基于情景分析的西北内陆河流域分层次缓解水环境压力途径探析

丁言者，赵健，雷坤，富国* ，徐敏

1.中国环境科学研究院水环境研究所，国家环境保护河口与海岸带环境重点实验室，北京 100012

2.南京师范大学地理科学学院，江苏 南京 210023

西北内陆河流域是经济欠发达地区，生态环境脆弱、水资源缺乏。近些年来由于社会经济的迅速发展，城市人口的不断增长及城镇化率的提高，区域工业、生活污染物排放量进一步增加，水环境状况日趋严峻，经济社会快速发展需求与水资源和水环境制约矛盾愈发突出［1］。

西北内陆河流域由于上游修建山前水库、中游绿洲城市大量用水，致使内陆河中下游处于间歇断流状态，基本已无环境容量［2］;另一方面，即使有些河流仍有一定环境容量，但从危害环境最小化原则来看，污水排入地表水体仍有不尽人意之处。因此，在西北的内陆河区域，保护河流湖泊地表水环境的较好方式将是限制污水直接进入河流水体，但是完全“零排放”往往存在技术及经济因素的限制，此时污水不直接进入水环境的“零入河”方式将成为比较合理的选择。

笔者利用相关统计数据，通过情景分析法［3-4］分析预测了西北内陆河重点区域经济发展状况下的水环境压力演变趋势，初步提出了3 个不同层次的减压取向，旨在为内陆河流域因地制宜采取应对措施，实现可持续发展提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

西北三省(区)处于大陆腹地，幅员辽阔，总面积约284 万km2。山地、高原、盆地相间分布，地形地貌复杂多变，差异巨大。其间河流众多，大小河流800 余条，除出境河流伊犁河、额尔齐斯河和黄河外都是内陆河。区域内地广人稀人口空间分布不均衡，少数民族人口占比较高，2010年，三省(区)总人口为5 302 万人，占全国总人口的3.96%。近几年来，区域经济稳步上升，但人均收入与全国水平差距仍不断加大，2010年，西北三省(区)GDP 约为1.1万亿元，占全国GDP 总量的2.7%，人均GDP 仅为全国平均水平的70%。西北三省(区)水资源匮乏，水资源量占全国水资源总量不足7%，在空间分布上又极不均匀，是全国缺水最严重的地区，内陆河区尤以资源型缺水、生态型缺水为主［5］。

对甘肃、青海和新疆西北三省(区)内陆河流域的重点发展经济区(河西经济区、柴达木试验区、天山北坡经济区)进行研究，研究区地理位置如图1及表1 所示。河西经济区范围为嘉峪关市、酒泉市、金昌市、武威市、张掖市5 个城市;柴达木试验区范围为海西州的柴达木盆地部分;天山北坡经济区范围主要为乌鲁木齐市、哈密地区、伊犁哈萨克自治州、克拉玛依市、吐鲁番地区、昌吉州、塔城地区、石河子、五家渠。2010年，内陆河流域河西经济区、柴达木试验区、天山北坡经济区的总水资源量、GDP、总人口数在西北三省(区)的比重为1.8%、45.4%和22.3%。3 个内陆河经济区中，天山北坡经济区污、废水排放量最大，其中工业废水达1.8 亿t，占新疆全区工业废水排放量的78.95%，生活污水排放量2.35 亿t，占新疆全区生活污水排放量的61.04%;河西经济区工业废水排放量占甘肃省的47.39%，生活污水排放量占甘肃省的21.34%;柴达木试验区工业废水、生活污水排放量分别占青海省的39.74%和10.64%。

图1 研究区地理位置示意Fig.1 Location map of the study area

表1 评价区范围Table 1 Scope of the study area

1.2 数据来源

环境现状数据采用甘肃、青海、新疆三省(区)2010年污染源普查数据，环境趋势数据采用2001—2010年环境统计数据。所评价重点经济区的GDP、污染物排放量等数据为其覆盖地区对应类型的数据加和。

