“十三五”时期长江经济带地表水水质及关联分析

陈善荣，董广霞，张凤英，李一龙，周密，马广文，何立环，林兰钰

中国环境监测总站

长江经济带覆盖我国上海、江苏、浙江、安徽、江西、湖北、湖南、重庆、四川、贵州、云南11省（市），面积约205万km2，人口和国内生产总值（GDP）均超过全国的40%，是中国经济重心所在、活力所在，也是中华民族永续发展的重要支撑。“十三五”时期，习近平总书记多次对长江经济带生态环境保护工作作出重要指示，强调推动长江经济带发展，理念要先进，坚持生态优先、绿色发展，把生态环境保护摆上优先地位，涉及长江的一切经济活动都要以不破坏生态环境为前提，共抓大保护，不搞大开发[1-2]。随着长江经济带发展战略全面实施和生态文明建设加快推进，我国各级政府和部门把生态环境保护摆上优先地位，相继开展了长江经济带生态环境保护工作，取得了积极进展，长江经济带总体水质进一步改善，但局部仍存在一些环境问题。

很多学者从政策[3-4]、环境形势[5-7]、社会经济发展[8-10]、污染治理[11-13]、水环境承载力[14-17]、水质[18-20]等方面对长江经济带或长江流域开展了大量研究。但以“十三五”时期水环境质量为基础，结合社会经济发展和污染排放及治理进行关联分析的研究较为鲜见。笔者基于国家地表水环境质量监测网，以“十三五”时期长江经济带地表水1 178个可比断面的21项水质指标监测结果为样本，结合人口、社会经济、污染排放等数据，开展长江经济带地表水与社会经济发展相关指标变化及关联分析，总结存在的主要环境问题，提出对策建议，以期为“十四五”时期长江经济带大保护和水环境管理提供借鉴。

1 研究方法

1.1 数据来源

水质数据来源于国家地表水环境质量监测网，为月度监测数据，包括pH、溶解氧、高锰酸盐指数、化学需氧量（COD）、五日生化需氧量、氨氮（NH3-N）、总磷（TP）、铜、锌、氟化物、硒、砷、汞、镉、铬（六价）、铅、氰化物、挥发酚、石油类、阴离子表面活性剂和硫化物等21项指标；污染排放及治理数据来源于《中国生态环境统计年报》[21]，包括工业废水和生活污水排放量及TP、COD、NH3-N产生量、排放量，工业废水治理设施和污水处理厂运行费用；社会经济等数据来源于国家统计局官网[22]，包括GDP、产业结构、人口；国土面积数据来源于中央人民政府网[23]；地表水资源量数据来源于长江水利网长江公报[24]。

1.2 研究区域

研究区域为长江经济带11省（市）。地表水水质研究时段为“十三五”时期（2016—2020年），按照《“十三五”国家地表水环境质量监测网设置方案》[25]，“十三五”时期长江经济带11省（市）共有1 178个可比断面（河流断面995个、湖库点位183个）；污染排放研究时段为 2016—2019年，2020年因污染排放数据按照新的制度进行核算，与前4年不可比，为保持可比性与一致性，采用前4年数据进行分析；其他社会经济等数据研究时段均为“十三五”时期。

1.3 研究方法

按照GB 3838—2002《地表水环境质量标准》和《地表水环境质量评价办法(试行)》的要求，各断面单项指标类别评价依据GB 3838—2002，分为Ⅰ类～劣Ⅴ类6个类别；各断面水质类别评价依据《地表水环境质量评价办法(试行)》，评价指标为GB 3838—2002表1中除水温、总氮和粪大肠菌群以外的21项指标，采用单因子评价法，即通过评价时段内该断面参评的指标中类别最高的一项来确定。

