云南省工業(yè)水污染點源空間分布特征研究

萬 普 娟，邱 飛，向 峰，潘 春 梅，朱 翔，

(1.云南師范大學(xué) 地理學(xué)部，云南 昆明 650500； 2.云南省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，云南 昆明 650034)

0 引 言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度創(chuàng)下新高[1]，然而經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展帶來的環(huán)境問題也在逐步加劇。工業(yè)源由于工業(yè)企業(yè)分布集中，排放的污染物濃度高，帶來的環(huán)境風(fēng)險較大[2]。2016年，全國化學(xué)需氧量總排放量658.1萬t，其中工業(yè)源為122.8萬t占18.7%；工業(yè)源氨氮占總排放量的11.4%[3]。近年來，學(xué)者對于工業(yè)源與水環(huán)境污染空間關(guān)系的研究包括：產(chǎn)業(yè)布局[4]、產(chǎn)業(yè)聚集[5]與環(huán)境污染的空間關(guān)聯(lián)性，環(huán)境變化和工業(yè)產(chǎn)業(yè)空間結(jié)構(gòu)的內(nèi)在聯(lián)系[6]，以及工業(yè)水源污染物排放的空間格局等內(nèi)容；研究方法主要以ArcGIS空間分析技術(shù)為主，包括熱點分析、空間自相關(guān)、緩沖區(qū)分析、空間密度分析、核密度分析等，而采用標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分析和核密度分析兩種方法相結(jié)合的研究相對較少。

云南省位于中國西南邊陲，與周邊多個南亞東南亞國家接壤，具有十分重要的區(qū)位優(yōu)勢。近年來，云南省經(jīng)濟(jì)快速增長，2017年規(guī)模以上工業(yè)增加值約 3 900 億元，比上年同期增長10.6%，隨之也帶來水污染問題。《云南省2017年環(huán)境狀況公報》顯示[7]，在145條主要河流的253個國控和省控斷面中，水質(zhì)優(yōu)良率為82.6%，有62.0%的斷面水質(zhì)為優(yōu)，符合Ⅰ～Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、劣Ⅴ類水質(zhì)斷面分別占20.6%，9.5%，2.4%，5.5%。為進(jìn)一步緩解經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水環(huán)境污染的矛盾，理清工業(yè)水污染點源空間分布特征，明確高負(fù)荷污染源分布區(qū)域，本文基于第二次全國污染源普查數(shù)據(jù)，利用標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分析和核密度分析等方法，從行業(yè)的大類到小類，從州市、水系、區(qū)縣等不同角度解析工業(yè)源污水化學(xué)需氧量和氨氮排放的空間分布特征，旨在為云南省制定精細(xì)化水污染治理對策提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文采用第二次全國污染源普查數(shù)據(jù)，包括企業(yè)的經(jīng)緯度、行業(yè)類型、廢水污染物化學(xué)需氧量和氨氮排放量。為保證研究的精確性，剔除了一些異常的企業(yè)，最終選擇排放化學(xué)需氧量的企業(yè)5 280個，排放氨氮的企業(yè)4 515個。云南省2017年16個州市化學(xué)需氧量和氨氮濃度數(shù)據(jù)來源于國家地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

1.2.1自然斷點法

自然斷點法[8]是根據(jù)數(shù)據(jù)中的自然轉(zhuǎn)折點和特征點把研究對象分為性質(zhì)相似的組，且在數(shù)值差異相對較大的位置設(shè)置其邊界，能使級與級之間的不同最大化。本文采用自然斷點法對水污染點源進(jìn)行分級，對工業(yè)水污染點源及其污染物排放量的空間分布特征進(jìn)行分析。

1.2.2標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分析

標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分析是由Lefever在1926年提出的一種既能顯示點數(shù)據(jù)集的方向又能顯示其他期望性質(zhì)的測量方法[9]，能精確地揭示數(shù)據(jù)在一個區(qū)域的集中趨勢及其中心附近的分散程度[10]。該方法主要是用橢圓的中心點、長軸、短軸、面積、偏轉(zhuǎn)角度來描述點數(shù)據(jù)集的空間分布特征[11]，其中，橢圓的中心點表示研究數(shù)據(jù)集的中心位置，長軸與短軸表示最大和最小擴(kuò)散方向，面積大小表示數(shù)據(jù)集的離散程度，偏轉(zhuǎn)角度表示標(biāo)準(zhǔn)方差橢圓長軸與垂直方向上順時針?biāo)傻慕嵌萚12]。本文運用ArcGIS 10.5的標(biāo)準(zhǔn)方差橢圓分析工具，標(biāo)準(zhǔn)差級別以ArcGIS默認(rèn)為主，生成的橢圓包括68%的工業(yè)點源，并以點源的化學(xué)需氧量、氨氮排放量為權(quán)重，從宏觀角度初步分析云南省工業(yè)水污染點源空間分布特征。