1.3 评价方法

1.3.1 现状评价

区域主要污染物排放水平以万元工业增加值污染物排放强度进行衡量，计算公式如下:

其中，Eq 为万元工业增加值污染物排放强度，kg/万元;Q 为某污染物的年排放量，kg;Iv为工业增加值，万元。

1.3.2 预测评价

1.3.2.1 污染物排放及其参数的设计

(1)人口规模预测

人口数量的预测运用趋势外推法，基准数据为各地市2010年常住人口。人数增长速度以近10年人口平均增长速度为基点，并结合各年度人均增长趋势进行适当调整。参照当前人口增长水平，以及我国人口增长的基本趋势，设定评价区域各地市人口增长预期速度，同时考虑经济快速增长城市人口机械迁移因素，适当提高重点城市的人口增长预期速度［4］。

(2)工业增加值预测

采用规划梳理的测算方法，根据国家关于西部大开发的战略目标、西北三省(区)“十二五”规划和远期战略目标，对评价区域地市(县)的经济结构调整方向和幅度进行预期，形成各地区2015年工业增加值预期情景［6］。

(3)工业源污染物预测

工业废水排放量预测公式:

其中，Wt为预测年工业废水排放量，t;W0为基准年工业废水排放量，t;t 为基准年至预测年的时间间隔，a;rw为工业废水排放量年增长率，根据2006—2010年工业废水排放量的年均变化率确定［7］。

污染物排放量采用排放强度法进行预测［8］:

工业污染物排放量=预测年万元工业增加值×污染物排放强度

(4)城镇生活源污染物预测

城镇生活污染负荷预测依据第一次全国污染源普查城镇生活源产排污系数手册中建立的城镇居民生活污水污染物量系数法。生活污水及污染物产生量的计算公式:

其中，G 为城镇生活源水污染物年产生量，kg/a;Nc为城镇常住人口，万人，依据前文所述的人口规模预测方法计算得到;F 为城镇生活源水污染物产生系数，g/(人·d)，数据根据第一次全国污染源普查城镇生活源产排污系数手册［9］确定。

1.3.2.2 情景设计

(1)工业源排污情景

万元工业增加值污染物排放量水平设计3 个情景:情景1，基本维持2010年基期的万元工业增加值污染物排污量状况;情景2，2006—2010年万元工业增加值污染物排放量水平按年递减率外延，对于递增的区域按照比现状降低10%处理;情景3，与全国2010年万元工业增加值排放量平均水平比较，远劣于全国水平的提高50%，接近全国水平的提高20%，优于全国水平的提高10%。

(2)城镇生活源排污情景

根据评价区2010年生活污水收集处理率及COD、氨氮去除率现状，依据《“十二五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划》、《甘肃省环境保护“十二五”规划》、《青海省环境保护“十二五”规划》、《新疆维吾尔自治区环境保护“十二五”规划》等相关规划，制定2015年的生活源削减情景。

情景1:COD、氨氮消减率达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》二级出水标准。

情景2:COD、氨氮消减率达到GB 18918—2002一级B 出水标准。

情景3:COD、氨氮消减率达到GB 18918—2002一级A 出水标准。

同时，设计情景的污水收集处理率根据各地区处理现状进行微调。

2 区域主要污染物排放强度水平分析

2.1 现状评估

2010年统计资料分析显示:甘肃万元工业增加值COD 排放量低于全国平均水平，青海、新疆两省(区)高出全国水平;西北三省(区)相比，甘肃万元工业增加值COD 排放量远低于新疆和青海，青海略低于新疆;西北三省(区)万元工业增加值氨氮排放量均高于全国平均水平，西北三省(区)间差距不大，效率水平由高到低依次为新疆、青海、甘肃。内陆河重点经济区中天山北坡经济区万元工业增加值污染物排放量控制水平较好，河西经济区污染物排放强度的控制有待进一步加强(表2)。

