基于情景分析的西北內陸河流域分層次緩解水環境壓力途徑探析

丁言者，趙健，雷坤，富國* ，徐敏

1.中國環境科學研究院水環境研究所，國家環境保護河口與海岸帶環境重點實驗室，北京 100012

2.南京師范大學地理科學學院，江蘇 南京 210023

西北內陸河流域是經濟欠發達地區，生態環境脆弱、水資源缺乏。近些年來由于社會經濟的迅速發展，城市人口的不斷增長及城鎮化率的提高，區域工業、生活污染物排放量進一步增加，水環境狀況日趨嚴峻，經濟社會快速發展需求與水資源和水環境制約矛盾愈發突出［1］。

西北內陸河流域由于上游修建山前水庫、中游綠洲城市大量用水，致使內陸河中下游處于間歇斷流狀態，基本已無環境容量［2］;另一方面，即使有些河流仍有一定環境容量，但從危害環境最小化原則來看，污水排入地表水體仍有不盡人意之處。因此，在西北的內陸河區域，保護河流湖泊地表水環境的較好方式將是限制污水直接進入河流水體，但是完全“零排放”往往存在技術及經濟因素的限制，此時污水不直接進入水環境的“零入河”方式將成為比較合理的選擇。

筆者利用相關統計數據，通過情景分析法［3-4］分析預測了西北內陸河重點區域經濟發展狀況下的水環境壓力演變趨勢，初步提出了3 個不同層次的減壓取向，旨在為內陸河流域因地制宜采取應對措施，實現可持續發展提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

西北三省(區)處于大陸腹地，幅員遼闊，總面積約284 萬km2。山地、高原、盆地相間分布，地形地貌復雜多變，差異巨大。其間河流眾多，大小河流800 余條，除出境河流伊犁河、額爾齊斯河和黃河外都是內陸河。區域內地廣人稀人口空間分布不均衡，少數民族人口占比較高，2010年，三省(區)總人口為5 302 萬人，占全國總人口的3.96%。近幾年來，區域經濟穩步上升，但人均收入與全國水平差距仍不斷加大，2010年，西北三省(區)GDP 約為1.1萬億元，占全國GDP 總量的2.7%，人均GDP 僅為全國平均水平的70%。西北三省(區)水資源匱乏，水資源量占全國水資源總量不足7%，在空間分布上又極不均勻，是全國缺水最嚴重的地區，內陸河區尤以資源型缺水、生態型缺水為主［5］。

對甘肅、青海和新疆西北三省(區)內陸河流域的重點發展經濟區(河西經濟區、柴達木試驗區、天山北坡經濟區)進行研究，研究區地理位置如圖1及表1 所示。河西經濟區范圍為嘉峪關市、酒泉市、金昌市、武威市、張掖市5 個城市;柴達木試驗區范圍為海西州的柴達木盆地部分;天山北坡經濟區范圍主要為烏魯木齊市、哈密地區、伊犁哈薩克自治州、克拉瑪依市、吐魯番地區、昌吉州、塔城地區、石河子、五家渠。2010年，內陸河流域河西經濟區、柴達木試驗區、天山北坡經濟區的總水資源量、GDP、總人口數在西北三省(區)的比重為1.8%、45.4%和22.3%。3 個內陸河經濟區中，天山北坡經濟區污、廢水排放量最大，其中工業廢水達1.8 億t，占新疆全區工業廢水排放量的78.95%，生活污水排放量2.35 億t，占新疆全區生活污水排放量的61.04%;河西經濟區工業廢水排放量占甘肅省的47.39%，生活污水排放量占甘肅省的21.34%;柴達木試驗區工業廢水、生活污水排放量分別占青海省的39.74%和10.64%。

圖1 研究區地理位置示意Fig.1 Location map of the study area

表1 評價區范圍Table 1 Scope of the study area

1.2 數據來源

環境現狀數據采用甘肅、青海、新疆三省(區)2010年污染源普查數據，環境趨勢數據采用2001—2010年環境統計數據。所評價重點經濟區的GDP、污染物排放量等數據為其覆蓋地區對應類型的數據加和。

1.3 評價方法

1.3.1 現狀評價

區域主要污染物排放水平以萬元工業增加值污染物排放強度進行衡量，計算公式如下:

其中，Eq 為萬元工業增加值污染物排放強度，kg/萬元;Q 為某污染物的年排放量，kg;Iv為工業增加值，萬元。

1.3.2 預測評價

1.3.2.1 污染物排放及其參數的設計

(1)人口規模預測

人口數量的預測運用趨勢外推法，基準數據為各地市2010年常住人口。人數增長速度以近10年人口平均增長速度為基點，并結合各年度人均增長趨勢進行適當調整。參照當前人口增長水平，以及我國人口增長的基本趨勢，設定評價區域各地市人口增長預期速度，同時考慮經濟快速增長城市人口機械遷移因素，適當提高重點城市的人口增長預期速度［4］。

