黃河流域水污染排放特征及污染集聚格局分析

白 璐， 孫園園,3， 趙學(xué)濤， 喬 琦， 李雪迎， 周瀟云

1.中國環(huán)境科學(xué)研究院， 國家環(huán)境保護(hù)生態(tài)工業(yè)重點實驗室， 北京 100012

2.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院， 北京 100012

3.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 200092

黃河流域是我國重要的農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)基地、重要能源及基礎(chǔ)工業(yè)基地，在我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和國土空間格局中具有戰(zhàn)略性、全局性地位. 黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展已被列為重大國家戰(zhàn)略. 當(dāng)前，推進(jìn)和實現(xiàn)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展還存在一些制約因素. 一方面是經(jīng)濟(jì)空間與生態(tài)資源的不平衡，上游水資源充足、生態(tài)環(huán)境良好，人口少，經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展水平相對落后；中游能源資源豐富，生態(tài)環(huán)境較脆弱，水土流失較為嚴(yán)重；下游土地肥沃，農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高，但發(fā)展受到水資源匱乏的限制較大[1-2]. 另一方面是一些資源環(huán)境瓶頸問題亟待解決，例如結(jié)構(gòu)性布局性風(fēng)險較高且局部污染突出[3]、部分支流水環(huán)境治理仍然較差、水資源開發(fā)利用不合理、工業(yè)污染尚未得到全部有效控制[4]等問題. 2019年9月，在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會上，習(xí)近平總書記提出“治理黃河，重在保護(hù)，要在治理”[5]. 已有研究[3,6]提出，黃河流域的治理體系應(yīng)體現(xiàn)出分類分區(qū)、系統(tǒng)協(xié)同的原則和思路，特別是強(qiáng)調(diào)應(yīng)注重空間治理的邏輯和路徑選擇.

污染源排放特征是實現(xiàn)污染源管理、開展環(huán)境數(shù)值模擬及減排措施效果評估等決策的重要基礎(chǔ)[7-11]. 對各類污染源解析和排放特征的大量研究[12-16]表明，識別主要水污染物排放的結(jié)構(gòu)特征和以流域為單元的空間分布特征，是推動污染減排和流域綜合治理的有效手段[17-18]. 而污染集聚格局作為污染排放在地理空間上的表現(xiàn)形態(tài)，是理解不同地區(qū)(城市)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、污染排放和地理空間之間關(guān)系的有效視角，是實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境空間管控的重要依據(jù). 通過開展污染排放特征分析，對其成因和影響因素進(jìn)行辨識，特別是進(jìn)一步明確污染物排放在地理空間上的分異，可為提出差異化的水質(zhì)改善對策，明確優(yōu)先或重點控制區(qū)域，提升流域空間治理水平等提供決策依據(jù).

統(tǒng)籌黃河流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展，應(yīng)結(jié)合其資源稟賦和經(jīng)濟(jì)發(fā)展特征，在深入分析當(dāng)前污染排放特征及其空間格局基礎(chǔ)上，提出適應(yīng)性對策. 該研究從體現(xiàn)黃河流域空間差異化的角度出發(fā)，結(jié)合第二次全國污染源普查結(jié)果，通過構(gòu)建流域污染排放特征評價指標(biāo)體系，從宏觀層面(上中下游)對流域整體污染排放現(xiàn)狀進(jìn)行評估與分析，利用聚類分析和空間特征分析模型等方法從中觀層面(60個市州)對各地區(qū)污染排放現(xiàn)狀進(jìn)行橫向比較，判別黃河流域水污染排放集聚程度和冷熱點地區(qū)，辨識其地區(qū)差異與空間分布特點，探尋流域治理，特別是空間治理存在的問題，進(jìn)而為全面推進(jìn)黃河流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展提供依據(jù).

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域概況

黃河流經(jīng)我國9個省份，涉及山西省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、山東省、河南省、四川省、陜西省、甘肅省、青海省、寧夏回族自治區(qū)等9個省(自治區(qū))60個市州的362個區(qū)縣[19](該研究在統(tǒng)計時以市州為單位，未劃分到區(qū)縣)，全長 5 464 km，流域面積79.5×104km2，占全國總面積的8%.

