)劃院//國家環(huán)境保護環(huán)境規(guī)劃與政策模擬重點實驗室，北京 100012

京津冀地區(qū)同屬京畿重地，是中國開放程度最高、吸納人口最多的地區(qū)之一，也是拉動中國經(jīng)濟發(fā)展的重要引擎，戰(zhàn)略地位十分重要。2014年2月26日，習近平總書記提出將三地協(xié)同發(fā)展納入國家區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略進行規(guī)劃設(shè)計，2015年4月30日中共中央政治局會議審議通過了《京津冀協(xié)同發(fā)展規(guī)劃綱要》，重點指出三地要在生態(tài)環(huán)境保護層面率先實現(xiàn)協(xié)同保護。由于長期以來體制機制障礙、政策壁壘及利益不均衡等深層次原因，導致三地生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化，已對公眾健康造成了嚴重的危害。目前，京津冀地區(qū)是全國水污染最為嚴重的地區(qū)之一，根據(jù)《2016年中國環(huán)境質(zhì)量公報》顯示，其所屬的海河流域?qū)僦囟任廴荆?61個國控斷面中劣V類占比達 41%，遠高于十大水系的平均水平（9.1%），占所有劣V類斷面的44.90%（環(huán)境保護部，2017）。根據(jù)2015年12月海河流域重點水功能區(qū)水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果，59個重點功能區(qū)中僅有20.8%水質(zhì)達標（水利部海河水利委員會，2015）。另外，京津冀不僅地表水受到嚴重污染，作為主要供水水源的地下水水質(zhì)問題也很突出，其所在的華北平原分別有82%的淺層地下水監(jiān)測點及78%的深層地下水監(jiān)測點水質(zhì)超標（井柳新等，2016）。

京津冀地區(qū)嚴峻的水污染形勢已引起有關(guān)部門高度重視，國家發(fā)展改革委員會、環(huán)境保護部于2015年發(fā)布《京津冀協(xié)同發(fā)展生態(tài)環(huán)境保護規(guī)劃》，明確了該地區(qū)未來幾年水質(zhì)改善目標及任務(wù)（何潭振，2016）。目前，已有諸多研究者針對這一熱點地區(qū)開展了相關(guān)研究。劉瑜潔等（2016）通過研究京津冀地區(qū)脆弱性指標發(fā)現(xiàn)，三地水污染壓力指數(shù)為 0.78～0.97，表明京津冀地區(qū)水環(huán)境整體污染嚴重，水體納污能力壓力較大。張楠等（2017）采用灰水足跡法對河北省水污染程度進行評價，發(fā)現(xiàn)灰水足跡指標值均大于1且遠大于水資源總量，表明河北省在表現(xiàn)出傳統(tǒng)資源型缺水的同時也呈現(xiàn)水質(zhì)性缺水特征。馬民濤等（2014）通過對京津冀地區(qū)不同城市水污染排放源進行聚類分析，發(fā)現(xiàn)北京市水污染以生活排放源為主，天津市兼顧工業(yè)排放源與生活排放源，而河北省則以工業(yè)污染源為主，不同排放特征反映出三地目前處于不同經(jīng)濟發(fā)展階段。陳向等（2016）通過定量研究京津冀地區(qū)污染物排放時空特征變化探討了污染物排放與城市化間的耦合關(guān)系，結(jié)果表明生活廢水呈顯著增加趨勢，對不同地區(qū)水體污染物進行協(xié)同控制時應(yīng)根據(jù)其污染特征有所側(cè)重。

