黄河流域水污染排放特征及污染集聚格局分析

白 璐， 孙园园,3， 赵学涛， 乔 琦， 李雪迎， 周潇云

1.中国环境科学研究院， 国家环境保护生态工业重点实验室， 北京 100012

2.生态环境部环境规划院， 北京 100012

3.同济大学环境科学与工程学院， 上海 200092

黄河流域是我国重要的农牧业生产基地、重要能源及基础工业基地，在我国经济社会发展和国土空间格局中具有战略性、全局性地位. 黄河流域生态保护和高质量发展已被列为重大国家战略. 当前，推进和实现黄河流域生态保护和高质量发展还存在一些制约因素. 一方面是经济空间与生态资源的不平衡，上游水资源充足、生态环境良好，人口少，经济社会发展水平相对落后；中游能源资源丰富，生态环境较脆弱，水土流失较为严重；下游土地肥沃，农业发达，社会经济发展水平较高，但发展受到水资源匮乏的限制较大[1-2]. 另一方面是一些资源环境瓶颈问题亟待解决，例如结构性布局性风险较高且局部污染突出[3]、部分支流水环境治理仍然较差、水资源开发利用不合理、工业污染尚未得到全部有效控制[4]等问题. 2019年9月，在黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上，习近平总书记提出“治理黄河，重在保护，要在治理”[5]. 已有研究[3,6]提出，黄河流域的治理体系应体现出分类分区、系统协同的原则和思路，特别是强调应注重空间治理的逻辑和路径选择.

污染源排放特征是实现污染源管理、开展环境数值模拟及减排措施效果评估等决策的重要基础[7-11]. 对各类污染源解析和排放特征的大量研究[12-16]表明，识别主要水污染物排放的结构特征和以流域为单元的空间分布特征，是推动污染减排和流域综合治理的有效手段[17-18]. 而污染集聚格局作为污染排放在地理空间上的表现形态，是理解不同地区(城市)社会经济发展、污染排放和地理空间之间关系的有效视角，是实现生态环境空间管控的重要依据. 通过开展污染排放特征分析，对其成因和影响因素进行辨识，特别是进一步明确污染物排放在地理空间上的分异，可为提出差异化的水质改善对策，明确优先或重点控制区域，提升流域空间治理水平等提供决策依据.

统筹黄河流域生态环境保护与高质量发展，应结合其资源禀赋和经济发展特征，在深入分析当前污染排放特征及其空间格局基础上，提出适应性对策. 该研究从体现黄河流域空间差异化的角度出发，结合第二次全国污染源普查结果，通过构建流域污染排放特征评价指标体系，从宏观层面(上中下游)对流域整体污染排放现状进行评估与分析，利用聚类分析和空间特征分析模型等方法从中观层面(60个市州)对各地区污染排放现状进行横向比较，判别黄河流域水污染排放集聚程度和冷热点地区，辨识其地区差异与空间分布特点，探寻流域治理，特别是空间治理存在的问题，进而为全面推进黄河流域生态环境保护和高质量发展提供依据.

1 研究方法与数据来源

1.1 研究区域概况

黄河流经我国9个省份，涉及山西省、内蒙古自治区、山东省、河南省、四川省、陕西省、甘肃省、青海省、宁夏回族自治区等9个省(自治区)60个市州的362个区县[19](该研究在统计时以市州为单位，未划分到区县)，全长 5 464 km，流域面积79.5×104km2，占全国总面积的8%.

黄河流域自西向东地势逐渐降低，横跨青藏高原、内蒙古高原、黄土高原和淮海平原4个地貌单元[20]. 依据水利部黄河水利委员会的划分方案，黄河流域分为上、中、下游，上游为从源头至内蒙古自治区的河口镇，中游为河口镇至河南郑州桃花峪，下游为桃花峪到渤海[21].

