基于污染足迹的山西省水环境污染压力研究

车娅丽

（运城市水文水资源勘测站，山西 运城 044000）

随着中国社会生产力水平的不断提高，人们对美好生活的向往更加强烈，对更优美的生态环境的期盼也愈发迫切[1]，水环境问题也因此得到更广泛关注。山西省属于干旱缺水地区，人均水资源占有量仅为全国水平的1/7，随着经济的发展，水环境污染问题也比较突出，水质型缺水和资源型缺水并存。水环境的演变有一定的自然因素，但是区域内人类的高强度活动仍然是造成水污染的主要原因，针对人类活动对水环境产生的影响程度的定量核算就显得十分必要。

生态足迹指为一定人口生产所需要的资源并吸纳其产生的废弃物的地球上相应的生物生产性土地面积[2]，因其简单、直观、综合和量化的特性，在衡量不同区域及不同领域可持续发展的研究中应用十分广泛[3]。而污染足迹是一种基于污染物吸纳功能的生态足迹，指为吸纳一定人口排放的污染物所需要的具有污染物吸纳功能的土地面积[4]。应用污染足迹理论可以对污染物排放进行定量模拟和分析[5]，进而明确人类活动对水环境的生态占用情况。因此，文章构建了相应的污染足迹模型，用以对山西省水环境污染压力进行研究。

1 研究区概况

山西省坐落于黄河流域中部， 地处N 34°34′~40°44′和E 110°14′~114°33′之间，下辖11 个地级市和119 个县级行政区，总面积15.67 万km2。境内地势由东北到西南方向逐渐变低，高低起伏，河谷纵横，山地和丘陵占总面积的80.1%，河谷和平川占总面积的19.9%。山西省属于温带大陆性季风气候，四季分明，平均气温介于4.2~14.2℃之间，多年平均降水量为508.8 ㎜。境内水域覆盖面积为823.24 km2，主要河流水系有桑干河、滹沱河、汾河、漳河和沁河水系，多年平均地表水资源量为86.8 亿m³。2020 年末山西省常住人口3490.5 万人，人口密度223 人/ km2，地区总产值17651.9 亿元。

2 研究方法

2.1 污染足迹与污染承载力模型构建

人类在消费生态系统提供的资源时，必然会向其排放各种污染物，这些污染物则需要通过生态系统的纳污能力进行吸纳消解，那么根据生态足迹的基本理论，可以将人类对生态系统这种吸纳污染物服务的消费转化成能够提供此服务的土地面积，即污染足迹。最终可以通过污染足迹来衡量一定人口对生态系统吸纳污染物服务的利用水平，计算公式为：

式中：i为第i种污染物类型；j为第j类土地类型；PFi为第i种污染物的污染足迹；pfi为第i种污染物的人均污染足迹；N为研究区人口数；αij为均衡因子，数值上等于第j类土地类型吸纳第i种污染物的能力与世界所有土地类型吸纳第i种污染物的平均能力的比值；Qij为进入第j类土地类型的第i种污染物总量；AYij为研究区域第j类土地类型吸纳第i种污染物的平均能力。

与反映人类需求的污染足迹相应的是反映生态供给的污染承载力，它代表的是生态系统容纳污染物的能力。在数量上，污染承载力为在不破坏某一生态系统的生态平衡的前提下，当前研究区域能够吸纳人类排放的污染物的土地面积，计算公式为：

式中：PC为污染承载力；pc为人均污染承载力；pci为第i种污染物的污染承载力；γij为产量 因子，数值上等于研究区域第j类土地类型吸纳第i种污染物的平均能力与世界第j类土地类型吸纳第i种污染物的平均能力的比值；Aij为能够吸纳第i种污染物的第j类土地类型的面积。