綜上，為推進京津冀地區(qū)水環(huán)境協(xié)同治理，需考慮污染源排放的空間集聚特征。雖然農(nóng)業(yè)和生活排放源是京津冀地區(qū)水污染排放的主要類型，但工業(yè)源由于產(chǎn)業(yè)分布集中、排放濃度高、環(huán)境風險大，對區(qū)域地表和地下水均具有較大影響，容易形成水污染集中排放，是京津冀區(qū)域水污染防治的重點治理對象。識別京津冀地區(qū)工業(yè)污染物排放空間特征和熱點地區(qū)，對于劃分水污染空間管理分區(qū)、設(shè)計分區(qū)污染物減排方案以及開展網(wǎng)格化管理都有著積極作用。因此，本研究基于京津冀企業(yè)層面的污染源環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)，利用空間密度分析法，分析京津冀13個城市工業(yè)源污水的化學需氧量（COD）及氨氮（NH3-N）排放空間集聚特征，以期為制定精細化水污染治理政策提供可靠依據(jù)。

1 研究區(qū)域、方法與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域概況

京津冀區(qū)域包括北京市、天津市以及河北省的保定、唐山、廊坊、秦皇島、張家口、承德、石家莊、滄州、邯鄲、邢臺、衡水等 11個地級市，面積約為2.16×105km2。京津冀區(qū)域年平均降水量為410 mm，水系以閃電河和壩頭為界，分為內(nèi)流和外流兩大區(qū)系，主要內(nèi)流河有安固里河和大清溝，外流區(qū)分永定河、潮白河、灤河、遼河和海河五大水系。京津冀地區(qū)人均水資源量僅為130.01 m3，是全國平均水平的6.38%，世界平均水平的近1/65（張偉等，2017），已經(jīng)成為中國嚴重缺水地區(qū)。京津冀地區(qū)是海河流域水資源開發(fā)程度最高的流域，廢水排污量大，是海河流域最重要的水污染來源，也是中國水污染最嚴重的流域（孟麗霞等，2015）。水資源嚴重短缺已成為制約京津冀地區(qū)發(fā)展的全局性限制因素，地下水超采導致的地面沉降范圍不斷擴大，漏斗區(qū)面積超過5×104km2，永定河、大清河等主要河流長期斷流，白洋淀、衡水湖等重要濕地逐步萎縮；沿海諸河入海水量急劇減少，河流、濕地、河口生態(tài)水量難以保障（劉年磊等，2017）。2016年，京津冀地區(qū)國內(nèi)生產(chǎn)總值達74612.55億元，占全國的10.0%，總?cè)丝跒?1205萬人。其中，北京作為中國政治、教育、文化和國際交流中心，中國的首都，第三產(chǎn)業(yè)發(fā)達，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)基本處于后工業(yè)化階段；而天津和河北仍然以工業(yè)為主，廢水排放量大，而且人口密度高，加上水資源極度短缺，天然徑流小且自凈能力差，水污染治理難度大（譚茵等，2017）。

1.2 空間密度分析

核密度分析（Kernel Density Estimation）是使用核函數(shù)將各個點或線擬合為光滑錐狀表面，并計算其在周圍鄰域中的密度（Walters，1986）。本研究采用基于GIS的核密度分析技術(shù)，即采用空間加權(quán)差值方法，對京津冀重點工業(yè)的污染排放企業(yè)根據(jù)空間分布和排放強度進行分析，獲得 COD及NH3-N的工業(yè)排放空間分布密度圖，并分析其空間分布規(guī)律和模式。

假設(shè)存在工業(yè)排放企業(yè) x1, x2,???, xn，則 x 處的核密度估計為：

目前，這種基于GIS的核密度分析在大氣污染物的空間特征模擬中得到廣泛應(yīng)用（Tuluri，2005；Portnov et al.，2009；劉華軍等，2016）。另外，Gao et al.（2011）構(gòu)建了無錫市區(qū)制造業(yè)企業(yè)密度與COD排放量的自相關(guān)模型，揭示了制造業(yè)空間分布與水污染間的關(guān)聯(lián)性。Lin et al.（2010）根據(jù)臺灣彰化縣1082個土壤監(jiān)測數(shù)據(jù)耦合核密度分析法及傳統(tǒng)地統(tǒng)計學法繪制了當?shù)赝寥乐亟饘傥廴緹狳c圖。Zhang et al.（2012）利用核密度分析法計算并評價了渭河干流 2000—2008年“豐平枯”三期水污染空間分布及主要污染物類型。Wang et al.（2015）在計算水體重金屬污染分布時引入核密度分析法，結(jié)果表明其相較于其他參數(shù)密度估計法具有易操作、準確率高的優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于生態(tài)系統(tǒng)風險性評價研究中。在參考前人研究基礎(chǔ)上，本研究將輸出結(jié)果設(shè)定為1 km×1 km的基本地理單元密度圖，搜索半徑設(shè)定為20 km，利用ArcGIS 10.5中的核密度分析工具進行分析。

