基于Theil指数的塔里木河上游段水污染物排放强度分析

□高 静

一、Theil指数在水污染调查和评价中的应用现状

我国工业经济的不断发展同时也加速了环境污染，由于人均收入的上升，污染物排放强度也在不断加剧。国内外学者调查了污染物的排放强度并发现，有明显下降的趋势。ZAIM、HETTIGE等[1～2]根据污染物的排放强度来进行探究，用全球工业水污染数来取代传统的污染物排放总量，并将其视作评价经济生产活动环境效率的指标，还利用数据包络方法(也即是DEA)来对美国四十个州的众多污染排放强度进行评析。由于俄罗斯调整了工业产业结构，在20世纪90年代CHERP等评价给大气污染物的排放强度带来了影响。我国的一些学者也利用多种探究方法分析了污染物的排放强度。魏光辉、张洛晨、姜振盈等[3～4]采用统计分析方法评析我国四种工业污染物的排放强度和工业结构变化的关联；并针对我国46个主要城市1993～2006年人均GDP与七种工业污染强度指标，采用幂函数模型做了相应的曲线拟合，并强调“效率弹性系数”可以很好地衡量工业污染的排放控制程度和城市经济的关系。邓铭江、周海鹰、徐海量[5]利用综合评价方法对我国某区域内的每个工业部门排放污染物的强度进行计算，并且将每个部门的GDP贡献率紧密结合起来，采取K-means算法把工业部门划分成四种类型。雷雨[6]不仅探究了辽河流域节约用水、减少排放的生产能力，还探究了其主要行业产生污染的强度。不同地方排放污染物的强度不同，针对这种情况，熊宇斐等[7]既着眼于经济发展情况，也着眼于工业污染物的排放强度上，对我国东部、中部和西部这三个地区的不同做了对比分析，并发现于空间上的东至西而言，工业污染的排放强度不断地上升。王福勇等[8]采取均方差赋权法评价了以下重要污染物的排放强度，并且还评析了每个地方的污染物排放强度是否有下降的能力以及中塔里木乡与盖孜库木乡这两个地方的不同。冷静超等[9]利用省级面板数据对工业污染物排放强度在中、东地区的不同做了分析，探究显示：由于教育水平、经济发展的提高，所以工业污染物的排放强度也在不断降低，但是如果经济发展到相应的程度，想要确保排污强度降低必须要凭借良好的分工协作关系。王远见，焦伟等人[10～13]将中国的沿海地带视作探究对象，利用多种方法分析了经济发展的协调情况，这些方法包括曲线拟合法、综合评价法等，探究了哪些因素会给水污染的排放水平和地区差异带来影响。

综上而言，根据污染物排放强度的探究，当前中国和外国选择的变量基本上都是单一的或者是众多污染物排放的总的数量，环境指标基本上都是众多污染物的综合指标，并且大多都是探究工业污染强度，利用的探究方法也不单一，有曲线拟合法、综合评价法等，然而就Theil指数的水污染排放强度的不同而言，这方面的探究还不系统。最近几年，我国逐渐重视水污染减排情况，在2015年颁布了历史上最为严重的《水污染防治行动计划》，并规定至2020年全中国的水环境质量将得到很好的改善，并提出当地政府应该重视环境的治理，将任务进行很好地分解，各政府应该签署水污染防治目标责任书，每年进行定期的考核，考核要分海域、分区域和分流域来具体实施。此探究不断改善了Theil指数，至于各个地区应该响应《水污染防治行动计划》、有针对性地制定有效的方案。

二、数据来源和研究方法

(一)对塔里木干流上游地区排污口的基础调查。肖夹克到英巴扎的上游地区，此处是塔里木河干流的河水污染源，从排干的年污水排放量来看，这些地方均超过一千万t，具体包括以下地区：塔南干排、库新沙总干排、塔北截洪排、塔北二截排、老多浪排渠、十四公里退水渠、阿瓦提总排干。从表1能够知道，排水量最大的是库新沙总干排和阿瓦提总排，它们都可以达到3.624亿m3，从总排入污水量来看，它们占其57.8%。

数据来源：公开整理

(二)排污特性。

1.排污类型。因为塔里木河上游的污染性工业不大，其水质污染基本上完全是农田排水所导致的[5]，对结果进行分析能够知道，氟化物、可溶性总固体、总硬度等是污染河水的主要物质。