1.2 研究方法

1.2.1黄河流域水污染排放特征聚类分析

1.2.1.1指标选取

污染物排放特征一般包括污染物排放结构(或排放来源)、排放强度等信息[22-23]. 物质流动的代谢规律表明，污染物的产生受污染源的活动水平(简称“活动水平”)影响，污染物的排放又受产生和去除过程的影响. 一个地区的水污染物排放量一般与当地的产业结构、企业数量、人口数量、农业播种面积、畜禽养殖量以及污染物的收集和治理能力等因素有关. 为了更全面地表达黄河流域不同区域污染排放特征及其潜在影响或制约因素，研究从活动水平、污染物产生、污染物去除和污染物排放4个方面选取了28个指标，建立了黄河流域水污染物排放特征评价指标体系，据此开展不同市州的排放特征聚类分析.

评价指标的选取综合考虑总量、结构、效率和强度指标进行表征. 活动水平和污染物排放主要选取总量或结构指标以反映区域整体排放现状. 污染物产生和污染物去除主要选取强度和效率指标以反映区域特征及差异. 主要水污染物选取化学需氧量、氨氮、总氮和总磷.

1.2.1.2部分指标值的处理

为简化指标体系，主要水污染物产生强度、去除率和排放强度采用化学需氧量、氨氮、总氮和总磷排放强度或去除率的加权平均值. 化学需氧量、氨氮、总氮和总磷污染物的权重采用2017年黄河流域监测断面(国控)的超标率占比，即：

(1)

式中，a为某项污染物，Wa为该污染物的权重，S为2017年黄河流域监测断面(国控)总数，m为污染物指标总数，Ne为监测断面(国控)总数中该项污染物不达标的断面数. 其中，依据《地表水环境质量评价办法(试行)》，总氮仅作为参考指标单独评价，总氮的权重按与氨氮权重相同进行处理.

1.2.1.3聚类分析方法

聚类分析是在数据集中寻找相似元素集合的无监督学习过程[24]，在识别数据的内在结构方面具有极其重要的作用[25]，一般用于对不同个体进行聚类判别后进一步研究各个群体之间的差异. 研究采用SPSS 24.0软件中的系统聚类方法(选取欧式距离作为相似性度量方法)对黄河流域60个市州(样本)进行聚类.

1.2.2空间分布特征分析模型

1.2.2.1污染集聚度分析

借鉴相关研究[26-27]中对工业污染集聚格局的测度方法，将工业活动扩展至所有人为活动，即从水污染物的产生来源方面包括工业源、农业源、生活源和集中式污染治理设施等. 定义污染集聚度为单位面积承载的上述人为源污染排放总量之和，采用污染分布的地理集中度指数表征各市州污染集聚格局，计算公式：

(2)

式中：xq为第q个市州化学需氧量、氨氮、总氮、总磷的总排放量，t；TERq为第q个市州行政区面积，km2；n为区域(市州)数量，个.

1.2.2.2全局空间自相关分析

污染排放强度在全局空间上的相关程度可用Global Moran′s I测度[28-32]，其含义是空间上相邻区域的排放强度在整体区域内空间相关的总体趋势[33-34]. 在给定显著性水平下，若Global Moran′s I值为负，则污染排放强度呈显著的空间离散趋势；若Global Moran′s I值为正，则污染排放强度呈显著的空间集聚趋势[35]. Global Moran′s I的计算公式：

(3)

1.2.2.3局部空间自相关分析

局部自相关特征用热点分析的Gi*指数进行测算，用于识别区域内的冷点区和热点区. 若Gi*指数显著为正，则i区域周围污染排放强度相对较高，属于热点区；若Gi*指数显著为负，则i区域周围污染排放强度相对较低，属于冷点区；若Gi*指数不显著，则i区域不是热(冷)点区. 该研究采用ArcGIS 10.6软件计算实现，计算公式：

(4)

式中，S为观测值的标准差.

1.3 数据来源

该研究面向黄河流域9个省(自治区)60个市州，其中污染物排放数据(水污染物入环境量等)和部分活动水平(如畜禽养殖量、工业新鲜水耗等)来自第二次全国污染源普查结果(2017年)，各市州人口、国土面积、GDP、水资源量等数据分别来自2017年中国统计年鉴、2017年中国城市统计年鉴、2017年各省份和地级市统计年鉴、《黄河水资源公报(2017)》等.

