洱海流域水环境污染与水环境变化的关联分析

王明杰，余 斌，卓蓉蓉 ，王 毅

(1.山东农业大学公共管理学院，山东 泰安 271018；2.华中师范大学地理过程分析与模拟湖北省重点实验室，武汉 430079)

伴随着我国城镇化和工业化高速发展，水环境污染及其造成的危害日益威胁着国民的身体健康和社会的可持续发展[1-3]，水环境污染治理成为推进生态环境保护与实现人与自然和谐发展的当务之急.洱海作为典型的高原湖泊，生态系统脆弱，近年来，随着该地区经济的快速发展，水环境保护面临严峻挑战.2015年，习近平总书记视察洱海时提出，要让“苍山不墨千秋画，洱海无弦万古琴”的自然美景永驻人间，洱海流域水环境整治时不我待.科学认知洱海流域水环境污染基本特征、精准解读洱海流域污染排放与洱海水质变化的内在规律是洱海水环境治理的基础性工作，也是践行生态文明、探索发展转型的担当之举.

目前，国内外水环境污染研究焦点集中在水环境污染评价及其社会经济影响机理方面.水环境污染评价是水环境治理和科学决策的依据，常用的评价方法主要有等标污染负荷法[4]、排污系数法[5]、聚类分析法[6]、输出系数法[7]等，其中，等标污染负荷法将系统内不同行政区下多种污染物纳入统一框架进行比较，能够准确区分主要污染物、污染源和污染地，是水环境污染评价行之有效的手段.基于水环境污染评价的水环境污染模型构建是系统解决水环境污染的有益探索，Haith和Shoemaker共同研发的SWAT模型、美国农业部研发的HSPF模型是其典型代表[8-9].近年来，城镇化与工业化成为水环境污染的主要诱因[10]，经济增长[11]、工业结构演变[12]、城市扩展[13]等与水环境关联研究被认为是揭示水污染机理的重要探索.灰色关联分析(GRA)[14]、环境库兹涅兹曲线(EKC)[15]、空间自相关[16]、主成分分析[17]等是关联性分析的主要方法，其中，GRA通过参考数据列的几何形状相似程度来判断曲线联系紧密程度，能有效测度双方的关联程度.随着大数据、地理信息技术(GIS)不断融入环境污染治理领域，水环境污染评价及其机理探索方兴未艾.

综上所述，水环境污染评价以水环境承载力为指引，以创建统一的评价标准为方向，评价方法日趋科学.伴随着工业化和城镇化的快速推进，现阶段单一的水环境污染评价已不能满足区域水环境治理的需求.据此，文本以2007年—2017年为时间维度，以洱海流域为空间尺度，以精准识别洱海流域主要污染物产生的部门和地区为基础，通过解读2007年—2017年水环境污染部门对洱海水质变化的影响程度以及污染地的时空变化，探寻洱海流域水环境污染与水环境变化的内在机理，期望为水环境污染综合治理提供理论启示，为洱海流域相关实践提供技术支持.

1 研究区域、数据与研究方法

1.1 研究区域及数据来源

洱海流域位于云南省西北部，地势四周高中间低，流域面积2 927.85 km2，其中，洱海湖面面积252 km2，是云南省第二大高原淡水湖泊和大理市主要饮用水源地，也是苍山洱海国家级自然保护区和风景名胜区的核心组成部分.洱海流域下辖大理市和洱源县16个乡镇和1个开发区，2017年，流域总人口88.39万人，GDP 458.32亿元.在生态文明建设列为国家发展战略背景下，解析洱海流域水环境污染特征及其与水环境变化关系，能够为洱海流域水环境治理提供技术支持，为洱海流域可持续发展提供对策建议.

图1 洱海流域行政区划Fig.1 Administrative division of Erhai Lake basin

以2007年—2017年为研究期、乡镇地域为研究单元.研究所需数据主要来源2008-2018年《云南省环境状况公报》、《大理市统计年鉴》、《大理市环境质量年报》，洱海水质数据由云南省生态环境厅提供，农业污染资料由市发改局和农业局提供，对于个别年份数据缺失状况，采用插值法进行数据补充.流域乡镇行政边界等基础空间数据从自然资源部测绘地理信息网获取(http://zwfw.ch.mnr.gov.cn/)，获取时间为2018年6月.

