湟水流域水污染源排放清单及空间分析研究

殷炳超，赵琰鑫

（生态环境部环境规划院长江经济带生态环境联合研究中心，北京 100012）

2015 年，国务院发布的《水污染防治规划》（“水十条”）提出了流域精细化管理的要求[1]，流域精细化管理已成为我国水环境管理的主要方向[2−3]。开展流域内污染源解析工作，定量污染源、排放负荷[4]，建立流域水环境污染源排放清单，是实现精细化管理的基础，是研究水环境污染成因、控制污染源排放、解决水环境问题的重要依据[5]。污染源排放清单是对特定空间、时间范围内，各类污染源排放的污染物种类数量的综合估算[6]。大气污染排放清单始自美国环保署 (USEPA) 1980 年代初开展研究[7]，污染源分类、估算模型发展应用趋于完善[8−9]，而水环境污染物多分别计算点源、面源的污染负荷及其对水质的影响，而综合水环境点源、面源污染源排放清单研究相对薄弱[10−11]。湟水流域经济社会发展与水生态环境保护矛盾突出，青海省水源涵养功能定位的压力所在，青海省先后出台了《青海省重点流域水污染防治实施方案（2016—2020）》《湟水流域水环境综合治理规划（2016—2020）》等，系统推进水污染防治，张亚丽[12]、尤李俊等[13]和阚敏[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单研究则相对较少。本文构建了湟水流域水污染源排放清单，完善点源、面源精细化管控，联结源排放和水环境质量关系，对流域精细化管理具有基础性的作用，为排污管理提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

湟水干流全长374 km，年径流量约22 亿m3，是黄河在青海省内最大的支流，是青海的母亲河[16−17]。湟水总流域面积1.77 万km2，涵盖西宁市、海东市和海北州海晏县等12 个区县，集中了青海省近60%的人口、52%的耕地和70%以上的工矿企业，创造全省60%的生产总值，是青海省的经济、政治和交通中心。湟水的水环境安全状况对青海省的社会经济发展具有重要意义，但由于湟水流域水土资源开发强度较高，第一、二产业布局不合理、治理水平落后，近年来湟水流域水环境治理进入瓶颈期，主要污染源治理、水质改善边际效应递减趋势明显，水质改善向好的压力较大。2019 年，湟水流域总体为优，Ⅰ～Ⅲ类监测断面占总数的92.9%，较2016 年提高40.5 个百分点；Ⅳ类断面2 个，占7.1%，较2016 年降低11.9 个百分点；消除Ⅴ类及劣Ⅴ类断面，较2016 年减少28.6 个百分点。

1.2 数据来源

将湟水流域内工业企业、规模化畜禽养殖场和集中式污水处理设施的污染物排放计为点源污染源；其他为未收集入污水处理厂的城镇生活污水溢流、城镇面源、农村生活分散污水、种植业面源和农村畜禽养殖散养等污染物排放计为面源污染[15,18 −19]。结合《青海省第二次全国污染源普查公报》、青海省环境统计数据和天眼查APP 搜索工商登记信息位置，逐一校准点源具体地址和经纬度坐标，得到点源污染源；依据《青海统计年鉴》《西宁市统计年鉴》《海东市国民经济和社会发展统计公报》等，整理得到流域面源排放源统计数据，并拆分到具体区县，采用产排污系数法核算污染负荷量；对部分无法直接获取信息，采用现场调查（2016 年6～12 月间）进行补充。土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心的中国多时期土地利用土地覆被遥感监测数据集（CNLUCC）。

1.3 研究方法

流域污染物排放清单污染负荷排放量主要对点源、面源污染源的COD、氨氮和总磷等污染物进行核算，主要分为点面源污染物排放估算、空间化和特征分析等3 部分，见图1。

图1 流域水污染源排放清单分析方法流程

1.3.1 负荷排放量核算方法 各类点源污染源。对工业企业、规模化畜禽养殖场和集中式污水处理设施依据其具体地址和坐标确定排放源位置和影响的受纳水体。考虑到部分工业企业、规模化畜禽养殖场将废污水输送至集中式污水处理设施处理后外排，故点源污染排放统计减除处理负荷量等重复统计量。

城镇、农村生活废污水与农村生活面源。考虑现状湟水流域尚未完全收集污水，城镇生活废水溢流量定义为依据城镇人口及产排污系数核算城镇生活污水负荷产生量，扣除污水处理厂实际污水进水量后的废污水和负荷量；农村生活污水同样由核算得到的负荷量扣除污水收集量。具体计算公式根据《第一次全国污染源普查城镇生活源产排污系数手册》修改，见式（1）：

式中，WWUT为城镇或农村生活废污水负荷量，t/a；A为城镇或农村人口，万人；F为城镇或农村居民生活排污系数（或用水定额），g/人·天（或 L/人·天）；WWTP为生活污水处理设施废污水处理量，t/a。