表2 2010年万元工业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/万元

2.2 趋势分析

“十一五”期间西北三省(区)万元工业增加值污染物排放量呈下降趋势，但仍有个别重点区和城市出现了增长。甘肃省内陆河重点区域河西经济区万元工业增加值COD 及氨氮排放量都呈下降趋势，且COD 排放量下降较为明显。个别城市如嘉峪关市的万元工业增加值COD 排放量基本持平，万元工业增加值氨氮排放量呈上升趋势，且增幅较大。青海省内陆河重点区域柴达木试验区万元工业增加值COD、氨氮排放量都有一定上升。天山北坡经济区万元工业增加值COD 和氨氮排放量均呈下降趋势，降幅较大。但个别城市污染物排放强度出现增长现象，吐鲁番地区的万元工业增加值COD 排放量及哈密地区的万元工业增加值氨氮排放量均呈现不同程度的增长(表3)。

表3 万元工业增加值污染物排放量变化趋势Table 3 Variation tendency of quantity of pollutant discharged for every 10 thousand Yuan worth of industrial value added

3 区域社会经济发展水环境压力分析

预测所用的经济、人口数据来自《西北(甘青新)重点区域和行业发展战略环境评价产业专题工作报告》［6］。

3.1 预测结果

根据1.3 节的预测方法，得到各地区2015年的工业源污染物排放强度水平和城镇生活源污染物发生量及削减情景。

(1)工业源

各情景下2015年工业源污染物排放强度如表4 所示，情景1 维持了2010年的污染物排放强度水平，情景2 与情景3 在各自的情景原则设定下，污染物排放强度均有所下降，且情景2 下的排污强度略低于情景3。

表4 2015年万元工业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/万元

(2)城镇生活源

表5 为根据《第一次全国污染源普查城镇生活源产排污系数手册》确定的各地区城镇生活污水产污系数。表6 为各情景方案下城镇生活污水处理率和主要污染物去除率，其中天山北坡经济区的乌鲁木齐市、克拉玛依市、石河子、五家渠因其基准年(2010年)的污水收集处理情况相对好于其他地区，故在情景设定时将污水处理率一项相应提高。

3.2 污染负荷排放环境压力评估

根据情景设计方案预测得出2015年主要污染负荷，组合出西北内陆河流域考虑重点产业以及生活源负荷的COD、氨氮组合方案各9 个。表7 为COD 组合方案，表8 为氨氮组合方案。区域9 个方案的总负荷与2010年污染源普查的排放数据比对得到总负荷增长率。增长率可直接理解为对水环境的压力变化。

从表7 和表8 可以看出:河西经济区可通过加强产业自身的清洁生产工作提高资源环境效率来寻求发展空间，或是通过消减生活源来支撑当地工业发展。但个别地区如柴达木试验区，COD 各组合方案的增长率均在10%以上，最高达到了121%，表明常规的污染控制与资源效率提高手段已不足以减轻环境压力。该地区虽然生活源有一定减排空间，但经济发展过快，工业污染负荷增长迅速，生活源的消减无法给工业源的快速增长提供足够空间，此时应采取“零排放”措施控制排污总量，或是因地制宜的选取最终纳污地，寻求“零入河”的方式来减小水环境压力。

4 缓解水环境压力对策取向

随着西部大开发的深入推进，西北地区经济迎来新一轮的高速发展，重点区域工业废水及污染物产生(排放)量将维持在较高水平，为支撑重点区域经济发展，缓解水环境压力，实现“十二五”减排目标，西北各地可根据自身区域工业发展特点及现有区域减排潜力，参考以下3 种不同层次的减压取向:

表5 城镇生活污水污染物产污系数Table 5 Pollutants producing coefficient of domestic wastewater

表6 城镇生活污水处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 组合方案Table 7 Combination plan of COD

(1)行业内部加强结构及工程减排，力求实现增产不增污(或减污)