1.2 研究方法

1) 等标污染负荷[4].设水环境系统由i种污染物，第i种污染物的等标排放量为：

(1)

式中，Pi为第i种污染物的等标排放量，单位为m3·a-1；Ci为第i种污染物的实物排放量，单位为t·a-1；C0为洱海水质污染物限值标准，单位为mg·L-1.

设某区域有m个污染源，第j个污染源有n个污染物，则该区域等标排放量为：

(2)

该地区第j个污染源的等标污染负荷率为：

(3)

2) 灰色关联分析(GAR)[14].参考数列X0，表示不同时间段洱海水质.比较数列Xi，表示洱海流域主要污染部门和流域各乡镇.

X0={X0(1)，X0(2)，X0(3)，…，X0(k)}，

(4)

Xi={Xi(1)，Xi(2)，Xi(3)，…，Xi(k)}.

(5)

无量纲化处理：参考数列和比较数列的数据的量纲不同，选择均值法进行无量纲标准化处理.

(6)

灰色关联系数：

(7)

关联度：

(8)

其中，k=1，2，…，n.

2 洱海流域水环境污染特征

湖泊水环境状况受自然环境和人类活动的双重影响，除去地表径流、水土流失和干湿沉降等自然过程的作用外，人类活动所造成的污染超标排放是湖泊外源性污染物的主要来源，其中，污染物排放总量、污染源排放结构、污染排放时空变化是流域水环境污染的基本特征，统筹考虑洱海水环境污染特征是科学识别洱海水质变化的基础要求.

2.1 污染总量变化特征

根据洱海湖泊水质不低于II类水质标准，汇入干流不低于III类水质标准(《洱海流域水环境保护治理“十三五”规划(2016-2020)》对此作出明确要求)，依据《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)和国家环保总局《水和废水检测分析方法(第四版)》要求，参照《云南省环境状况公报》关于洱海水质主要污染物报告，选取化学需氧量(COD)、总磷(TP)、总氮(TN)作为污染物评价因子.依据以上标准，确定主要污染物限值标准为COD：20 mg·L-1；TN：1.0 mg·L-1；TP：0.2 mg·L-1.

依据公式(1)～(3)，获取洱海流域2007年—2017年主要污染物等标排放量及占比变化(表1、图2).从表1、图2可见，2007年—2017年洱海流域主要污染物等标排放量呈“先增后降”发展趋势，TN是流域的主要污染物.2007年，洱海流域各类污染等标排放总量为9 716×106m3·a-1，其中，主要污染物为TN，等标排放量占比为58.18%，COD、TP占比分别为16.29%、25.53%.2015年，洱海流域各类污染等标排放总量上升到11 184×106m3·a-1，达到阶段最高值，其中，TN等标排放量占比达56.28%，COD、TP占比分别为15.93%、27.58%.2017年，洱海流域各类污染等标排放总量下降到8 133×106m3·a-1，主要污染物仍为TN，等标排放量占比为55.98%，COD、TP占比分别为15.60%、28.42%.2007年—2017年，洱海流域COD、TP的排放量保持相对稳定，其中，COD等标排放量占比略有下降，从2007年的16.29%下降到2017年的15.60%，TP等标排放量占比略有上升，从2007年的25.53%上升到2017年的28.42%.总体而言，洱海流域主要污染物等标排放总量趋于下降，说明大理市“工程控污”项目效果开始显现，但主要污染物结构变化不大，如何调整排污结构，削减TN排放量是洱海水环境改善的首要任务.

表1 2007年—2017年洱海流域污染等标排放量及占比变化Tab.1 Changes of equivalent emission and proportion of pollution in Erhai Lake basin during 2007-2017