(2)工業增加值預測

采用規劃梳理的測算方法，根據國家關于西部大開發的戰略目標、西北三省(區)“十二五”規劃和遠期戰略目標，對評價區域地市(縣)的經濟結構調整方向和幅度進行預期，形成各地區2015年工業增加值預期情景［6］。

(3)工業源污染物預測

工業廢水排放量預測公式:

其中，Wt為預測年工業廢水排放量，t;W0為基準年工業廢水排放量，t;t 為基準年至預測年的時間間隔，a;rw為工業廢水排放量年增長率，根據2006—2010年工業廢水排放量的年均變化率確定［7］。

污染物排放量采用排放強度法進行預測［8］:

工業污染物排放量=預測年萬元工業增加值×污染物排放強度

(4)城鎮生活源污染物預測

城鎮生活污染負荷預測依據第一次全國污染源普查城鎮生活源產排污系數手冊中建立的城鎮居民生活污水污染物量系數法。生活污水及污染物產生量的計算公式:

其中，G 為城鎮生活源水污染物年產生量，kg/a;Nc為城鎮常住人口，萬人，依據前文所述的人口規模預測方法計算得到;F 為城鎮生活源水污染物產生系數，g/(人·d)，數據根據第一次全國污染源普查城鎮生活源產排污系數手冊［9］確定。

1.3.2.2 情景設計

(1)工業源排污情景

萬元工業增加值污染物排放量水平設計3 個情景:情景1，基本維持2010年基期的萬元工業增加值污染物排污量狀況;情景2，2006—2010年萬元工業增加值污染物排放量水平按年遞減率外延，對于遞增的區域按照比現狀降低10%處理;情景3，與全國2010年萬元工業增加值排放量平均水平比較，遠劣于全國水平的提高50%，接近全國水平的提高20%，優于全國水平的提高10%。

(2)城鎮生活源排污情景

根據評價區2010年生活污水收集處理率及COD、氨氮去除率現狀，依據《“十二五”全國城鎮污水處理及再生利用設施建設規劃》、《甘肅省環境保護“十二五”規劃》、《青海省環境保護“十二五”規劃》、《新疆維吾爾自治區環境保護“十二五”規劃》等相關規劃，制定2015年的生活源削減情景。

情景1:COD、氨氮消減率達到GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》二級出水標準。

情景2:COD、氨氮消減率達到GB 18918—2002一級B 出水標準。

情景3:COD、氨氮消減率達到GB 18918—2002一級A 出水標準。

同時，設計情景的污水收集處理率根據各地區處理現狀進行微調。

2 區域主要污染物排放強度水平分析

2.1 現狀評估

2010年統計資料分析顯示:甘肅萬元工業增加值COD 排放量低于全國平均水平，青海、新疆兩省(區)高出全國水平;西北三省(區)相比，甘肅萬元工業增加值COD 排放量遠低于新疆和青海，青海略低于新疆;西北三省(區)萬元工業增加值氨氮排放量均高于全國平均水平，西北三省(區)間差距不大，效率水平由高到低依次為新疆、青海、甘肅。內陸河重點經濟區中天山北坡經濟區萬元工業增加值污染物排放量控制水平較好，河西經濟區污染物排放強度的控制有待進一步加強(表2)。

表2 2010年萬元工業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/萬元

2.2 趨勢分析

“十一五”期間西北三省(區)萬元工業增加值污染物排放量呈下降趨勢，但仍有個別重點區和城市出現了增長。甘肅省內陸河重點區域河西經濟區萬元工業增加值COD 及氨氮排放量都呈下降趨勢，且COD 排放量下降較為明顯。個別城市如嘉峪關市的萬元工業增加值COD 排放量基本持平，萬元工業增加值氨氮排放量呈上升趨勢，且增幅較大。青海省內陸河重點區域柴達木試驗區萬元工業增加值COD、氨氮排放量都有一定上升。天山北坡經濟區萬元工業增加值COD 和氨氮排放量均呈下降趨勢，降幅較大。但個別城市污染物排放強度出現增長現象，吐魯番地區的萬元工業增加值COD 排放量及哈密地區的萬元工業增加值氨氮排放量均呈現不同程度的增長(表3)。

表3 萬元工業增加值污染物排放量變化趨勢Table 3 Variation tendency of quantity of pollutant discharged for every 10 thousand Yuan worth of industrial value added

