云南省工业水污染点源空间分布特征研究_万普娟.pdf

第 54 卷 第 2 期2 0 2 3 年 2 月人民长江YangtzeiverVol 54，No 2Feb，2023收稿日期:2021 12 16基金项目:国家自然科学基金项目(21966016)作者简介:万普娟，女，硕士研究生，研究方向为环境监测与评价、资源与环境遥感。E mail:2358659792 qq com通信作者:朱翔，男，正高级工程师，硕士生导师，研究方向为遥感监测、区域环境治理、水环境规划、湖泊治理。E mail:120978352 qq com文章编号:1001 4179(2023)02 0091 07引用本文:万普娟，邱飞，向峰，等 云南省工业水污染点源空间分布特征研究 J 人民长江，2023，54(2):91 97云南省工业水污染点源空间分布特征研究万 普 娟1，邱飞2，向峰2，潘 春 梅1，朱翔1，2(1 云南师范大学 地理学部，云南 昆明 650500;2 云南省生态环境监测中心，云南 昆明 650034)摘要:基于第二次全国污染源普查数据，利用标准差椭圆分析和核密度分析等方法，从行业、水系、行政辖区等不同角度来探究云南省工业水污染点源空间分布特征。研究结果表明:点源数量最多的行业主要是酒、饮料和精制茶制造业，农副食品加工业，食品制造业，水的生产和供应业等;化学需氧量排放前 3 的行业是农副食品加工业，食品制造业，酒、饮料和精制茶制造业;氨氮排放前 3 的行业是农副食品加工业，食品制造业，化学原料和化学制品制造业。化学需氧量排放主要位于玉溪市、德宏州、丽江市、曲靖市，占云南省 90 77%;氨氮排放集中于大理州、红河州、玉溪市、楚雄州，占 81 93%。点源排放的主要行业在空间分布上具有方向性并形成相对集中的趋势，聚集中心均位于滇中，污染浓度较高的聚集区县大部分位于州市政府所在地或其相邻地区。点源和水污染物浓度值在空间分布上总体保持一致，少数区域不同。研究成果可为云南省制定水污染治理对策提供理论依据。关键词:工业水污染;化学需氧量;氨氮;点源空间分布;标准差椭圆分析;核密度分析;云南省中图法分类号:X52文献标志码:ADOI:10 16232/j cnki 1001 4179 2023 02 0140引 言进入 21 世纪以来，中国经济发展速度创下新高1，然而经济迅速发展带来的环境问题也在逐步加剧。工业源由于工业企业分布集中，排放的污染物浓度高，带来的环境风险较大2。2016 年，全国化学需氧量总排放量 658 1 万 t，其中工业源为122 8 万 t 占 18 7%;工业源氨氮占总排放量的11 4%3。近年来，学者对于工业源与水环境污染空间关系的研究包括:产业布局4、产业聚集5与环境污染的空间关联性，环境变化和工业产业空间结构的内在联系6，以及工业水源污染物排放的空间格局等内容;研究方法主要以 ArcGIS 空间分析技术为主，包括热点分析、空间自相关、缓冲区分析、空间密度分析、核密度分析等，而采用标准差椭圆分析和核密度分析两种方法相结合的研究相对较少。云南省位于中国西南边陲，与周边多个南亚东南亚国家接壤，具有十分重要的区位优势。近年来，云南省经济快速增长，2017 年规模以上工业增加值约3 900 亿元，比上年同期增长 10 6%，随之也带来水污染问题。云南省 2017 年环境状况公报 显示7，在145 条主要河流的 253 个国控和省控断面中，水质优良率为 82 6%，有 62 0%的断面水质为优，符合 类标准，、劣类水质断面分别占 20 6%，9 5%，2 4%，5 5%。为进一步缓解经济发展与水环境污染的矛盾，理清工业水污染点源空间分布特征，明确高负荷污染源分布区域，本文基于第二次全国污染人民长江2023 年源普查数据，利用标准差椭圆分析和核密度分析等方法，从行业的大类到小类，从州市、水系、区县等不同角度解析工业源污水化学需氧量和氨氮排放的空间分布特征，旨在为云南省制定精细化水污染治理对策提供理论依据。1数据与方法1 1数据来源本文采用第二次全国污染源普查数据，包括企业的经纬度、行业类型、废水污染物化学需氧量和氨氮排放量。为保证研究的精确性，剔除了一些异常的企业，最终选择排放化学需氧量的企业 5 280 个，排放氨氮的企业 4 515 个。云南省 2017 年 16 个州市化学需氧量和氨氮浓度数据来源于国家地表水环境质量监测网络数据。1 2研究方法1 2 1自然断点法自然断点法8 是根据数据中的自然转折点和特征点把研究对象分为性质相似的组，且在数值差异相对较大的位置设置其边界，能使级与级之间的不同最大化。