黃河流域自西向東地勢逐漸降低，橫跨青藏高原、內(nèi)蒙古高原、黃土高原和淮海平原4個地貌單元[20]. 依據(jù)水利部黃河水利委員會的劃分方案，黃河流域分為上、中、下游，上游為從源頭至內(nèi)蒙古自治區(qū)的河口鎮(zhèn)，中游為河口鎮(zhèn)至河南鄭州桃花峪，下游為桃花峪到渤海[21].

1.2 研究方法

1.2.1黃河流域水污染排放特征聚類分析

1.2.1.1指標(biāo)選取

污染物排放特征一般包括污染物排放結(jié)構(gòu)(或排放來源)、排放強(qiáng)度等信息[22-23]. 物質(zhì)流動的代謝規(guī)律表明，污染物的產(chǎn)生受污染源的活動水平(簡稱“活動水平”)影響，污染物的排放又受產(chǎn)生和去除過程的影響. 一個地區(qū)的水污染物排放量一般與當(dāng)?shù)氐漠a(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、企業(yè)數(shù)量、人口數(shù)量、農(nóng)業(yè)播種面積、畜禽養(yǎng)殖量以及污染物的收集和治理能力等因素有關(guān). 為了更全面地表達(dá)黃河流域不同區(qū)域污染排放特征及其潛在影響或制約因素，研究從活動水平、污染物產(chǎn)生、污染物去除和污染物排放4個方面選取了28個指標(biāo)，建立了黃河流域水污染物排放特征評價指標(biāo)體系，據(jù)此開展不同市州的排放特征聚類分析.

評價指標(biāo)的選取綜合考慮總量、結(jié)構(gòu)、效率和強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行表征. 活動水平和污染物排放主要選取總量或結(jié)構(gòu)指標(biāo)以反映區(qū)域整體排放現(xiàn)狀. 污染物產(chǎn)生和污染物去除主要選取強(qiáng)度和效率指標(biāo)以反映區(qū)域特征及差異. 主要水污染物選取化學(xué)需氧量、氨氮、總氮和總磷.

1.2.1.2部分指標(biāo)值的處理

為簡化指標(biāo)體系，主要水污染物產(chǎn)生強(qiáng)度、去除率和排放強(qiáng)度采用化學(xué)需氧量、氨氮、總氮和總磷排放強(qiáng)度或去除率的加權(quán)平均值. 化學(xué)需氧量、氨氮、總氮和總磷污染物的權(quán)重采用2017年黃河流域監(jiān)測斷面(國控)的超標(biāo)率占比，即：

(1)

式中，a為某項污染物，Wa為該污染物的權(quán)重，S為2017年黃河流域監(jiān)測斷面(國控)總數(shù)，m為污染物指標(biāo)總數(shù)，Ne為監(jiān)測斷面(國控)總數(shù)中該項污染物不達(dá)標(biāo)的斷面數(shù). 其中，依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法(試行)》，總氮僅作為參考指標(biāo)單獨(dú)評價，總氮的權(quán)重按與氨氮權(quán)重相同進(jìn)行處理.

1.2.1.3聚類分析方法

聚類分析是在數(shù)據(jù)集中尋找相似元素集合的無監(jiān)督學(xué)習(xí)過程[24]，在識別數(shù)據(jù)的內(nèi)在結(jié)構(gòu)方面具有極其重要的作用[25]，一般用于對不同個體進(jìn)行聚類判別后進(jìn)一步研究各個群體之間的差異. 研究采用SPSS 24.0軟件中的系統(tǒng)聚類方法(選取歐式距離作為相似性度量方法)對黃河流域60個市州(樣本)進(jìn)行聚類.