2 结果与讨论

黄河流域上中下游的水污染排放特征评价结果如表1所示. 其中，依据2017年黄河流域主要水质断面监测数据结果，化学需氧量、氨氮、总氮、总磷的指标值权重分别为0.30、0.25、0.25和0.20.

表1 黄河流域水污染排放特征评价结果

2.1 黄河流域上中下游排放特征分析

从活动水平来看，黄河流域工业发展相对活跃,第二产业增加值占GDP比重明显高于全国平均水平(2017年全国第二产业增加值占GDP比重为40.71%).流域产业经济、社会生活等活动重心均在中下游，上游农牧业比重大，中下游工业比重高，上中下游产业发展呈现层次性差异[36]. 工业源水污染物排放与工业取水量新鲜水耗占比一致，以中下游地区为主. 中下游地区的工业取水量占黄河流域工业取水量的72.96%，工业源排放化学需氧量、氨氮、总氮、总磷约占黄河流域工业源水污染排放的60%～70%. 农业源水污染物排放主要来自中游，中游水污染物排放量和畜禽养殖量均占黄河流域总量的40%左右. 上中下游的常住人口比例分别为24.21%、45.11%、30.68%，相应的，生活源水污染排放主要来自流域中下游省份，河南省、陕西省、山西省、山东省占整个流域城镇生活污水排放的74.86%.

从各类源污染物的产生强度来看，单位工业产值水污染物产生强度、单位农业产值水污染物产生强度和人均水污染物产生强度从上游到下游依次降低. 其中，上游地区单位工业产值水污染物产生强度、单位农业产值水污染物产生强度和人均水污染物产生强度分别为下游地区的1.82、4.63和3.35倍. 上中下游地区的工业源、农业源的主要水污染物平均去除率相近，上游地区农业源主要水污染物平均去除率相对中下游地区高3%左右，生活源则是中下游地区高于上游地区. 集中式污水处理设施的负荷率从上游到下游依次增加，上游下游相差11.78%.

从排放结构来看，化学需氧量、总磷入环境量主要来自农业源(占比分别为62.93%、73.48%)，氨氮入环境量主要来自生活源(占比为65.54%)，总氮入环境量的农业源和生活源贡献基本一致，均占47%左右；四项污染物排放结构中工业源占比为2%～7%，集中式占比在1%左右(见图1). 其中，农业源水污染排放主要来自畜禽养殖业，其化学需氧量、氨氮、总氮和总磷排放量占黄河流域农业源排放总量的比例为75%～99%. 由于流域内常住人口以城镇居民居多(城镇人口∶农村人口为58.07∶41.93)，生活源水污染排放以城镇生活污水为主，城镇生活污水排放占生活源污水总排放量的85.68%.

图1 黄河流域主要水污染物来源

总体来看，黄河流域水污染物排放与经济格局的空间分布一致，从上游、中游到下游地区呈现明显的阶梯型分布. 陕西省、山西省、河南省、山东省四省的工业废水量、化学需氧量、氨氮、总氮、总磷、石油类、挥发酚、氰化物、五日化学需氧量、动植物油排放量占全流域排放量的65%～90%.

水污染物排放量方面，相比2007年(第一次全国污染源普查结果)，全国主要水污染物排放总量均下降，但黄河流域下降幅度要小于其他流域，且单位地表水资源化学需氧量排放强度增加了10%[37]. 水质方面，尽管黄河流域水质已由2007年的中度污染转变为当前的轻度污染，但支流水质仍为中度污染.

2.2 沿黄各地区排放特征聚类分析

利用SPSS 24.0软件中系统聚类方法对60个市州(样本)进行聚类，结果如图2所示. 从活动水平、污染物产生、污染物去除和污染物排放4个方面来看，黄河流域不同地区水污染排放特征可划分为4个类别：高排放强度区、高排放绩效区、污染集聚区和低排放绩效区(见表2). 一般来说，绿色发展是以低消耗、低排放、高效率为特征的发展模式[38]，与之对应的是以高消耗、高排放、低效率为特征的“黑色发展”模式. 根据聚类结果可知，黄河流域仅高排放绩效区符合或接近“低消耗、低排放、高效率”的绿色发展的特征，其他三类地区均呈现不同程度的高消耗、高排放或低效率特征.

