國家重點生態功能區縣域地表水環境質量評估分析

翟德超，高錫章，劉海江，許 杰，李 飛，孫 聰

1.中國科學院地理科學與資源研究所資源與環境信息系統國家重點實驗室，北京 100101 2.中國科學院大學，北京 100049 3.江蘇省地理信息資源開發與利用協同創新中心，江蘇 南京 210023 4.中國環境監測總站，國家環境保護環境監測質量控制重點實驗室，北京 100012 5.青海省生態環境廳信息中心，青海 西寧 810000 6.國家環境保護青藏高原生態環境監測與評估重點實驗室，青海 西寧 810000

2010年，國務院發布了《全國主體功能區規劃》，確定了25個國家重點生態功能區，旨在保護、恢復和提高相關區域的水源涵養、水土保持、防風固沙和生物多樣性維護等重要生態功能，確保國家生態安全[1]。鑒于國家重點生態功能區內的經濟開發活動受到一定程度的限制，財政部印發了《國家重點生態功能區轉移支付辦法》[2]，明確中央財政以一般性轉移支付的方式對國家重點生態功能區所屬縣級政府進行生態補償。截止到2020年，國家已累計下達轉移支付資金6 000多億元。因此，評估國家重點生態功能區縣域生態環境保護成效，對國家生態環境保護與修復決策具有重要意義[3-5]。

水環境質量是體現國家重點功能區生態環境保護與修復效果的重要表征性指標，也是評估生態環境質量的重要指示性指標。我國現有水環境質量研究工作主要集中在流域和區域尺度。在流域尺度，李麗娟[6]研究了瀾滄江的水質狀況并進行了成因分析，陳潤羊等[7]分析了長江流域水質的時空變化規律，汪杰[8]研究了遼河流域水環境質量變化趨勢。此外，諸多學者對小流域尺度的水環境狀況也進行了研究分析[9-14]。在區域尺度，陳振樓等[15]考察了長江三角洲地表水環境的污染狀況，畢業亮等[16]對深圳市河流水污染情況進行了評價。而對于國家重點生態功能區，自2010年國務院發布《全國主體功能區規劃》以來，現有生態環境質量評價工作多集中于陸表植被長勢[17-21]、土地覆蓋變化[22-29]等，缺乏較為系統的地表水環境質量評價分析。因此，本文以國家重點生態功能區縣域為研究對象，基于2012—2020年地表水監測數據，對國家重點生態功能區水環境狀況及其變化趨勢進行了評價分析，旨在為國家重點生態功能區管理決策提供科學依據。

1 研究方法

1.1 研究區域與數據來源

本文的研究范圍包含了截至2020年已納入國家重點生態功能區的縣域，共810個，按功能類型分為防風固沙、水土保持、水源涵養和生物多樣性維護4類[5]，分布于29個省份及新疆生產建設兵團，總面積約為484萬km2，占我國陸域國土面積的一半以上。

地表水質量數據基于2012—2020年國家重點生態功能區縣域各類地表水斷面監測結果，監測項目為《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)[30]表1中的24項指標，且所有縣域均按照統一的監測頻次開展監測[5]。其余數據包括2012—2018年國家重點生態功能區縣域化學需氧量排放數據，以及2012—2017年國家重點生態功能區縣域化肥施用量數據，上述數據來源于國家重點生態功能區縣域環境質量評價項目組。此外，2012—2019年各地年平均氣溫、年降水量數據[31-32]來源于國家地球系統科學數據中心(https://gre.geodata.cn/)。

1.2 研究方法

地表水水質評價參照原環境保護部《地表水環境質量評價辦法(試行)》[33]中的河流、流域(水系)水質評價方法。水質評價指標為《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)表1中除水溫、總氮、糞大腸桿菌群以外的21項指標，以每年至少8次監測數據的算術平均值進行評價。斷面水質類別評價采用單因子評價法；流域水質狀況評價采用斷面水質類別比例法，即根據流域中各水質類別的斷面數占斷面總數的百分比來評價其水質狀況。