1.2.3核密度分析

核密度分析用于解析工業(yè)點源在其周圍領(lǐng)域中的密度，本文利用其從區(qū)縣角度來分析云南省工業(yè)水污染點源的空間分布特征。該方法以待估計企業(yè)點源為中心，然后進(jìn)行圓形區(qū)域搜索，即使用核函數(shù)對周圍的企業(yè)點進(jìn)行賦值，是一種利用密度函數(shù)估計樣本數(shù)據(jù)分布特征的非參數(shù)方法[13]。為使聚集特征可視化效果較為理想，更好地反映出工業(yè)點源的核密度分析結(jié)果，本研究經(jīng)過多次實驗，最終把搜索半徑設(shè)為30 km，并將輸出單元設(shè)定為3 km×3 km的網(wǎng)格。

2 結(jié)果與分析

2.1 工業(yè)水污染點源行業(yè)分布特征

云南省水污染企業(yè)數(shù)量居前10的行業(yè)如表1所列，行業(yè)大類以制造業(yè)為主，其次是電力、熱力、燃?xì)饧八a(chǎn)和供應(yīng)業(yè)。水污染企業(yè)數(shù)量最多的行業(yè)主要是酒、飲料和精制茶制造業(yè)(C-15)、農(nóng)副食品加工業(yè)(C-13)、食品制造業(yè)(C-14)、水的生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)(D-46)等，C-13、C-14、C-15也是化學(xué)需氧量三大排放行業(yè)，以73.3%企業(yè)量貢獻(xiàn)了全省62.3%的排放量；而氨氮排放前3的行業(yè)是C-13、C-14、化學(xué)原料和化學(xué)制品制造業(yè)(C-26)，C-15企業(yè)數(shù)量居首位但排放量僅占5.7%，可見行業(yè)企業(yè)數(shù)量與污染物排放量并不完全一致。由圖1可知，化學(xué)需氧量和氨氮排放企業(yè)空間分布差異較小，主要位于滇中、滇東北、滇西南的德宏州和西雙版納州，其中C-15主要分布在滇中地區(qū)、滇東北昭通市的北部以及滇西北大理州的東南部，C-13除滇西北較少外其余地區(qū)均有分布，C-14主要位于滇中的昆明市。

表1 云南省工業(yè)水污染點源數(shù)量前10行業(yè)Tab.1 Top ten industries of industrial water pollution point sources in Yunnan Province %

圖1 云南省工業(yè)水污染點源數(shù)量前3行業(yè)空間分布Fig.1 Spatial distribution of the top three industries with the most industrial water pollution point sources in Yunnan Province

2.2 工業(yè)水污染點源空間分布特征

2.2.1州市空間分布特征

以化學(xué)需氧量和氨氮作為水污染物的指標(biāo)，在ArcGIS中運用自然斷點法進(jìn)行分類，得到工業(yè)水污染點源及其污染物排放量的空間分布如圖2所示。點源主要集中在昆明市、曲靖市、大理州、楚雄州、玉溪市和昭通市，以上6個州市排放化學(xué)需氧量和氨氮的企業(yè)數(shù)量分別占云南省69.29%和70.37%，而迪慶州和怒江州的水污染企業(yè)數(shù)量較少，均在100家以下?；瘜W(xué)需氧量排放強(qiáng)度較大的主要是玉溪市、德宏州、麗江市、曲靖市，4個州市總排放量占全省90.77%；氨氮排放主要位于大理州、紅河州、玉溪市和楚雄州，以上州市總排放量占全省81.93%。其中，玉溪市以8.33%企業(yè)量貢獻(xiàn)了全省32.20%的化學(xué)需氧量排放量，氨氮企業(yè)量與排放量差異較小；大理州以10.63%企業(yè)量排放了全省56.55%的氨氮，化學(xué)需氧量排放較少；德宏州以2.90%企業(yè)量貢獻(xiàn)了29.95%的化學(xué)需氧量排放量，氨氮排放量在全省處于較低水平。另外，昆明市、曲靖市、西雙版納州、普洱市、大理州、紅河州是化學(xué)需氧量排放大戶較多的州市，而氨氮排放大戶則主要集中于昆明市、曲靖市、大理州、紅河州、保山市、普洱市、臨滄市。