1.2.2空間分布特征分析模型

1.2.2.1污染集聚度分析

借鑒相關(guān)研究[26-27]中對工業(yè)污染集聚格局的測度方法，將工業(yè)活動擴(kuò)展至所有人為活動，即從水污染物的產(chǎn)生來源方面包括工業(yè)源、農(nóng)業(yè)源、生活源和集中式污染治理設(shè)施等. 定義污染集聚度為單位面積承載的上述人為源污染排放總量之和，采用污染分布的地理集中度指數(shù)表征各市州污染集聚格局，計算公式：

(2)

式中：xq為第q個市州化學(xué)需氧量、氨氮、總氮、總磷的總排放量，t；TERq為第q個市州行政區(qū)面積，km2；n為區(qū)域(市州)數(shù)量，個.

1.2.2.2全局空間自相關(guān)分析

污染排放強(qiáng)度在全局空間上的相關(guān)程度可用Global Moran′s I測度[28-32]，其含義是空間上相鄰區(qū)域的排放強(qiáng)度在整體區(qū)域內(nèi)空間相關(guān)的總體趨勢[33-34]. 在給定顯著性水平下，若Global Moran′s I值為負(fù)，則污染排放強(qiáng)度呈顯著的空間離散趨勢；若Global Moran′s I值為正，則污染排放強(qiáng)度呈顯著的空間集聚趨勢[35]. Global Moran′s I的計算公式：

(3)

1.2.2.3局部空間自相關(guān)分析

局部自相關(guān)特征用熱點分析的Gi*指數(shù)進(jìn)行測算，用于識別區(qū)域內(nèi)的冷點區(qū)和熱點區(qū). 若Gi*指數(shù)顯著為正，則i區(qū)域周圍污染排放強(qiáng)度相對較高，屬于熱點區(qū)；若Gi*指數(shù)顯著為負(fù)，則i區(qū)域周圍污染排放強(qiáng)度相對較低，屬于冷點區(qū)；若Gi*指數(shù)不顯著，則i區(qū)域不是熱(冷)點區(qū). 該研究采用ArcGIS 10.6軟件計算實現(xiàn)，計算公式：

(4)

式中，S為觀測值的標(biāo)準(zhǔn)差.

1.3 數(shù)據(jù)來源

該研究面向黃河流域9個省(自治區(qū))60個市州，其中污染物排放數(shù)據(jù)(水污染物入環(huán)境量等)和部分活動水平(如畜禽養(yǎng)殖量、工業(yè)新鮮水耗等)來自第二次全國污染源普查結(jié)果(2017年)，各市州人口、國土面積、GDP、水資源量等數(shù)據(jù)分別來自2017年中國統(tǒng)計年鑒、2017年中國城市統(tǒng)計年鑒、2017年各省份和地級市統(tǒng)計年鑒、《黃河水資源公報(2017)》等.

2 結(jié)果與討論

黃河流域上中下游的水污染排放特征評價結(jié)果如表1所示. 其中，依據(jù)2017年黃河流域主要水質(zhì)斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果，化學(xué)需氧量、氨氮、總氮、總磷的指標(biāo)值權(quán)重分別為0.30、0.25、0.25和0.20.

表1 黃河流域水污染排放特征評價結(jié)果

2.1 黃河流域上中下游排放特征分析

從活動水平來看，黃河流域工業(yè)發(fā)展相對活躍,第二產(chǎn)業(yè)增加值占GDP比重明顯高于全國平均水平(2017年全國第二產(chǎn)業(yè)增加值占GDP比重為40.71%).流域產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)、社會生活等活動重心均在中下游，上游農(nóng)牧業(yè)比重大，中下游工業(yè)比重高，上中下游產(chǎn)業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)層次性差異[36]. 工業(yè)源水污染物排放與工業(yè)取水量新鮮水耗占比一致，以中下游地區(qū)為主. 中下游地區(qū)的工業(yè)取水量占黃河流域工業(yè)取水量的72.96%，工業(yè)源排放化學(xué)需氧量、氨氮、總氮、總磷約占黃河流域工業(yè)源水污染排放的60%～70%. 農(nóng)業(yè)源水污染物排放主要來自中游，中游水污染物排放量和畜禽養(yǎng)殖量均占黃河流域總量的40%左右. 上中下游的常住人口比例分別為24.21%、45.11%、30.68%，相應(yīng)的，生活源水污染排放主要來自流域中下游省份，河南省、陜西省、山西省、山東省占整個流域城鎮(zhèn)生活污水排放的74.86%.

