云南省工業水污染點源空間分布特征研究

萬 普 娟，邱 飛，向 峰，潘 春 梅，朱 翔，

(1.云南師范大學 地理學部，云南 昆明 650500； 2.云南省生態環境監測中心，云南 昆明 650034)

0 引 言

進入21世紀以來，中國經濟發展速度創下新高[1]，然而經濟迅速發展帶來的環境問題也在逐步加劇。工業源由于工業企業分布集中，排放的污染物濃度高，帶來的環境風險較大[2]。2016年，全國化學需氧量總排放量658.1萬t，其中工業源為122.8萬t占18.7%；工業源氨氮占總排放量的11.4%[3]。近年來，學者對于工業源與水環境污染空間關系的研究包括：產業布局[4]、產業聚集[5]與環境污染的空間關聯性，環境變化和工業產業空間結構的內在聯系[6]，以及工業水源污染物排放的空間格局等內容；研究方法主要以ArcGIS空間分析技術為主，包括熱點分析、空間自相關、緩沖區分析、空間密度分析、核密度分析等，而采用標準差橢圓分析和核密度分析兩種方法相結合的研究相對較少。

云南省位于中國西南邊陲，與周邊多個南亞東南亞國家接壤，具有十分重要的區位優勢。近年來，云南省經濟快速增長，2017年規模以上工業增加值約 3 900 億元，比上年同期增長10.6%，隨之也帶來水污染問題?！对颇鲜?017年環境狀況公報》顯示[7]，在145條主要河流的253個國控和省控斷面中，水質優良率為82.6%，有62.0%的斷面水質為優，符合Ⅰ～Ⅱ類標準，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、劣Ⅴ類水質斷面分別占20.6%，9.5%，2.4%，5.5%。為進一步緩解經濟發展與水環境污染的矛盾，理清工業水污染點源空間分布特征，明確高負荷污染源分布區域，本文基于第二次全國污染源普查數據，利用標準差橢圓分析和核密度分析等方法，從行業的大類到小類，從州市、水系、區縣等不同角度解析工業源污水化學需氧量和氨氮排放的空間分布特征，旨在為云南省制定精細化水污染治理對策提供理論依據。

1 數據與方法

1.1 數據來源

本文采用第二次全國污染源普查數據，包括企業的經緯度、行業類型、廢水污染物化學需氧量和氨氮排放量。為保證研究的精確性，剔除了一些異常的企業，最終選擇排放化學需氧量的企業5 280個，排放氨氮的企業4 515個。云南省2017年16個州市化學需氧量和氨氮濃度數據來源于國家地表水環境質量監測網絡數據。

1.2 研究方法

1.2.1自然斷點法

自然斷點法[8]是根據數據中的自然轉折點和特征點把研究對象分為性質相似的組，且在數值差異相對較大的位置設置其邊界，能使級與級之間的不同最大化。本文采用自然斷點法對水污染點源進行分級，對工業水污染點源及其污染物排放量的空間分布特征進行分析。

1.2.2標準差橢圓分析

標準差橢圓分析是由Lefever在1926年提出的一種既能顯示點數據集的方向又能顯示其他期望性質的測量方法[9]，能精確地揭示數據在一個區域的集中趨勢及其中心附近的分散程度[10]。該方法主要是用橢圓的中心點、長軸、短軸、面積、偏轉角度來描述點數據集的空間分布特征[11]，其中，橢圓的中心點表示研究數據集的中心位置，長軸與短軸表示最大和最小擴散方向，面積大小表示數據集的離散程度，偏轉角度表示標準方差橢圓長軸與垂直方向上順時針所成的角度[12]。本文運用ArcGIS 10.5的標準方差橢圓分析工具，標準差級別以ArcGIS默認為主，生成的橢圓包括68%的工業點源，并以點源的化學需氧量、氨氮排放量為權重，從宏觀角度初步分析云南省工業水污染點源空間分布特征。

1.2.3核密度分析

核密度分析用于解析工業點源在其周圍領域中的密度，本文利用其從區縣角度來分析云南省工業水污染點源的空間分布特征。該方法以待估計企業點源為中心，然后進行圓形區域搜索，即使用核函數對周圍的企業點進行賦值，是一種利用密度函數估計樣本數據分布特征的非參數方法[13]。為使聚集特征可視化效果較為理想，更好地反映出工業點源的核密度分析結果，本研究經過多次實驗，最終把搜索半徑設為30 km，并將輸出單元設定為3 km×3 km的網格。