断面超标率按照GB 3838—2002和《地表水环境质量评价办法(试行)》的要求进行评价，计算公式如下：

式中：l为断面超标率，%；n为某评价指标超过Ⅲ类水质标准的断面个数，个；N为断面总数，个。

GDP采用不变价计算，公式如下：

式中：GDPm为m年不变价，亿元；GDP1为2016年当年价，亿元；k1为以1978年为基期的2016年GDP指数；km为以1978年为基期的m年GDP指数。

污染物单位面积排放强度采用2019年数据，计算公式如下：

式中：Pi为i省（市）污染物单位面积排放强度，t/km2；Mi1、Mi2和Mi3分别为i省（市）TP、COD 和NH3-N 排放量，t；Si为i省（市）国土面积，km2。

污染物单位水资源量排放强度采用2019年数据，计算公式如下：

式中：Qi为i省（市）污染物单位水资源量排放强度，t/亿 m3；Di1、Di2和Di3分别为i省（市）TP、COD 和NH3-N 排放量，t；Vi为i省（市）地表水资源量，亿 m3。

各项污染物去除率采用2019年数据，计算公式如下：

式中：Rij为i省（市）j项污染物去除率，%；Pij为i省（市）j项污染物产生量；Dij为i省（市）j项污染物排放量。

采用Pearson相关系数进行关联分析，计算公式如下：

式中：r为Pearson乘积矩相关系数；x和y为2组样本值，和为2组样本平均值。0.8<|r|≤1为高度相关，0.6<|r|≤0.8 为显著相关，0.4<|r|≤0.6 为低度相关，0.2<|r|≤0.4为微弱相关，0≤|r|≤0.2为极弱相关或无相关；r>0为正相关，r<0为负相关。

使用STIRPAT模型对长江经济带水环境质量的驱动因素进行分析，计算公式如下：

式中：I为废/污水排放量；P1为常住人口；P2为城镇化率；A1为GDP；A2为人均GDP；T1为主要污染物排放量；T2为第二产业占比；α1、α2、β1、β2、γ1、γ2分别为各驱动因素项系数；C为模型常数。

2 结果与讨论

2.1 “十三五”时期长江经济带地表水水质变化

“十三五”时期，长江经济带总体水质稳中趋好，优良水质（Ⅰ类～Ⅲ类）断面比例上升，劣Ⅴ类水质断面比例下降。1 178个可比断面中，优良水质断面比例由2016年的76.2%升至2020年的86.5%，上升10.3个百分点；劣Ⅴ类水质断面比例由2016年的3.7%降至2020年的0.4%，下降3.3个百分点。优良水质中，Ⅰ类水质断面比例由2016年的3.0%逐年升至2020年的7.0%，Ⅱ类水质断面比例由2016年的40.8%逐年升至2020年的50.6%，Ⅲ类水质断面比例由2016年的32.4%逐年降至2020年的28.9%，长江经济带优良水质断面中优的水质（Ⅰ类～Ⅱ类）断面比例进一步增加（图1）。

图1 “十三五”时期长江经济带水质状况变化Fig.1 Changes of water quality in YREB during the 13th Five-Year Plan period

“十三五”时期，长江经济带11省（市）水质均呈好转趋势，优良水质断面比例均有不同程度上升，劣Ⅴ类水质断面比例均不断下降。其中，四川、上海、浙江、安徽和江苏优良水质断面比例上升幅度超过10个百分点，上海、安徽和四川劣Ⅴ类水质断面比例下降幅度超过7个百分点，水质改善明显。个别地区改善空间仍较大，从2020年情况看，云南、安徽和江苏优良水质断面比例尚低于80%，云南还未消除劣Ⅴ类水质（图2）。

图2 “十三五”时期11省（市）Ⅰ类～Ⅲ类（下）和劣Ⅴ类（上）水质断面比例变化Fig.2 Changes in the proportion of grade Ⅰ-Ⅲ (below) and inferior to grade V (up) water quality sections in 11 provinces and cities of YREB during the 13th Five-Year Plan period

“十三五”时期，长江经济带地表水TP、COD和NH3-N断面超标率相对较高，2020年断面超标率分别为9.8%、4.6%和2.3%，是主要超标指标，也是未来水质改善的重点指标。总体来看，3项指标浓度均逐年下降，TP浓度由0.111 mg/L降至0.075 mg/L，下降32.4%；COD由 12.8 mg/L降至 11.4 mg/L，下降10.9%；NH3-N浓度由0.45 mg/L降至0.21 mg/L，下降 53.3%（图3）。