注： 1—阿坝藏族羌族自治州；2—阿拉善盟；3—安阳市；4—巴彦淖尔市；5—白银市；6—包头市；7—宝鸡市；8—滨州市；9—长治市；10—定西市；11—东营市；12—鄂尔多斯市；13—固原市；14—果洛藏族自治州；15—海北藏族自治州；16—海东市；17—海南藏族自治州；18—海西蒙古族藏族自治州；19—呼和浩特市；20—黄南藏族自治州；21—济南市；22—晋城市；23—晋中市；24—开封市；25—莱芜市；26—兰州市；27—临汾市；28—吕梁市；29—洛阳市；30—平凉市；31—庆阳市；32—三门峡市；33—商洛市；34—石嘴山市；35—泰安市；36—太原市；37—天水市；38—铜川市；39—渭南市；40—乌海市；41—乌兰察布市；42—吴忠市；43—武威市；44—西安市；45—西宁市；46—咸阳市；47—新乡市；48—忻州市；49—延安市；50—银川市；51—榆林市；52—玉树藏族自治州；53—运城市；54—郑州市；55—中卫市；56—濮阳市；57—临夏回族自治州；58—甘南藏族自治州；59—焦作市；60—济源市.

表2 黄河流域各地区水污染排放特征聚类结果

高排放强度区以省会(首府)城市为主，其中西安市、郑州市是黄河流域仅有的两个国家中心城市，兰州市则为黄河流域上游区域大型城市. 长期以来沿黄地区各省会(首府)城市发挥了促进地区经济增长的统领作用，实现了经济高速增长[39]；但同时也因高强度的经济活动和人口密集导致了高强度的水污染排放. 位于流域下游地区的滨州虽不属于大型城市，但因其工业发达、畜禽养殖量大，人口较多，主要水污染物的排放强度均较高.

高排放绩效区有2个，分别为内蒙古自治区的包头市和鄂尔多斯市，城镇人口比例高，产业结构以第三产业为主，服务业比重大. 虽然工业污染物和人均水污染物的产生强度较大，但由于集中式污水治理设施处理能力较强，污染物去除率高，使得污染物整体排放强度低. 特别是单位GDP污染物排放量低，总体排放绩效水平较高.

污染集聚区以中下游的山西省、河南省沿黄城市为主，在空间上的污染集聚特征较为明显(见图2). 处于污染集聚区的城市第二产业比例普遍较高，畜禽养殖量大，整体水污染物排放强度较高.

低排放绩效区以上游地区城市为主. 第一产业比例高，农业结构以种植业或农牧业为主，畜禽养殖量较低，但单位农业产值污染物产生量大；城市化率较低，农村人口占比高，人均水污染产生量较大；水污染物治理能力弱，水资源利用效率较低(单位水资源量污染物排量大)，排放绩效较差(单位GDP污染物排放量高).

进一步分析各个地区的排放强度和绩效，结果如图3所示. 沿黄河流域60个市州中，中下游城市单位国土面积的化学需氧量、氨氮、总氮和总磷排放量高且分布密集，排放强度相对较大. 单位面积排放强度较高的地区以大城市或工业化城市为主，上游高排放强度地区集中在西宁市、临夏回族自治州、兰州市、平凉市和石嘴山市等地，中游集中在呼和浩特市、西安市、渭南市、太原市和运城市等地，下游集中在洛阳市、济源市、泰安市、济南市和滨州市等地〔见图3(a)〕. 单位GDP排放强度分布与单位面积排放强度相反，单位面积排放较低的地区普遍单位GDP排放强度高，上游的青海省、甘肃省和宁夏回族自治区多个城市(海东市、甘南藏族自治州、武威市、定西市、固原市)单位GDP排放强度高且分布密集，反映出黄河流域上游地区产业结构偏重，相对于中下游地区的经济发展模式仍显粗放，经济产出仍以巨大的资源能源投入为代价〔见图3(b)〕. 从单位水资源量的污染物排放强度来看，甘肃省兰州市至内蒙古自治区河口镇区间的水资源总量仅为全流域的5%，但该区域单位水资源量污染物排放强度在黄河流域最高且分布最密集，以工业化城市居多，例如兰州市、白银市、中卫市、固原市、吴忠市、银川市、石嘴山市、乌海市等地. 其中宁夏回族自治区各沿黄城市单位水资源量的污染物排放强度普遍较高；中游地区单位水资源排放强度分布较为均匀，其中咸阳市排放强度较高，下游山东段的泰安市、济南市、滨州市则普遍较高〔见图3(c)〕.