1.3 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)來源于京津冀 2013年重點企業(yè)環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)，包含了重點工業(yè)企業(yè)的廢水排放統(tǒng)計數(shù)據(jù)，約占所有工業(yè)排放的 85%～90%。另外，非重點統(tǒng)計企業(yè)水污染排放數(shù)據(jù)約占所有工業(yè)源排放的 10%～15%，主要通過物料平衡等手段按區(qū)縣級行政區(qū)折算。本文所用數(shù)據(jù)包括京津冀地區(qū)11631家重點工業(yè)排放源，其中水污染排放源企業(yè)共4912家，COD排放量合計為1.634×105t，平均每家企業(yè)年均COD排放量約為33.27 t；NH3-N排放量合計為1.46×104t，平均每家企業(yè)排放量約為2.97 t。

2 結(jié)果分析

2.1 京津冀水污染物排放行業(yè)特征

表1所示為將京津冀重點水污染排放源按照行業(yè)合并后統(tǒng)計的COD和NH3-N的排放情況（排放量居前十的行業(yè)）。由表可知，京津冀工業(yè)源COD和NH3-N排放最多的行業(yè)集中在造紙和紙制品（以下簡稱“造紙”）、農(nóng)副食品加工、化學原料和化學制品（以下簡稱“基礎(chǔ)化工”）、紡織、醫(yī)藥制造、皮制品、飲料制品、食品制造、非金屬制品等行業(yè)，前十個行業(yè)COD和NH3-N排放量分別占所有行業(yè)的83%和87%。造紙和紙制品業(yè)是COD排放的第一大行業(yè)，NH3-N排放的第二大行業(yè)。造紙行業(yè)的COD排放量和NH3-N排放量占所有行業(yè)排放量的比例分別達到 20.6%和11.1%，然而造紙業(yè)產(chǎn)值占工業(yè)總產(chǎn)值較低，與其污染排放量不匹配。若京津冀地區(qū)治理區(qū)域工業(yè)污水問題，造紙業(yè)將是首要的治污重點行業(yè)。雖然在“十二五”時期河北加大了淘汰和壓減產(chǎn)能的力度，但是由于基數(shù)大，中小企業(yè)監(jiān)管不到位，短期內(nèi)造紙業(yè)的水污染排放仍然是京津冀地區(qū)水污染的主要來源。農(nóng)副食品的加工業(yè)是 COD排放的第二大行業(yè)，占所有行業(yè)排放的13.6%，同時也是NH3-N排放的第三大行業(yè)，占所有行業(yè)排放的10.5%。基礎(chǔ)化學行業(yè)是NH3-N排放的第一大行業(yè)，占所有行業(yè)排放的33.2%，是COD排放的第二大行業(yè)，占所有行業(yè)排放的11.1%?；A(chǔ)化學行業(yè)和造紙行業(yè)均屬于傳統(tǒng)的高污染行業(yè)，由于工序多、工藝復雜，“十三五”期間隨著污水處理深度的不斷增加，需采用投資和運行成本均較高的處理技術(shù)，高昂的廢水減排代價使得行業(yè)廢水排放強度下降趨勢偏緩，在COD和NH3-N治理方面存在一定難度。