图3 “十三五”时期长江经济带TP、NH3-N浓度和COD变化Fig.3 Annual variations of TP, NH3-N and COD in YREB during the 13th Five-Year Plan period

11省（市）中，TP和NH3-N浓度均显著下降，TP浓度下降幅度为16.0%（江西）～53.8%（四川），NH3-N浓度下降幅度为30.8%（江西）～72.6%（上海）；浙江和上海的COD分别上升2.0%和17.1%，其他省(市)均有所下降，下降幅度为5.6%（湖南）～24.8%（贵州）。各省（市）比较而言，安徽、江苏和上海等中下游省（市）3项指标浓度均相对较高（图4）。

图4 “十三五”时期11省（市）TP、NH3-N浓度和COD变化Fig.4 Annual variations of TP, COD and NH3-N in 11 provinces (municipalities) of YREB during the 13th Five-Year Plan period

2020年与2016年相比，1 178个可比断面中，分别有24.4%、37.9%和12.6%的断面TP浓度、COD和NH3-N浓度上升（图5）。其中，23个断面TP浓度上升幅度超过100%，主要分布在湖北（7个）和云南（6个）；23个断面COD上升幅度超过100%，主要分布在浙江（9个）和湖南（6个）；23个断面NH3-N浓度上升幅度超过100%，主要分布在云南（8个）、江苏（4个）、安徽（3个）、湖北（3个）和浙江（3 个）。有41个断面TP浓度、COD和NH3-N浓度均上升，主要分布在湖北（9个）、江苏（6个）、云南（6个）、安徽（5个）和江西（5个）；有505个断面TP浓度、COD和NH3-N浓度均下降。

图5 2020年与2016年相比长江经济带可比断面TP、NH3-N浓度和COD变化Fig.5 Concentration changes of TP, NH3-N and COD in comparable sections of YREB in 2020 compared with 2016

2.2 “十三五”时期长江经济带社会经济发展情况

“十三五”时期，长江经济带经济高速发展，GDP和人口均逐年上升，给环境改善带来巨大压力[26-27]。

长江经济带GDP逐年上升，年均增幅为4.7%（图6）。其中，第一产业贡献率较小，且年际间变化不大，在6.6%（2018年）～7.6%（2016年）波动变化；第二产业贡献率逐年下降，由42.1%降至38.7%；第三产业贡献率5年间均超过50%，且逐年上升，由50.3%升至54.0%（图7）。

图6 “十三五”时期长江经济带GDP变化Fig.6 GDP Change of YREB during the 13th Five-Year Plan period

图7 “十三五”时期长江经济带产业结构变化Fig.7 Changes in industrial structure of YREB during the 13th Five-Year Plan period

长江经济带人口逐年上升，5年间总人口增加854万人。城镇化进程逐步推进，城镇化率由2016年的56.3%升至2020年的63.2%（图8）。11省（市）中，四川、云南、贵州、重庆、湖南、江西和安徽城镇化率提高幅度超过5个百分点；上海城镇化率一直略高于89%，重庆、浙江和江苏城镇化率高于60%，城镇化程度相对较高（图9）。

图8 “十三五”时期长江经济带人口变化Fig.8 Population changes in YREB during the 13th Five-Year Plan period

图9 “十三五”时期11省（市）城镇化率变化Fig.9 Changes in urbanization rate of 11 provinces (municipalities) in YREB during the 13th Five-Year Plan period

2.3 “十三五”时期长江经济带废/污水排放及治理情况

“十三五”时期，长江经济带废/污水排放量总体上升，但国家持续加大治理力度，治理设施运行费用逐年大幅提升，工业源TP、COD和NH3-N去除率总体较高，生活污水处理设施运行费用增速明显，有效去除废/污水中TP、COD和NH3-N，持续改善长江经济带地表水环境质量[28-29]。