3 區域社會經濟發展水環境壓力分析

預測所用的經濟、人口數據來自《西北(甘青新)重點區域和行業發展戰略環境評價產業專題工作報告》［6］。

3.1 預測結果

根據1.3 節的預測方法，得到各地區2015年的工業源污染物排放強度水平和城鎮生活源污染物發生量及削減情景。

(1)工業源

各情景下2015年工業源污染物排放強度如表4 所示，情景1 維持了2010年的污染物排放強度水平，情景2 與情景3 在各自的情景原則設定下，污染物排放強度均有所下降，且情景2 下的排污強度略低于情景3。

表4 2015年萬元工業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/萬元

(2)城鎮生活源

表5 為根據《第一次全國污染源普查城鎮生活源產排污系數手冊》確定的各地區城鎮生活污水產污系數。表6 為各情景方案下城鎮生活污水處理率和主要污染物去除率，其中天山北坡經濟區的烏魯木齊市、克拉瑪依市、石河子、五家渠因其基準年(2010年)的污水收集處理情況相對好于其他地區，故在情景設定時將污水處理率一項相應提高。

3.2 污染負荷排放環境壓力評估

根據情景設計方案預測得出2015年主要污染負荷，組合出西北內陸河流域考慮重點產業以及生活源負荷的COD、氨氮組合方案各9 個。表7 為COD 組合方案，表8 為氨氮組合方案。區域9 個方案的總負荷與2010年污染源普查的排放數據比對得到總負荷增長率。增長率可直接理解為對水環境的壓力變化。

從表7 和表8 可以看出:河西經濟區可通過加強產業自身的清潔生產工作提高資源環境效率來尋求發展空間，或是通過消減生活源來支撐當地工業發展。但個別地區如柴達木試驗區，COD 各組合方案的增長率均在10%以上，最高達到了121%，表明常規的污染控制與資源效率提高手段已不足以減輕環境壓力。該地區雖然生活源有一定減排空間，但經濟發展過快，工業污染負荷增長迅速，生活源的消減無法給工業源的快速增長提供足夠空間，此時應采取“零排放”措施控制排污總量，或是因地制宜的選取最終納污地，尋求“零入河”的方式來減小水環境壓力。

4 緩解水環境壓力對策取向

隨著西部大開發的深入推進，西北地區經濟迎來新一輪的高速發展，重點區域工業廢水及污染物產生(排放)量將維持在較高水平，為支撐重點區域經濟發展，緩解水環境壓力，實現“十二五”減排目標，西北各地可根據自身區域工業發展特點及現有區域減排潛力，參考以下3 種不同層次的減壓取向:

表5 城鎮生活污水污染物產污系數Table 5 Pollutants producing coefficient of domestic wastewater

表6 城鎮生活污水處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 組合方案Table 7 Combination plan of COD

(1)行業內部加強結構及工程減排，力求實現增產不增污(或減污)

如河西經濟區這類工業源污染物排放量大，且明顯高于生活源的地區，減壓方法可傾向于加強區域產業發展導向，合理調整工業布局、產業結構和用水結構，嚴格限制新上高耗水、高污染項目，同時鼓勵發展用水效率高的產業，加快高科技、低污染、低耗能的項目引資落戶，改進生產工藝和加強廢水處理，加強城市和工業園區再生水利用工程建設，提高工業部門水的重復利用率。

工業廢水按性質力爭實現分質處理和排放。常規廢水如食品加工類廢水(不含重金屬、有毒有機等有害物質)以及工業企業的生活污水可進城鎮污水處理廠處理，處理后的達標尾水作為農灌及生態用水。有毒有害廢水如石油化工等含有重金屬、有毒有機物等危害較大的工業廢水需進行深度處理，有條件的企業可充分利用當地太陽能和土地資源，采用蒸發-冷凝-回收低鹽水-工業再生利用的污水資源化利用鏈，或防滲蒸發池-固廢處理場-危廢處置廠的完整處理處置鏈［10-12］，努力實現工業廢水“零排放”。

表8 氨氮組合方案Table 8 Combination plan of ammonia nitrogen

(2)在工業廢水處理效率提高不足以緩解水環境壓力的情況下，可從區域減排體系出發，通過生活點源的減排為工業發展尋求空間，實現區域經濟增長不增污(或減污)

像天山北坡經濟區這類以生活源排污為主，且排放量較大的地區，可傾向于加快城鎮生活污水處理廠和管網配套工程等污水處理設施的建設，提高污水廠穩定運行水平，強化脫氨及脫氮工藝等生活源污染物的消減工作。通過加強再生水利用工程建設，提高水的重復利用率。盡可能多地深度處理并回用城鎮污水處理廠的達標排水，可將其作為工業低質供水或用于園林綠化。從區域減排體系出發，通過強化生活點源的減排工作，為區域工業發展尋求空間。

(3)在經濟技術可行條件下生活源減排與工業廢水處理效率提高都不足以緩解水環境壓力的情況下，可考慮因地制宜地采取“零入河”管理方式解決污水出路問題，實現區域經濟增長水質改善(或不惡化)。

