湟水流域水污染源排放清單及空間分析研究

殷炳超，趙琰鑫

（生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院長江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)環(huán)境聯(lián)合研究中心，北京 100012）

2015 年，國務(wù)院發(fā)布的《水污染防治規(guī)劃》（“水十條”）提出了流域精細(xì)化管理的要求[1]，流域精細(xì)化管理已成為我國水環(huán)境管理的主要方向[2?3]。開展流域內(nèi)污染源解析工作，定量污染源、排放負(fù)荷[4]，建立流域水環(huán)境污染源排放清單，是實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理的基礎(chǔ)，是研究水環(huán)境污染成因、控制污染源排放、解決水環(huán)境問題的重要依據(jù)[5]。污染源排放清單是對特定空間、時間范圍內(nèi)，各類污染源排放的污染物種類數(shù)量的綜合估算[6]。大氣污染排放清單始自美國環(huán)保署 (USEPA) 1980 年代初開展研究[7]，污染源分類、估算模型發(fā)展應(yīng)用趨于完善[8?9]，而水環(huán)境污染物多分別計(jì)算點(diǎn)源、面源的污染負(fù)荷及其對水質(zhì)的影響，而綜合水環(huán)境點(diǎn)源、面源污染源排放清單研究相對薄弱[10?11]。湟水流域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展與水生態(tài)環(huán)境保護(hù)矛盾突出，青海省水源涵養(yǎng)功能定位的壓力所在，青海省先后出臺了《青海省重點(diǎn)流域水污染防治實(shí)施方案（2016—2020）》《湟水流域水環(huán)境綜合治理規(guī)劃（2016—2020）》等，系統(tǒng)推進(jìn)水污染防治，張亞麗[12]、尤李俊等[13]和闞敏[14]分析了湟水流域的面源污染、干流污染等，做了初步的源解析[15]，而流域的水污染物排放清單研究則相對較少。本文構(gòu)建了湟水流域水污染源排放清單，完善點(diǎn)源、面源精細(xì)化管控，聯(lián)結(jié)源排放和水環(huán)境質(zhì)量關(guān)系，對流域精細(xì)化管理具有基礎(chǔ)性的作用，為排污管理提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

湟水干流全長374 km，年徑流量約22 億m3，是黃河在青海省內(nèi)最大的支流，是青海的母親河[16?17]。湟水總流域面積1.77 萬km2，涵蓋西寧市、海東市和海北州海晏縣等12 個區(qū)縣，集中了青海省近60%的人口、52%的耕地和70%以上的工礦企業(yè)，創(chuàng)造全省60%的生產(chǎn)總值，是青海省的經(jīng)濟(jì)、政治和交通中心。湟水的水環(huán)境安全狀況對青海省的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義，但由于湟水流域水土資源開發(fā)強(qiáng)度較高，第一、二產(chǎn)業(yè)布局不合理、治理水平落后，近年來湟水流域水環(huán)境治理進(jìn)入瓶頸期，主要污染源治理、水質(zhì)改善邊際效應(yīng)遞減趨勢明顯，水質(zhì)改善向好的壓力較大。2019 年，湟水流域總體為優(yōu)，Ⅰ～Ⅲ類監(jiān)測斷面占總數(shù)的92.9%，較2016 年提高40.5 個百分點(diǎn)；Ⅳ類斷面2 個，占7.1%，較2016 年降低11.9 個百分點(diǎn)；消除Ⅴ類及劣Ⅴ類斷面，較2016 年減少28.6 個百分點(diǎn)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