长江经济带废/污水排放量总体上升，2019年相较2016年上升6.1%，且以生活污水排放为主。其中，工业废水排放量逐年下降，4年间下降21.3%，说明工业废水治理成效显著；生活污水排放量逐年上升，2019年比2016年上升14.3%，说明城镇化进程发展较快。长江经济带生活污水排放量远超工业废水排放量，其比值由2016的3.4倍逐年升至2019年的 4.9 倍（图10）。

图10 “十三五”时期长江经济带废/污水排放量Fig.10 Wastewater discharge in YREB during the 13th Five-Year Plan period

长江经济带废/污水治理设施运行费用逐年上升，2019年比2016年上升30.2%；工业废水治理设施运行费用略有上升，4年间总体上升7.6%；生活污水处理设施运行费用增速明显，年增幅接近15%（图11）。

图11 “十三五”时期长江经济带废/污水治理设施运行费用Fig.11 Operation cost of wastewater treatment facilities in YREB during the 13th Five-Year Plan period

11省（市）中，TP、COD和NH3-N 3项污染物单位面积排放强度上海最高，达到12.2 t/km2；其次为江苏，为5.5 t/km2；再次为安徽和浙江，为2.6和2.5 t/km2（图12）。TP、COD和NH3-N 3项污染物单位水资源量排放强度江苏最高，达到3 836.6 t/亿m3；其次为浙江和上海，均超过2 000 t/亿m3；再次为安徽，为809.8 t/亿m3（图13）。总体来看，长江经济带下游省（市）TP、COD和NH3-N 3项污染物单位面积排放强度和单位水资源量排放强度均较高。

图12 “十三五”时期11省（市）TP、COD和NH3-N单位面积排放强度Fig.12 Discharge intensity of TP, COD and NH3-N per unit area in 11 provinces (municipalities)during the 13th Five-Year Plan period

图13 “十三五”时期11省（市）TP、COD和NH3-N单位水资源量排放强度Fig.13 Discharge intensity of TP, COD and NH3-N per unit water resource in 11 provinces (municipalities)during the 13th Five-Year Plan period

2019年，从生活源来看，长江经济带TP、COD和NH3-N去除率总体较低，分别为57.6%、53.2%和45.3%。11省（市）中，生活源TP去除率为25.9%（贵州）～75.3%（浙江），COD 去除率为24.3%（江西）～85.1%（上海），NH3-N去除率为22.9%（江西）～62.6%（上海）。从工业源来看，长江经济带TP、COD和NH3-N去除率总体较高，分别为94.1%、94.1%和92.9%。11省（市）中，工业源TP去除率为73.6%（江西）～100.0%（贵州），COD 去除率为89.6%（湖南）～99.1%（浙江），NH3-N 去除率为89.3%（江西）～99.8%（浙江）（图14）。

图14 2019年11省（市）生活源和工业源TP、COD和NH3-N去除率Fig.14 Removal rates of TP, COD and NH3-N from domestic and industrial sources in 11 provinces (municipalities) in 2019

2.4 “十三五”时期长江经济带水环境质量影响因素分析

“十三五”时期长江经济带地表水水质与关联指标相关系数见表1。从表1可以看出，“十三五”时期，TP浓度、COD、NH3-N浓度均与COD、NH3-N和TP排放量呈高度正相关，Ⅰ类～Ⅲ类水质断面比例与上述3项污染物排放量呈高度负相关；TP浓度、COD、NH3-N浓度均与废/污水治理设施运行费用高度负相关，Ⅰ类～Ⅲ类水质断面比例与废/污水治理设施运行费用高度正相关；TP浓度、COD、NH3-N浓度均与地区GDP和人口呈负相关，Ⅰ类～Ⅲ类水质断面比例与地区GDP和人口呈正相关。充分说明“十三五”时期长江经济带水环境治理成效显著，国家进一步加大长江经济带水环境治理力度，持续投入治理资金，提高污染物处理效率，使在GDP和人口大幅增长的同时，水环境质量依然持续改善。

表1 “十三五”时期长江经济带地表水水质与关联指标相关系数Table 1 Correlation coefficient between surface water quality and related indicators in YREB during the 13th Five-Year Plan period