2 結果與分析

2.1 工業水污染點源行業分布特征

云南省水污染企業數量居前10的行業如表1所列，行業大類以制造業為主，其次是電力、熱力、燃氣及水生產和供應業。水污染企業數量最多的行業主要是酒、飲料和精制茶制造業(C-15)、農副食品加工業(C-13)、食品制造業(C-14)、水的生產和供應業(D-46)等，C-13、C-14、C-15也是化學需氧量三大排放行業，以73.3%企業量貢獻了全省62.3%的排放量；而氨氮排放前3的行業是C-13、C-14、化學原料和化學制品制造業(C-26)，C-15企業數量居首位但排放量僅占5.7%，可見行業企業數量與污染物排放量并不完全一致。由圖1可知，化學需氧量和氨氮排放企業空間分布差異較小，主要位于滇中、滇東北、滇西南的德宏州和西雙版納州，其中C-15主要分布在滇中地區、滇東北昭通市的北部以及滇西北大理州的東南部，C-13除滇西北較少外其余地區均有分布，C-14主要位于滇中的昆明市。

表1 云南省工業水污染點源數量前10行業Tab.1 Top ten industries of industrial water pollution point sources in Yunnan Province %

圖1 云南省工業水污染點源數量前3行業空間分布Fig.1 Spatial distribution of the top three industries with the most industrial water pollution point sources in Yunnan Province

2.2 工業水污染點源空間分布特征

2.2.1州市空間分布特征

以化學需氧量和氨氮作為水污染物的指標，在ArcGIS中運用自然斷點法進行分類，得到工業水污染點源及其污染物排放量的空間分布如圖2所示。點源主要集中在昆明市、曲靖市、大理州、楚雄州、玉溪市和昭通市，以上6個州市排放化學需氧量和氨氮的企業數量分別占云南省69.29%和70.37%，而迪慶州和怒江州的水污染企業數量較少，均在100家以下?；瘜W需氧量排放強度較大的主要是玉溪市、德宏州、麗江市、曲靖市，4個州市總排放量占全省90.77%；氨氮排放主要位于大理州、紅河州、玉溪市和楚雄州，以上州市總排放量占全省81.93%。其中，玉溪市以8.33%企業量貢獻了全省32.20%的化學需氧量排放量，氨氮企業量與排放量差異較小；大理州以10.63%企業量排放了全省56.55%的氨氮，化學需氧量排放較少；德宏州以2.90%企業量貢獻了29.95%的化學需氧量排放量，氨氮排放量在全省處于較低水平。另外，昆明市、曲靖市、西雙版納州、普洱市、大理州、紅河州是化學需氧量排放大戶較多的州市，而氨氮排放大戶則主要集中于昆明市、曲靖市、大理州、紅河州、保山市、普洱市、臨滄市。

圖2 云南省工業水污染點源及其污染負荷空間分布Fig.2 Spatial distribution of industrial water pollution point sources and their pollution loads in Yunnan Province

2.2.2六大水系空間分布特征

基于六大水系分布格局和流域總面積，計算出各水系水污染物排放強度如圖3所示。珠江水系化學需氧量和氨氮排放強度較高，原因是流域內的曲靖市和玉溪市企業數量和水污染物排放量較大；怒江水系氨氮排放強度較高，化學需氧量排放強度較低，是由于保山市企業數量較少，排放化學需氧量較低，但氨氮排放大戶較多；長江水系化學需氧量和氨氮排放強度均屬于高水平，麗江市、楚雄州、昆明市、曲靖市和昭通市不僅企業數量多，且水污染物排放量也高；伊洛瓦底江水系化學需氧量排放強度高，但氨氮排放強度較低，由德宏州化學需氧量排放較多造成；瀾滄江水系和紅河水系化學需氧量和氨氮的排放強度均低，在于兩個流域面積較大，且滇南區域企業數量較少，水污染排放大戶也相對較少。

圖3 云南省六大水系水污染物排放強度空間分布Fig.3 Spatial distribution of water pollutant discharge intensity of six major water systems in Yunnan Province

為進一步分析六大水系工業水污染點源行業特征，統計六大水系化學需氧量和氨氮排放量前3的行業如表2所列。前3行業對六大水系水污染總貢獻率均在50%以上，對化學需氧量貢獻率在59.95%～76.72% 之間，對氨氮貢獻率為77.32%～91.40%。六大水系水污染行業大類以制造業為主，其次是采礦業、電力、熱力、燃氣及水生產和供應業。C-13、C-14、C-26、石油、煤炭及其他燃料加工業(C-25)、黑色金屬礦采選業(B-08)等行業排放的水污染物對水系的貢獻率更大。其中，C-13是六大水系中化學需氧量排放的第一大業，對每個水系貢獻率均在33%以上，珠江流域一半以上的化學需氧量主要是來源于此；C-14是化學需氧量排放的第二大行業。在氨氮排放量行業占比中，伊洛瓦底江流域和怒江流域排放占比最大的行業是C-13，紅河水系、瀾滄江水系、珠江水系是以C-25、B-08和C-26為主，長江流域C-14 的排放比重最大。