將湟水流域內(nèi)工業(yè)企業(yè)、規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場和集中式污水處理設(shè)施的污染物排放計(jì)為點(diǎn)源污染源；其他為未收集入污水處理廠的城鎮(zhèn)生活污水溢流、城鎮(zhèn)面源、農(nóng)村生活分散污水、種植業(yè)面源和農(nóng)村畜禽養(yǎng)殖散養(yǎng)等污染物排放計(jì)為面源污染[15,18 ?19]。結(jié)合《青海省第二次全國污染源普查公報(bào)》、青海省環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和天眼查APP 搜索工商登記信息位置，逐一校準(zhǔn)點(diǎn)源具體地址和經(jīng)緯度坐標(biāo)，得到點(diǎn)源污染源；依據(jù)《青海統(tǒng)計(jì)年鑒》《西寧市統(tǒng)計(jì)年鑒》《海東市國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》等，整理得到流域面源排放源統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并拆分到具體區(qū)縣，采用產(chǎn)排污系數(shù)法核算污染負(fù)荷量；對部分無法直接獲取信息，采用現(xiàn)場調(diào)查（2016 年6～12 月間）進(jìn)行補(bǔ)充。土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心的中國多時期土地利用土地覆被遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)集（CNLUCC）。

1.3 研究方法

流域污染物排放清單污染負(fù)荷排放量主要對點(diǎn)源、面源污染源的COD、氨氮和總磷等污染物進(jìn)行核算，主要分為點(diǎn)面源污染物排放估算、空間化和特征分析等3 部分，見圖1。

圖1 流域水污染源排放清單分析方法流程

1.3.1 負(fù)荷排放量核算方法 各類點(diǎn)源污染源。對工業(yè)企業(yè)、規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場和集中式污水處理設(shè)施依據(jù)其具體地址和坐標(biāo)確定排放源位置和影響的受納水體。考慮到部分工業(yè)企業(yè)、規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場將廢污水輸送至集中式污水處理設(shè)施處理后外排，故點(diǎn)源污染排放統(tǒng)計(jì)減除處理負(fù)荷量等重復(fù)統(tǒng)計(jì)量。

城鎮(zhèn)、農(nóng)村生活廢污水與農(nóng)村生活面源。考慮現(xiàn)狀湟水流域尚未完全收集污水，城鎮(zhèn)生活廢水溢流量定義為依據(jù)城鎮(zhèn)人口及產(chǎn)排污系數(shù)核算城鎮(zhèn)生活污水負(fù)荷產(chǎn)生量，扣除污水處理廠實(shí)際污水進(jìn)水量后的廢污水和負(fù)荷量；農(nóng)村生活污水同樣由核算得到的負(fù)荷量扣除污水收集量。具體計(jì)算公式根據(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》修改，見式（1）：

式中，WWUT為城鎮(zhèn)或農(nóng)村生活廢污水負(fù)荷量，t/a；A為城鎮(zhèn)或農(nóng)村人口，萬人；F為城鎮(zhèn)或農(nóng)村居民生活排污系數(shù)（或用水定額），g/人·天（或 L/人·天）；WWTP為生活污水處理設(shè)施廢污水處理量，t/a。

種植業(yè)面源流失量估算。研究采用“標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田法”估算種植業(yè)面源流失量。據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修正源強(qiáng)系數(shù)[10]：土地坡度在25°以下與25°以上，流失系數(shù)分別為1.0～1.2 與1.2～1.5；湟水流域主要作物類型為小麥、油菜和馬鈴薯等，鑒于小麥產(chǎn)量占比超過50%[20]，研究均按照小麥進(jìn)行計(jì)算；土壤成分分類為砂土、壤土和粘土，針對流域土壤類型，取0.9～1.0；化肥畝施用量在25 kg 以下、25～35 kg之間、35 kg 以上，修正系數(shù)分別取0.8～1.0、1.0～1.2 和1.2 ～1.5；流 域 年 降 水 量 在300 ～600 mm，依據(jù)流域年降水量和耕地分布，確定降水量修正因子0.6～1.5。