如河西经济区这类工业源污染物排放量大，且明显高于生活源的地区，减压方法可倾向于加强区域产业发展导向，合理调整工业布局、产业结构和用水结构，严格限制新上高耗水、高污染项目，同时鼓励发展用水效率高的产业，加快高科技、低污染、低耗能的项目引资落户，改进生产工艺和加强废水处理，加强城市和工业园区再生水利用工程建设，提高工业部门水的重复利用率。

工业废水按性质力争实现分质处理和排放。常规废水如食品加工类废水(不含重金属、有毒有机等有害物质)以及工业企业的生活污水可进城镇污水处理厂处理，处理后的达标尾水作为农灌及生态用水。有毒有害废水如石油化工等含有重金属、有毒有机物等危害较大的工业废水需进行深度处理，有条件的企业可充分利用当地太阳能和土地资源，采用蒸发-冷凝-回收低盐水-工业再生利用的污水资源化利用链，或防渗蒸发池-固废处理场-危废处置厂的完整处理处置链［10-12］，努力实现工业废水“零排放”。

表8 氨氮组合方案Table 8 Combination plan of ammonia nitrogen

(2)在工业废水处理效率提高不足以缓解水环境压力的情况下，可从区域减排体系出发，通过生活点源的减排为工业发展寻求空间，实现区域经济增长不增污(或减污)

像天山北坡经济区这类以生活源排污为主，且排放量较大的地区，可倾向于加快城镇生活污水处理厂和管网配套工程等污水处理设施的建设，提高污水厂稳定运行水平，强化脱氨及脱氮工艺等生活源污染物的消减工作。通过加强再生水利用工程建设，提高水的重复利用率。尽可能多地深度处理并回用城镇污水处理厂的达标排水，可将其作为工业低质供水或用于园林绿化。从区域减排体系出发，通过强化生活点源的减排工作，为区域工业发展寻求空间。

(3)在经济技术可行条件下生活源减排与工业废水处理效率提高都不足以缓解水环境压力的情况下，可考虑因地制宜地采取“零入河”管理方式解决污水出路问题，实现区域经济增长水质改善(或不恶化)。

柴达木试验区在各情景方案下的水环境压力变化率几乎都为正值，可见该类地区仅通过常规的污染物减排、控制手段已不足以缓解经济快速增长带来的环境压力，在经济技术条件有限，无法实现“零排放”时，可以考虑因地制宜地采取“零入河”的管理方式。目前，世界范围对于内陆河流域，生活污水及食品类工业废水“零入河”方式是:处理后的市政污水+荒漠土地=绿洲(森林)［13-14］。借鉴国外的管理方式，基于我国西北内陆河流域大面积荒漠、地表蒸发强烈、地广人稀的特点，考虑将达标工业废水排放至沙漠深处的低洼地［15-16］。目前西北内陆河流域已有荒漠排放处置工业废水的实践，积累了一定的经验教训，如新疆乌鲁木齐石化、独山子石化等大型污水库已运行十余年［17-18］。还有较多的工业企业修建几十公里的排污管道，将处理后的工业废水排至荒漠洼地，这也是工业废水“零入河”的一种初期形式，仍有很多方面有待加强完善。

“零入河”的管理方式因易受到各种复杂因素影响而存在诸如地下水和土壤累积性环境风险的问题［19-20］，因此今后应根据内陆河区一般存在荒漠无径流区面积大的特点，合理选择、科学使用、规范管理对环境无影响的最终纳污地，实现工业持久性有毒污染物的“零入河”，保障内陆河流域的可持续发展。

建议最终纳污地选择应尽量符合以下原则:

1)累积影响范围极小原则。处于不受洪水影响、地下水位梯度接近零的荒漠无径流区。将地表水体及地下水体运动导致的污染物质的水平方向的输运控制在尽可能小的范围内，使累积污染范围最小化。

