洱海流域水環境污染與水環境變化的關聯分析

王明杰，余 斌，卓蓉蓉 ，王 毅

(1.山東農業大學公共管理學院，山東 泰安 271018；2.華中師范大學地理過程分析與模擬湖北省重點實驗室，武漢 430079)

伴隨著我國城鎮化和工業化高速發展，水環境污染及其造成的危害日益威脅著國民的身體健康和社會的可持續發展[1-3]，水環境污染治理成為推進生態環境保護與實現人與自然和諧發展的當務之急.洱海作為典型的高原湖泊，生態系統脆弱，近年來，隨著該地區經濟的快速發展，水環境保護面臨嚴峻挑戰.2015年，習近平總書記視察洱海時提出，要讓“蒼山不墨千秋畫，洱海無弦萬古琴”的自然美景永駐人間，洱海流域水環境整治時不我待.科學認知洱海流域水環境污染基本特征、精準解讀洱海流域污染排放與洱海水質變化的內在規律是洱海水環境治理的基礎性工作，也是踐行生態文明、探索發展轉型的擔當之舉.

目前，國內外水環境污染研究焦點集中在水環境污染評價及其社會經濟影響機理方面.水環境污染評價是水環境治理和科學決策的依據，常用的評價方法主要有等標污染負荷法[4]、排污系數法[5]、聚類分析法[6]、輸出系數法[7]等，其中，等標污染負荷法將系統內不同行政區下多種污染物納入統一框架進行比較，能夠準確區分主要污染物、污染源和污染地，是水環境污染評價行之有效的手段.基于水環境污染評價的水環境污染模型構建是系統解決水環境污染的有益探索，Haith和Shoemaker共同研發的SWAT模型、美國農業部研發的HSPF模型是其典型代表[8-9].近年來，城鎮化與工業化成為水環境污染的主要誘因[10]，經濟增長[11]、工業結構演變[12]、城市擴展[13]等與水環境關聯研究被認為是揭示水污染機理的重要探索.灰色關聯分析(GRA)[14]、環境庫茲涅茲曲線(EKC)[15]、空間自相關[16]、主成分分析[17]等是關聯性分析的主要方法，其中，GRA通過參考數據列的幾何形狀相似程度來判斷曲線聯系緊密程度，能有效測度雙方的關聯程度.隨著大數據、地理信息技術(GIS)不斷融入環境污染治理領域，水環境污染評價及其機理探索方興未艾.

綜上所述，水環境污染評價以水環境承載力為指引，以創建統一的評價標準為方向，評價方法日趨科學.伴隨著工業化和城鎮化的快速推進，現階段單一的水環境污染評價已不能滿足區域水環境治理的需求.據此，文本以2007年—2017年為時間維度，以洱海流域為空間尺度，以精準識別洱海流域主要污染物產生的部門和地區為基礎，通過解讀2007年—2017年水環境污染部門對洱海水質變化的影響程度以及污染地的時空變化，探尋洱海流域水環境污染與水環境變化的內在機理，期望為水環境污染綜合治理提供理論啟示，為洱海流域相關實踐提供技術支持.

1 研究區域、數據與研究方法

1.1 研究區域及數據來源

洱海流域位于云南省西北部，地勢四周高中間低，流域面積2 927.85 km2，其中，洱海湖面面積252 km2，是云南省第二大高原淡水湖泊和大理市主要飲用水源地，也是蒼山洱海國家級自然保護區和風景名勝區的核心組成部分.洱海流域下轄大理市和洱源縣16個鄉鎮和1個開發區，2017年，流域總人口88.39萬人，GDP 458.32億元.在生態文明建設列為國家發展戰略背景下，解析洱海流域水環境污染特征及其與水環境變化關系，能夠為洱海流域水環境治理提供技術支持，為洱海流域可持續發展提供對策建議.

圖1 洱海流域行政區劃Fig.1 Administrative division of Erhai Lake basin

以2007年—2017年為研究期、鄉鎮地域為研究單元.研究所需數據主要來源2008-2018年《云南省環境狀況公報》、《大理市統計年鑒》、《大理市環境質量年報》，洱海水質數據由云南省生態環境廳提供，農業污染資料由市發改局和農業局提供，對于個別年份數據缺失狀況，采用插值法進行數據補充.流域鄉鎮行政邊界等基礎空間數據從自然資源部測繪地理信息網獲取(http://zwfw.ch.mnr.gov.cn/)，獲取時間為2018年6月.