地表水水質影響因素使用地理探測器模型進行分析。該方法可探測地理現象的空間分異性，并揭示其背后的驅動因子[34-35]。與傳統的回歸分析模型不同，地理探測器對數據的正態性沒有要求，也不受多自變量間的共線性影響[34]。其計算公式如下：

(1)

大量研究表明，地表水污染除了與當地的工業和生活污水排放情況[36-39]密切相關外，同樣受到氣候變化的影響[40-42]。氣溫升高會提升生物化學反應的效率[40]；降水變化直接影響著河水的徑流量，從而影響到污染物的遷移速度和濃度[41]。本研究結合國家重點生態功能區縣域水質狀況，利用地理探測器模型分析了化學需氧量和高錳酸鹽指數兩個超標較為嚴重的水質監測指標與縣域年化學需氧量排放量、年降水量、年平均氣溫的關系。

2 結果與討論

2.1 國家重點生態功能區縣域地表水環境質量總體情況

監測數據顯示，國家重點生態功能區縣域地表水水質總體良好，部分地區相對較差。2020年開展監測的1 746個水質斷面中，Ⅰ～Ⅲ類水質斷面占比為93.47%，高于全國平均水平(83.40%[43])約10個百分點。在Ⅰ～Ⅲ類水質類別中，Ⅱ類水質斷面所占比例最高，達到了66.04%；其次為Ⅲ類水質斷面的16.15%；Ⅰ類水質斷面為11.28%。2020年，西北、西南、華中、華南和華東地區只有少數地表水監測斷面水質超標，地表水水質較差的斷面主要集中在內蒙古北部、陜西北部、山西西部及京津冀地區。

2012—2020年，國家重點生態功能區縣域地表水Ⅰ～Ⅲ類水質斷面占比平均為90.86%。在此期間，國家重點生態功能區縣域地表水水質呈改善趨勢(圖1)，Ⅰ～Ⅲ類水質斷面占比從2012年的89.14%升高到2020年的93.47%。其中：Ⅰ類水質斷面占比逐年升高，從2012年的5.59%升高到2020年的11.28%；Ⅱ類水質斷面占比波動升高，從2012年的57.20%升高到2020年的66.04%；Ⅲ類水質斷面占比降低明顯，從2012年的36.34%降低到2020年的16.15%。

圖1 國家重點生態功能區縣域Ⅰ～Ⅲ類水質斷面占比變化趨勢Fig.1 The change trend of the proportionof Ⅰ-Ⅲ classes surface water sitesin counties of national key ecologicalfunction areas(NKEFA)

2012—2020年，國家重點生態功能區縣域地表水超標水質以Ⅳ類為主，其斷面所占比例平均為5.20%，Ⅴ類、劣Ⅴ類水質斷面所占比例平均為1.43%、3.11%。化學需氧量、高錳酸鹽指數、五日生化需氧量、氨氮、總磷為主要超標項，其超標斷面占總超標斷面的比例的多年平均值分別為24.22%、17.29%、11.96%、11.19%、10.70%。

2.2 4類生態功能區地表水環境質量狀況

2020年，水源涵養、水土保持、防風固沙、生物多樣性維護4類生態功能區Ⅰ～Ⅲ類水質斷面占比分別為93.84%、92.97%、81.82%、95.82%，其中水源涵養區、水土保持區、生物多樣性維護區Ⅰ～Ⅲ類水質斷面占比分別比2020年全國平均水平(83.40%[43])高出10.44、9.57、12.42個百分點，但防風固沙區低于全國平均水平1.58個百分點。2012—2020年，4類生態功能區Ⅰ～Ⅲ類水質斷面占比的平均值分別為91.79%、83.67%、77.64%、95.84%(表1)。與2012年相比，2020年水土保持區、防風固沙區和生物多樣性維護區地表水水質均有不同程度的改善，Ⅰ～Ⅲ類水質斷面占比分別上升了15.25、6.14、2.29個百分點；水源涵養區地表水Ⅰ～Ⅲ類水質斷面占比基本保持穩定(圖2)。