本文采用自然断点法对水污染点源进行分级，对工业水污染点源及其污染物排放量的空间分布特征进行分析。1 2 2标准差椭圆分析标准差椭圆分析是由 Lefever 在 1926 年提出的一种既能显示点数据集的方向又能显示其他期望性质的测量方法9，能精确地揭示数据在一个区域的集中趋势及其中心附近的分散程度10。该方法主要是用椭圆的中心点、长轴、短轴、面积、偏转角度来描述点数据集的空间分布特征11，其中，椭圆的中心点表示研究数据集的中心位置，长轴与短轴表示最大和最小扩散方向，面积大小表示数据集的离散程度，偏转角度表示标准方差椭圆长轴与垂直方向上顺时针所成的角度12。本文运用 ArcGIS 10 5 的标准方差椭圆分析工具，标准差级别以 ArcGIS 默认为主，生成的椭圆包括68%的工业点源，并以点源的化学需氧量、氨氮排放量为权重，从宏观角度初步分析云南省工业水污染点源空间分布特征。1 2 3核密度分析核密度分析用于解析工业点源在其周围领域中的密度，本文利用其从区县角度来分析云南省工业水污染点源的空间分布特征。该方法以待估计企业点源为中心，然后进行圆形区域搜索，即使用核函数对周围的企业点进行赋值，是一种利用密度函数估计样本数据分布特征的非参数方法13。为使聚集特征可视化效果较为理想，更好地反映出工业点源的核密度分析结果，本研究经过多次实验，最终把搜索半径设为 30 km，并将输出单元设定为3 km 3 km 的网格。2结果与分析2 1工业水污染点源行业分布特征云南省水污染企业数量居前 10 的行业如表 1 所列，行业大类以制造业为主，其次是电力、热力、燃气及水生产和供应业。水污染企业数量最多的行业主要是酒、饮料和精制茶制造业(C 15)、农副食品加工业(C 13)、食品制造业(C 14)、水的生产和供应业(D 46)等，C 13、C 14、C 15 也是化学需氧量三大排放行业，以 73 3%企业量贡献了全省62 3%的排放量;而氨氮排放前 3 的行业是 C 13、C 14、化学原料和化学制品制造业(C 26)，C 15企业数量居首位但排放量仅占 5 7%，可见行业企业数量与污染物排放量并不完全一致。由图 1 可知，化学需氧量和氨氮排放企业空间分布差异较小，主要位于滇中、滇东北、滇西南的德宏州和西双版纳州，其中 C 15 主要分布在滇中地区、滇东北昭通市的北部以及滇西北大理州的东南部，C 13 除滇西北较少外其余地区均有分布，C 14 主要位于滇中的昆明市。表 1云南省工业水污染点源数量前 10 行业Tab 1Top ten industries of industrial water pollution pointsources in Yunnan Province%行业排放化学需氧量的企业占比化学需氧量排放量占比排放氨氮的企业占比氨氮排放量占比C 153208833857C 13240388266288C 14173147200149D 4656426625B 063763C 2727343224C 302603A 0524432955C 26173018138B 0915571315C 170507C 220529其他行业6510528213注:表中 C 15 为酒、饮料和精制茶制造业，C 13 为农副食品加工业，C 14 为食品制造业，D 46 为水的生产和供应业，B 06 为煤炭开采和洗涤业，C 27 为医药制造业，C 30 为非金属矿物制品业，A 05为农、林、牧、渔专业及辅助性活动，C 26 为化学原料和化学制品制造业，B 09 为有色金属矿采选业，C 17 为纺织业，C 22 为造纸和纸制品业;下同。29第 2 期万普娟，等:云南省工业水污染点源空间分布特征研究图 1云南省工业水污染点源数量前 3 行业空间分布Fig 1Spatial distribution of the top three industries with the most industrial water pollution point sources in Yunnan Province2 2工业水污染点源空间分布特征2 2 1州市空间分布特征以化学需氧量和氨氮作为水污染物的指标，在 Arc-GIS 中运用自然断点法进行分类，得到工业水污染点源及其污染物排放量的空间分布如图 2 所示。点源主要集中在昆明市、曲靖市、大理州、楚雄州、玉溪市和昭通市，以上6 个州市排放化学需氧量和氨氮的企业数量分别占云南省 69 29%和 70 37%，而迪庆州和怒江州的水污染企业数量较少，均在 100 家以下。