從各類源污染物的產(chǎn)生強(qiáng)度來看，單位工業(yè)產(chǎn)值水污染物產(chǎn)生強(qiáng)度、單位農(nóng)業(yè)產(chǎn)值水污染物產(chǎn)生強(qiáng)度和人均水污染物產(chǎn)生強(qiáng)度從上游到下游依次降低. 其中，上游地區(qū)單位工業(yè)產(chǎn)值水污染物產(chǎn)生強(qiáng)度、單位農(nóng)業(yè)產(chǎn)值水污染物產(chǎn)生強(qiáng)度和人均水污染物產(chǎn)生強(qiáng)度分別為下游地區(qū)的1.82、4.63和3.35倍. 上中下游地區(qū)的工業(yè)源、農(nóng)業(yè)源的主要水污染物平均去除率相近，上游地區(qū)農(nóng)業(yè)源主要水污染物平均去除率相對中下游地區(qū)高3%左右，生活源則是中下游地區(qū)高于上游地區(qū). 集中式污水處理設(shè)施的負(fù)荷率從上游到下游依次增加，上游下游相差11.78%.

從排放結(jié)構(gòu)來看，化學(xué)需氧量、總磷入環(huán)境量主要來自農(nóng)業(yè)源(占比分別為62.93%、73.48%)，氨氮入環(huán)境量主要來自生活源(占比為65.54%)，總氮入環(huán)境量的農(nóng)業(yè)源和生活源貢獻(xiàn)基本一致，均占47%左右；四項污染物排放結(jié)構(gòu)中工業(yè)源占比為2%～7%，集中式占比在1%左右(見圖1). 其中，農(nóng)業(yè)源水污染排放主要來自畜禽養(yǎng)殖業(yè)，其化學(xué)需氧量、氨氮、總氮和總磷排放量占黃河流域農(nóng)業(yè)源排放總量的比例為75%～99%. 由于流域內(nèi)常住人口以城鎮(zhèn)居民居多(城鎮(zhèn)人口∶農(nóng)村人口為58.07∶41.93)，生活源水污染排放以城鎮(zhèn)生活污水為主，城鎮(zhèn)生活污水排放占生活源污水總排放量的85.68%.

圖1 黃河流域主要水污染物來源

總體來看，黃河流域水污染物排放與經(jīng)濟(jì)格局的空間分布一致，從上游、中游到下游地區(qū)呈現(xiàn)明顯的階梯型分布. 陜西省、山西省、河南省、山東省四省的工業(yè)廢水量、化學(xué)需氧量、氨氮、總氮、總磷、石油類、揮發(fā)酚、氰化物、五日化學(xué)需氧量、動植物油排放量占全流域排放量的65%～90%.

水污染物排放量方面，相比2007年(第一次全國污染源普查結(jié)果)，全國主要水污染物排放總量均下降，但黃河流域下降幅度要小于其他流域，且單位地表水資源化學(xué)需氧量排放強(qiáng)度增加了10%[37]. 水質(zhì)方面，盡管黃河流域水質(zhì)已由2007年的中度污染轉(zhuǎn)變?yōu)楫?dāng)前的輕度污染，但支流水質(zhì)仍為中度污染.

2.2 沿黃各地區(qū)排放特征聚類分析

利用SPSS 24.0軟件中系統(tǒng)聚類方法對60個市州(樣本)進(jìn)行聚類，結(jié)果如圖2所示. 從活動水平、污染物產(chǎn)生、污染物去除和污染物排放4個方面來看，黃河流域不同地區(qū)水污染排放特征可劃分為4個類別：高排放強(qiáng)度區(qū)、高排放績效區(qū)、污染集聚區(qū)和低排放績效區(qū)(見表2). 一般來說，綠色發(fā)展是以低消耗、低排放、高效率為特征的發(fā)展模式[38]，與之對應(yīng)的是以高消耗、高排放、低效率為特征的“黑色發(fā)展”模式. 根據(jù)聚類結(jié)果可知，黃河流域僅高排放績效區(qū)符合或接近“低消耗、低排放、高效率”的綠色發(fā)展的特征，其他三類地區(qū)均呈現(xiàn)不同程度的高消耗、高排放或低效率特征.