圖2 云南省工業(yè)水污染點源及其污染負(fù)荷空間分布Fig.2 Spatial distribution of industrial water pollution point sources and their pollution loads in Yunnan Province

2.2.2六大水系空間分布特征

基于六大水系分布格局和流域總面積，計算出各水系水污染物排放強(qiáng)度如圖3所示。珠江水系化學(xué)需氧量和氨氮排放強(qiáng)度較高，原因是流域內(nèi)的曲靖市和玉溪市企業(yè)數(shù)量和水污染物排放量較大；怒江水系氨氮排放強(qiáng)度較高，化學(xué)需氧量排放強(qiáng)度較低，是由于保山市企業(yè)數(shù)量較少，排放化學(xué)需氧量較低，但氨氮排放大戶較多；長江水系化學(xué)需氧量和氨氮排放強(qiáng)度均屬于高水平，麗江市、楚雄州、昆明市、曲靖市和昭通市不僅企業(yè)數(shù)量多，且水污染物排放量也高；伊洛瓦底江水系化學(xué)需氧量排放強(qiáng)度高，但氨氮排放強(qiáng)度較低，由德宏州化學(xué)需氧量排放較多造成；瀾滄江水系和紅河水系化學(xué)需氧量和氨氮的排放強(qiáng)度均低，在于兩個流域面積較大，且滇南區(qū)域企業(yè)數(shù)量較少，水污染排放大戶也相對較少。

圖3 云南省六大水系水污染物排放強(qiáng)度空間分布Fig.3 Spatial distribution of water pollutant discharge intensity of six major water systems in Yunnan Province

為進(jìn)一步分析六大水系工業(yè)水污染點源行業(yè)特征，統(tǒng)計六大水系化學(xué)需氧量和氨氮排放量前3的行業(yè)如表2所列。前3行業(yè)對六大水系水污染總貢獻(xiàn)率均在50%以上，對化學(xué)需氧量貢獻(xiàn)率在59.95%～76.72% 之間，對氨氮貢獻(xiàn)率為77.32%～91.40%。六大水系水污染行業(yè)大類以制造業(yè)為主，其次是采礦業(yè)、電力、熱力、燃?xì)饧八a(chǎn)和供應(yīng)業(yè)。C-13、C-14、C-26、石油、煤炭及其他燃料加工業(yè)(C-25)、黑色金屬礦采選業(yè)(B-08)等行業(yè)排放的水污染物對水系的貢獻(xiàn)率更大。其中，C-13是六大水系中化學(xué)需氧量排放的第一大業(yè)，對每個水系貢獻(xiàn)率均在33%以上，珠江流域一半以上的化學(xué)需氧量主要是來源于此；C-14是化學(xué)需氧量排放的第二大行業(yè)。在氨氮排放量行業(yè)占比中，伊洛瓦底江流域和怒江流域排放占比最大的行業(yè)是C-13，紅河水系、瀾滄江水系、珠江水系是以C-25、B-08和C-26為主，長江流域C-14 的排放比重最大。

2.3 工業(yè)水污染點源負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分析

對化學(xué)需氧量和氨氮排放的全部行業(yè)、前3排放行業(yè)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分析，結(jié)果如表3和圖4所示?；瘜W(xué)需氧量排放全部行業(yè)的聚集中心位于滇中，橢圓面積、橢圓y軸方向軸長較大，說明分布范圍較大，但聚集程度較小，主要分布在滇中、滇西南、滇東北等地區(qū)，由橢圓x軸方向軸長和橢圓x軸的旋轉(zhuǎn)角度可知其沿東北-西南方向分布。其次，C-14分布較聚集但范圍較小，大部分位于滇中地區(qū)，沿西北-東南走向分布。C-13和C-15大致沿東西方向分布，C-13分布范圍比C-15大，C-13位于滇中、滇西南的普洱市及臨滄市部分地區(qū)、大理州東部等地區(qū)，而C-15主要分布在滇中、滇東大部分州市。從氨氮排放的全部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)橢圓看，分布聚集中心相對于化學(xué)需氧量排放行業(yè)往南移，但分布聚集中心仍是位于滇中地區(qū)，分布在滇中地區(qū)和滇西的麗江市、大理州、臨滄市、普洱市部分的地區(qū)。除C-26是沿東北-西南方向分布外，其余2個行業(yè)大致是沿東西走向分布，C-26、C-14、C-13分布范圍依次增大，聚集程度最大的是C-14，最小的是C-26。C-14分布范圍為細(xì)長型，分布中軸線大體上從東向西依次跨越了曲靖市、玉溪市、昆明市、楚雄州、普洱市、臨滄市、保山市、德宏州8個州市。C-26分布范圍較小，主要位于昆明市、玉溪市、曲靖市、紅河州交界處。

