基于水質提升的黃河流域城市尺度問題分析及對策研究

李中華，井柳新*，洪 源，王 帥，續衍雪

1.生態環境部環境規劃院，北京 100041

2.黃河生態環境科學研究所，河南 鄭州 450001

黃河是中華民族的母親河，在我國經濟社會發展和生態安全方面具有十分重要的地位.黨中央、國務院高度重視黃河流域生態保護和高質量發展，習近平總書記多次強調黃河流域必須下大力氣進行大保護、大治理.黃河流域水生態環境問題具有較為明顯的地域特征[1-6]，《黃河流域生態保護和高質量發展規劃綱要》《黃河流域生態環境保護規劃》均明確提出了分區分類推進流域環境保護和治理的要求，應統籌流域上下游、左右岸、干支流，因地制宜，科學制定差別化的分區分類保護和治理措施.

近年來，在黃河流域空間管控與治理領域取得了一定進展.白璐等[7]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 個城市主要水污染物排放特征開展了現狀評價和聚類分析，發現上游地區單位水資源利用效率和排放績效低，下游地區區域性污染集聚效應明顯，山西省、河南省和山東省沿黃城市在空間上表現為區域性連片污染集聚，集中分布在晉中城市群和中原城市群.黃亞捷等[8]針對黃河流域農村生活污水治理的空間差異開展了研究，發現流域上、中、下游農村生活污水治理水平差異明顯，河南部分地區、烏梁素海、涑水河等區域農村生活污水治理率低.周夏飛等[9]采用環境風險場評估法對黃河流域開展突發性和累積性水污染風險分區評估，發現黃河干流蘭州段、白銀段、中衛段、烏海段、巴彥淖爾段、鄭州段、德州段和東營段等突發性、累積性環境風險均較高.郝姝然等[10]分析了黃河流域9 個省份及62 個主要城市的水資源狀況、供水用水狀況、污水處理與再生利用狀況及再生水利用潛力，發現上游11 個城市的再生水利用率在25%以下，中下游20 個城市的再生水利用率在30%以下，對于上游蘭州、包頭等城市，中下游榆林、太原、濟源和泰安等城市需進一步加快推進污水資源化利用、提高再生水利用率.路瑞等[11]對2004-2017 年黃河流域水資源生態足跡、水生態承載力以及水資源生態足跡與社會經濟發展協調性的時空分異特征進行了分析，發現上游青海省、四川省水資源生態盈余較大，但中下游各省份水資源生態足跡普遍大于水生態承載力.李冠穩等[12]對黃河流域近20 年生態系統質量的時空變化進行了分析，發現流域生態系統質量存在局部改善與退化并存的現象，其中退化面積占18.48%，主要分布在黃河源區、陜西關中盆地和黃河下游.史力柯等[13]開展了2010年以來黃河流域人口與經濟協調關系時空演變研究，發現空間分布上，黃河流域東部和南部是人口、經濟的高度集聚區，2010 年以來黃河流域中游人口極化區范圍縮小而人口與經濟協調區范圍擴大的特征明顯.王梅等[14]針對2012-2019 年黃河流域11 個城市水質與城市發展水平及其耦合協調情況進行了分析，發現城市發展水平整體呈逐年上升趨勢，在空間上呈現上下游高、中游低的規律，城市發展和水質整體為良好協調發展.

綜上，學者們分別從水環境、水資源、水生態和經濟發展等角度對黃河流域空間特征進行了分析，但研究多集中于流域和省份等較大的空間尺度，城市尺度的研究則重點關注水資源利用和污染物排放等的空間分布狀況，缺少以水質改善為核心針對黃河流域城市尺度水環境突出問題的空間異質性分析及癥結探索.鑒于此，本研究以黃河流域62 個城市為研究對象，采用地理信息系統空間分析技術，在《重點流域水生態環境保護規劃》劃定的58 個控制單元基礎上[15]，擬合控制單元邊界與地級行政區域界線，劃分了163 個城市控制子單元，分析了各城市水環境質量狀況，包括國控斷面優良比例、水質指數、超標因子等，明確了26 個存在問題的控制子單元主要水環境控制因子；從經濟社會發展、水資源管理、水土保持、污染防控等4 個方面構建了涵蓋7 項指標的水環境問題癥結研判指標體系，并基于地理信息系統技術開展了空間數據建模分析，提出各城市水環境主要管控要點及相關上下游城市協調管控建議，以期推動實現黃河流域城市尺度水環境質量提升及協同保護機制的建立.