2.2 污染结构变化特征

人类活动对洱海流域水环境变化的影响具有差异性，不同人类活动类型对流域水环境变化具有程度不同的影响.以洱海流域主要污染部门表征人类活动结构，通过分析部门排污状况揭示洱海水质变化趋势.根据洱海流域生产生活方式，将污染源部门分为点源污染源和面源污染源，点源污染分为城镇生活和环湖旅游(环湖旅游：2016年中央环境保护督察反馈指出，洱海周边旅游无序开发管控不到位，洱海环湖生态遭到破坏，洱海环湖旅游造成的污染是洱海水环境污染的重要来源)，面源污染分为农村生活、农田面源和畜禽养殖.从表2、图3可见，2007年—2017年，洱海流域水环境污染主要威胁来自畜禽养殖部门，2007年—2017年，洱海流域各污染部门排放量“阶段性波动”特征显著.从污染结构看，2007年—2017年，洱海流域面源污染排放量占流域总排放量平均值达94.10%，是流域水环境污染的主要污染源，其中，畜禽养殖污染排放量平均占比达53.17%，是流域主要污染部门，农田面源污染、农村生活污染平均占比为22.23%、18.70%，分居第二、三位.2007年—2016年，各污染部门排污量总体保持稳定，2017年，受大理市社会经济结构调整及控污减排项目的实施，流域各部门污染排放结构发生显著变化，畜禽养殖污染排放占比显著下降，农村生活污染、城镇生活污染、环湖旅游污染排放占比显著上升.从变化趋势看，2007年—2017年，畜禽养殖污染排放量波动幅度较大，2007年—2016年，畜禽养殖污染排放量呈显著增长趋势，增长幅度达29.51%，2017年出现“断崖式”下滑，这主要源于大理市畜禽养殖禁养区划定后，畜禽养殖产业被有效控制.农田面源污染排放量波动呈阶段性，2007年—2013年，排放量呈“稳步增加”趋势，2014年—2017年，排放量呈“先增后降”趋势.农村生活污染排放量波动频繁，总体波动幅度较小.城镇生活污染、环湖流域污染排放量较小，波动幅度较低.总体而言，畜禽养殖污染、农田面源污染和农村生活污染是现阶段洱海流域主要污染部门，科学规范畜禽养殖，调整种植结构，发展生态农业是洱海流域水环境治理的关键所在.

图2 2007年—2017年洱海流域污染物等标排放量及占比Fig.2 Changes of equivalent emission and proportion of pollution in Erhai Lake basin during 2007-2017

表2 2007年—2017年洱海流域污染源排放量及占比变化Tab.2 Changes of pollutant discharge and proportion in Erhai Lake basin during 2007-2017

图3 2007年—2017年洱海流域污染源排放量及占比变化Fig.3 Changes of pollutant discharge and proportion in Erhai Lake basin during 2007-2017

2.3 污染时空变化特征

人类活动及其水环境效应的空间非均衡性是动态变化的，时间-空间耦合分析能够探寻人类活动及其环境效应的时空变化规律，进而解读关键污染地区的演化轨迹及作用机制.依据公式(1)～(3)，计算洱海流域各乡镇等标污染排放量及其占比(见表3)，依据污染排放量占比将流域划分为低排污区(0～1.83%)、较低排污区(1.84～3.97%)、中等排污区(3.98～6.10%)、较高排污区(6.11～8.24%)、高排污区(8.25～12.51%)五种等级(见图4).从表3、图4可见，2007年—2017年，洱海流域等标污染排放量时空分布不均，高排污区集中布局在海北地区.从空间角度看，洱海流域污染排放量高值区集中在海北地区，低值区集中在海东、海西和海南地区.分乡镇看，三营镇平均污染排放量最高，2007年—2017年，污染排放量平均占比达11.96%，位居第一，茈碧湖镇、右所镇紧随其后，污染排放量平均占比分别为10.52%、10.40%.大理市开发区平均污染排放量最低，污染排放量平均占比仅2.08%，其次为双廊镇、挖色镇，污染排放量平均占比分别为2.67%、2.85%.从时间角度看，2007年—2013年洱海流域污染排放呈“高排污区扩大、低排污区缩小”态势.2007年—2009年高排污区为2个乡镇，2010年—2013年扩大到3各乡镇；低排污区由2007年的11个乡镇缩减到2017年的6个乡镇.2014-2017年，洱海流域污染排放量空间差异缩小.相比2013年，2017年洱海流域高排放乡镇由3个缩减到1个，较高排放乡镇由0个增加到3个，较低排放乡镇由3个缩减到2个，低排放区由6个增加到7个，空间均衡性逐渐显现.总体而言，洱海流域各乡镇污染排放下降趋势明显，但受传统农业生产结构影响，三营镇、右所镇、茈碧湖镇等海北地区排污依然严重，洱海流域控污减排任重道远.

3 洱海流域水环境污染与水环境变化关联分析

为精准识别洱海流域水环境污染与主要污染产生部门及产生地区的关联性，依据公式(4)～(8)将流域主要污染部门、流域各乡镇(含1个开发区)污染等标排放量数据进行标准化处理，与水环境质量进行灰色关联分析.洱海主要水质状况依据2008年—2018年《云南省环境状况公报》，对CODMn、TN 、TP主要污染物进行标准化处理，得出洱海主要水质情况(见表4).