表1 京津冀2013年COD和NH3-N十大排放行業(yè)及排放量Table 1 Top 10 Emission Industries of COD and NH3-N in Beijing-Tianjin-Hebei Region

2.2 京津冀水污染物排放空間密度特征

2.2.1 基于行政區(qū)的工業(yè)源水污染排放空間分析

將水污染工業(yè)源排放數(shù)據(jù)（含非重點源排放）按照京津冀13個城市共225個區(qū)縣（含開發(fā)區(qū)）進行匯總，獲得京津冀地區(qū)水污染排放在縣級行政區(qū)層面的空間集聚分布圖（圖 1）。京津冀工業(yè)源COD排放主要集中在邯鄲、天津、張家口和秦皇島，合計占京津冀區(qū)域COD排放的56%；工業(yè)源NH3-N排放主要集中在邯鄲、天津，合計占京津冀區(qū)域NH3-N排放的52%。本研究同時將工業(yè)源COD和NH3-N排放從區(qū)縣尺度按照排放量大小劃分為6個級別。從COD來看，天津濱海新區(qū)排放量為15361 t，約占京津冀區(qū)域工業(yè)源的7.4%、排放量大于5000 t的區(qū)縣共有3個，分別是天津濱海新區(qū)、保定新市區(qū)和石家莊藁城市，上述區(qū)縣工業(yè)源 COD排放量合計約為2.86×104t，占京津冀區(qū)域工業(yè)總排放的13.8%，分別是京津冀區(qū)域化工、造紙和農(nóng)副食品加工等污染排放企業(yè)集中區(qū)。COD排放量在2500～5000 t之間的區(qū)縣共有15個，分別位于石家莊、秦皇島、邢臺、唐山、承德、保定等城市，合計約為 5.41×104t，占工業(yè)源總排放的 26.2%。上述 18個區(qū)縣占京津冀工業(yè)源COD排放的40%。從NH3-N來看，排放量大于800 t的區(qū)縣共3個，分別是天津濱海新區(qū)、承德雙橋區(qū)、石家莊鹿泉市，上述區(qū)縣工業(yè)源NH3-N排放量合計約為3707 t，占京津冀區(qū)域工業(yè)總排放的 20.7%，其中天津濱海新區(qū)占10%。NH3-N排放量在300 ～800 t之間的區(qū)縣共14個，合計約為5559 t，占京津冀區(qū)域工業(yè)總排放的31%，主要集中在石家莊和秦皇島。上述17個區(qū)縣占京津冀工業(yè)源NH3-N排放的51.7%。

2.2.2 工業(yè)源COD排放空間密度分析

基于核密度分析工具模擬京津冀區(qū)域主要工業(yè)行業(yè)的 COD空間密度。其中，每個柵格（即 1 km×1 km）的值代表單位國土面積COD排放量。如圖2所示，京津冀區(qū)域四大工業(yè)行業(yè)水污染排放密度介于0.1～17.4 t?km-2之間。將圖2 (a)劃分為6個等級，京津冀區(qū)域四大工業(yè)行業(yè) COD排放分布區(qū)域占京津冀區(qū)域總面積的64.3%，其中排放密度大于 1 t?km-2的區(qū)域面積占京津冀區(qū)域面積的20.4%。另外，污染密度最高的區(qū)域（10.1～17.4 t?km-2）面積為414 km2，占京津冀區(qū)域0.2%左右，主要位于保定、天津、秦皇島等地區(qū)，其中保定面積最大。污染密度次高的區(qū)域（6.1～10 t?km-2）面積為2876 km2，占京津冀區(qū)域1.3%，主要位于石家莊、保定、秦皇島、天津、邢臺、唐山等城市?？傮w而言，由于河北的農(nóng)副食品建工、造紙以及天津的化工產(chǎn)業(yè)集聚度高，且排放大，在上述區(qū)域形成COD污染排放集聚，對上述地區(qū)的地表和地下水污染造成巨大壓力。從行業(yè)來看，四大主要行業(yè)造成的COD污染排放集聚也呈現(xiàn)不同的空間分布形式。其中，基礎(chǔ)化工行業(yè) COD排放主要集中在天津濱海新區(qū)，石家莊也存在個別排放密度較高的區(qū)縣；紡織業(yè)COD排放主要集中在保定、邢臺、張家口；農(nóng)副產(chǎn)品加工業(yè)的 COD排放主要集中在秦皇島、石家莊等城市，廊坊和承德也有小范圍 COD排放集聚現(xiàn)象；造紙行業(yè)的COD排放主要集中在保定、秦皇島、唐山、石家莊等區(qū)域。

