黃河流域水環境問題研究現狀、挑戰與展望

李文婧，周凌峰，趙曉麗*，吳小偉，劉玲玲，劉文豐，吳豐昌

1.中國環境科學研究院，環境基準與風險評估國家重點實驗室，北京 100012

2.中國農業大學水利與土木工程學院，北京 100083

黃河是中華民族的母親河，發源于青藏高原，流經青海省、四川省、甘肅省、寧夏回族自治區、內蒙古自治區、山西省、陜西省、河南省及山東省9 個省區（見圖1），全長5 465 km，流域總面積79.5×104km2，是連接西北高原與東部渤海的重要生態廊道，更是橫跨東、中、西部的重要經濟區和能源基地，在我國經濟社會發展和生態安全方面具有重要的地位，對維護國家和區域安全具有不可替代的重要作用[1-2].黨的十八大以來，黃河流域水環境持續向好，總體水質明顯改善，主要污染物濃度呈下降趨勢.但黃河流域水污染呈現復合型和結構型特點，仍存在產業轉型升級滯后以及水污染治理和環境風險防范工作不到位等問題[3]，流域內有限的水資源和脆弱的生態系統也將長期對流域水環境保護和綠色可持續發展構成威脅.當前，“黃河流域生態保護和高質量發展”已被列為國家重大戰略[4].2019 年9 月，在黃河流域生態保護和高質量發展座談會上，習近平總書記提出“治理黃河，重在保護，要在治理”[5].中華人民共和國第十三屆全國人民代表大會常務委員會第三十七次會議通過的《中華人民共和國黃河保護法》于2023 年4 月1日起施行，為黃河流域的水安全提供了有力的法律保障，也為黃河流域生態保護和高質量發展奠定了堅實的基礎[6].

圖1 黃河流域與水質監測站點Fig.1 Yellow River Basin and water quality monitoring section

受人類活動和氣候變化等因素的影響，黃河流域水環境問題成因復雜且本底不清，識別與診斷技術方法缺乏，導致治理管控缺少抓手、科學依據不足，水環境問題的精準識別診斷仍面臨巨大挑戰.因此，科學診斷黃河流域重大水環境問題是新時期治理黃河的前提和關鍵.該研究圍繞黃河流域水環境問題診斷這一科學問題，聚焦黃河流域斷面水質改善的核心需求，分析黃河流域水環境現狀，總結國內外關于黃河流域水環境問題診斷的進展、問題與挑戰，并針對黃河流域水環境研究的未來發展進行展望.

1 黃河流域水質現狀

在黃河流域水質評價和時空變化趨勢研究方面，我國學者已經開展大量研究.陳靜生等[7]對黃河流域1960-1994 年的水質資料進行分析研究，發現黃河流域各主要離子和離子總量均有緩慢增長趨勢.孔祥春等[8]采用單項參數分類和地圖疊加法對黃河干支流水質進行綜合評價，結果表明黃河干流及主要支流重點河段全年均污染嚴重.孫占超等[9]基于云模型和熵權法理論，對黃河干流寧夏段進行水質現狀綜合評價，客觀反映了寧夏境內黃河干流的水環境狀況.楊學福等[10]采用多種分析方法對2012 年渭河西安-咸陽段水體的污染特征進行綜合評價，發現水體主要以有機污染和富營養化污染為主.朱志鵬等[11]系統分析了2015-2019 年黃河干流8 個站點的水質時空分布和趨勢變化特征，確定黃河干流主要污染指標為氨氮和總磷.王希歡等[12]開展烏梁素海流域農業排干和湖體硝酸鹽分析，應用IsoSource 同位素模型估算流域生產生活污水、土壤氮源、化肥和大氣沉降的貢獻率，發現春季應著重加強農業面源污染控制，夏季和秋季應強化城鄉生活污水處理.郝晨林等[13]采集黃河流域(青海段)30 個斷面不同時期的水樣進行監測，分析氮時空分布特征，并采用氮氧穩定同位素技術解析了水體中氮的主要來源，發現黃河流域(青海段)氮污染主要集中在湟水河流域，主要來源為土壤源、凋落物源和城鎮點源.