城市地表徑流面源。研究采用“標(biāo)準(zhǔn)城市產(chǎn)排污系數(shù)法”估算城市徑流面源流失量?？紤]評估影響城市徑流具體情況，進(jìn)行系數(shù)修正：地形按平原、山區(qū)和丘陵城市，修正系數(shù)分別為1、3.8 和2.5；按照城鎮(zhèn)非農(nóng)業(yè)人口分100 萬人以下、100 萬～200 萬、200 萬～500 萬和500 萬以上，修正系數(shù)分別為0.3、1、2.3 和3.3；建成區(qū)面積分75 km2以下、75～150 km2、150～250 km2和250 km2以上，修正系數(shù)分別為0.5、1、1.6 和2.3；年降雨量分為400 mm以下、400～800 mm，修正系數(shù)分別為0.7 和1。

1.3.2 源清單空間特征分析方法 污染源分布空

間化?？臻g化并疊加點(diǎn)源、面源污染源，形成污染負(fù)荷網(wǎng)格。點(diǎn)污染源直接將其按照空間位置落到單元網(wǎng)格內(nèi)（1 km2）；面源污染，將單位面積污染負(fù)荷落到對應(yīng)區(qū)縣的具體土地利用類型單元網(wǎng)格：城鎮(zhèn)生活面源-城鎮(zhèn)居民區(qū)；農(nóng)村生活面源-農(nóng)村居民點(diǎn)；畜禽養(yǎng)殖散養(yǎng)面源-林地、草地等；種植業(yè)面源-耕地；城市地表徑流面源-城鎮(zhèn)居民區(qū)。

1.3.3 熱點(diǎn)區(qū)域分析方法 核密度分析計(jì)算湟水流域的污染排放的聚集狀況，探索其排放熱點(diǎn)區(qū)域。核密度分析(kernel density estimation, KDE)是一種非參數(shù)檢驗(yàn)的表面密度計(jì)算方法，搜索估算其周圍半徑的種群聚集點(diǎn)密度[20?21]，建立距離衰減函數(shù)測量局部密度變化，實(shí)現(xiàn)探索熱點(diǎn)區(qū)域和變化特征[22?23]，核密度估計(jì)的值越高代表分布密度越大。估計(jì)在某點(diǎn)x處的密度值，一般采用和估計(jì)函數(shù)為Silverman 描述的二次核函數(shù)[22,24]，見式（2）：

2 結(jié)果與分析

2.1 污染物排放結(jié)構(gòu)

通過模型建立、參數(shù)確定后，研究估算得到湟水流域污染物排放負(fù)荷。2019 年，COD 排放負(fù)荷為7.22 萬t/a，氨氮排放負(fù)荷為0.34 萬t/a，總磷排放負(fù)荷0.07 萬t/a，分別較2015 年減少43.9%、80.6%和68.2%。湟水流域不同污染源排放負(fù)荷差異較大，生活源、農(nóng)業(yè)種植面源與畜禽養(yǎng)殖源已成為湟水流域污染物主要來源，工業(yè)源污染物排放占比較低。COD 排放以生活源與農(nóng)業(yè)種植面源為主，占總排放量為79.1%，工業(yè)源排放僅占12.6%；氨氮主要來源于農(nóng)業(yè)種植面源與生活源，其中農(nóng)業(yè)種植面源占44.7%，城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活源占50.4%；畜禽養(yǎng)殖源、農(nóng)業(yè)種植面源、農(nóng)村生活源及城鎮(zhèn)生活源是總磷的主要來源，分別占33.9%、31.3%、19.2%和15.4%。與2015 年相比較，氨氮、總磷污染排放中，農(nóng)業(yè)種植面源污染物排放占比呈上升趨勢，畜禽養(yǎng)殖源和城鎮(zhèn)生活源排放占比相對減少。