柴達木試驗區在各情景方案下的水環境壓力變化率幾乎都為正值，可見該類地區僅通過常規的污染物減排、控制手段已不足以緩解經濟快速增長帶來的環境壓力，在經濟技術條件有限，無法實現“零排放”時，可以考慮因地制宜地采取“零入河”的管理方式。目前，世界范圍對于內陸河流域，生活污水及食品類工業廢水“零入河”方式是:處理后的市政污水+荒漠土地=綠洲(森林)［13-14］。借鑒國外的管理方式，基于我國西北內陸河流域大面積荒漠、地表蒸發強烈、地廣人稀的特點，考慮將達標工業廢水排放至沙漠深處的低洼地［15-16］。目前西北內陸河流域已有荒漠排放處置工業廢水的實踐，積累了一定的經驗教訓，如新疆烏魯木齊石化、獨山子石化等大型污水庫已運行十余年［17-18］。還有較多的工業企業修建幾十公里的排污管道，將處理后的工業廢水排至荒漠洼地，這也是工業廢水“零入河”的一種初期形式，仍有很多方面有待加強完善。

“零入河”的管理方式因易受到各種復雜因素影響而存在諸如地下水和土壤累積性環境風險的問題［19-20］，因此今后應根據內陸河區一般存在荒漠無徑流區面積大的特點，合理選擇、科學使用、規范管理對環境無影響的最終納污地，實現工業持久性有毒污染物的“零入河”，保障內陸河流域的可持續發展。

建議最終納污地選擇應盡量符合以下原則:

1)累積影響范圍極小原則。處于不受洪水影響、地下水位梯度接近零的荒漠無徑流區。將地表水體及地下水體運動導致的污染物質的水平方向的輸運控制在盡可能小的范圍內，使累積污染范圍最小化。

2)保護人體健康原則。遠離人類居住區。避免污染地下飲用水源，或作為農業灌溉水源。

3)地表生物影響最小原則。遠離鳥類遷徙通道、動物夏眠和冬眠區，以及其他敏感的生物環境保護目標。盡量控制水面，避免對鳥類等動物的吸引。

4)集中控制原則。最終納污地數量不易過多，以便于未來在科技進步到一定水平后，對有價值的污染物質進行低成本回收利用。

最終納污地接納污水使用和管理上要注意:

1)管道輸送污水。最終納污地接納的一定是經深度處理達標后的工業廢水及部分其他污水。輸送管道必須做到防漏，實現定期檢查。

2)盡量減少污水輸送量。在條件允許的情況下，利用太陽能等蒸發冷凝等固化手段，最大可能地回收淡水，降低水資源消耗量，減少污水輸送量。

［1］李曉玲.論西北地區水資源的特點與開源節流［J］.陜西師范大學學報，1996，24(2):103-105.

［2］耿雷華，黃永基，酈建強，等.西北內陸河流域水資源特點初析［J］.水科學進展，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］中國環境科學研究院. 西北(甘青新)重點區域和行業發展戰略環境評價報告［R］.北京:中國環境科學研究院，2013.

［6］中國科學院地理科學與資源研究所. 西北(甘青新)重點區域和行業發展戰略環境評價產業專題工作報告［R］. 北京:中國科學院地理科學與資源研究所，2012.

［7］中國環境科學研究院. 西北(甘青新)重點區域和行業發展戰略環境評價水環境專題報告書［R］. 北京:中國環境科學研究院，2012.

［8］劉洪波.情景分析法在工業園區水環境影響預測評價中的應用［J］.中國科技信息，2006(24):23-24.

［9］國務院第一次全國污染源普查領導小組辦公室.第一次全國污染源普查城鎮生活源產排污系數手冊［M］. 北京:中國環境科學出版社，2008:2-5.

［10］劉淑娥，吳秀明，蘇愛東，等.加強蒸發回收鹽水的管理［J］.中國氯堿，2003，6(6):5.

［11］何江濤，鐘佐燊，湯鳴皋，等. 污水土地處理技術與污水資源化［J］.地學前緣，2001，8(1):155-162.

［12］王季震，喬鵬帥，魯智禮.污水土地處理技術中幾種處理工藝的分析［J］.北京工商大學學報，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］孫麗，呂媛媛.污水排放沙漠的可行性及對地下水環境的影響［J］.山西建筑，2009，35(1):212-213.

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

［17］范永勤，焦鳳輝.污水庫自凈與運行情況調查及分析［J］. 干旱環境監測，2001，15(2):90-92.

［18］楊躍輝.新疆石化企業廢水貯用現狀及存在的問題［J］.干旱環境監測，2009，23(1):25-30.

［19］陳亞萍，康永祥，韓東鋒，等.西北地區廢水資源化探討［J］.水資源與水工程學報，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. ?