1.2 研究方法

1) 等標污染負荷[4].設水環境系統由i種污染物，第i種污染物的等標排放量為：

(1)

式中，Pi為第i種污染物的等標排放量，單位為m3·a-1；Ci為第i種污染物的實物排放量，單位為t·a-1；C0為洱海水質污染物限值標準，單位為mg·L-1.

設某區域有m個污染源，第j個污染源有n個污染物，則該區域等標排放量為：

(2)

該地區第j個污染源的等標污染負荷率為：

(3)

2) 灰色關聯分析(GAR)[14].參考數列X0，表示不同時間段洱海水質.比較數列Xi，表示洱海流域主要污染部門和流域各鄉鎮.

X0={X0(1)，X0(2)，X0(3)，…，X0(k)}，

(4)

Xi={Xi(1)，Xi(2)，Xi(3)，…，Xi(k)}.

(5)

無量綱化處理：參考數列和比較數列的數據的量綱不同，選擇均值法進行無量綱標準化處理.

(6)

灰色關聯系數：

(7)

關聯度：

(8)

其中，k=1，2，…，n.

2 洱海流域水環境污染特征

湖泊水環境狀況受自然環境和人類活動的雙重影響，除去地表徑流、水土流失和干濕沉降等自然過程的作用外，人類活動所造成的污染超標排放是湖泊外源性污染物的主要來源，其中，污染物排放總量、污染源排放結構、污染排放時空變化是流域水環境污染的基本特征，統籌考慮洱海水環境污染特征是科學識別洱海水質變化的基礎要求.

2.1 污染總量變化特征

根據洱海湖泊水質不低于II類水質標準，匯入干流不低于III類水質標準(《洱海流域水環境保護治理“十三五”規劃(2016-2020)》對此作出明確要求)，依據《地表水環境質量標準》(GB3838—2002)和國家環保總局《水和廢水檢測分析方法(第四版)》要求，參照《云南省環境狀況公報》關于洱海水質主要污染物報告，選取化學需氧量(COD)、總磷(TP)、總氮(TN)作為污染物評價因子.依據以上標準，確定主要污染物限值標準為COD：20 mg·L-1；TN：1.0 mg·L-1；TP：0.2 mg·L-1.

依據公式(1)～(3)，獲取洱海流域2007年—2017年主要污染物等標排放量及占比變化(表1、圖2).從表1、圖2可見，2007年—2017年洱海流域主要污染物等標排放量呈“先增后降”發展趨勢，TN是流域的主要污染物.2007年，洱海流域各類污染等標排放總量為9 716×106m3·a-1，其中，主要污染物為TN，等標排放量占比為58.18%，COD、TP占比分別為16.29%、25.53%.2015年，洱海流域各類污染等標排放總量上升到11 184×106m3·a-1，達到階段最高值，其中，TN等標排放量占比達56.28%，COD、TP占比分別為15.93%、27.58%.2017年，洱海流域各類污染等標排放總量下降到8 133×106m3·a-1，主要污染物仍為TN，等標排放量占比為55.98%，COD、TP占比分別為15.60%、28.42%.2007年—2017年，洱海流域COD、TP的排放量保持相對穩定，其中，COD等標排放量占比略有下降，從2007年的16.29%下降到2017年的15.60%，TP等標排放量占比略有上升，從2007年的25.53%上升到2017年的28.42%.總體而言，洱海流域主要污染物等標排放總量趨于下降，說明大理市“工程控污”項目效果開始顯現，但主要污染物結構變化不大，如何調整排污結構，削減TN排放量是洱海水環境改善的首要任務.

表1 2007年—2017年洱海流域污染等標排放量及占比變化Tab.1 Changes of equivalent emission and proportion of pollution in Erhai Lake basin during 2007-2017