圖4 云南省工業(yè)水污染點源負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分析Fig.4 Ellipse analysis on standard deviation of industrial water pollution point source load in Yunnan Province

表3 云南省工業(yè)水污染點源負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分析結(jié)果Tab.3 Ellipse analysis on standard deviation of industrial water pollution point source load in Yunnan Province

2.4 工業(yè)水污染點源負(fù)荷核密度分析

化學(xué)需氧量和氨氮排放的全部行業(yè)、前3排放行業(yè)的工業(yè)負(fù)荷密度分布如圖5所示。從排放化學(xué)需氧量的全部行業(yè)來看，污染密度較大的區(qū)域主要位于昆明市的官渡區(qū)、呈貢區(qū)、盤龍區(qū)、五華區(qū)、西山區(qū)、安寧市、晉寧縣、宜良縣、石林彝族自治縣，西雙版納州的勐?？h、景洪市，紅河州的石屏縣，大理州的彌渡縣、祥云縣、大理市、賓川縣，曲靖市的富源縣、陸良縣、宣威市，保山市的隆陽區(qū)，玉溪市的江川縣、通?？h、紅塔區(qū)等地區(qū)。其中，C-13主要分布于紅河州的石屏縣、蒙自市、個舊市，昆明市的官渡區(qū)、盤龍區(qū)、五華區(qū)、西山區(qū)，大理州的彌渡縣、永平縣；C-14主要集中在昆明市的石林彝族自治縣、宜良縣、呈貢區(qū)、官渡區(qū)、盤龍區(qū)、五華區(qū)、西山區(qū)，大理州的祥云縣、大理市、彌渡縣，麗江市的古城區(qū)、玉龍納西族自治縣，玉溪市的江川縣、紅塔區(qū)、通海縣；C-15排放聚集在昆明市的晉寧縣、安寧市，曲靖市的富源縣、麒麟?yún)^(qū)、沾益縣、師宗縣，玉溪市的紅塔區(qū)、江川縣、華寧縣，德宏州的瑞麗市，楚雄州的雙柏縣、姚安縣。從排放氨氮的全部行業(yè)來看，污染密度較高的主要位于紅河州的開遠(yuǎn)市，臨滄市的臨翔區(qū)，昆明市的晉寧縣、富民縣，曲靖市的沾益縣，大理州的大理市，保山市的隆陽區(qū)。其中，C-13主要集中在昆明市的官渡區(qū)、呈貢區(qū)、盤龍區(qū)、五華區(qū)、西山區(qū)，紅河州的石屏縣、開遠(yuǎn)市，大理州的彌渡縣、鶴慶縣，昭通市的巧家縣，曲靖市的麒麟?yún)^(qū)，保山市的隆陽區(qū)；C-14和C-26排放聚集范圍較小，C-14主要集中在昆明市的晉寧縣、安寧市，保山市的隆陽區(qū)，C-26主要集中在曲靖市的沾益縣，昆明市的富民縣。

圖5 云南省工業(yè)水污染點源負(fù)荷核密度分析Fig.5 Nuclear density analysis on industrial water pollution point source load in Yunnan Province

總體而言，云南省工業(yè)水污染排放源聚集呈現(xiàn)空間差異，污染密度較大的主要集中在滇中地區(qū)，C-13呈現(xiàn)帶狀分布，C-14、C-15、C-26呈現(xiàn)點狀分布，大部分高污染密度區(qū)位于當(dāng)?shù)刂菔姓诘鼗蚺c其相鄰的縣區(qū)，主要是因為州市政府所在地一般經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)、人口密度高、城市化水平較高、工業(yè)企業(yè)數(shù)量較多，排放的污染物也相對較多，相鄰縣區(qū)受到中心城市的影響，在行業(yè)結(jié)構(gòu)上也呈現(xiàn)出一定的相似性[14]。