2.排污方式。从塔里木河两岸的农田排水来看，完全是通过排水渠汇集至干排里，然后再直接进入塔里木河干流，当前没有进行何种有效的处理。

3.排污规律。对塔里木河干流农田排水量进行分析并从中知道，20世纪90年代以来，由于不断开垦新的荒地，并且这些土地基本上都是重盐或者均是重碱地带，所以在农田里也会出现众多的盐水，并且这种情况在不断的增加。

与此同时，对每年里不同时间的排放量进行观察并具体了解到，通常排放量最大的季节是在秋季，春季会面临枯水季节，此季节到七月份洪水到来之前的这段时间，排放的污水都不多。比如库新沙总排干，对每年中不同时段的污水排放量进行分析可以知道(如表2所示)，排放量最大的是八月份，其次是三月份和九月份，再次是十、十一月份，体现出显著的变化规则。

表2 库新沙总排干排水量年平均分配统计表

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(三)排污口污水污染物分析。本文参考了《全国水资源保护规划大纲》，其排放标准参考了《污水综合排放标准》(GB8978-1996)、《地面水环境质量标准KGB3838-88)、《农田灌溉水质标准》(GB5084-92)和《生活饮用水卫生标准》(GB5749-58)等。根据中华人民共和国污水综合排放标准指定方法可以知道，针对农田排水，选择十八种指标做了测试。

表3 塔里木干流上游排污口水质测定统计

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从表3结果中能够看出，塔里木河上游农田排水里有害物质的含量有许多，例如总磷、总氮、六价铬、挥发酚和氰化物等，但整体污染物质都没有高出国家污水综合排放标准，目前最高仅占国家标准的1/10，个别污染物质低于标准的1%，尚不足影响塔里木河沿岸工农业的生产，对生活饮水不会产生直接影响，为此，以上污染物排放物质暂并不将其视作评价参数，其它的具体污染物含量测定结果如表3所示。因为污染物排放强度缩小了人口规模和地区经济的不同，和排放污染物的总量进行比较，其更好地体现某个地方社会发展的具体情况，并且便于各个地方的比较。Theil指数最开始用来权衡每个地方经济发展水平的不同，其好处是能够从各种尺度来分解区域的不同，并且融合众多的空间尺度，以此同时测度每组的贡献度。

三、基于Theil指数的水污染物排放强度区域差异

(一)COD排放强度区域差异。从图1可知，塔里木河上游地区COD的排放强度有显著不同，在2015～2018年，TP由0.0611降低至0.0462，降低的幅度是24%，TBR由0.0346降至0.0199，降低的幅度是42%，说明不管是COD排放强度的区域、还是总体差异均在不断降低。然而TWR由0.265降至0.0263，降低的幅度是0.94%，没有很大的变化幅度，显示COD区域里的不同有所降低，但是降低的幅度很小。由此可知，COD的TP和TBR的变化趋势一样，说明区域间不同的降低会导致COD总体差异降低。2015～2016年，TWR低于TBR，然而在2011年之后TBR低于TWR，这是因为2015年统计数据里有农业污染源，会给区域间的不同带来影响。

图1 阿拉尔市与沙雅县COD排放总体趋势对比

相同区域里农业污染源COD排放强度有很大的不同，因为沙雅县经济落后于阿拉尔市，然而沙雅县的主要经济是第二产业和第三产业，其中还有农业源会使沙雅县和阿拉尔市出现区域的不同。

(二)氨氮排放强度区域差异。图2和图3体现出氨氮排放强度TBR、TWR和Tp的变化情况。就2015～2018年而言，TBR、TWR及和Tp的波动不大，但总的来看是下降的。Tp由0.0508降至0.0272，降低的幅度是46%；TBR由0.0306降至0.0149，降低的幅度是51%；TWR变化幅度小，由0.0201降至0.0123，降低的幅度是39%。

图2 氨氮排放强度Theil指数不同年份变化趋势

由此可以看出，氨氮排放强度的区域内不同低于区域间不同，氨氮区域间的不同和总体的不同规则一样，并且就总体差异而言，区域间的差异占据主导的地位。

从图1能够知道，针对区域里差异贡献率，阿拉尔市大于沙雅县。从2015～2018年来看，阿拉尔市的贡献率不断增加，由51.79%增至67.83%，说明阿拉尔市内部的差别在不断增加，并且就区域内差异而言它有着主要的地位；沙雅县的贡献率变化幅度不大，大致在13%～17%，显示沙雅县内部差异不大。

四、结果与分析

(一)排污口污水污染物评价。按照我国污水综合排放标准(GB8978—1996)分析和评价了塔里木河干流农田排污口的具体排污现状，例如污水所含污染物的浓度和它的种类、所排污水量等。进而掌握超过标准的污染因子、具体的污染物质。