1 研究區概況

黃河發源于青藏高原巴顏喀拉山北麓，呈“幾”字形流經青海省、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、山東省9 省份62 個城市，全長5 464 km，流域面積79.5×104km2，是我國第二長河[10].黃河流域橫跨我國東中西部，連接青藏高原、黃土高原、華北平原與渤海，黃河主要一級支流包括湟水河、洮河、無定河、汾河、渭河、伊洛河等.本研究區域涵蓋黃河流域內62 個城市，具體如圖1 所示.

圖1 黃河流域范圍示意Fig.1 Boundary of the Yellow River Basin

2 研究方法

2.1 控制子單元劃分方法

為了使復雜的流域水生態環境問題進一步細化分解落實到控制單元網格內，實現流域精細化管理，根據流域自然匯水特征和行政管理需要，結合DEM(數字高程模型)、遙感影像、水系、各級行政區劃、水環境控制斷面等數據，利用GIS 等空間建模分析技術[16-20]，開展流域控制子單元劃分工作，通過水文單元和行政區劃的充分擬合，將水生態環境問題層層落實到鄉鎮及以上級別的行政轄區，從而實現整個流域水生態環境治理改善.具體劃分工作主要包括以下4個步驟(見圖2).

圖2 黃河流域控制子單元劃分流程Fig.2 Control subunit division process of the Yellow River Basin

a)細化水文單元概化河流水系.基于DEM 數據，利用水文分析工具提取流域地表特征和流域水系特征，同時結合已有水系、遙感影像等，對提取的流域水系進行校正，在水利部多級水資源分區的基礎上進一步細化水文單元.

b)通過細化的水文單元生成控制斷面匯水單元.綜合考慮流域的控制斷面位置、地形特征、匯水特征、水系特征等，采用GIS 空間分析技術，基于選取的控制斷面位置、水體分布、上下游關系等多種空間要素進行空間疊加分析，將水文單元初步劃分到一個斷面匯水單元.

c)行政區與匯水單元相結合的流域水環境管理控制單元劃分.在斷面匯水單元劃分的基礎上，結合污染源分布、土地利用、鄉鎮級行政區劃、管理經驗等對斷面匯水單元邊界適當做出調整與完善，并將位于同一個流域的匯水單元進行合并，形成流域水環境管理控制單元.

d)城市級別的流域水環境管理控制子單元劃分.將黃河流域地級行政區域界線和流域水環境管理控制單元邊界進行空間疊加和擬合，形成黃河流域城市級別的流域水環境管理控制子單元.

2.2 指標體系構建及空間分析方法

2.2.1 水環境問題癥結研判指標體系

本研究以流域、城市兩個尺度水質提升為目標，針對黃河流域經濟發展模式仍然偏重偏粗、水資源過度開發利用、生態環境脆弱、環境風險隱患突出等問題，從經濟社會發展、水資源管理、水土保持、污染防控等4 個方面，構建了基于“目標-準則-指標”3 級層次結構模型，涉及指標7 項(見表1)，結合空間建模分析法，研判不同控制單元、不同城市水環境問題成因[21-26].

表1 黃河流域水環境問題癥結研判指標體系Table 1 Index system for studying and judging the crux of water environment problems in the Yellow River Basin

2.2.2 水環境狀況分析

2.2.2.1 水質指數計算

水質指數是環境質量指數的一種，它是綜合幾個水質參數的檢驗結果，來綜合描述水質質量的一個無量綱數值.本研究中水質指數的計算采用《城市地表水環境質量排名技術規定(試行)》中的方法，選取《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002)中除水溫、糞大腸菌群和總氮外的21 項指標，即pH、溶解氧、高錳酸鹽指數、生化需氧量、氨氮、石油類、揮發酚、汞、鉛、總磷、化學需氧量、銅、鋅、氟化物、硒、砷、鎘、鉻(六價)、氰化物、陰離子表面活性劑和硫化物.城市地表水環境質量狀況排名基于城市水質指數，按照城市水質指數從小到大的順序進行排名，排名越靠前說明城市地表水環境質量狀況越好.

2.2.2.2 水質超標倍數計算

水質超標倍數計算公式：

式中：P為某一種水質指標的超標倍數；Ci為水質指標i的實測濃度值，mg/L；Co為2025 年該水質指標的目標濃度值，mg/L.