近年來，黃河流域水質評價研究缺乏對黃河全流域的水質評價，因此筆者收集了來自中國環境監測總站對黃河流域地表水國考斷面(點位)進行監測并發布的《全國地表水水質月報》(2018-2022年)以及黃河流域國控斷面近120 個自動監測站點的水質監測數據(2020 年12 月-2021 年11 月)，對2018-2022 年黃河全流域水質總體狀況和時空差異進行評價.全國地表水水質月報中COD 代表CODCr，高錳酸鹽指數代表CODMn，總氮數據未計入地表水質月報.

1.1 流域總體水質好轉，干支流水質改善不同步

“十三五”和“十四五”期間國家地表水環境質量監測網在黃河流域設置多個國考斷面(點位)，并根據監測結果編制《全國地表水水質月報》，水質評價標準執行《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002)，按Ⅰ類～劣Ⅴ類六個類別進行評價.根據2018-2022 年5 年共60 期全國地表水水質月報，統計了黃河流域的基本水質情況.

由圖2 可見，2018-2022 年黃河流域地表水總體水質狀況逐漸向好，總體水質狀況從輕度污染提升到良好狀態，Ⅰ~Ⅲ類水占比由69.4%升至85.1%，Ⅴ類和劣Ⅴ類水占比由15.8%降至5.22%.干流在2020年徹底消除Ⅴ類和劣Ⅴ類水體，截至2022 年，優于Ⅲ類水體的斷面占86.6%.但在干流水質得到改善的同時，中游部分支流水污染形勢依然嚴峻，截至2022 年，支流水質為Ⅲ類以下的監測斷面仍占6.3%，部分支流近年來水質持續為劣Ⅴ類，水環境狀況仍不容樂觀.

圖2 黃河流域斷面地表水質類別占比Fig.2 The proportion of surface water quality categories in the Yellow River Basin section

1.2 主要污染指標總體呈下降趨勢，季節性差異明顯

基于《全國地表水水質月報》黃河流域監測斷面主要污染物近5 年(2018 年1 月-2022 年12 月)月均濃度超標數據，識別黃河流域主要污染指標和超標情況(見圖3).由圖3 可見：化學需氧量（COD）、氨氮、總磷、五日生化需氧量（BOD）、高錳酸鹽指數超標斷面占比超過5%，超標率較高，需要重點關注；氟化物、石油類和溶解氧等超標斷面占比在1%~5%之間；砷、汞、硫化物、酸堿度（pH）等指標超標斷面占比低于1%，超標率較小.

圖3 黃河流域主要污染指標超標斷面占比Fig.3 Proportion of main pollution indexes exceeding the standard section in the Yellow River Basin

該研究根據2018-2022 年黃河流域主要污染指標的月均超標率，識別各污染指標的時間變化趨勢.由圖4 可見，污染指標超標率總體呈下降趨勢，氨氮、氟化物等在冬季污染較為嚴重，夏季污染較輕.夏季氨氮濃度低可能是由于夏季水溫較高，微生物活性增強，硝化反應速率升高[14-15]，因此氨氮濃度降低；枯水期水量較小、顆粒物含量較低和微生物活性降低等因素導致氨氮污染加重[16].相反，COD、高錳酸鹽指數和溶解氧的超標率則呈夏季高、冬季低的趨勢.黃河流域COD 主要來自農業源排放，占比高達62.81%[4]，夏季降水量大，面源污染負荷強，導致黃河有機污染負荷增加[17].溶解氧濃度呈現出較大的季節性差異，水溫是影響水體中溶解氧濃度的主要因素，溫度越高水體中的氧氣越容易飽和[18]，夏季汛期氣溫高，水體溶解氧濃度較低，從而導致水體溶解氧超標率高.