11省（市）中，湖北、江苏和上海单位GDP废水排放强度低于长江经济带平均水平，说明在经济高速发展的同时，其废水治理能力不断提升，有效促进单位GDP废水排放强度保持在相对较低的水平；安徽和浙江接近长江经济带平均水平；四川、云南、贵州、重庆、湖南和江西等单位GDP废水排放强度较高。总体来看，长江上游省（市）单位GDP废水排放强度较高，中下游省（市）排放强度较低（图15）。

图15 2019年11省（市）单位GDP废水排放强度Fig.15 Wastewater discharge intensity per unit GDP of 11 provinces (municipalities) in 2019

基于STIRPAT模型，对长江经济带水环境质量的驱动因素进行分析。得到岭回归方程如下：

由岭回归方程可知，当人口数量、城市化水平、GDP、人均GDP、3项污染物排放量和第二产业占比的对数值发生1.000%的变化，所对应的废/污水排放量分别产生2.256%、-0.625%、0.084%、0.039%、0.778%、1.003%的变化效果。导致废/污水排放量变化效果最大的驱动因素依次为人口数量、第二产业占比和3项污染物排放量。人口数量的增加带来废/污水排放量增加；城镇化率的提升将减少废/污水排放量，城市化进程对环境压力有一定积极作用；第二产业占比的增加会增大废/污水排放量，因此加快产业转型和调整产业结构能够有效缓解环境压力；3项污染物排放量与废/污水排放量呈正相关，提高污染物收集处理效率有助于减少废/污水排放。

3 结论

（1）“十三五”时期，长江经济带水质总体稳中趋好。优良水质断面比例上升10.3个百分点，劣Ⅴ类水质断面比例下降3.3个百分点；水质为优的断面比例上升13.8个百分点。11省（市）水质均呈好转趋势。四川、上海和安徽优良水质断面比例上升幅度超过10个百分点，劣Ⅴ类水质断面比例下降幅度超过7个百分点，水质改善明显。个别地区改善压力仍较大，从2020年情况看，云南、安徽和江苏优良水质断面比例尚低于80%，云南还未消除劣Ⅴ类水质。长江中下游省（市）单位GDP废水排放强度相对较低，改善空间已较小，建议关注上游省（市），通过技术和设施更新，持续推进减排和质量改善。

（2）2020年与2016年相比，1 178个可比断面中，分别有24.4%、37.9%和12.6%的断面TP浓度、COD和NH3-N浓度上升。其中，有23个断面TP浓度、COD和NH3-N浓度上升幅度超过100%，主要涉及湖北、云南、浙江、湖南、江苏和安徽等省。有41个断面TP浓度、COD和NH3-N浓度均上升，主要涉及湖北、江苏、云南、安徽和江西等省；有505个断面TP浓度、COD和NH3-N浓度均下降。

（3）“十三五”时期，长江经济带GDP年均增幅为4.7%，总人口增加854万人，城镇化率上升6.9个百分点，废/污水排放量总体上升，这些因素给水环境质量改善带来巨大压力。长江经济带废/污水治理设施运行费用逐年增加，上升30.2%，“十三五”时期长江经济带水环境治理成效显著，在GDP和人口数量大幅增长的同时，水环境质量依然持续改善。

（4）“十三五”时期，长江经济带废/污水排放以生活源为主，且生活源排放量呈上升趋势。2019年，长江经济带生活源TP、COD和NH3-N去除率总体仍较低，分别为57.6%、53.2%和45.3%。工业源排放量逐年下降，但有1/2左右省（市）TP、COD和NH3-N去除率不足95%。需进一步提升各省（市）不同类型污染源的污染物去除率，尤其是生活源收集处理效率。

（5）根据STIRPAT模型相关性分析，导致长江经济带废/污水排放量变化效果最大的驱动因素依次为人口数量、第二产业占比和主要污染物排放量。需合理控制人口增长，持续调整产业结构，扩大第三产业占比，加快产业转型和环境保护技术革新，进一步减少废/污水排放量，降低水环境质量改善的压力。