2.2.3 空間疊加分析建模

空間疊加分析建模[27-32]是指在統一空間參照系統條件下，將同一地區兩個及以上的地理對象的圖層進行疊合，以產生空間區域的多重屬性特征，或建立地理對象之間的空間對應關系.本研究通過將城市級別的流域水環境管理控制子單元同經濟社會發展、水資源管理、水土保持、污染防控4 個維度的7 個指標圖層分別進行空間疊加分析，通過城市水環境和不同要素之間的相關性高低，精準識別黃河流域各城市突出的水環境問題及成因，為后續政策建議提供基礎.

2.3 數據來源

本研究面向黃河流域9 個省份62 個城市，其中，黃河流域空間范圍、土地利用類型、數字高程、水資源分區等基礎地理數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心(https://www.resdc.cn)，行政區劃數據、中國1∶1 000 000 河流分布數據和湖泊水庫分布數據來源于國家基礎地理信息中心(http://www.webmap.cn/main.do?method=index)，2020-2022 年國家水質監測斷面數據來自中國環境監測總站(http://www.cnemc.cn)，經濟社會發展、水資源管理、水土保持相關數據來自各省份2021 年統計年鑒、2021 年水資源公報、2021年水土保持公報，人口數據來源于國家統計局第七次全國人口普查，污染排放當量數據來自2019 年各省份生態環境部門環境統計數據.

3 結果與討論

3.1 控制子單元劃分結果

在《重點流域水生態環境保護規劃》劃定的58個控制單元基礎上，采用地理信息系統手段將62 個地級行政區域與控制單元進行空間擬合，劃分為163個城市控制子單元(見圖3)，其中榆林市、鄂爾多斯市涉及控制子單元數量較多，分別為8 個和6 個，太原市、西安市、東營市等16 個城市僅涉及1 個控制子單元.

圖3 黃河流域控制子單元劃分結果Fig.3 Control subunit division results of the Yellow River Basin

3.2 水環境質量狀況分析

結合2020-2022 年國控斷面水質監測數據，分析了黃河流域58 個控制單元的水體優良比例、水質指數及其變化趨勢；針對存在超標現象的控制斷面所對應的控制單元，開展超標因子及超標倍數分析；結合城市控制子單元劃分結果，篩選出流域內水環境問題較為突出的城市，并明確其主要水環境問題.

3.2.1 水質狀況分析

根據2022 年水質數據分析，黃河流域達到或優于《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002)Ⅲ類的斷面比例為87.5%，黃甫川(內蒙古自治區、陜西省)控制單元、都思兔河(內蒙古自治區、寧夏回族自治區)控制單元、澮河(山西省)控制單元等17 個控制單元達到或優于Ⅲ類的斷面比例低于流域平均水平；黃河流域水質指數為4.758，涑水河(山西省)控制單元、馬蓮河(陜西省)控制單元、祖厲河(甘肅省)控制單元等34 個控制單元的水質指數高于流域平均水平.根據2020-2022 年連續3 年的水質數據分析發現，不存在達到或優于GB 3838-2002 Ⅲ類的斷面比例呈連續3 年持續下降的控制單元，但烏梁素海(內蒙古自治區)控制單元、金堤河(河南省)控制單元、苦水河(寧夏回族自治區)控制單元等6 個控制單元的水質指數呈連續3 年上升趨勢.通過數據比對分析，分別篩選出流域內達到或優于GB 3838-2002 Ⅲ類斷面比例位于后10 名的控制單元、流域內水質指數位于后10 名的控制單元、流域內水質指數呈連續3 年變差的控制單元(見圖4 和表2).

圖4 黃河流域控制單元水質狀況分析結果Fig.4 Water quality analysis results of control units in the Yellow River Basin

3.2.2 水質超標情況分析

根據2022 年水質數據分析，9 個控制斷面存在超過“十四五”水質目標要求現象，分別對應8 個控制單元和9 個控制子單元，涉及山西省忻州市，內蒙古自治區包頭市，河南省濮陽市、安陽市，陜西省延安市，甘肅省白銀市、定西市，青海省海南藏族自治州，以及寧夏回族自治區中衛市等地區，主要超標因子為化學需氧量、氨氮、六價鉻、總磷、高錳酸鹽指數、氟化物等(見表3).