圖4 黃河流域主要污染指標超標率時間趨勢Fig.4 Time trend of over-standard rate of main pollution indexes in the Yellow River Basin

1.3 水質空間差異大，中下游地區和部分支流污染嚴重

根據《全國地表水水質月報》數據統計黃河流域整體污染超標情況，為進一步探究黃河水質的空間差異，基于黃河流域國控斷面2020 年12 月-2021 年11 月近120 個自動監測站點的水質監測數據，對4種主要污染物(高錳酸鹽指數、總磷、氨氮和總氮)的斷面超標情況及空間分布進行分析(見圖5).高錳酸鹽指數超標率較高的站點主要位于榆林市、呂梁市、運城市和西安市，總磷超標率較高的站點主要分布在榆林市、晉中市、西安市和銅川市，氨氮在晉中市、榆林市和運城市存在部分站點嚴重超標情況.黃河流域總氮不納入水質月報統計數據，因此前文未作為主要污染物進行識別.但根據站點監測數據來看，總氮在多數站點均嚴重超標，黃河流域總氮污染問題嚴重.

圖5 黃河流域主要污染物監測斷面分布及超標率Fig.5 The distribution of main pollutant monitoring sections and the over-standard rate in the Yellow River Basin

渭河是黃河最大的支流，接納關中地區(陜西省中部)各級支流和沿岸排放的污染物，流域內造紙、化工、電子設備等重污染企業較多，加之沿岸城鎮擴張速度加快，匯水區人口密集大，大量廢水廢渣和生活污水未經有效處理直接排入河流[10].咸陽市、西安市和渭南市境內大量排放生活污水和農業面源污染物導致地表氨氮濃度升高[19-21].山西省內污染排放主要來源于化工、煤炭采選和焦化冶金等行業，省內斷面常年水質較差[22].汾河作為山西省重要的能源化工基地，干流區域經濟發達，人口密度大，煤炭、冶金和焦化業發達，導致工業廢水和生活污水排放造成的高錳酸鹽指數超標程度較高.汾河下游氨氮的超標可能主要受到農田地表徑流、畜禽養殖的影響[23]，部分區域的高值可能來源于工業廢水的污染[24]，加上夏季降雨徑流沖刷，導致斷面監測氨氮超標嚴重.

2 黃河流域水環境問題診斷研究進展與挑戰

針對黃河流域水質現狀及存在問題，圍繞斷面水質達標/提升的核心需求，對黃河流域水環境承載力評價、水污染排放清單構建與水環境模型模擬這3個方向的研究進展和挑戰進行綜述.需要注意的是，該研究主要關注水質診斷和成因分析，斷面水質達標/提升涉及的其他技術方法，如排放總量分配與削減等技術方法不在該文討論之列.

2.1 黃河流域水環境承載力研究

水環境承載力是指在一定的水域，其水體能夠被繼續使用并仍保持良好生態系統功能時，所能夠容納污水及污染物的最大能力[25]，是衡量一個地區社會發展狀況、經濟建設水平、生態環境健康水平的重要指標[26-27].流域水環境承載力受到可利用水資源量、水體納污能力和區域氣候變化等眾多因素的影響，是否超載對應于排入水體的污染物是否超過水環境容量以及水環境質量是否達到人為設立的水質目標[28].運用科學系統的評價方法衡量黃河流域水環境承載力狀態，可為流域/區域水環境管理、斷面水質達標/提升方案的制定提供科學依據.

蔣曉輝等[29]建立了區域水環境承載力的大系統分解協調模型，將模型應用于關中地區，得到不同方案下關中地區水環境承載力及提高關中水環境承載力的最優策略.錢華[30]建立了水環境承載力的指標體系和評價模型，并以黃河萬家寨水庫及其上游為例進行了評價和分析，提出了提高水環境承載力的措施和建議.陳艷霞[31]采用區域水環境承載力評價模型(RAG-PPE)，開展了渭河流域關中地區水環境承載力的綜合評價，發現維持現有用水水平下，水環境承載力將呈逐年下降趨勢.賈紫牧等[32]以湟水河流域小峽橋監測斷面上游為例，針對不同分區特點提出具有針對性的水環境承載力調控措施.梁天祎[27]在伊洛河流域構建了水環境承載力評價模型，計算了伊洛河流域2009-2018 年水環境承載力，并預測不同情境下流域水環境承載力狀況.張揚等[33]以青海省湟水流域為例，構建了氣候變化影響下的流域水環境承載力評估方法體系，發現未來氣候變化情景下湟水流域水環境承載力總體呈現改善的趨勢.