2.2 污染結構變化特征

人類活動對洱海流域水環境變化的影響具有差異性，不同人類活動類型對流域水環境變化具有程度不同的影響.以洱海流域主要污染部門表征人類活動結構，通過分析部門排污狀況揭示洱海水質變化趨勢.根據洱海流域生產生活方式，將污染源部門分為點源污染源和面源污染源，點源污染分為城鎮生活和環湖旅游(環湖旅游：2016年中央環境保護督察反饋指出，洱海周邊旅游無序開發管控不到位，洱海環湖生態遭到破壞，洱海環湖旅游造成的污染是洱海水環境污染的重要來源)，面源污染分為農村生活、農田面源和畜禽養殖.從表2、圖3可見，2007年—2017年，洱海流域水環境污染主要威脅來自畜禽養殖部門，2007年—2017年，洱海流域各污染部門排放量“階段性波動”特征顯著.從污染結構看，2007年—2017年，洱海流域面源污染排放量占流域總排放量平均值達94.10%，是流域水環境污染的主要污染源，其中，畜禽養殖污染排放量平均占比達53.17%，是流域主要污染部門，農田面源污染、農村生活污染平均占比為22.23%、18.70%，分居第二、三位.2007年—2016年，各污染部門排污量總體保持穩定，2017年，受大理市社會經濟結構調整及控污減排項目的實施，流域各部門污染排放結構發生顯著變化，畜禽養殖污染排放占比顯著下降，農村生活污染、城鎮生活污染、環湖旅游污染排放占比顯著上升.從變化趨勢看，2007年—2017年，畜禽養殖污染排放量波動幅度較大，2007年—2016年，畜禽養殖污染排放量呈顯著增長趨勢，增長幅度達29.51%，2017年出現“斷崖式”下滑，這主要源于大理市畜禽養殖禁養區劃定后，畜禽養殖產業被有效控制.農田面源污染排放量波動呈階段性，2007年—2013年，排放量呈“穩步增加”趨勢，2014年—2017年，排放量呈“先增后降”趨勢.農村生活污染排放量波動頻繁，總體波動幅度較小.城鎮生活污染、環湖流域污染排放量較小，波動幅度較低.總體而言，畜禽養殖污染、農田面源污染和農村生活污染是現階段洱海流域主要污染部門，科學規范畜禽養殖，調整種植結構，發展生態農業是洱海流域水環境治理的關鍵所在.

圖2 2007年—2017年洱海流域污染物等標排放量及占比Fig.2 Changes of equivalent emission and proportion of pollution in Erhai Lake basin during 2007-2017

表2 2007年—2017年洱海流域污染源排放量及占比變化Tab.2 Changes of pollutant discharge and proportion in Erhai Lake basin during 2007-2017

圖3 2007年—2017年洱海流域污染源排放量及占比變化Fig.3 Changes of pollutant discharge and proportion in Erhai Lake basin during 2007-2017

2.3 污染時空變化特征

人類活動及其水環境效應的空間非均衡性是動態變化的，時間-空間耦合分析能夠探尋人類活動及其環境效應的時空變化規律，進而解讀關鍵污染地區的演化軌跡及作用機制.依據公式(1)～(3)，計算洱海流域各鄉鎮等標污染排放量及其占比(見表3)，依據污染排放量占比將流域劃分為低排污區(0～1.83%)、較低排污區(1.84～3.97%)、中等排污區(3.98～6.10%)、較高排污區(6.11～8.24%)、高排污區(8.25～12.51%)五種等級(見圖4).從表3、圖4可見，2007年—2017年，洱海流域等標污染排放量時空分布不均，高排污區集中布局在海北地區.從空間角度看，洱海流域污染排放量高值區集中在海北地區，低值區集中在海東、海西和海南地區.分鄉鎮看，三營鎮平均污染排放量最高，2007年—2017年，污染排放量平均占比達11.96%，位居第一，茈碧湖鎮、右所鎮緊隨其后，污染排放量平均占比分別為10.52%、10.40%.大理市開發區平均污染排放量最低，污染排放量平均占比僅2.08%，其次為雙廊鎮、挖色鎮，污染排放量平均占比分別為2.67%、2.85%.從時間角度看，2007年—2013年洱海流域污染排放呈“高排污區擴大、低排污區縮小”態勢.2007年—2009年高排污區為2個鄉鎮，2010年—2013年擴大到3各鄉鎮；低排污區由2007年的11個鄉鎮縮減到2017年的6個鄉鎮.2014-2017年，洱海流域污染排放量空間差異縮小.相比2013年，2017年洱海流域高排放鄉鎮由3個縮減到1個，較高排放鄉鎮由0個增加到3個，較低排放鄉鎮由3個縮減到2個，低排放區由6個增加到7個，空間均衡性逐漸顯現.總體而言，洱海流域各鄉鎮污染排放下降趨勢明顯，但受傳統農業生產結構影響，三營鎮、右所鎮、茈碧湖鎮等海北地區排污依然嚴重，洱海流域控污減排任重道遠.

3 洱海流域水環境污染與水環境變化關聯分析

為精準識別洱海流域水環境污染與主要污染產生部門及產生地區的關聯性，依據公式(4)～(8)將流域主要污染部門、流域各鄉鎮(含1個開發區)污染等標排放量數據進行標準化處理，與水環境質量進行灰色關聯分析.洱海主要水質狀況依據2008年—2018年《云南省環境狀況公報》，對CODMn、TN 、TP主要污染物進行標準化處理，得出洱海主要水質情況(見表4).