表3 黃河流域控制單元水質超標情況Table 3 Control unit water quality exceeding standardsof the Yellow River Basin

3.2.3 城市尺度水環境狀況分析

通過以上分析結果，篩選出流域內水環境問題較為突出的城市，具體需要滿足以下3 個條件之一：①流域內達到或優于GB 3838-2002 Ⅲ類的斷面比例位于后10 名且水質指數也位于后10 名的城市；②流域內達到或優于GB 3838-2002 Ⅲ類的斷面比例或水質指數呈連續3 年變差的城市；③存在控制子單元水質超標情況的城市.

黃河流域中山西省晉城市、運城市、臨汾市，內蒙古自治區烏海市、鄂爾多斯市，河南省安陽市、新鄉市、濮陽市，陜西省榆林市，甘肅省白銀市、定西市，以及寧夏回族自治區銀川市、石嘴山市、吳忠市等14 個城市同時存在流域內達到或優于GB 3838-2002 Ⅲ類的斷面比例位于后10 名和水質指數位于后10 名的控制單元；內蒙古自治區包頭市、巴彥淖爾市，河南省安陽市、新鄉市、濮陽市，陜西省西安市、銅川市、寶雞市、咸陽市、渭南市，甘肅省白銀市、天水市、定西市，以及寧夏回族自治區銀川市、吳忠市等15個城市存在流域內水質指數呈連續3 年變差的控制單元；山西省忻州市，內蒙古自治區包頭市，河南省安陽市、濮陽市，陜西省延安市，甘肅省白銀市、定西市，青海省海南藏族自治州，以及寧夏回族自治區中衛市等9 個城市存在斷面水質超標的控制單元.綜上，黃河流域共26 個城市水環境問題相對較為突出.

3.3 水環境問題癥結分析

通過地理信息系統空間建模，從經濟社會發展、水資源管理、水土保持、污染防控等4 個方面，針對黃河流域各城市開展人均GDP、人均水資源量、萬元GDP 用水量、水土流失面積占比、工業源排放當量、生活源排放當量、農業源排放當量等7 項指標空間分析(見圖5).

圖5 黃河流域指標體系空間分析Fig.5 Spatial analysis of indicator system of the Yellow River Basin

針對人均GDP、萬元GDP 用水量、水土流失面積占比等3 項指標，篩選出指標值高于黃河流域平均值的城市，人均水資源量篩選指標值低于黃河流域平均值的城市.結果表明，人均GDP 高于黃河流域平均值的城市有內蒙古自治區包頭市、陜西省西安市、寧夏回族自治區銀川市等10 個城市，人均水資源量低于黃河流域平均值的城市有山西省運城市、陜西省延安市、寧夏回族自治區中衛市等23 個城市，萬元GDP 用水量高于黃河流域平均值的城市有內蒙古自治區巴彥淖爾市、甘肅省白銀市、寧夏回族自治區石嘴山市等15 個城市，水土流失面積占比高于黃河流域平均值的城市有陜西省榆林市、甘肅省定西市、內蒙古自治區鄂爾多斯市等11 個城市.周夏飛等[9]針對黃河流域各城市工業、生活、農業污染源排放當量進行了統計分級，其中，工業源污染排放當量超過200×104kg、生活源污染排放當量超過600×104kg、農業源污染排放當量超過4 000×104kg 時，污染排放當量較高、環境污染風險較大.本研究在此研究基礎上，針對工業源排放當量、生活源排放當量、農業源排放當量等3 項指標，篩選出污染排放當量較大的城市.結果表明，陜西省西安市、寧夏回族自治區銀川市、甘肅省定西市等9 個城市工業源污染排放當量較大，山西省運城市、河南省新鄉市、陜西省西安市等4 個城市生活源污染排放當量較大，河南省安陽市、陜西省渭南市、寧夏回族自治區中衛市等13 個城市農業源污染排放當量較大.針對以上26 個城市，建立了水環境問題主要癥結清單(見表4).