3.1 污染部门与水环境的关联分析

从表5可见，2007年—2017年，洱海流域各污染部门与洱海水质变化具有较强的关联度(平均关联度均>0.50).总体上看，洱海流域各污染部门与洱海水质变化关联强度依次是畜禽养殖污染、农村生活污染、城镇生活污染、农田面源污染和环湖旅游污染，其中，畜禽养殖污染、农村生活污染、城镇生活污染与洱海水质变化的关联度分别为0.79、0.76和0.73，是影响洱海水质变化的重点污染部门.分部门看，2007年—2017年，洱海流域各污染部门与洱海水质变化的关联度呈“阶段性波动”特征.2007年—2017年，畜禽养殖污染与洱海水质关联度呈倒“U”型(见图5)，2010年—2014年，关联性位于高值区间，关联度均大于0.9，2015年开始下降，到2017年关系度仅为0.45.2007年—2017年，农田面源污染与洱海水质关联度总体呈上升趋势，2007年关联度仅为0.38，2016年关联度达到1，2017年关联度下降到0.5.2007年—2017年，农村生活污染与洱海水质关联度呈波动下降趋势，2008年关联度为0.99，2009年开始波动下降，2017年关联度为0.75.2007年—2017年，城镇生活污染与洱海水质关联度呈波动上升趋势，2007年—2009年，关联度从0.79降到0.48，2010年开始波动上升，2018年关联度达0.98.2007年—2017年，环湖旅游污染与洱海水质关联度呈显著上升趋势，2007年关联度仅为0.34，到2017年达0.75.总体而言，洱海流域各部门污染总量及其与水质的关联分析具有一致性，畜禽养殖污染、农村生活污染是主要污染来源，随着洱海流域“工程控污”项目的实施，流域排污总量显著下降，但基于生产结构造成的生产污染依然面临严峻形势，“结构减排”任重道远.

图4 2007年—2017年洱海流域污染排放时空变化Fig.4 Spatial and temporal changes of pollution emissions in Erhai River basin during 2007-2017

表3 2007年—2017年洱海流域各乡镇污染等标排放量、占比Tab.3 Equivalent emission and and proportion of pollution in villages and towns of Erhai River basin during 2007-2017

续表3

表4 2007年—2017年洱海主要水质Tab.4 The index of water quality in Erhai Lake during 2007-2017

表5 2007年—2017年洱海流域各污染部门与水环境关联度Tab.5 Correlation degree between pollution departments and water environment in Erhai River basin during 2007-2017

图5 2007年—2017年洱海流域各污染部门与水环境关联度变化Fig.5 Correlation degree between pollution departments and water environment in Erhai River basin during 2007-2017

3.2 流域乡镇与水环境的关联分析

从表6可见，2007年—2017年洱海流域各乡镇污染排放与洱海水质变化具有较强的关联度(平均关联度均>0.50)，其中，上关镇(0.81)、湾桥镇(0.81)、海东镇(0.80)、挖色镇(0.79)、凤仪镇(0.78)、三营镇(0.76)和下关镇(0.75)等7镇污染排放与洱海水质变化具有较强关联，二者的关联度均大于0.75，表明以上乡镇的污染排放对洱海水质变化的影响较大，控制以上乡镇的排污量对改善洱海水环境至关重要.分阶段看，2010年、2014年、2016年洱海流域各乡镇污染排放与洱海水质变化关联程度最为密切，关联度分别为13.66、13.60、16.64；2007年、2017年洱海流域各乡镇污染排放与洱海水质变化关联程度较低，关联度分别为9.70和8.41.流域乡镇污染排放与洱海水质变化关联度强弱取决于各乡镇排污总量及其各污染物占比状况，不同年份污染关联度的高低差异说明流域各乡镇污染排放波动性较强，空间稳定性较差，污染排放空间优化亟待加强.分地域看，与洱海水质变化关联度较高的乡镇主要分布在洱海周边，其中，上关镇、湾桥镇、海东镇与洱海水质变化关联度位居前三位，三镇均紧邻洱海，说明污染地距离对洱海水质具有较大影响.