2015～2019 年，湟水流域各區(qū)縣污染物排放占比變化不大。西寧市大通縣、湟中縣與海東市互助縣污染物排放負(fù)荷較大，2019 年，COD 排放量分別占流域排放總量的18.6%、16.9%和15.2%，氨氮排放量分別占20.5%、16.7%和14.6%，總磷排放量分別占15.6%、20.3%和18.6%，其他區(qū)縣污染物排放量相對較小。從各區(qū)縣污染排放源來看，除西寧市城北區(qū)工業(yè)源排放COD 比重較大，城東區(qū)、城中區(qū)、城西區(qū)和城北區(qū)污染物主要排放源均為城鎮(zhèn)生活源；西寧市大通縣、湟中縣、湟源縣與海東市平安區(qū)、樂都區(qū)、互助縣、民和縣等污染物排放以農(nóng)村生活源和農(nóng)業(yè)種植面源為主；海北州海晏縣養(yǎng)殖業(yè)是污染物為COD 和總磷的主要來源，均占近8 成，氨氮則主要由農(nóng)業(yè)種植面源排放。

2.2 污染物排放空間分布

2019 年湟水流域各區(qū)（縣）單位面積污染排放負(fù)荷較高值集中在西寧市城東區(qū)、城北區(qū)、大通縣與海東市民和縣、互助縣等區(qū)縣；空間上單位面積污染物排放負(fù)荷總體呈沿湟水支流自上游而下逐步增多分布，COD 排放較高（＞ 22.11 t/km2）區(qū)域主要分布在北川河、塘川河與民和縣境內(nèi)湟水支流中下游，氨氮排放較高（＞ 1.29 t/km2）區(qū)域主要位于北川河、塘川河等支流中下游，總磷排放較高（＞ 0.36 t/km2）區(qū)域主要分布于湟中縣與民和縣境內(nèi)湟水支流中下游，見圖2。

圖2 2019 年湟水流域污染物排放空間分布

與2015 年相比較，2019 年各區(qū)縣污染物排放強(qiáng)度均有不同程度的降低，見表1，整體而言，西寧市城北區(qū)、城東區(qū)和海東市民和縣單位面積污染物排放量較高，西寧市海西區(qū)和海北州海晏縣較低。

表1 2015 和2019 年湟水流域污染物排放強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)

湟水流域污染源主要分布特征為沿河聚集排放。民和縣、大通縣、湟中縣和互助縣呈成片塊狀污染物排放分布，與大量農(nóng)業(yè)種植源、農(nóng)村生活源等面源密不可分；西寧市、海東市區(qū)沿湟水、湟水支流的點(diǎn)狀高強(qiáng)度排放則為工業(yè)企業(yè)、污水處理廠等點(diǎn)源。食品加工制造、化學(xué)原料生產(chǎn)加工和礦產(chǎn)資源初加工為主的工業(yè)企業(yè)，用水依賴較強(qiáng)，為取水便利多沿河分布；城鎮(zhèn)沿主要河流密集分布，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也受水資源限制，耕地也大多分布于沿河區(qū)域。分析單位面積污染物排放分布，發(fā)現(xiàn)隨河流距離增加單位面積污染物排放強(qiáng)度呈遞減趨勢，見圖3。2019 年，距離河流1 km 內(nèi)區(qū)域COD、氨氮和總磷排放負(fù)荷為4.17、0.22 和0.03 t/km2，距離＞ 5 km的范圍內(nèi)區(qū)域平均值為0.98、0.06 和0.01 t/km2。

圖3 污染物排放強(qiáng)度與河流距離關(guān)系

2.3 污染物排放熱點(diǎn)區(qū)域分析

通過核密度分析的方法對湟水流域2019 年污染物排放聚集、熱點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行了分析。湟水流域主要水環(huán)境污染物排放核密度分析結(jié)果顯示，主要水環(huán)境污染物排放聚集明顯。COD 排放熱點(diǎn)區(qū)域主要分布在西寧市北川河入湟水河口，塘川河互助縣下游和海東市祁家川白沈溝入湟水河口附近區(qū)域；氨氮排放熱點(diǎn)區(qū)域主要位于西寧市北川河與塘川河入湟水河口、海東市白沈溝入湟水河口附近區(qū)域；總磷排放熱點(diǎn)區(qū)域相對分散，西寧市北川河和塘川河入湟水河口、馬圈河入北川河口，海東市白沈溝入湟水河口、巴州溝入湟水河口附近區(qū)域，見圖4。