表1 4類生態功能區水質狀況及主要超標項Table 1 Water quality and the main over-standard items in the four ecological functional areas %

4類生態功能區的主要超標污染物存在差異。2012—2020年，水源涵養、防風固沙、生物多樣性維護功能區的主要超標項均為化學需氧量和高錳酸鹽指數，其中，3類生態功能區2020年化學需氧量和高錳酸鹽指數超標斷面占生態功能區總超標斷面的比例分別為65.12%、58.33%、53.33%(表1)；而水土保持功能區2020年主要超標項為化學需氧量和五日生化需氧量，二者超標斷面占生態功能區總超標斷面的比例為53.57%(表1)。

2.3 地表水質量影響因素分析

基于地理探測器模型，分析了地表水化學需氧量和高錳酸鹽指數與縣域化學需氧量排放量、降水量、氣溫的關系。結果表明，兩個超標項的驅動因子類似(圖3)。縣域年化學需氧量排放量的q值均為最高，對地表水化學需氧量和高錳酸鹽指數的解釋力分別為0.464(P<0.001)和0.413(P<0.001)；年降水量次之，解釋力分別為0.248(P<0.001)和0.273(P<0.001)；年平均氣溫的影響并不顯著，q值分別為0.105(P=0.137)和0.136(P=0.071)。可見，國家重點生態功能區縣域年化學需氧量排放量和年降水量對其地表水化學需氧量和高錳酸鹽指數有顯著影響，且縣域年化學需氧量排放量的影響更為突出。

注：“***”表示P<0.001。圖3 地表水主要超標污染物與縣域化學需氧量排放量及氣候因子的地理探測器統計結果Fig.3 The results of geographicaldetectors for the main pollutants withchemical oxygen demand emissionsand climatic factors

針對陜西北部、山西西部和京津冀地區等地表水水質超標斷面較為集中的區域，選取該地區2020年超標地表水監測斷面，將其地表水化學需氧量和高錳酸鹽指數分別與斷面所在縣域的年化學需氧量排放量、年降水量進行回歸分析。結果表明，地表水化學需氧量、高錳酸鹽指數與縣域年化學需氧量排放量的決定系數(R2)分別達到了0.159(P<0.001)和0.140(P<0.001)，通過顯著性檢驗；而縣域年降水量對地表水化學需氧量和高錳酸鹽指數的解釋力相對較低，R2分別為0.007(P=0.281)和0.009(P=0.217)，未通過顯著性檢驗(圖4)。可見，上述3個區域的地表水水質在一定程度上受到當地化學需氧量排放量的影響。該結果與王昕鴿[36]、鄧娟[37]及梁增強[38]的研究結論類似，即工業、生活廢水是造成山西、陜西及京津冀地區水質污染的重要原因。不過，近幾年該區域水污染程度已明顯減輕[37]。

圖4 陜西北部、山西西部和京津冀地區縣域地表水超標斷面主要超標污染物與縣域年化學需氧量排放量及年降水量的回歸分析Fig.4 Regression analysis of the main pollutants with annual chemical oxygen demandemissions and annual precipitation for excessive sites in northernShaanxi,western Shanxi and Beijing-Tianjin-Hebei region

考慮到內蒙古北部超標斷面較為集中但人類活動強度較低的情況，同樣選取了該區域2020年未達標的地表水監測斷面，將其化學需氧量和高錳酸鹽指數與斷面所在縣域的年化學需氧量排放量及年降水量進行回歸分析。結果表明，地表水化學需氧量和高錳酸鹽指數與縣域化學需氧量排放量的R2分別為0.023(P=0.152)和0.020(P=0.177)，均未通過顯著性檢驗；而地表水化學需氧量和高錳酸鹽指數與縣域年降水量的R2分別達到了0.113(P=0.001)和0.082(P=0.006)，均通過了顯著性檢驗。可見，縣域年降水量對地表水化學需氧量和高錳酸鹽指數的解釋力明顯高于縣域年化學需氧量排放量(圖5)。內蒙古北部地區屬于干旱半干旱氣候，降水較少，地表徑流量較小，水體稀釋能力和自凈能力較弱，因此，該地區地表水水質與當地氣候條件密切相關。