圖1 京津冀區(qū)縣尺度工業(yè)源COD和NH3-N排放空間分布Fig. 1 Spatial distribution of COD and NH3-N emissions in Beijing-Tianjin-Hebei region at county scale

圖2 京津冀工業(yè)及4個主要行業(yè)COD排放空間密度分析Fig. 2 Spatial density estimation of COD emissions of all industries and four major industries in Beijing-Tianjin-Hebei region

2.2.3 工業(yè)源NH3-N排放空間集聚分析

如圖3所示，京津冀區(qū)域四大工業(yè)行業(yè)NH3-N排放密度介于0.01～2.54 t?km-2之間。同理將圖3 (a)劃分為6個等級。統(tǒng)計顯示，京津冀區(qū)域四大工業(yè)行業(yè)NH3-N排放分布區(qū)域面積占京津冀區(qū)域總面積的60.8%，其中排放密度高于 0.2 t?km-2的區(qū)域占京津冀區(qū)域15.9%。另外，污染密度最大的區(qū)域（1.6～2.5 t?km-2）面積為 618 km2，占京津冀區(qū)域0.3%，主要位于天津、承德、石家莊等地區(qū)，是基礎(chǔ)化工、農(nóng)副食品加工企業(yè)主要集聚區(qū)。污染密度次高的區(qū)域（1.1～1.5 t?km-2）面積為 1170 km2，占京津冀區(qū)域 0.5%，主要位于上述區(qū)域的周邊區(qū)域，尤其是天津和石家莊地區(qū)?？傮w而言，上述區(qū)域NH3-N排放密度同樣由當?shù)剞r(nóng)副食品、造紙、基礎(chǔ)化工等產(chǎn)業(yè)集聚造成的。從行業(yè)來看，四大主要行業(yè)造成的NH3-N污染排放集聚同樣呈現(xiàn)空間分布差異。其中，基礎(chǔ)化工行業(yè)NH3-N排放主要分布在天津濱海新區(qū)、承德及石家莊個別區(qū)位；紡織業(yè)NH3-N排放主要位于保定和石家莊地區(qū)；農(nóng)副食品加工行業(yè)的NH3-N排放主要集中在秦皇島和石家莊；造紙行業(yè)的NH3-N排放集聚在保定、唐山和邢臺。

3 結(jié)論與建議

3.1 主要結(jié)論

（1）京津冀工業(yè)源COD和NH3-N排放最多的行業(yè)集中在造紙和紙制品業(yè)、農(nóng)副食品加工業(yè)、化學原料和化學制品制造業(yè)、紡織業(yè)等十大行業(yè)，排放量合計分別占所有行業(yè)排放的COD和NH3-N的83%和87%。其中，造紙行業(yè)COD和NH3-N排放分別占工業(yè)總排放的 20.6%和11.1%；基礎(chǔ)化工行業(yè)COD和NH3-N排放分別占工業(yè)總排放的13.6%和33.2%；農(nóng)副食品加工業(yè)COD和NH3-N排放分別占工業(yè)總排放的14.3%和10.5%。