為驗證研究的可靠性，統(tǒng)計了2017年云南省16個州市河流化學(xué)需氧量和氨氮濃度的年均值，利用反距離插值得到圖6?；瘜W(xué)需氧量濃度較高的是楚雄州和昆明市，其次是玉溪市、曲靖市、紅河州、麗江市以及西雙版納州，其余較低；而氨氮濃度較高的是昆明市、楚雄州、曲靖市，其次是玉溪市、大理州、麗江市、普洱市，其余較低。對比發(fā)現(xiàn)，河流水質(zhì)濃度空間分布與工業(yè)點源化學(xué)需氧量和氨氮的排放量大部分一致，也存在和水系排放強(qiáng)度不一致的部分。工業(yè)水污染點源大部分位于壩子[15]內(nèi)，存在地形、地貌、海拔阻隔，流域內(nèi)的工業(yè)點源可能隨小河流排放到其他水系；其次是六大流域的面積不同，水環(huán)境容量不同，例如紅河流域化學(xué)需氧量排放量大，但是由于流域面積大，使得該水系的排放強(qiáng)度較低；最后河流水質(zhì)污染是各種污染源共同作用的結(jié)果，本文僅僅分析了工業(yè)點源，對于農(nóng)業(yè)面源和生活源等沒有涉及，然而農(nóng)業(yè)面源對水污染的貢獻(xiàn)較大[16]。

圖6 云南省化學(xué)需氧量和氨氮濃度空間分布Fig.6 Spatial distribution of chemical oxygen demand and ammonia nitrogen concentration in Yunnan Province

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié) 論

(1) 工業(yè)水污染點源數(shù)量最多的行業(yè)主要是C-15、C-13、C-14、D-46等，化學(xué)需氧量排放前3的行業(yè)是C-13、C-14、C-15，氨氮排放前3的行業(yè)是C-13、C-14、C-26。

(2) 化學(xué)需氧量排放主要位于玉溪市、德宏州、麗江市、曲靖市，總計占云南省總排放90.77%；氨氮排放集中于大理州、紅河州、玉溪市、楚雄州，占81.93%。珠江水系化學(xué)需氧量和氨氮排放強(qiáng)度較高；長江水系化學(xué)需氧量和氨氮排放強(qiáng)度屬于高水平；怒江水系氨氮排放強(qiáng)度較高，化學(xué)需氧量排放較低；而伊洛瓦底江水系化學(xué)需氧量排放強(qiáng)度高，氨氮排放強(qiáng)度較低；瀾滄江水系和紅河水系化學(xué)需氧量和氨氮的排放強(qiáng)度均低。

(3) 水污染點源主要的排放行業(yè)在空間分布上具有方向性并形成相對集中的趨勢，聚集中心均位于滇中，污染濃度較高的聚集區(qū)縣大部分位于州市政府所在地或其相鄰地區(qū)。工業(yè)污染源與河流污染物化學(xué)需氧量和氨氮濃度值在空間分布上總體保持一致，少數(shù)區(qū)域不同。

3.2 建 議

(1) 建立水系、州市、縣域3級分區(qū)管理體系，加強(qiáng)對重點區(qū)域和行業(yè)的分區(qū)、分類治理，制定更嚴(yán)格的環(huán)境準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)和減排方案。在水系上，重點關(guān)注珠江水系在農(nóng)副食品加工業(yè)，酒、飲料和精制茶制造業(yè)，食品制造業(yè)，化學(xué)原料和化學(xué)制品制造業(yè)等行業(yè)中氨氮和化學(xué)需氧量的排放；怒江水系重點行業(yè)是農(nóng)副食品加工業(yè)、化學(xué)原料和化學(xué)制品制造業(yè)、食品制造業(yè)的氨氮排放。加強(qiáng)對上述重點行業(yè)的監(jiān)督和管理，利用產(chǎn)業(yè)政策淘汰環(huán)境污染較重的落后小企業(yè)，改善大企業(yè)廢水處理能力，逐步減少水污染物的源頭排放。在州市上，化學(xué)需氧量排放重點區(qū)域是玉溪市、德宏州、麗江市、曲靖市，氨氮排放重點區(qū)域是大理州、紅河州、玉溪市、楚雄州。在縣域上，治理重點區(qū)域是當(dāng)?shù)刂菔姓诘鼗蚺c其相鄰的縣區(qū)。針對以上重點區(qū)域?qū)嵭兴廴疚锱欧趴偭靠刂?，并增加區(qū)域內(nèi)污水處理廠的建設(shè)，提高其處理效率和運行穩(wěn)定性。

(2) 根據(jù)云南省工業(yè)水污染點源負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分析結(jié)果，針對行業(yè)水污染排放聚集的重點區(qū)域應(yīng)該實行跨行政區(qū)聯(lián)防、聯(lián)控協(xié)同治理。注重行政區(qū)間的合作，完善跨行政區(qū)信息共享的渠道，協(xié)同作戰(zhàn)；進(jìn)一步加強(qiáng)聚集區(qū)不同行業(yè)水污染物的集中治理，制定分區(qū)域、分行業(yè)的環(huán)境準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)和減排方案，推進(jìn)化學(xué)需氧量和氨氮污染物源頭防控。