圖4 湟水流域污染物排放熱點(diǎn)區(qū)域分析

3 結(jié)論與建議

3.1 主要結(jié)論

本研究通過點(diǎn)源、面源污染物估算、空間分析和熱點(diǎn)區(qū)域分析等方法技術(shù)組合，構(gòu)建了流域污染物清單及空間特征分析的方法，應(yīng)用該方法分析了湟水流域水環(huán)境污染物排放情況及空間特征，得到以下結(jié)論。

（1）農(nóng)業(yè)種植面源、生活源與畜禽養(yǎng)殖源已成為湟水流域污染物主要排放來源。COD 排放以農(nóng)業(yè)種植面源、農(nóng)村生活源與城鎮(zhèn)生活源為主，氨氮也主要由農(nóng)業(yè)種植面源、城鎮(zhèn)生活源與農(nóng)村生活源排放；畜禽養(yǎng)殖源源、農(nóng)業(yè)種植面源是總磷的主要排放來源。

（2）污染物排放沿河“條帶狀”分布。產(chǎn)業(yè)分布、人口分布等因素影響下，湟水流域主要水環(huán)境污染物排放空間上呈沿河分布狀態(tài)明顯，主要集中在湟水干流、北川河上游、西納川河、塘川河、白沈溝和祁家川等湟水干支流；聚集明顯，熱點(diǎn)區(qū)域多分布于市區(qū)縣城上下游、支流入?yún)R口附近。

（3）近年來的環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)、農(nóng)村環(huán)境整治等水污染防治措施的實(shí)施，使得2019 年污染物排放量和污染負(fù)荷均明顯低于2015 年，但污染物排放分布趨勢仍無較明顯變化。

3.2 對策建議

針對污染物來源及空間特征，湟水流域應(yīng)當(dāng)針對性地加強(qiáng)農(nóng)業(yè)農(nóng)村與污染排放集聚區(qū)水環(huán)境污染防治工作。逐步推進(jìn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理設(shè)施建設(shè)，提高河道沿岸鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理率。結(jié)合農(nóng)村環(huán)境綜合整治，逐步推進(jìn)農(nóng)村污水收集處理，提高沿河污水處理率，積極探索推廣分散式污水處理和生活垃圾處置技術(shù)，沿湟干流、支流1 km 范圍內(nèi)，加強(qiáng)鄉(xiāng)鎮(zhèn)村莊、旅游景區(qū)和“農(nóng)家樂”等周邊水環(huán)境綜合治理工作?？刂妻r(nóng)業(yè)面源污染，推行以控制氮、磷流失為主的節(jié)肥增效技術(shù)，持續(xù)降低化學(xué)肥料施用量。加強(qiáng)畜禽養(yǎng)殖污染源強(qiáng)控制實(shí)現(xiàn)畜禽糞便收集后處理利用，鼓勵培育養(yǎng)殖業(yè)和設(shè)施農(nóng)業(yè)的循環(huán)發(fā)展模式，推進(jìn)養(yǎng)殖廢棄物生物質(zhì)燃料的綜合利用。針對湟水流域污染源排放的熱點(diǎn)區(qū)域，全面開展點(diǎn)源、面源污染源管控，削減污染物排放。

當(dāng)前流域排放清單研究往往面臨監(jiān)測數(shù)據(jù)來源單一、準(zhǔn)確性不足，時空精度較低、針對性較差，缺乏整合校驗(yàn)及未知源的估計(jì)，排放路徑不明確等一系列問題。為有效分析污染物空間排放、支撐流域水環(huán)境精細(xì)化管理，需進(jìn)一步開展污染物入河量、水文水量及氣候因素分析、非點(diǎn)源污染田間試驗(yàn)對比和機(jī)理模型等方面研究。