干支流水質水量差異顯著，氣候變化影響下水沙變化大，亟需開展氣候變化下的流域水環境承載力動態研究.未來氣候變化將通過改變流域水文循環和污染物輸移等過程對水資源承載力和水環境容量產生重大影響，黃河流域干支流水質水量差異顯著，同時也是世界上含沙量最高、輸沙量最大的河流.未來進行黃河流域水環境承載力評價時，需要先調查與評估水環境現狀，在原有計算方法的基礎上綜合考慮流域水質、水量和含沙量等因素，進一步開展氣候變化影響下水環境承載力的動態變化評估與分析研究，揭示黃河流域氣候變化對流域水環境承載力的影響，才能滿足黃河流域水環境管理的重要需求.

2.2 黃河流域水污染源排放清單研究

水污染源清單是指在特定地理區域、特定時間間隔內，各類污染源排入水體的各種污染物的種類和數量的綜合清單[34]，在一定程度上能反映出污染物從源頭產生、排放直到入河的過程，是研究水污染成因、限制污染物排放的重要依據之一.排放清單的編制將污染源大體上分為點源和面源，點源包括規模化畜禽養殖、工業企業污水和集中式污水處理設施，面源包括城鎮和農村生活廢水、農業種植、畜禽散養和城市徑流.

殷炳超等[35]在湟水流域構建了包括點源和面源的全口徑水環境污染污染物排放清單，并在此基礎上分析了污染物排放的空間分布與熱點區域.翟元曉等[36]通過排放因子法對黃河流域2000 年、2005 年、2010 年農業生產活性氮排放量進行核算，得出各省份排入水體的活性氮排放量以及變化趨勢，河南省和山西省排放量持續較高，各省份水體活性氮排放量總體呈不同程度的下降趨勢.陶園等[37]分析了黃河流域污染物排放總量以及流域內各省份農業面源污染排放量，探究了影響農業源污染化肥施用量、秸稈產生量和畜禽養殖等因素的時空分布情況，發現污染量輸出最大的省份為內蒙古自治區，畜禽養殖是化學需氧量排放量最直接的影響因素，化肥是氨氮、總氮及總磷排放量最直接的影響因素.李雪迎等[38]構建了水污染物空間分類模型，引入污染綜合評價指數，揭示黃河流域甘肅段工業廢水污染的空間排放特征.白璐等[4]分別從污染源的活動水平、污染物產生、污染物去除和污染物排放4 個方面選取了28 個指標，對黃河流域60 個市州主要水污染物排放特征開展了現狀評價和聚類分析，發現黃河流域中下游城市污染排放強度相對較大且分布集中，化學需氧量和總磷排放主要來自農業源，氨氮排放主要來自生活源，總氮排放來自農業源和生活源.

現有排放清單分辨率不足，難以支撐精細化水環境管理.目前，雖然已有研究在黃河流域的部分支流開展了污染源排放清單的編制，但在清單構建過程中，包括污染源的分類分級體系、編制流程和方法的確定、清單時空精度的界定、數據庫平臺開發以及清單動態更新的流域水污染源排放清單構建體系尚未建立.已有清單研究大部分基于省級或市級數據輸入，時間尺度上多為年尺度排放清單，未能達到較高的時空精度.高分辨率污染排放清單是研究水污染成因的重要依據，對于水質提升方案的制定至關重要.未來應該在黃河流域針對全流域整體和重點子流域開展多尺度研究，基于統計數據的可得性，獲取區域點面源排污總量，根據參數權重進行降尺度空間分配，考慮自然匯水單元與行政單元的嵌套與融合，構建多尺度高分辨率污染物排放清單，有助于為流域精細化水環境管理提供基礎數據支撐.

2.3 黃河流域水環境模型模擬研究

流域斷面水質狀況是上游來水、支流匯水和流域內點面源等負荷污染的綜合體現，流域水環境模型是對整個流域系統發生的復雜污染過程進行定量化描述的有力工具[39].通過模擬污染物在流域范圍內的遷移轉化過程，建立污染源排放與斷面水質的響應關系，可以揭示污染物遷移的時空分布規律[40]，量化污染源產生的污染負荷對收納水體水質的貢獻，為斷面水質提升提供科學依據.