此外，西周燕国考古发掘中，出土了许多铸铜所用的陶范[8]38。1995年在琉璃河居址在F10和F11区内发现了陶范，其中有青铜容器范。标本F10T1324⑨:14夹细砂，红色，刻有卷云纹，残高4、残宽3.7厘米、厚2.5厘米[9]12-15。这说明古城址中有规模不小的铸铜作坊存在，极可能为王室所有。在北京的镇江营与塔照遗址，也发现1件残陶范，残长8厘米、残宽4.6厘米[10]364。说明此地亦有铸铜作坊存在过。众多的铸铜作坊，势必需要充足的矿源，亦从侧面说明燕国境内拥有丰富的矿产资源。正因西周燕国境内，铜、铅、锡等矿产资源丰富，才使得燕国青铜铸造业迅速发展。

1.评价参数的选择。因为农田排水是造成塔里木河的主要污染原因，所以选取多种评价参数，例如氨氮、化学耗氧量、pH值、矿化度等。

2.评价标准及方法。

(1)评价标准。就国家的标准而言，污水综合排放未提及农田污水排放标准，所以在对排放超标情况进行评价的过程中能够参照中华人民共和国污水排放标准里的一些指标，同时还要结合具体情况来进行，例如农田灌溉的国家标准、渔业的国家标准。

(2)评价方法。把每一个排污口的污染物浓度与有关水质标准、我国排放污水的标准做详细的比较，这便是具体的评价方法。

3.评价结果分析。在农田排水里氯离子是最为重要的污染物，再就是化学耗氧量、硫酸根。对比了所含氟的量和地面的水质标准。表4结果显示：库新沙总排干的氯离子、硫酸根和化学耗氧量均超过标准，前两者分别超过标准1.42和0.38倍，后者不符合一级排放标准；阿瓦提总排干的氯离子和化学耗氧量超过标准，前者超过标准0.7倍，后者不符合二级排放标准，超过0.71倍，同时氟的含量太多，不符合地面水质的三级标准；塔南干排的氯离子和硫酸根分别超标1.11倍和0.09倍；塔北二截排氯离子也不符合标准，超过了0.68倍，氟所含的量也太多，不符合地面五级水质标准；老多浪排渠和塔北截洪排的氯离子分别超标0.12倍和1.22倍。

表4 主要排污口的年排污总量(单位：万吨)年

因为塔里木河干流未汇入别的支流，所以将每个排污口排出的污染物的数量加起来便是塔里木河干流所能够承担的污染物的数量。

从表4能够知道，塔里木河干流每一年能够接纳大致824.68万溶解性总固体，大约有197.98万镁、钙等阳离子，159.34万硫酸根。从总排放量的大小能够了解到，库新沙总排干位居第一，每一年的总排放量达到265.2万；位居第二的是阿瓦提总排干，每一年的总排放量达到230.9万；位居第三的是塔北截洪排干，每一年的总排放量是182.1万；位居第四的塔南排干，每一年的总排放量是85.3万；其它三个排污口每年的排污量都不是很大，加起来才有71万多点。将位居前三的排污口加起来，其总的排污量是678.2万，它们也是塔里木河干流最为重要的排污源头。

(二)水污染物排放强度与其差异指数的相关性分析。为了让COD、氨氮排放强度和差异指数等项目得到有效探索，需要将二者通过散点图的形式体现(如图3所示)。COD、氨氮强度和相对应的Tp成正比例关系，由此表明，当塔里木河上游地区以及氨氮排放强度减小时，总体的差异也在随之减小。伴随经济大发展，国家对环保的支持力度加大，产业结构也得到优化和升级，水污染减排效果也得到大力推进，对于塔里木河地区，上游的COD也在逐步变化，而且排放强度也在逐渐下降，甚至伴随经济的发展变化，区域和区域之间的差异也会缩小。这种情况也是环保污染减排必然要达到的。

图3 COD排放强度及TP散点图

从上述分析可知，塔里木河干流的上游是重要的污染源，其重要的污染源毫无疑问是农田排水，有硫酸根和氯离子等主要的污染物；从排水渠来看，排污量稍大的是阿瓦提总排干和库新沙总排干，并且超标最多的是后者中的氯离子，接下来有阿瓦提总排干，还有塔北截洪排干，对于这些情况应该迅速找到相应的治理措施，避免过多地污染塔里木河干流。