（2）京津冀工業(yè)源COD排放主要集中在邯鄲、天津、張家口和秦皇島，合計占京津冀區(qū)域 COD總排放的 56%；工業(yè)源 NH3-N排放主要集中在邯鄲、天津，合計占京津冀區(qū)域NH3-N總排放的52%。另外，天津濱海新區(qū)、保定新市區(qū)和石家莊藁城市工業(yè)源COD排放量合計約為2.86×104t，占京津冀區(qū)域工業(yè)總排放的13.8%；天津濱海新區(qū)、承德雙橋區(qū)、石家莊鹿泉市工業(yè)源NH3-N排放量合計約為0.37×104t，占京津冀區(qū)域工業(yè)總排放的20.7%。

圖3 京津冀工業(yè)及4個主要行業(yè)NH3-N排放空間密度分析Fig. 3 Spatial density estimation of NH3-N emissions of all industries and four major industries in Beijing-Tianjin-Hebei region

（3）京津冀區(qū)域四大主要工業(yè)行業(yè) COD和NH3-N排放分布的區(qū)域分別占區(qū)域總面積的64.3%和60.8%，其中COD排放密度大于1 t?km-2的區(qū)域占京津冀區(qū)域 20.4%，NH3-N排放密度高于 0.2 t?km-2的區(qū)域占京津冀區(qū)域15.9%，在石家莊、保定、秦皇島、天津、邢臺、唐山等形成顯著的 COD污染集聚區(qū)位，NH3-N污染集聚區(qū)位則主要位于天津、承德、石家莊等地區(qū)。另外，從行業(yè)來看，造紙行業(yè)的 COD排放主要集中在保定、秦皇島、唐山、石家莊等區(qū)域，NH3-N排放集聚在保定、唐山和邢臺；基礎(chǔ)化工行業(yè)水污染物主要分布在天津濱海新區(qū)及石家莊個別區(qū)位，NH3-N排放在承德也有大范圍集聚；農(nóng)副產(chǎn)品加工業(yè)的水污染物排放主要集中在秦皇島、石家莊等城市，廊坊和承德也有小范圍COD排放集聚現(xiàn)象；紡織業(yè)COD排放主要集中在保定、邢臺、張家口，NH3-N排放主要位于保定和石家莊地區(qū)。COD和NH3-N的排放空間分布的協(xié)同集聚效應(yīng)較為明顯。

3.2 政策建議

一方面，應(yīng)根據(jù)水污染空間密度結(jié)果，對不同區(qū)域不同行業(yè)制定有針對性的水污染防治措施，加大重點行業(yè)造紙和紙制品業(yè)、農(nóng)副食品加工業(yè)、化學原料和化學制品制造業(yè)等的水污染綜合治理工作，對水污染排放聚集的重點區(qū)縣邯鄲、天津、張家口、秦皇島等，重點區(qū)域天津濱海新區(qū)、保定新市區(qū)、石家莊藁、承德雙橋區(qū)、石家莊鹿泉等，加大區(qū)域工業(yè)水污染管控工作，提出更嚴格的減排方案。同時，借雄安新區(qū)的高標準建設(shè)契機，發(fā)揮雄安新區(qū)對整個河北省的輻射帶動作用，加快轉(zhuǎn)變粗放的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，積極發(fā)展戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)及服務(wù)業(yè)，真正推動京津冀生態(tài)環(huán)境的協(xié)同治理。

另一方面，目前大氣污染物排放清單是當前研究的熱門領(lǐng)域，也在大氣環(huán)境質(zhì)量模擬和預警中起到積極作用。然而，有關(guān)水污染排放清單的研究較少。建議未來應(yīng)基于本文水污染空間集聚分析，增加生活和農(nóng)業(yè)水污染物的清單編制，最終形成較為完整的京津冀地區(qū)水污染排放清單，為城市網(wǎng)格化精細管理提供技術(shù)支撐；待省級以下環(huán)保機構(gòu)監(jiān)測監(jiān)察執(zhí)法垂直管理制度實施后，為垂直管理后地方聯(lián)合執(zhí)法、交叉執(zhí)法以及區(qū)縣環(huán)保執(zhí)法力量的優(yōu)化配置提供科學依據(jù)。

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