注： 1—阿壩藏族羌族自治州；2—阿拉善盟；3—安陽市；4—巴彥淖爾市；5—白銀市；6—包頭市；7—寶雞市；8—濱州市；9—長治市；10—定西市；11—東營市；12—鄂爾多斯市；13—固原市；14—果洛藏族自治州；15—海北藏族自治州；16—海東市；17—海南藏族自治州；18—海西蒙古族藏族自治州；19—呼和浩特市；20—黃南藏族自治州；21—濟(jì)南市；22—晉城市；23—晉中市；24—開封市；25—萊蕪市；26—蘭州市；27—臨汾市；28—呂梁市；29—洛陽市；30—平?jīng)鍪校?1—慶陽市；32—三門峽市；33—商洛市；34—石嘴山市；35—泰安市；36—太原市；37—天水市；38—銅川市；39—渭南市；40—烏海市；41—烏蘭察布市；42—吳忠市；43—武威市；44—西安市；45—西寧市；46—咸陽市；47—新鄉(xiāng)市；48—忻州市；49—延安市；50—銀川市；51—榆林市；52—玉樹藏族自治州；53—運(yùn)城市；54—鄭州市；55—中衛(wèi)市；56—濮陽市；57—臨夏回族自治州；58—甘南藏族自治州；59—焦作市；60—濟(jì)源市.

表2 黃河流域各地區(qū)水污染排放特征聚類結(jié)果

高排放強(qiáng)度區(qū)以省會(首府)城市為主，其中西安市、鄭州市是黃河流域僅有的兩個國家中心城市，蘭州市則為黃河流域上游區(qū)域大型城市. 長期以來沿黃地區(qū)各省會(首府)城市發(fā)揮了促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)增長的統(tǒng)領(lǐng)作用，實現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)高速增長[39]；但同時也因高強(qiáng)度的經(jīng)濟(jì)活動和人口密集導(dǎo)致了高強(qiáng)度的水污染排放. 位于流域下游地區(qū)的濱州雖不屬于大型城市，但因其工業(yè)發(fā)達(dá)、畜禽養(yǎng)殖量大，人口較多，主要水污染物的排放強(qiáng)度均較高.

高排放績效區(qū)有2個，分別為內(nèi)蒙古自治區(qū)的包頭市和鄂爾多斯市，城鎮(zhèn)人口比例高，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以第三產(chǎn)業(yè)為主，服務(wù)業(yè)比重大. 雖然工業(yè)污染物和人均水污染物的產(chǎn)生強(qiáng)度較大，但由于集中式污水治理設(shè)施處理能力較強(qiáng)，污染物去除率高，使得污染物整體排放強(qiáng)度低. 特別是單位GDP污染物排放量低，總體排放績效水平較高.

污染集聚區(qū)以中下游的山西省、河南省沿黃城市為主，在空間上的污染集聚特征較為明顯(見圖2). 處于污染集聚區(qū)的城市第二產(chǎn)業(yè)比例普遍較高，畜禽養(yǎng)殖量大，整體水污染物排放強(qiáng)度較高.

低排放績效區(qū)以上游地區(qū)城市為主. 第一產(chǎn)業(yè)比例高，農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)以種植業(yè)或農(nóng)牧業(yè)為主，畜禽養(yǎng)殖量較低，但單位農(nóng)業(yè)產(chǎn)值污染物產(chǎn)生量大；城市化率較低，農(nóng)村人口占比高，人均水污染產(chǎn)生量較大；水污染物治理能力弱，水資源利用效率較低(單位水資源量污染物排量大)，排放績效較差(單位GDP污染物排放量高).