2.2 水污染足迹与水污染承载力计算模型

文章以山西省水污染足迹为主要研究内容，仅涉及水域一种土地类型，不存在土地类型之间的转换，故均衡因子取1。研究中采用了可吸纳污染物的研究区实际水域面积，认为“实际公顷”[6]更能反映全省人类活动排放的污染物对水域空间的生态占用情况，因此不再进行土地单位的转换，即产量因子取1。那么简化后的水污染足迹和水污染承载力计算公式为：

式中：PFwi为研究区第i种污染物的水污染足迹，hm2；pfwi为研究区第i种污染物的人均水污染足迹，hm2/人；Qi为进入研究区水域的第i种污染物的总量，万t；AYi为研究区水域吸纳第i种污染物的平均能力，t/hm2；PCw、pcw为研究区水污染承载力，hm2；pcw为研究区人均水污染承载力，hm2/人；A为研究区实际水域面积，hm2。

2.3 水环境污染压力评价指标

2.3.1 水污染盈亏

水污染盈亏为水污染承载力与水污染足迹之差。差值为正时表示水污染盈余，表明研究区水污染在可承受范围内，当前水域可以满足人们排放污染物的需求；差值为负时表示水污染赤字，表明研究区水污染超出了可承受范围，供给和需求处于不可持续的状态，其计算公式为：

式中：Erdw为水污染盈亏，hm2；当Erdw＞0 时表示水污染盈余，当Erdw＜0 时表示水污染赤字。

2.3.2 万元GDP 水污染足迹

万元GDP 水污染足迹指每生产万元GDP 产生的水环境污染情况，等于研究区水污染足迹与其生产总值的商，可以从侧面反映研究区社会经济的发展对水环境的影响，值越大说明经济发展模式排放高、污染高，值越小说明经济发展模式绿色环保、可持续，其计算公式为：

式中：PFGDP为万元GDP 水污染足迹，hm2/万元；GDP 为地区生产总值，万元。

2.3.3 水污染压力指数

水污染压力指数指的是研究区单位水污染承载力所负担的水污染生态足迹，等于研究区水污染足迹与水污染承载力的商，可以有效衡量研究区的水污染压力强度。计算公式为：

式中：EPIw为水污染压力指数，当EPIw＜1 时，表示研究区没有水污染危机，水环境状态处于安全的范围；当EPIw＞1 时，表示研究区出现水污染危机，且危机随着指数的增大而增大；当EPIw＝1 时，表示研究区水环境处于平衡状态。

根据之前研究者们对水污染压力指数的研究和等级划分，同时结合山西省的实际情况，文章对水污染压力指数进行了等级划分，见表1。

表1 水污染压力指数等级划分表

3 数据来源及水域吸纳污染物的平均能力

3.1 数据来源

本研究所采用的数据来源于2011—2020 年的《山西省统计年鉴》、《山西省水资源公报》、《山西省环境质量公报》以及《山西省第一次全国地理国情普查公报》。

3.2 水域吸纳污染物的平均能力

我国《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）中依据地表水水域环境功能和保护目标，按照功能高低将地表水分为五类，根据划分标准，通常认为符合Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类水质标准的地表水水体的生态服务功能通常是可持续的。因此本研究以化学需氧量和氨氮的地表水Ⅲ类水质标准为限值，即化学需氧量≤20mg/L 和氨氮≤1.0mg/L，根据地表水资源的平均生产能力计算出水域吸纳化学需氧量和氨氮的平均能力[6]。考虑到水域对污染物的平均吸纳能力在时间序列上的动态变化性，文章在“实际公顷”的基础上逐年计算了研究时段内山西省水域对污染物的平均吸纳能力，从而提高本研究的严谨性和科学性。山西省2011-2020 年水域吸纳化学需氧量和氨氮的平均能力，如表2 所示。