3.1 污染部門與水環境的關聯分析

從表5可見，2007年—2017年，洱海流域各污染部門與洱海水質變化具有較強的關聯度(平均關聯度均>0.50).總體上看，洱海流域各污染部門與洱海水質變化關聯強度依次是畜禽養殖污染、農村生活污染、城鎮生活污染、農田面源污染和環湖旅游污染，其中，畜禽養殖污染、農村生活污染、城鎮生活污染與洱海水質變化的關聯度分別為0.79、0.76和0.73，是影響洱海水質變化的重點污染部門.分部門看，2007年—2017年，洱海流域各污染部門與洱海水質變化的關聯度呈“階段性波動”特征.2007年—2017年，畜禽養殖污染與洱海水質關聯度呈倒“U”型(見圖5)，2010年—2014年，關聯性位于高值區間，關聯度均大于0.9，2015年開始下降，到2017年關系度僅為0.45.2007年—2017年，農田面源污染與洱海水質關聯度總體呈上升趨勢，2007年關聯度僅為0.38，2016年關聯度達到1，2017年關聯度下降到0.5.2007年—2017年，農村生活污染與洱海水質關聯度呈波動下降趨勢，2008年關聯度為0.99，2009年開始波動下降，2017年關聯度為0.75.2007年—2017年，城鎮生活污染與洱海水質關聯度呈波動上升趨勢，2007年—2009年，關聯度從0.79降到0.48，2010年開始波動上升，2018年關聯度達0.98.2007年—2017年，環湖旅游污染與洱海水質關聯度呈顯著上升趨勢，2007年關聯度僅為0.34，到2017年達0.75.總體而言，洱海流域各部門污染總量及其與水質的關聯分析具有一致性，畜禽養殖污染、農村生活污染是主要污染來源，隨著洱海流域“工程控污”項目的實施，流域排污總量顯著下降，但基于生產結構造成的生產污染依然面臨嚴峻形勢，“結構減排”任重道遠.

圖4 2007年—2017年洱海流域污染排放時空變化Fig.4 Spatial and temporal changes of pollution emissions in Erhai River basin during 2007-2017

表3 2007年—2017年洱海流域各鄉鎮污染等標排放量、占比Tab.3 Equivalent emission and and proportion of pollution in villages and towns of Erhai River basin during 2007-2017

續表3

表4 2007年—2017年洱海主要水質Tab.4 The index of water quality in Erhai Lake during 2007-2017

表5 2007年—2017年洱海流域各污染部門與水環境關聯度Tab.5 Correlation degree between pollution departments and water environment in Erhai River basin during 2007-2017

圖5 2007年—2017年洱海流域各污染部門與水環境關聯度變化Fig.5 Correlation degree between pollution departments and water environment in Erhai River basin during 2007-2017

3.2 流域鄉鎮與水環境的關聯分析

從表6可見，2007年—2017年洱海流域各鄉鎮污染排放與洱海水質變化具有較強的關聯度(平均關聯度均>0.50)，其中，上關鎮(0.81)、灣橋鎮(0.81)、海東鎮(0.80)、挖色鎮(0.79)、鳳儀鎮(0.78)、三營鎮(0.76)和下關鎮(0.75)等7鎮污染排放與洱海水質變化具有較強關聯，二者的關聯度均大于0.75，表明以上鄉鎮的污染排放對洱海水質變化的影響較大，控制以上鄉鎮的排污量對改善洱海水環境至關重要.分階段看，2010年、2014年、2016年洱海流域各鄉鎮污染排放與洱海水質變化關聯程度最為密切，關聯度分別為13.66、13.60、16.64；2007年、2017年洱海流域各鄉鎮污染排放與洱海水質變化關聯程度較低，關聯度分別為9.70和8.41.流域鄉鎮污染排放與洱海水質變化關聯度強弱取決于各鄉鎮排污總量及其各污染物占比狀況，不同年份污染關聯度的高低差異說明流域各鄉鎮污染排放波動性較強，空間穩定性較差，污染排放空間優化亟待加強.分地域看，與洱海水質變化關聯度較高的鄉鎮主要分布在洱海周邊，其中，上關鎮、灣橋鎮、海東鎮與洱海水質變化關聯度位居前三位，三鎮均緊鄰洱海，說明污染地距離對洱海水質具有較大影響.