進(jìn)一步分析各個地區(qū)的排放強(qiáng)度和績效，結(jié)果如圖3所示. 沿黃河流域60個市州中，中下游城市單位國土面積的化學(xué)需氧量、氨氮、總氮和總磷排放量高且分布密集，排放強(qiáng)度相對較大. 單位面積排放強(qiáng)度較高的地區(qū)以大城市或工業(yè)化城市為主，上游高排放強(qiáng)度地區(qū)集中在西寧市、臨夏回族自治州、蘭州市、平?jīng)鍪泻褪焐绞械鹊兀杏渭性诤艉秃铺厥?、西安市、渭南市、太原市和運(yùn)城市等地，下游集中在洛陽市、濟(jì)源市、泰安市、濟(jì)南市和濱州市等地〔見圖3(a)〕. 單位GDP排放強(qiáng)度分布與單位面積排放強(qiáng)度相反，單位面積排放較低的地區(qū)普遍單位GDP排放強(qiáng)度高，上游的青海省、甘肅省和寧夏回族自治區(qū)多個城市(海東市、甘南藏族自治州、武威市、定西市、固原市)單位GDP排放強(qiáng)度高且分布密集，反映出黃河流域上游地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)偏重，相對于中下游地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式仍顯粗放，經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出仍以巨大的資源能源投入為代價〔見圖3(b)〕. 從單位水資源量的污染物排放強(qiáng)度來看，甘肅省蘭州市至內(nèi)蒙古自治區(qū)河口鎮(zhèn)區(qū)間的水資源總量僅為全流域的5%，但該區(qū)域單位水資源量污染物排放強(qiáng)度在黃河流域最高且分布最密集，以工業(yè)化城市居多，例如蘭州市、白銀市、中衛(wèi)市、固原市、吳忠市、銀川市、石嘴山市、烏海市等地. 其中寧夏回族自治區(qū)各沿黃城市單位水資源量的污染物排放強(qiáng)度普遍較高；中游地區(qū)單位水資源排放強(qiáng)度分布較為均勻，其中咸陽市排放強(qiáng)度較高，下游山東段的泰安市、濟(jì)南市、濱州市則普遍較高〔見圖3(c)〕.

圖3 黃河流域各地區(qū)主要水污染物排放強(qiáng)度和排放績效

總體來看，黃河流域水污染物排放強(qiáng)度的空間分布具有明顯的區(qū)域差異，呈現(xiàn)單位水資源污染物排放強(qiáng)度和單位GDP污染物排放強(qiáng)度西高東低，單位國土面積污染物排放強(qiáng)度西低東高的格局. 上游人群和生產(chǎn)生活活動分散，水資源利用效率低、水資源投入的非期望產(chǎn)出(水污染物排放量)大，在獲取同等經(jīng)濟(jì)效益的情況下，污染物排放量遠(yuǎn)高于中下游地區(qū).

2.3 空間污染集聚格局分析

黃河流域化學(xué)需氧量、氨氮、總氮、總磷的污染集聚度結(jié)果如圖4所示. 空間自相關(guān)分析的Global Moran′s I指數(shù)結(jié)果如表3所示. 黃河流域主要水污染物排放強(qiáng)度的Global Moran′s I均在0.3以上(大于0)，Z得分均大于7.5，表明主要水污染物排放強(qiáng)度為正向空間自相關(guān)性，在區(qū)域上呈現(xiàn)顯著的空間集聚態(tài)勢，區(qū)域間相關(guān)性和依賴性較強(qiáng). 結(jié)合圖4對污染集聚度的量化結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，黃河流域主要水污染物自西向東污染集聚程度逐漸加劇，中下游地區(qū)污染集聚的特征尤為明顯，山西省、河南省的沿黃17市(臨汾市、太原市、晉中市、呂梁市、忻州市、運(yùn)城市、晉城市、長治市、鄭州市、開封市、洛陽市、焦作市、濟(jì)源市、新鄉(xiāng)市、安陽市、濮陽市、三門峽市)呈現(xiàn)高度的污染集聚.