表2 山西省2011—2020 年水域吸纳化学需氧量和氨氮的平均能力

4 结果与分析

4.1 山西省水污染足迹的时空分布

根据收集到的资料和公式（3）、（4），可以计算出山西省2011-2020 年的化学需氧量水污染足迹、氨氮水污染足迹和水污染承载力，如表3 所示。可以看出，化学需氧量和氨氮水污染足迹的大致比例是2 : 5，氨氮污染物的排放对山西省水域空间的生态占用更多，是威胁山西省水环境质量的主要贡献者。由于化学需氧量和氨氮在对水环境的影响上有明显重叠，所以选择二者之间的最大水污染足迹作为最终水污染足迹。从人均水污染足迹看，山西省2011-2020 年呈波动下降趋势，如图1 所示。由2011 年的0.17819 hm2/人下降至2020 年的0.011954 hm2/人，下降幅度为34.3%。其中2012 年、2014 年、2015 年和2019 年有所上升，这和当年的降雨偏少、水资源量减少致使水域吸纳污染物的能力降低有关。另外，由于近年来山西省常住人口的逐年下降，人均水污染承载力在2011-2020 年呈逐年上升趋势，上升幅度2.08%。

表3 山西省2011—2020 年水污染足迹及水污染承载力 hm2

4.2 山西省水环境污染压力

4.2.1 水污染赤字分析

文章通过对山西省水污染盈亏的核算，发现10 年期间山西省均存在较大的水污染赤字。山西省2011—2020 年人均水污染赤字见表4，可以看出10 年间水污染赤字有所波动，但总趋势是下降的，下降幅度为38.1%。其中，2011—2015 年之间赤字较高、波动较大， 2015 年0.019437 hm2/人的水污染赤字是10 年中的最大值；2015 年之后赤字降低且相对平稳， 2020 年水污染赤字达到最小，为0.009596 hm2/人，较2015 年降低50.6%。

表4 山西省2011—2020 年人均水污染赤字 hm2/人

4.2.2 万元GDP 水污染足迹分析

通过公式（6）可以逐年计算出2011—2020年山西省万元GDP 水污染足迹，其动态变化见图2。可以看出，山西省万元GDP 水污染足迹时空分布与人均水污染足迹基本一致，整体呈下降趋势，由2011 年的0.005649 hm2/万元下降至2020年的0.002364 hm2/万元，年均降幅6.47%，其中2015 年到2016 年下降速度最快，单年降幅高达45.1%。

图2 山西省2011—2020 年万元GDP 水污染足迹动态变化图

4.2.3 水污染压力指数分析

根据公式（7）和表1 可以得到2011-2020 年山西省水污染压力指数及相应的压力状态，见表5，结果均˃3，水环境一直处于重度污染压力之下，呈现严重不可持续的状态。其中2015 年压力达到最高峰，人类活动产生的入河污染物量直接达到水域对污染物吸纳能力的9.3 倍，但高污染压力状态从2016 年开始有所缓解，之后处于相对较低水平。

表5 山西省2011—2020 年水污染生态压力指数EPIW 及状态

5 结论与展望

经过对山西省污染足迹及相关指标的分析，2011-2020 年山西省水环境持续处于高污染压力状态，但总体上这种压力是在不断减少的，特别是2015 年之后污染压力明显有所释放。表明山西省近年来水环境状态在持续向好，在水污染治理和水环境建设中的投入产生了显著成效，2019 年立法颁布的《山西省水污染防治条例》和2019 年发布的《山西省污水综合排放标准》、《山西省农村生活污水处理设施污染物排放标准》等更严格的地方标准，更是表明了山西省改善水环境质量的决心。山西省在发展的过程中不断优化调整产业结构，持续重视水环境改善工作，高耗水、高污染行业逐年被淘汰，水资源利用效率逐渐增高，在探索经济与环境发展共赢的道路上稳步向前。

水生态系统是一个相对复杂多变的系统，研究中采用化学需氧量和氨氮2 种污染物进行了分析，在污染物种类方面分析不是很全面；采用二者最大值作为最终水污染足迹，缺少对两种污染物在水环境影响的重叠程度上的具体分析。未来随着研究的不断进展和资料的不断丰富，对区域污染足迹更加细致、切实和全面的分析会受到更多关注。