3 结论与建议

3.1 结论

1) 从污染总量看，2007年—2017年，洱海流域污染等标排放量呈现“先增后降”趋势，COD、TN、TP排放量平均占比分别为16.25%、56.91%、26.84%，TN是洱海流域主要污染物，2015年TN排放量达7506×106m3·a-1，调整排污结构，削减TN排放量是洱海水环境改善的首要任务.

2) 从污染结构看，2007年—2017年，洱海流域水环境污染主要来自面源污染，其中畜禽养殖污染排放量平均占比达53.17%，是流域主要污染部门.洱海流域各污染部门排放量“阶段性波动”特征显著，其中，畜禽养殖污染、农田面源污染波动性较大，“峰值”分别出现在2016年、2015年，调整农业生产结构，科学规范畜禽养殖是洱海水环境治理的关键所在.

3) 从时空变化看，2007年—2017年，洱海流域等标污染排放量时空分布不均、空间差异缩小.高排污区集中分布在海北地区，低排污区集中在海东、海西和海南，三营镇、茈碧湖镇、右所镇位居平均污染排放量前三位.相比2007年，2017年高排污乡镇由3个减少到1个，低排污乡镇由11个减少到8个，空间差异逐渐缩小.

4) 从关联强度看，2007年—2017年，洱海流域各污染部门与洱海水质变化具有较强的关联度(平均关联度均>0.50)，关联度总体呈“阶段性波动”特征.各污染部门与洱海水质变化关联强度依次是畜禽养殖污染、农村生活污染、城镇生活污染、农田面源污染和环湖旅游污染.畜禽养殖污染与洱海水质关联度呈倒“U”型；农田面源污染、环湖旅游污染与洱海水质关联度总体呈上升趋势；农村生活污染与洱海水质关联度呈波动下降趋势；城镇生活污染与洱海水质关联度呈波动上升趋势.

5) 从地区关联看，2007年—2017年，洱海流域各乡镇污染排放与洱海水质变化具有较强的关联度(平均关联度均>0.50)，其中，上关镇、湾桥镇、海东镇关联强度位居前三，关联度较高的乡镇均分布在洱海周边，说明污染地距离对洱海水质具有较大影响.

表6 2007年—2017年洱海流域各乡镇污染排放与洱海水质变化关联度Tab.6 Correlation between pollution discharge of villages and towns and water quality change of Erhai Lake basin during 2007-2017

总体而言，受洱海流域水体污染控制与治理的实施，流域主要污染物排放总量大幅减少、污染结构趋于向好、污染空间差异趋于平衡，但污染总量仍然较大、结构性污染仍然突出，洱海流域控污减排任务任重道远.

3.2 建议

1) 优化农业产业结构，推动产业转型发展.根据洱海流域主要污染物构成和时空变化特征，以削减TN排放量、降低畜禽养殖污染为重点，以发展生态农业、有机农业为核心，促进传统农业向现代农业转型.首先，以水环境承载力为基础，通过降低农药、化肥的使用量，推动畜禽规模化养殖示范、畜禽粪便收集清运处等措施削减流域污染总量.其次，充分借助流域地形优势，利用林地资源，开展林、农、牧等复合式经营，进行农作物种植结构调整，建设生态农业示范基地，推动农业转型升级.

2) 优化产业空间结构，推动产业集聚发展.根据洱海流域污染强度空间分布不均的特征，以资源环境承载力为基础，实施流域绿色发展分区，推动产业区域集聚.环洱海核心区：以自然山水旅游产业为主导，通过环境设施建设和湖滨生态修复，构建洱海水生态安全屏障.海北地区：以农业面源污染控制为重点，以发展生态农业、现代农业为目标，构建流域生态文明先行区.海东、海西地区：以生态保护为基础，以白族文化资源开发为重点，构建流域生态文化示范区.海南地区：以控制城镇污染为重点，以发展现代工业、打造低碳城镇为目标，构建流域生产生活中心.

3) 着力转变发展方式，推动生态乡村发展.根据洱海流域主要污染为农村面源污染的特征，通过发展绿色农业，推进新型城镇化，优化人居环境，全面推动流域生态乡村发展.首先，牢固树立“两山论”理念，通过实施化肥、农业使用量零增长，农业废弃物资源化、无害化处理等工程推动绿色农业发展；其次，以引导乡村居民集中化居住和乡村空间有机化发展为目标，通过发展中心集镇、合并乡村社区推动新型城镇化发展；第三，全面实施“清洁家园、清洁田园、清洁水源”系统工程，优化乡村人居环境.