圖4 黃河流域各地區(qū)主要水污染物地理集聚度結(jié)果

表3 黃河流域水污染排放空間自相關(guān)指數(shù)結(jié)果

對黃河流域主要水污染物排放的熱點和冷點地區(qū)識別結(jié)果如圖5和表4所示. 依據(jù)自然斷點法將將Gi*值分為7類：排放強(qiáng)度冷點(99%置信)、排放強(qiáng)度冷點(95%置信)、排放強(qiáng)度冷點(90%置信)、排放強(qiáng)度熱點(99%置信)、排放強(qiáng)度熱點(95%置信)、排放強(qiáng)度熱點(90%置信)和不顯著. 結(jié)果顯示，黃河流域水污染排放已呈現(xiàn)出較為明顯的空間溢出效應(yīng)，山西省、河南省和山東省沿黃城市在空間上表現(xiàn)為區(qū)域性連片污染集聚，集中分布在晉中城市群和中原城市群. 另一方面，對黃河流域水資源承載力評價的研究顯示[40]，黃河中下游水質(zhì)較差，水質(zhì)承載力較弱，寧夏回族自治區(qū)、內(nèi)蒙古自治區(qū)和山西省三省區(qū)部分地市水質(zhì)承載力處于嚴(yán)重超載狀態(tài). 特別是2016—2019年汾河流域水質(zhì)持續(xù)重度污染，其中山西省的熱點地區(qū)(運(yùn)城市、呂梁市、晉中市和臨汾市)主要水污染物排放占汾河流域的80%，高強(qiáng)度的污染排放仍是流域水質(zhì)改善的瓶頸因素.

圖5 黃河流域主要水污染物排放熱點分布

除山西省外，熱點地區(qū)還包括河南省的焦作市、濟(jì)源市、洛陽市、鄭州市、開封市、新鄉(xiāng)市、濮陽市、安陽市、三門峽市，以及山東省的泰安市、濟(jì)南市、萊蕪市(見表4). 冷點地區(qū)數(shù)量遠(yuǎn)少于熱點地區(qū)，表明黃河流域水污染排放在空間上未呈現(xiàn)明顯集聚分布的地區(qū)較少，僅中游的寧夏回族自治區(qū)、甘肅省等省份個別城市污染排放的空間集聚效應(yīng)不明顯. 其中氨氮排放無冷點地區(qū)，除中下游山西省、河南省、山東省等高度污染集聚區(qū)外，流域內(nèi)其他區(qū)域的氨氮排放在空間上仍然整體呈現(xiàn)污染集聚態(tài)勢.

表4 黃河流域水污染排放熱點和冷點地區(qū)識別結(jié)果

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

a) 黃河流域水污染排放特征區(qū)域差異顯著，從上游、中游到下游地區(qū)呈現(xiàn)明顯的階梯型分布. 陜西省、山西省、河南省、山東省四省的水污染物排放量占全流域排放量的65%～90%. 水污染的來源以農(nóng)業(yè)源和生活源為主，其中農(nóng)業(yè)源水污染物排放主要來自畜禽養(yǎng)殖業(yè)，生活源水污染排放主要來自城鎮(zhèn)生活污水. 受流域產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)、社會生活等活動的影響，單位工業(yè)產(chǎn)值、農(nóng)業(yè)產(chǎn)值和人均水污染物產(chǎn)生強(qiáng)度從上游到下游依次降低.

b) 黃河流域單位水資源污染物排放強(qiáng)度和單位GDP污染物排放強(qiáng)度西高東低，單位國土面積污染物排放強(qiáng)度西低東高. 上游人群和生產(chǎn)生活活動分散，水資源利用效率低、水資源投入的非期望產(chǎn)出(水污染物排放量)大，在獲取同等經(jīng)濟(jì)效益的情況下，污染物排放量遠(yuǎn)高于中下游地區(qū).