(三)水污染物排放强度区域差异成因分析。通过分析Theil指数，水污染的排放在塔里木河区域差异性非常大，根据新疆区域内实际情况来看，总结出了影响塔里木河上游地区水污染减排产生差异的因素。

1.国家水污染物总量控制力度加强。由于我国城镇化和经济的发展，导致水污染排放量总体上升，国家也在加大力度控制。其中，水污染程度是否得到控制的一个重要指标就是水污染处理设施设备的运营情况。国务院在2007年颁发了《全国城镇污水处理及再生利用设施建设“十一五”规划》，增加了3,320亿元的投资，于是在全国各地，很多大型的污水处理投资项目都得到了建设投资；在“十一五”期间，污水处理行业处于一个发展高峰阶段，达到了500.4座的平均建设速率。接着，国务院又在2011年以后发布了《国家环境保护“十二五”规划》和《“十二五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划》等文件，各种建设的投资达到了4,300亿元。到2015年时，在全国污水处理建设项目投资就达到了4,136座的资金，污水处理能力总量达到了1.2X108m3/d。特别是2015年颁布实施了《水污染防治行动计划》之后，污水治理进入了新常态。这些情况都是导致塔里木河上游地带COD和氨氮总排放量差异缩小的因素所在。

2.污染排放程度会受到产业结构优化升级的影响。从产业结构来分析，SOR在沙雅县和阿拉尔市处于上升趋势，对于产业结果的优化程度，沙雅县小于阿拉尔市。产业结构的升级方面，SUR在阿拉尔市呈现整体升高趋势，对于沙雅县的SUR变化情况是先降低后升高，由此可知，对于它们的产业优化升级都没有阿拉尔市良好，阿拉尔市的优化升级导致了它本身的耗能高、排放量大和产业污染大等情况，对于沙雅县和塔里木乡以及盖孜库木乡的变化情况，污染排放的变化情况受到了产业结构的快速调整的影响。

3.区域经济发展不平衡。在经济发展方面，新疆地区区域性表现明显，在上游地带，水污染的排放和经济情况的变化关系不同。通过观看2015～2018年水污染排放的情况，将其与中下游地区的国际生产总值相比，把不同区域的COD氨氮排放情况和经济变化情况大体分为4类，这四种类型分别是低排放低增长、高排放高增长、高排放低增长、低排放高增长。对于COD排放强度和经济增长，由于阿拉尔地区经济增长模式比较分散，所以有四种模式，但主要体现低排放低增长和高增长两种模式；沙雅县主要体现高增长。对于氨氮排放和经济增长来说，阿拉尔市有三种模式，其中主要体现低排放低增长和低排放高增长；其中沙雅县大多数是高排放和高增长。

4.区域间协调机制不完善。对于污染减排方面，塔里木河区域交流机制和平台不多，让区域污染减排的效率差距得到了加剧。这样一来，让经济体制在技术和资源方面的优势得到发挥，阿拉尔市与沙雅县在区域合作方面，依靠技术援助、环保资金和排污权交易得到了很大促进，这样就达到了区域间水污染减排的双赢作用，也让相互之间得到了互补，让区域间差距大大减小。

五、结论

(一)氨氮的整体排放和塔里木河上游地区COD出现了整体下滑，可是这两者在空间上排放不均匀。对于排放强度方面，沙雅县远远低于阿拉尔市，关于COD的排放强度方面，阿拉尔市要大于沙雅县，关于氨氮强度排放方面沙雅县小于阿拉尔市。

(二)2015～2018年，就COD排放强度总体差异与区域间差异而言，它们在不断地缩小，区域内差异也没有很大的变化。就总体差异而言，区域间差异是主导地位。从区域内差异的贡献率来看，不同区域里的COD排放强度有极大的差别，2015～2016年体现在阿拉尔市小于沙雅县；由于增加了农业源统计，2016～2018年间贡献率体现出沙雅县小于阿拉尔市。

(三)2015～2018年，总体而言氨氮排放强度的区域内差异、区域间差异和总体差异在不断降低。在总体差异里区域间的差异有着主要的地位。氨氮排放强度差异在不同的区域内部有不同的表现，沙雅县小于阿拉尔市，就区域内差异而言阿拉尔市有重要的地位。

(四)COD、氨氮的排放强度和它们所对应的Tp有正相关。塔里木河上游地区氨氮与COD的排放强度不断地降低，与此同时各个地方的差异也在不断缩小。

(五)导致各个地方水污染物排放强度不同的具体原因。我国重视控制水污染物的总量；污染物排放强度格局受到产业结构的影响；各个地区经济发展差异；缺乏完善的区域协调机制。