學者們在黃河流域水環境模擬方面開展了針對不同點面源污染的大量研究.張志杰等[41]基于DPeRS模型，對黃河流域甘肅省境內面源污染進行核算與分析，明確了不同區域的污染貢獻.Zheng 等[42]采用RSPRROW 模型模擬黃河流域2006-2017 年總氮和總磷通量時空變化，證明了氣候變化對黃河流域養分負荷的重要影響.王軍等[43]以小浪底水庫溶解氧含量為研究對象，構建了一種卷積神經網絡CNN 和長短時記憶網絡LSTM 結合的CNN-LSTM 預測模型，比較準確地預測了小浪底水庫的溶解氧含量.程靜等[44]利用STELLA 模型對汾河流域非點源污染總氮負荷進行估算，預測總氮污染負荷到2030 年將增長6.83%.劉林等[45]利用AnnAGNPS 模型對灞河流域非點源污染特征進行定量分析，發現灞河總氮、總磷污染負荷在下游子流域遠高于上游.邱瑀等[46]基于2012-2014 年水質數據，綜合應用多元統計分析與一維水質模型(Qual2Kw)，系統分析了湟水河水質時空變化及污染物來源，發現支流點源是氨氮的主要污染源，城鎮生活污水和工業廢水排放是總氮的主要污染來源.王維剛等[47]采用改進的SWAT 模型構建了烏梁素海流域分布式水文水質模型，計算分析各管理情景下硝態氮與總磷負荷及對各作物產量的影響.王艷等[48]采用考慮降雨和地形影響因子的輸出系數模型，量化了河套灌區農田非點源總氮、總磷污染物負荷以及入河量估算，并識別污染關鍵源區.

水環境模擬缺乏多尺度污染排放-斷面水質響應關系研究.目前，黃河流域模型模擬研究主要集中在負荷量化與時空分布特征研究上，缺乏從污染源排放經過在水體中遷移轉化到達超標斷面的全過程響應關系的研究.黃河全流域的系統性模擬研究較少，對黃河整體的宏觀決策支撐不足.針對斷面水質達標目標，可以在黃河流域聯合已建立的多尺度高分辨率排放清單，基于不同區域排放特征建立污染排放與斷面水質響應模型，量化各控制單元不同污染源對流域污染濃度/通量的貢獻，分析陸源點面源排放和重點支流輸入對斷面水質的影響.進一步解析主要污染物濃度/通量與流域人類活動、氣候變化和自然因素的響應關系，明晰污染物濃度/通量變化主要驅動因子，為污染溯源和斷面水質達標管理提供支撐.

3 結論與展望

a) 2018-2022 年，黃河流域整體水質持續向好，水體達到良好狀態.但干支流水質改善不同步，干流在2020 年徹底消除GB 3838-2002Ⅴ類和劣Ⅴ類水體，截至2022 年，優于Ⅲ類水體的斷面占86.6%，但部分支流近年來水質持續為劣Ⅴ類，污染仍較為嚴重；主要污染指標總體呈下降趨勢，季節性差異明顯；污染空間差異較大，黃河中下游地區和部分支流污染嚴重.

b)目前，黃河流域的水環境研究仍存在以下幾個方面問題：黃河水質干支流差異顯著，水沙變化大，缺少氣候變化下的流域水環境承載力動態研究；現有排放清單分辨率不足，多為省級、市級以及年尺度排放清單，難以支撐流域精細化水環境管理；水環境模擬缺乏多尺度污染排放-斷面水質響應關系研究，黃河全流域的系統性模擬研究較少，對黃河整體的宏觀決策支撐不足.

c)為了滿足黃河流域斷面水質達標的核心需求，建議在黃河流域開展“問題識別-成因診斷-對策方案”的鏈條式研究，解析水環境時空變化特征與區域差異，識別水污染優先控制區及重大水環境問題，開展氣候變化下的流域水環境承載力動態研究，建立黃河流域動態高時空分辨率的污染源數據集，進一步構建污染排放與水質響應關系模型，揭示多尺度污染源排放-斷面水質響應關系，從而提出流域水環境綜合管控方案，為黃河流域生態保護和高質量發展重大國家戰略提供支撐.