种植业面源流失量估算。研究采用“标准农田法”估算种植业面源流失量。据实际情况进行修正源强系数[10]：土地坡度在25°以下与25°以上，流失系数分别为1.0～1.2 与1.2～1.5；湟水流域主要作物类型为小麦、油菜和马铃薯等，鉴于小麦产量占比超过50%[20]，研究均按照小麦进行计算；土壤成分分类为砂土、壤土和粘土，针对流域土壤类型，取0.9～1.0；化肥亩施用量在25 kg 以下、25～35 kg之间、35 kg 以上，修正系数分别取0.8～1.0、1.0～1.2 和1.2 ～1.5；流 域 年 降 水 量 在300 ～600 mm，依据流域年降水量和耕地分布，确定降水量修正因子0.6～1.5。

城市地表径流面源。研究采用“标准城市产排污系数法”估算城市径流面源流失量。考虑评估影响城市径流具体情况，进行系数修正：地形按平原、山区和丘陵城市，修正系数分别为1、3.8 和2.5；按照城镇非农业人口分100 万人以下、100 万～200 万、200 万～500 万和500 万以上，修正系数分别为0.3、1、2.3 和3.3；建成区面积分75 km2以下、75～150 km2、150～250 km2和250 km2以上，修正系数分别为0.5、1、1.6 和2.3；年降雨量分为400 mm以下、400～800 mm，修正系数分别为0.7 和1。

1.3.2 源清单空间特征分析方法 污染源分布空

间化。空间化并叠加点源、面源污染源，形成污染负荷网格。点污染源直接将其按照空间位置落到单元网格内（1 km2）；面源污染，将单位面积污染负荷落到对应区县的具体土地利用类型单元网格：城镇生活面源-城镇居民区；农村生活面源-农村居民点；畜禽养殖散养面源-林地、草地等；种植业面源-耕地；城市地表径流面源-城镇居民区。

1.3.3 热点区域分析方法 核密度分析计算湟水流域的污染排放的聚集状况，探索其排放热点区域。核密度分析(kernel density estimation, KDE)是一种非参数检验的表面密度计算方法，搜索估算其周围半径的种群聚集点密度[20−21]，建立距离衰减函数测量局部密度变化，实现探索热点区域和变化特征[22−23]，核密度估计的值越高代表分布密度越大。估计在某点x处的密度值，一般采用和估计函数为Silverman 描述的二次核函数[22,24]，见式（2）：

2 结果与分析

2.1 污染物排放结构

通过模型建立、参数确定后，研究估算得到湟水流域污染物排放负荷。2019 年，COD 排放负荷为7.22 万t/a，氨氮排放负荷为0.34 万t/a，总磷排放负荷0.07 万t/a，分别较2015 年减少43.9%、80.6%和68.2%。湟水流域不同污染源排放负荷差异较大，生活源、农业种植面源与畜禽养殖源已成为湟水流域污染物主要来源，工业源污染物排放占比较低。COD 排放以生活源与农业种植面源为主，占总排放量为79.1%，工业源排放仅占12.6%；氨氮主要来源于农业种植面源与生活源，其中农业种植面源占44.7%，城镇和农村生活源占50.4%；畜禽养殖源、农业种植面源、农村生活源及城镇生活源是总磷的主要来源，分别占33.9%、31.3%、19.2%和15.4%。与2015 年相比较，氨氮、总磷污染排放中，农业种植面源污染物排放占比呈上升趋势，畜禽养殖源和城镇生活源排放占比相对减少。

2015～2019 年，湟水流域各区县污染物排放占比变化不大。西宁市大通县、湟中县与海东市互助县污染物排放负荷较大，2019 年，COD 排放量分别占流域排放总量的18.6%、16.9%和15.2%，氨氮排放量分别占20.5%、16.7%和14.6%，总磷排放量分别占15.6%、20.3%和18.6%，其他区县污染物排放量相对较小。从各区县污染排放源来看，除西宁市城北区工业源排放COD 比重较大，城东区、城中区、城西区和城北区污染物主要排放源均为城镇生活源；西宁市大通县、湟中县、湟源县与海东市平安区、乐都区、互助县、民和县等污染物排放以农村生活源和农业种植面源为主；海北州海晏县养殖业是污染物为COD 和总磷的主要来源，均占近8 成，氨氮则主要由农业种植面源排放。

2.2 污染物排放空间分布

2019 年湟水流域各区（县）单位面积污染排放负荷较高值集中在西宁市城东区、城北区、大通县与海东市民和县、互助县等区县；空间上单位面积污染物排放负荷总体呈沿湟水支流自上游而下逐步增多分布，COD 排放较高（＞ 22.11 t/km2）区域主要分布在北川河、塘川河与民和县境内湟水支流中下游，氨氮排放较高（＞ 1.29 t/km2）区域主要位于北川河、塘川河等支流中下游，总磷排放较高（＞ 0.36 t/km2）区域主要分布于湟中县与民和县境内湟水支流中下游，见图2。