图3 黄河流域各地区主要水污染物排放强度和排放绩效

总体来看，黄河流域水污染物排放强度的空间分布具有明显的区域差异，呈现单位水资源污染物排放强度和单位GDP污染物排放强度西高东低，单位国土面积污染物排放强度西低东高的格局. 上游人群和生产生活活动分散，水资源利用效率低、水资源投入的非期望产出(水污染物排放量)大，在获取同等经济效益的情况下，污染物排放量远高于中下游地区.

2.3 空间污染集聚格局分析

黄河流域化学需氧量、氨氮、总氮、总磷的污染集聚度结果如图4所示. 空间自相关分析的Global Moran′s I指数结果如表3所示. 黄河流域主要水污染物排放强度的Global Moran′s I均在0.3以上(大于0)，Z得分均大于7.5，表明主要水污染物排放强度为正向空间自相关性，在区域上呈现显著的空间集聚态势，区域间相关性和依赖性较强. 结合图4对污染集聚度的量化结果可发现，黄河流域主要水污染物自西向东污染集聚程度逐渐加剧，中下游地区污染集聚的特征尤为明显，山西省、河南省的沿黄17市(临汾市、太原市、晋中市、吕梁市、忻州市、运城市、晋城市、长治市、郑州市、开封市、洛阳市、焦作市、济源市、新乡市、安阳市、濮阳市、三门峡市)呈现高度的污染集聚.

图4 黄河流域各地区主要水污染物地理集聚度结果

表3 黄河流域水污染排放空间自相关指数结果

对黄河流域主要水污染物排放的热点和冷点地区识别结果如图5和表4所示. 依据自然断点法将将Gi*值分为7类：排放强度冷点(99%置信)、排放强度冷点(95%置信)、排放强度冷点(90%置信)、排放强度热点(99%置信)、排放强度热点(95%置信)、排放强度热点(90%置信)和不显著. 结果显示，黄河流域水污染排放已呈现出较为明显的空间溢出效应，山西省、河南省和山东省沿黄城市在空间上表现为区域性连片污染集聚，集中分布在晋中城市群和中原城市群. 另一方面，对黄河流域水资源承载力评价的研究显示[40]，黄河中下游水质较差，水质承载力较弱，宁夏回族自治区、内蒙古自治区和山西省三省区部分地市水质承载力处于严重超载状态. 特别是2016—2019年汾河流域水质持续重度污染，其中山西省的热点地区(运城市、吕梁市、晋中市和临汾市)主要水污染物排放占汾河流域的80%，高强度的污染排放仍是流域水质改善的瓶颈因素.

图5 黄河流域主要水污染物排放热点分布

除山西省外，热点地区还包括河南省的焦作市、济源市、洛阳市、郑州市、开封市、新乡市、濮阳市、安阳市、三门峡市，以及山东省的泰安市、济南市、莱芜市(见表4). 冷点地区数量远少于热点地区，表明黄河流域水污染排放在空间上未呈现明显集聚分布的地区较少，仅中游的宁夏回族自治区、甘肃省等省份个别城市污染排放的空间集聚效应不明显. 其中氨氮排放无冷点地区，除中下游山西省、河南省、山东省等高度污染集聚区外，流域内其他区域的氨氮排放在空间上仍然整体呈现污染集聚态势.