3 結論與建議

3.1 結論

1) 從污染總量看，2007年—2017年，洱海流域污染等標排放量呈現“先增后降”趨勢，COD、TN、TP排放量平均占比分別為16.25%、56.91%、26.84%，TN是洱海流域主要污染物，2015年TN排放量達7506×106m3·a-1，調整排污結構，削減TN排放量是洱海水環境改善的首要任務.

2) 從污染結構看，2007年—2017年，洱海流域水環境污染主要來自面源污染，其中畜禽養殖污染排放量平均占比達53.17%，是流域主要污染部門.洱海流域各污染部門排放量“階段性波動”特征顯著，其中，畜禽養殖污染、農田面源污染波動性較大，“峰值”分別出現在2016年、2015年，調整農業生產結構，科學規范畜禽養殖是洱海水環境治理的關鍵所在.

3) 從時空變化看，2007年—2017年，洱海流域等標污染排放量時空分布不均、空間差異縮小.高排污區集中分布在海北地區，低排污區集中在海東、海西和海南，三營鎮、茈碧湖鎮、右所鎮位居平均污染排放量前三位.相比2007年，2017年高排污鄉鎮由3個減少到1個，低排污鄉鎮由11個減少到8個，空間差異逐漸縮小.

4) 從關聯強度看，2007年—2017年，洱海流域各污染部門與洱海水質變化具有較強的關聯度(平均關聯度均>0.50)，關聯度總體呈“階段性波動”特征.各污染部門與洱海水質變化關聯強度依次是畜禽養殖污染、農村生活污染、城鎮生活污染、農田面源污染和環湖旅游污染.畜禽養殖污染與洱海水質關聯度呈倒“U”型；農田面源污染、環湖旅游污染與洱海水質關聯度總體呈上升趨勢；農村生活污染與洱海水質關聯度呈波動下降趨勢；城鎮生活污染與洱海水質關聯度呈波動上升趨勢.

5) 從地區關聯看，2007年—2017年，洱海流域各鄉鎮污染排放與洱海水質變化具有較強的關聯度(平均關聯度均>0.50)，其中，上關鎮、灣橋鎮、海東鎮關聯強度位居前三，關聯度較高的鄉鎮均分布在洱海周邊，說明污染地距離對洱海水質具有較大影響.

表6 2007年—2017年洱海流域各鄉鎮污染排放與洱海水質變化關聯度Tab.6 Correlation between pollution discharge of villages and towns and water quality change of Erhai Lake basin during 2007-2017

總體而言，受洱海流域水體污染控制與治理的實施，流域主要污染物排放總量大幅減少、污染結構趨于向好、污染空間差異趨于平衡，但污染總量仍然較大、結構性污染仍然突出，洱海流域控污減排任務任重道遠.

3.2 建議

1) 優化農業產業結構，推動產業轉型發展.根據洱海流域主要污染物構成和時空變化特征，以削減TN排放量、降低畜禽養殖污染為重點，以發展生態農業、有機農業為核心，促進傳統農業向現代農業轉型.首先，以水環境承載力為基礎，通過降低農藥、化肥的使用量，推動畜禽規模化養殖示范、畜禽糞便收集清運處等措施削減流域污染總量.其次，充分借助流域地形優勢，利用林地資源，開展林、農、牧等復合式經營，進行農作物種植結構調整，建設生態農業示范基地，推動農業轉型升級.

2) 優化產業空間結構，推動產業集聚發展.根據洱海流域污染強度空間分布不均的特征，以資源環境承載力為基礎，實施流域綠色發展分區，推動產業區域集聚.環洱海核心區：以自然山水旅游產業為主導，通過環境設施建設和湖濱生態修復，構建洱海水生態安全屏障.海北地區：以農業面源污染控制為重點，以發展生態農業、現代農業為目標，構建流域生態文明先行區.海東、海西地區：以生態保護為基礎，以白族文化資源開發為重點，構建流域生態文化示范區.海南地區：以控制城鎮污染為重點，以發展現代工業、打造低碳城鎮為目標，構建流域生產生活中心.

3) 著力轉變發展方式，推動生態鄉村發展.根據洱海流域主要污染為農村面源污染的特征，通過發展綠色農業，推進新型城鎮化，優化人居環境，全面推動流域生態鄉村發展.首先，牢固樹立“兩山論”理念，通過實施化肥、農業使用量零增長，農業廢棄物資源化、無害化處理等工程推動綠色農業發展；其次，以引導鄉村居民集中化居住和鄉村空間有機化發展為目標，通過發展中心集鎮、合并鄉村社區推動新型城鎮化發展；第三，全面實施“清潔家園、清潔田園、清潔水源”系統工程，優化鄉村人居環境.