图2 2019 年湟水流域污染物排放空间分布

与2015 年相比较，2019 年各区县污染物排放强度均有不同程度的降低，见表1，整体而言，西宁市城北区、城东区和海东市民和县单位面积污染物排放量较高，西宁市海西区和海北州海晏县较低。

表1 2015 和2019 年湟水流域污染物排放强度统计

湟水流域污染源主要分布特征为沿河聚集排放。民和县、大通县、湟中县和互助县呈成片块状污染物排放分布，与大量农业种植源、农村生活源等面源密不可分；西宁市、海东市区沿湟水、湟水支流的点状高强度排放则为工业企业、污水处理厂等点源。食品加工制造、化学原料生产加工和矿产资源初加工为主的工业企业，用水依赖较强，为取水便利多沿河分布；城镇沿主要河流密集分布，农业生产也受水资源限制，耕地也大多分布于沿河区域。分析单位面积污染物排放分布，发现随河流距离增加单位面积污染物排放强度呈递减趋势，见图3。2019 年，距离河流1 km 内区域COD、氨氮和总磷排放负荷为4.17、0.22 和0.03 t/km2，距离＞ 5 km的范围内区域平均值为0.98、0.06 和0.01 t/km2。

图3 污染物排放强度与河流距离关系

2.3 污染物排放热点区域分析

通过核密度分析的方法对湟水流域2019 年污染物排放聚集、热点区域进行了分析。湟水流域主要水环境污染物排放核密度分析结果显示，主要水环境污染物排放聚集明显。COD 排放热点区域主要分布在西宁市北川河入湟水河口，塘川河互助县下游和海东市祁家川白沈沟入湟水河口附近区域；氨氮排放热点区域主要位于西宁市北川河与塘川河入湟水河口、海东市白沈沟入湟水河口附近区域；总磷排放热点区域相对分散，西宁市北川河和塘川河入湟水河口、马圈河入北川河口，海东市白沈沟入湟水河口、巴州沟入湟水河口附近区域，见图4。

图4 湟水流域污染物排放热点区域分析

3 结论与建议

3.1 主要结论

本研究通过点源、面源污染物估算、空间分析和热点区域分析等方法技术组合，构建了流域污染物清单及空间特征分析的方法，应用该方法分析了湟水流域水环境污染物排放情况及空间特征，得到以下结论。

（1）农业种植面源、生活源与畜禽养殖源已成为湟水流域污染物主要排放来源。COD 排放以农业种植面源、农村生活源与城镇生活源为主，氨氮也主要由农业种植面源、城镇生活源与农村生活源排放；畜禽养殖源源、农业种植面源是总磷的主要排放来源。

（2）污染物排放沿河“条带状”分布。产业分布、人口分布等因素影响下，湟水流域主要水环境污染物排放空间上呈沿河分布状态明显，主要集中在湟水干流、北川河上游、西纳川河、塘川河、白沈沟和祁家川等湟水干支流；聚集明显，热点区域多分布于市区县城上下游、支流入汇口附近。

（3）近年来的环境基础设施的建设、农村环境整治等水污染防治措施的实施，使得2019 年污染物排放量和污染负荷均明显低于2015 年，但污染物排放分布趋势仍无较明显变化。

3.2 对策建议

针对污染物来源及空间特征，湟水流域应当针对性地加强农业农村与污染排放集聚区水环境污染防治工作。逐步推进乡镇污水处理设施建设，提高河道沿岸乡镇污水处理率。结合农村环境综合整治，逐步推进农村污水收集处理，提高沿河污水处理率，积极探索推广分散式污水处理和生活垃圾处置技术，沿湟干流、支流1 km 范围内，加强乡镇村庄、旅游景区和“农家乐”等周边水环境综合治理工作。控制农业面源污染，推行以控制氮、磷流失为主的节肥增效技术，持续降低化学肥料施用量。加强畜禽养殖污染源强控制实现畜禽粪便收集后处理利用，鼓励培育养殖业和设施农业的循环发展模式，推进养殖废弃物生物质燃料的综合利用。针对湟水流域污染源排放的热点区域，全面开展点源、面源污染源管控，削减污染物排放。

当前流域排放清单研究往往面临监测数据来源单一、准确性不足，时空精度较低、针对性较差，缺乏整合校验及未知源的估计，排放路径不明确等一系列问题。为有效分析污染物空间排放、支撑流域水环境精细化管理，需进一步开展污染物入河量、水文水量及气候因素分析、非点源污染田间试验对比和机理模型等方面研究。