2.3 工業水污染點源負荷標準差橢圓分析

對化學需氧量和氨氮排放的全部行業、前3排放行業進行標準差橢圓分析，結果如表3和圖4所示。化學需氧量排放全部行業的聚集中心位于滇中，橢圓面積、橢圓y軸方向軸長較大，說明分布范圍較大，但聚集程度較小，主要分布在滇中、滇西南、滇東北等地區，由橢圓x軸方向軸長和橢圓x軸的旋轉角度可知其沿東北-西南方向分布。其次，C-14分布較聚集但范圍較小，大部分位于滇中地區，沿西北-東南走向分布。C-13和C-15大致沿東西方向分布，C-13分布范圍比C-15大，C-13位于滇中、滇西南的普洱市及臨滄市部分地區、大理州東部等地區，而C-15主要分布在滇中、滇東大部分州市。從氨氮排放的全部行業標準橢圓看，分布聚集中心相對于化學需氧量排放行業往南移，但分布聚集中心仍是位于滇中地區，分布在滇中地區和滇西的麗江市、大理州、臨滄市、普洱市部分的地區。除C-26是沿東北-西南方向分布外，其余2個行業大致是沿東西走向分布，C-26、C-14、C-13分布范圍依次增大，聚集程度最大的是C-14，最小的是C-26。C-14分布范圍為細長型，分布中軸線大體上從東向西依次跨越了曲靖市、玉溪市、昆明市、楚雄州、普洱市、臨滄市、保山市、德宏州8個州市。C-26分布范圍較小，主要位于昆明市、玉溪市、曲靖市、紅河州交界處。

圖4 云南省工業水污染點源負荷標準差橢圓分析Fig.4 Ellipse analysis on standard deviation of industrial water pollution point source load in Yunnan Province

表3 云南省工業水污染點源負荷標準差橢圓分析結果Tab.3 Ellipse analysis on standard deviation of industrial water pollution point source load in Yunnan Province

2.4 工業水污染點源負荷核密度分析

化學需氧量和氨氮排放的全部行業、前3排放行業的工業負荷密度分布如圖5所示。從排放化學需氧量的全部行業來看，污染密度較大的區域主要位于昆明市的官渡區、呈貢區、盤龍區、五華區、西山區、安寧市、晉寧縣、宜良縣、石林彝族自治縣，西雙版納州的勐海縣、景洪市，紅河州的石屏縣，大理州的彌渡縣、祥云縣、大理市、賓川縣，曲靖市的富源縣、陸良縣、宣威市，保山市的隆陽區，玉溪市的江川縣、通?？h、紅塔區等地區。其中，C-13主要分布于紅河州的石屏縣、蒙自市、個舊市，昆明市的官渡區、盤龍區、五華區、西山區，大理州的彌渡縣、永平縣；C-14主要集中在昆明市的石林彝族自治縣、宜良縣、呈貢區、官渡區、盤龍區、五華區、西山區，大理州的祥云縣、大理市、彌渡縣，麗江市的古城區、玉龍納西族自治縣，玉溪市的江川縣、紅塔區、通?？h；C-15排放聚集在昆明市的晉寧縣、安寧市，曲靖市的富源縣、麒麟區、沾益縣、師宗縣，玉溪市的紅塔區、江川縣、華寧縣，德宏州的瑞麗市，楚雄州的雙柏縣、姚安縣。從排放氨氮的全部行業來看，污染密度較高的主要位于紅河州的開遠市，臨滄市的臨翔區，昆明市的晉寧縣、富民縣，曲靖市的沾益縣，大理州的大理市，保山市的隆陽區。其中，C-13主要集中在昆明市的官渡區、呈貢區、盤龍區、五華區、西山區，紅河州的石屏縣、開遠市，大理州的彌渡縣、鶴慶縣，昭通市的巧家縣，曲靖市的麒麟區，保山市的隆陽區；C-14和C-26排放聚集范圍較小，C-14主要集中在昆明市的晉寧縣、安寧市，保山市的隆陽區，C-26主要集中在曲靖市的沾益縣，昆明市的富民縣。