圖5 內蒙古北部地區縣域地表水超標斷面主要超標污染物與縣域年化學需氧量排放量及年降水量的回歸分析Fig.5 Regression analysis of the main pollutants with annual chemical oxygendemand emissions and annual precipitation for excessivesites in northern Inner Mongolia

2.4 總氮超標情況分析

2012—2020年國家重點生態功能區縣域地表水水質監測結果顯示，化學需氧量、高錳酸鹽指數等主要超標項的超標斷面數量占總斷面數的比例大多處于降低或波動狀態，只有總氮的超標斷面數量占總斷面數的比例顯著增加，從2012年的19.03%增加到2020年的34.08%。這可能是因為自《全國主體功能區規劃》發布以來，相關區域內大規模、高強度的城鎮化和工業化開發活動得到了限制，但重點生態功能區內農業化肥尤其是氮肥的大量施用使得河流中的總氮含量急速增加。由圖6可知，2012—2017年，國家重點生態功能區縣域的年平均化肥施用量呈逐年上升趨勢，從2.70萬t上升到3.16萬t。

圖6 2012—2017年國家重點生態功能區縣域平均化肥施用量及總氮超標斷面占比變化趨勢Fig.6 Variation trend of the average chemicalfertilizer application and the ratio of over-standard sites of total nitrogen in counties ofNKEFA from 2012 to 2017

選擇2017年國家重點生態功能區地表水斷面的總氮濃度與斷面所在縣域的化肥施用量進行回歸分析，結果顯示，化肥施用量和總氮濃度的R2為0.111(P<0.001)，表明化肥施用量與總氮濃度存在較為密切的關系(圖7)。雖然《地表水環境質量評價方法(試行)》規定的地表水水質評價指標中未包含總氮，《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)[30]中也未涉及河流總氮限值，但考慮到國家重點生態功能區縣域作為國家生態屏障的特殊性，建議將總氮納入國家重點生態功能區縣域地表水水質評價指標體系。

圖7 2017年國家重點生態功能區縣域化肥施用量與地表水監測斷面總氮濃度的回歸分析Fig.7 Regression analysis of chemicalfertilizer application and total nitrogenin surface water monitoring sitesin counties of NKEFA in 2017

3 結論與建議

1)2012—2020年，國家重點生態功能區縣域地表水水質總體良好且持續改善，部分地區相對較差。在此期間，Ⅰ～Ⅲ類水質斷面的平均比例為90.86%，并表現出明顯的上升趨勢，從2012年的89.14%上升到2020年的93.47%。在空間分布上，地表水水質較差的斷面主要集中在內蒙古北部、陜西北部、山西西部和京津冀地區。

2)4類生態功能區的地表水水質存在較明顯的差異，其中，生物多樣性維護區的地表水水質最好，其次為水源涵養區，再次為水土保持區，防風固沙區最差。2012—2020年，水源涵養區地表水水質基本保持穩定，其余3類生態功能區均有不同程度的改善。

3)國家重點生態功能區縣域地表水主要超標項為化學需氧量、高錳酸鹽指數、五日生化需氧量、氨氮和總磷，其中，化學需氧量和高錳酸鹽指數超標斷面占總超標斷面的比例的多年平均值分別達到了24.22%和17.29%。

4)國家重點生態功能區縣域地表水水質狀況主要受縣域年化學需氧量排放量的影響，氣候條件中的年降水量也是重要影響因素之一。在地表水超標斷面較為集中的陜西北部、山西西部和京津冀地區，地表水水質可能主要與縣域年化學需氧量排放量有關；在內蒙古東部，可能主要受降水因素的影響。未來，在國家重點生態功能區縣域生態環境質量評價工作中，需要充分考慮自然因素對水質變化的影響，以確保評價結果科學公正。

5)考慮到國家重點生態功能區縣域作為國家生態屏障的特殊性，建議將總氮納入國家重點生態功能區縣域地表水水質評價指標體系。