c) 根據(jù)聚類結(jié)果，黃河流域60個市州水污染特征可劃分為4個類別：高排放強(qiáng)度區(qū)、高排放績效區(qū)、污染集聚區(qū)和低排放績效區(qū). 其中，高排放強(qiáng)度區(qū)以省會(首府)城市為主，包括國家中心城市西安市和鄭州市，以及黃河流域上游區(qū)域大型城市蘭州市等，主要水污染物的排放強(qiáng)度均較高. 高排放績效區(qū)為內(nèi)蒙古自治區(qū)的包頭市和鄂爾多斯市，該區(qū)域整體污染物的排放強(qiáng)度低，特別是單位GDP的污染物排放量低，總體排放績效水平較高. 污染集聚區(qū)以中下游的山西省、河南省沿黃城市為主，在空間上的污染集聚特征較為明顯，整體水污染物排放強(qiáng)度較高. 低排放績效區(qū)以上游地區(qū)城市為主，該區(qū)域水污染物治理能力弱，水資源利用效率較低，排放績效較差.

d) 當(dāng)前黃河流域主要水污染物排放呈現(xiàn)明顯的空間集聚效應(yīng). 流域中下游地區(qū)污染集聚的特征尤為明顯，山西省、河南省和山東省沿黃城市在空間上表現(xiàn)為區(qū)域性連片污染集聚，集中分布在晉中城市群和中原城市群. 特別是熱點排放地區(qū)的運(yùn)城市、呂梁市、晉中市和臨汾市主要水污染物排放占汾河流域的80%，高強(qiáng)度的污染排放仍是流域水質(zhì)改善的瓶頸因素. 冷點地區(qū)數(shù)量遠(yuǎn)少于熱點地區(qū)，表明黃河流域水污染排放在空間上未呈現(xiàn)明顯集聚分布的地區(qū)較少，僅中游的寧夏回族自治區(qū)、甘肅省等省份個別城市污染排放的空間集聚效應(yīng)不明顯. 氨氮排放無冷點地區(qū).

3.2 建議

a) 對不同城市水污染排放特征的聚類分析結(jié)果表明，黃河流域60個市州中僅2個城市屬于高排放績效區(qū)，符合或接近“低消耗、低排放、高效率”的綠色發(fā)展的特征，其他三類地區(qū)均存在不同程度的高消耗、高排放或低效率特征. 特別是上游地區(qū)高水資源投入、低GDP產(chǎn)出的現(xiàn)狀，反映出其經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式仍顯粗放，在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、水資源的利用和綠色發(fā)展方面仍需不斷提升.

b) 對重點耗水地區(qū)，特別是甘肅省蘭州市至內(nèi)蒙古自治區(qū)河口鎮(zhèn)區(qū)間水資源總量稀缺的蘭州市、包頭市、鄂爾多斯市、寧夏回族自治區(qū)沿黃城市及咸陽市、濱州市等地，應(yīng)根據(jù)水資源總量適當(dāng)控制發(fā)展規(guī)模，加大產(chǎn)業(yè)和用水結(jié)構(gòu)調(diào)整，通過政策、制度等措施鼓勵工業(yè)企業(yè)提升水資源綜合利用效率和效益. 同時，應(yīng)嚴(yán)格控制地下水過度開采活動，并對過度開采造成的生態(tài)環(huán)境損害進(jìn)行修復(fù).

c) 加強(qiáng)低排放績效區(qū)的農(nóng)業(yè)污染防治. 低排放績效區(qū)(以上游地區(qū)為主)畜禽養(yǎng)殖總量較少，但其單位農(nóng)業(yè)產(chǎn)值污染物產(chǎn)生和排放強(qiáng)度高，防治重點應(yīng)以提升畜禽養(yǎng)殖廢水和糞便的綜合利用以及降低農(nóng)藥化肥施用強(qiáng)度等措施為主，降低農(nóng)業(yè)源污染物進(jìn)入環(huán)境的潛在概率.

d) 污染集聚格局的形成受產(chǎn)業(yè)集聚影響，人口密度、經(jīng)濟(jì)水平、技術(shù)水平、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等影響. 黃河流域中下游城市群的污染集聚格式的形成，表明在水污染空間治理上，重視單一城市的污染控制對流域整體水質(zhì)改善的影響有限，需要進(jìn)一步發(fā)揮區(qū)域間協(xié)同，強(qiáng)化對流域中下游人口聚集區(qū)和城市群的污染協(xié)同控制與治理.