2)保护人体健康原则。远离人类居住区。避免污染地下饮用水源，或作为农业灌溉水源。

3)地表生物影响最小原则。远离鸟类迁徙通道、动物夏眠和冬眠区，以及其他敏感的生物环境保护目标。尽量控制水面，避免对鸟类等动物的吸引。

4)集中控制原则。最终纳污地数量不易过多，以便于未来在科技进步到一定水平后，对有价值的污染物质进行低成本回收利用。

最终纳污地接纳污水使用和管理上要注意:

1)管道输送污水。最终纳污地接纳的一定是经深度处理达标后的工业废水及部分其他污水。输送管道必须做到防漏，实现定期检查。

2)尽量减少污水输送量。在条件允许的情况下，利用太阳能等蒸发冷凝等固化手段，最大可能地回收淡水，降低水资源消耗量，减少污水输送量。

［1］李晓玲.论西北地区水资源的特点与开源节流［J］.陕西师范大学学报，1996，24(2):103-105.

［2］耿雷华，黄永基，郦建强，等.西北内陆河流域水资源特点初析［J］.水科学进展，2002，13(4):496-501.

［3］CHERMACK T J. Studying scenario planning:theory，research suggestions，and hypotheses［J］. Technological Forecasting and Social Change，2005，72(1):59-73.

［4］DUINKER P N，GREIG L A.Scenario analysis in environmental impact assessment:improving explorations of the future［J］.Environmental Impact Assessment Review，2007，27 (3):206-219.

［5］中国环境科学研究院. 西北(甘青新)重点区域和行业发展战略环境评价报告［R］.北京:中国环境科学研究院，2013.

［6］中国科学院地理科学与资源研究所. 西北(甘青新)重点区域和行业发展战略环境评价产业专题工作报告［R］. 北京:中国科学院地理科学与资源研究所，2012.

［7］中国环境科学研究院. 西北(甘青新)重点区域和行业发展战略环境评价水环境专题报告书［R］. 北京:中国环境科学研究院，2012.

［8］刘洪波.情景分析法在工业园区水环境影响预测评价中的应用［J］.中国科技信息，2006(24):23-24.

［9］国务院第一次全国污染源普查领导小组办公室.第一次全国污染源普查城镇生活源产排污系数手册［M］. 北京:中国环境科学出版社，2008:2-5.

［10］刘淑娥，吴秀明，苏爱东，等.加强蒸发回收盐水的管理［J］.中国氯碱，2003，6(6):5.

［11］何江涛，钟佐燊，汤鸣皋，等. 污水土地处理技术与污水资源化［J］.地学前缘，2001，8(1):155-162.

［12］王季震，乔鹏帅，鲁智礼.污水土地处理技术中几种处理工艺的分析［J］.北京工商大学学报，2006，24(2):13-16.

［13］ASANO T. Water from(waste)water- the dependable water resource［J］.Water Science ＆ Technology，2002，45(8):24.

［14］BRECKLE S W，VESTE M，WUCHERER W. Sustainable land use in deserts［M］.Heidelberg:Springer，2001.

［15］孙丽，吕媛媛.污水排放沙漠的可行性及对地下水环境的影响［J］.山西建筑，2009，35(1):212-213.

［16］张平.以色列引蓄污水灌溉沙漠［J］.水利天地，2001(10):8.

［17］范永勤，焦凤辉.污水库自净与运行情况调查及分析［J］. 干旱环境监测，2001，15(2):90-92.

［18］杨跃辉.新疆石化企业废水贮用现状及存在的问题［J］.干旱环境监测，2009，23(1):25-30.

［19］陈亚萍，康永祥，韩东锋，等.西北地区废水资源化探讨［J］.水资源与水工程学报，2004，15(2):66-68.

［20］MOHAMMAD RUSAN M J，HINNAWI S，ROUSAN L.Long term effect of wastewater irrigation of forage crops on soil and plant quality parameters［J］.Desalination，2007，215(1):143-152. ▷