圖5 云南省工業水污染點源負荷核密度分析Fig.5 Nuclear density analysis on industrial water pollution point source load in Yunnan Province

總體而言，云南省工業水污染排放源聚集呈現空間差異，污染密度較大的主要集中在滇中地區，C-13呈現帶狀分布，C-14、C-15、C-26呈現點狀分布，大部分高污染密度區位于當地州市政府所在地或與其相鄰的縣區，主要是因為州市政府所在地一般經濟較為發達、人口密度高、城市化水平較高、工業企業數量較多，排放的污染物也相對較多，相鄰縣區受到中心城市的影響，在行業結構上也呈現出一定的相似性[14]。

為驗證研究的可靠性，統計了2017年云南省16個州市河流化學需氧量和氨氮濃度的年均值，利用反距離插值得到圖6?；瘜W需氧量濃度較高的是楚雄州和昆明市，其次是玉溪市、曲靖市、紅河州、麗江市以及西雙版納州，其余較低；而氨氮濃度較高的是昆明市、楚雄州、曲靖市，其次是玉溪市、大理州、麗江市、普洱市，其余較低。對比發現，河流水質濃度空間分布與工業點源化學需氧量和氨氮的排放量大部分一致，也存在和水系排放強度不一致的部分。工業水污染點源大部分位于壩子[15]內，存在地形、地貌、海拔阻隔，流域內的工業點源可能隨小河流排放到其他水系；其次是六大流域的面積不同，水環境容量不同，例如紅河流域化學需氧量排放量大，但是由于流域面積大，使得該水系的排放強度較低；最后河流水質污染是各種污染源共同作用的結果，本文僅僅分析了工業點源，對于農業面源和生活源等沒有涉及，然而農業面源對水污染的貢獻較大[16]。

圖6 云南省化學需氧量和氨氮濃度空間分布Fig.6 Spatial distribution of chemical oxygen demand and ammonia nitrogen concentration in Yunnan Province

3 結論與建議

3.1 結 論

(1) 工業水污染點源數量最多的行業主要是C-15、C-13、C-14、D-46等，化學需氧量排放前3的行業是C-13、C-14、C-15，氨氮排放前3的行業是C-13、C-14、C-26。

(2) 化學需氧量排放主要位于玉溪市、德宏州、麗江市、曲靖市，總計占云南省總排放90.77%；氨氮排放集中于大理州、紅河州、玉溪市、楚雄州，占81.93%。珠江水系化學需氧量和氨氮排放強度較高；長江水系化學需氧量和氨氮排放強度屬于高水平；怒江水系氨氮排放強度較高，化學需氧量排放較低；而伊洛瓦底江水系化學需氧量排放強度高，氨氮排放強度較低；瀾滄江水系和紅河水系化學需氧量和氨氮的排放強度均低。

(3) 水污染點源主要的排放行業在空間分布上具有方向性并形成相對集中的趨勢，聚集中心均位于滇中，污染濃度較高的聚集區縣大部分位于州市政府所在地或其相鄰地區。工業污染源與河流污染物化學需氧量和氨氮濃度值在空間分布上總體保持一致，少數區域不同。

3.2 建 議

(1) 建立水系、州市、縣域3級分區管理體系，加強對重點區域和行業的分區、分類治理，制定更嚴格的環境準入標準和減排方案。在水系上，重點關注珠江水系在農副食品加工業，酒、飲料和精制茶制造業，食品制造業，化學原料和化學制品制造業等行業中氨氮和化學需氧量的排放；怒江水系重點行業是農副食品加工業、化學原料和化學制品制造業、食品制造業的氨氮排放。加強對上述重點行業的監督和管理，利用產業政策淘汰環境污染較重的落后小企業，改善大企業廢水處理能力，逐步減少水污染物的源頭排放。在州市上，化學需氧量排放重點區域是玉溪市、德宏州、麗江市、曲靖市，氨氮排放重點區域是大理州、紅河州、玉溪市、楚雄州。在縣域上，治理重點區域是當地州市政府所在地或與其相鄰的縣區。針對以上重點區域實行水污染物排放總量控制，并增加區域內污水處理廠的建設，提高其處理效率和運行穩定性。

(2) 根據云南省工業水污染點源負荷標準差橢圓分析結果，針對行業水污染排放聚集的重點區域應該實行跨行政區聯防、聯控協同治理。注重行政區間的合作，完善跨行政區信息共享的渠道，協同作戰；進一步加強聚集區不同行業水污染物的集中治理，制定分區域、分行業的環境準入標準和減排方案，推進化學需氧量和氨氮污染物源頭防控。