表4 黃河流域城市水環境問題主要癥結清單Table 4 List of main sticking points of water environment problems in various cities of the Yellow River Basin

4 結論與建議

a)采用空間建模分析，在《重點流域水生態環境保護規劃》劃定的黃河流域58 個控制單元基礎上，通過擬合控制單元邊界和地級行政區域界線，將流域進一步劃分為163 個控制子單元.建立了“控制單元-城市控制子單元”空間對應關系，實現了流域尺度與城市尺度的空間管控融合，有助于將相應控制單元的目標責任和任務措施落實到城市一級，同時明確了針對同一控制斷面的不同城市上下游、左右岸關系，推動城市層級水環境質量提升及上下游、左右岸的協調共治.

b)通過水環境質量狀況分析，篩選出了流域內達到或優于GB 3838-2002Ⅲ類斷面比例位于后10名且水質指數也位于后10 名的城市共14 個，流域內不存在達到或優于GB 3838-2002Ⅲ類的斷面比例呈連續3 年變差的城市，但水質指數呈連續3 年變差的城市共15 個，存在控制子單元水質超標情況的城市共9 個.確定了流域內水環境問題較為突出的26個城市，主要分布在黃河“幾字彎”區域.

c)針對篩選出的流域內水環境問題較為突出的26 個城市，采用空間分析建模，從經濟社會發展、水資源管理、水土保持、污染防控等4 個方面開展了水環境問題癥結研判，具體指標包括人均GDP、人均水資源量、萬元GDP 用水量、水土流失面積占比、工業源排放當量、生活源排放當量、農業源排放當量等7 項.結果表明，經濟發展壓力高的城市主要分布在黃河“幾字彎”的內蒙古自治區、陜西省等省份的能源型城市，這些城市的人口相對較少但是GDP 較高；人均水資源量除了位于黃河源頭的青海省之外，流域內的其他省份的城市基本都存在水資源量短缺的問題；萬元GDP 用水量較高的城市主要分布在寧夏回族自治區、甘肅省中部、青海省西部、河南省北部等經濟欠發達地區；水土流失嚴重的區域主要分布在山西省、陜西省、內蒙古自治區黃土高原區域；工業源防控壓力主要分布在寧夏回族自治區、山西省、陜西省、甘肅省的部分工業城市，生活源防控壓力主要分布在西安市、安陽市、新鄉市等中下游人口大市，農業源防控壓力主要分布在華北平原、汾渭平原及西套平原等區域.

d)針對經濟社會發展迅速、環境保護壓力較大的城市，如內蒙古自治區包頭市、陜西省西安市、寧夏回族自治區銀川市等，全方位貫徹“以水定城、以水定地、以水定人、以水定產”原則，推進產業全面綠色發展；優化城市發展格局，促進人口科學合理布局，構建與水資源承載能力相適應的現代產業體系[33-34].針對水資源短缺且開發強度較大的城市，如內蒙古自治區巴彥淖爾市、甘肅省白銀市、寧夏回族自治區石嘴山市等，落實水資源用水總量和強度雙控，優化甘肅省、寧夏回族自治區、內蒙古自治區、山西省、陜西省等省份的高耗水行業規模，重點推進水資源節約集約利用；實施深度節水控水行動，以甘肅省黃河高抽灌區、寧蒙灌區、汾渭平原等大中型灌區為重點，實施節水改造，推進高標準農田建設，推廣噴灌、微灌、低壓管灌等高效節水灌溉技術；開展污水資源化利用示范城市建設，加強配套基礎設施建設，實現再生水規模化利用.針對水土流失較為嚴重的城市，如陜西省榆林市、甘肅省定西市、內蒙古自治區鄂爾多斯市等，加大水土流失綜合治理力度，開展多沙粗沙區水土保持和土地綜合整治，實施黃土高原固溝保塬項目，以山地丘陵溝壑區為重點推進小流域綜合治理.針對污染源排放壓力較大的城市，如陜西省西安市、寧夏回族自治區銀川市、甘肅省定西市等城市，持續實施煤化工、焦化、有色金屬冶煉等重點行業工業廢水治理；完善城鎮生活污水污泥收集處理設施，著力提升污水處理廠超負荷運行地區的污水處理能力，推進城鎮污水管網全覆蓋、老舊破損管網修復、城鎮雨污分流改造等[35]；強化農業面源污染治理，加快實施農田退水污染綜合治理和農村生活污水治理，建設污水凈塘、生態溝道、人工濕地等氮、磷高效生態攔截凈化設施，加強農田退水循環利用[36].以控制斷面水質提升為目標，統籌控制單元及其城市控制子單元治理；同時，可以綜合考慮黃河流域地表水-地下水交換頻繁的特點，進一步開展流域地下水環境影響分析，建立城市級上下游、左右岸、地表-地下水協同管控機制，推動黃河流域城市間水環境共同保護與治理.