表4 黄河流域水污染排放热点和冷点地区识别结果

3 结论与建议

3.1 结论

a) 黄河流域水污染排放特征区域差异显著，从上游、中游到下游地区呈现明显的阶梯型分布. 陕西省、山西省、河南省、山东省四省的水污染物排放量占全流域排放量的65%～90%. 水污染的来源以农业源和生活源为主，其中农业源水污染物排放主要来自畜禽养殖业，生活源水污染排放主要来自城镇生活污水. 受流域产业经济、社会生活等活动的影响，单位工业产值、农业产值和人均水污染物产生强度从上游到下游依次降低.

b) 黄河流域单位水资源污染物排放强度和单位GDP污染物排放强度西高东低，单位国土面积污染物排放强度西低东高. 上游人群和生产生活活动分散，水资源利用效率低、水资源投入的非期望产出(水污染物排放量)大，在获取同等经济效益的情况下，污染物排放量远高于中下游地区.

c) 根据聚类结果，黄河流域60个市州水污染特征可划分为4个类别：高排放强度区、高排放绩效区、污染集聚区和低排放绩效区. 其中，高排放强度区以省会(首府)城市为主，包括国家中心城市西安市和郑州市，以及黄河流域上游区域大型城市兰州市等，主要水污染物的排放强度均较高. 高排放绩效区为内蒙古自治区的包头市和鄂尔多斯市，该区域整体污染物的排放强度低，特别是单位GDP的污染物排放量低，总体排放绩效水平较高. 污染集聚区以中下游的山西省、河南省沿黄城市为主，在空间上的污染集聚特征较为明显，整体水污染物排放强度较高. 低排放绩效区以上游地区城市为主，该区域水污染物治理能力弱，水资源利用效率较低，排放绩效较差.

d) 当前黄河流域主要水污染物排放呈现明显的空间集聚效应. 流域中下游地区污染集聚的特征尤为明显，山西省、河南省和山东省沿黄城市在空间上表现为区域性连片污染集聚，集中分布在晋中城市群和中原城市群. 特别是热点排放地区的运城市、吕梁市、晋中市和临汾市主要水污染物排放占汾河流域的80%，高强度的污染排放仍是流域水质改善的瓶颈因素. 冷点地区数量远少于热点地区，表明黄河流域水污染排放在空间上未呈现明显集聚分布的地区较少，仅中游的宁夏回族自治区、甘肃省等省份个别城市污染排放的空间集聚效应不明显. 氨氮排放无冷点地区.

3.2 建议

a) 对不同城市水污染排放特征的聚类分析结果表明，黄河流域60个市州中仅2个城市属于高排放绩效区，符合或接近“低消耗、低排放、高效率”的绿色发展的特征，其他三类地区均存在不同程度的高消耗、高排放或低效率特征. 特别是上游地区高水资源投入、低GDP产出的现状，反映出其经济发展模式仍显粗放，在产业结构调整、水资源的利用和绿色发展方面仍需不断提升.

b) 对重点耗水地区，特别是甘肃省兰州市至内蒙古自治区河口镇区间水资源总量稀缺的兰州市、包头市、鄂尔多斯市、宁夏回族自治区沿黄城市及咸阳市、滨州市等地，应根据水资源总量适当控制发展规模，加大产业和用水结构调整，通过政策、制度等措施鼓励工业企业提升水资源综合利用效率和效益. 同时，应严格控制地下水过度开采活动，并对过度开采造成的生态环境损害进行修复.

c) 加强低排放绩效区的农业污染防治. 低排放绩效区(以上游地区为主)畜禽养殖总量较少，但其单位农业产值污染物产生和排放强度高，防治重点应以提升畜禽养殖废水和粪便的综合利用以及降低农药化肥施用强度等措施为主，降低农业源污染物进入环境的潜在概率.

d) 污染集聚格局的形成受产业集聚影响，人口密度、经济水平、技术水平、产业结构等影响. 黄河流域中下游城市群的污染集聚格式的形成，表明在水污染空间治理上，重视单一城市的污染控制对流域整体水质改善的影响有限，需要进一步发挥区域间协同，强化对流域中下游人口聚集区和城市群的污染协同控制与治理.