化学需氧量排放强度较大的主要是玉溪市、德宏州、丽江市、曲靖市，4个州市总排放量占全省 90 77%;氨氮排放主要位于大理州、红河州、玉溪市和楚雄州，以上州市总排放量占全省8193%。其中，玉溪市以 8 33%企业量贡献了全省3220%的化学需氧量排放量，氨氮企业量与排放量差异较小;大理州以 10 63%企业量排放了全省 56 55%的氨氮，化学需氧量排放较少;德宏州以 2 90%企业量贡献了2995%的化学需氧量排放量，氨氮排放量在全省处于较低水平。另外，昆明市、曲靖市、西双版纳州、普洱市、大理州、红河州是化学需氧量排放大户较多的州市，而氨氮排放大户则主要集中于昆明市、曲靖市、大理州、红河州、保山市、普洱市、临沧市。2 2 2六大水系空间分布特征基于六大水系分布格局和流域总面积，计算出各水系水污染物排放强度如图 3 所示。珠江水系化学需图 2云南省工业水污染点源及其污染负荷空间分布Fig2Spatial distribution of industrial water pollution point sourcesand their pollution loads in Yunnan Province图 3云南省六大水系水污染物排放强度空间分布Fig 3Spatial distribution of water pollutant discharge intensity ofsix major water systems in Yunnan Province39人民长江2023 年氧量和氨氮排放强度较高，原因是流域内的曲靖市和玉溪市企业数量和水污染物排放量较大;怒江水系氨氮排放强度较高，化学需氧量排放强度较低，是由于保山市企业数量较少，排放化学需氧量较低，但氨氮排放大户较多;长江水系化学需氧量和氨氮排放强度均属于高水平，丽江市、楚雄州、昆明市、曲靖市和昭通市不仅企业数量多，且水污染物排放量也高;伊洛瓦底江水系化学需氧量排放强度高，但氨氮排放强度较低，由德宏州化学需氧量排放较多造成;澜沧江水系和红河水系化学需氧量和氨氮的排放强度均低，在于两个流域面积较大，且滇南区域企业数量较少，水污染排放大户也相对较少。为进一步分析六大水系工业水污染点源行业特征，统计六大水系化学需氧量和氨氮排放量前 3 的行业如表 2 所列。前 3 行业对六大水系水污染总贡献率均在 50%以上，对化学需氧量贡献率在 59 95%76 72%之间，对氨氮贡献率为 77 32%91 40%。六大水系水污染行业大类以制造业为主，其次是采矿业、电力、热力、燃气及水生产和供应业。C 13、C 14、C 26、石油、煤炭及其他燃料加工业(C 25)、黑色金属矿采选业(B 08)等行业排放的水污染物对水系的贡献率更大。其中，C 13 是六大水系中化学需氧量排放的第一大业，对每个水系贡献率均在 33%以上，珠江流域一半以上的化学需氧量主要是来源于此;C 14 是化学需氧量排放的第二大行业。在氨氮排放量行业占比中，伊洛瓦底江流域和怒江流域排放占比最大的行业是 C 13，红河水系、澜沧江水系、珠江水系是以 C 25、B 08 和 C 26 为主，长江流域C 14 的排放比重最大。2 3工业水污染点源负荷标准差椭圆分析对化学需氧量和氨氮排放的全部行业、前 3 排放行业进行标准差椭圆分析，结果如表 3 和图 4 所示。化学需氧量排放全部行业的聚集中心位于滇中，椭圆面积、椭圆 y 轴方向轴长较大，说明分布范围较大，但聚集程度较小，主要分布在滇中、滇西南、滇东北等地区，由椭圆 x 轴方向轴长和椭圆 x 轴的旋转角度可知其沿东北 西南方向分布。其次，C 14 分布较聚集但范围较小，大部分位于滇中地区，沿西北 东南走向分布。C 13 和 C 15 大致沿东西方向分布，C 13分布范围比 C 15 大，C 13 位于滇中、滇西南的普洱市及临沧市部分地区、大理州东部等地区，而 C 15主要分布在滇中、滇东大部分州市。从氨氮排放的全部行业标准椭圆看，分布聚集中心相对于化学需氧量排放行业往南移，但分布聚集中心仍是位于滇中地区，分布在滇中地区和滇西的丽江市、大理州、临沧市、普洱市部分的地区。除 C 26 是沿东北 西南方向分布外，其余 2 个行业大致是沿东西走向分布，C 26、C 14、C 13 分布范围依次增大，聚集程度最大的是C 14，最小的是 C 26。C 14 分布范围为细长型，分布中轴线大体上从东向西依次跨越了曲靖市、玉溪市、昆明市、楚雄州、普洱市、临沧市、保山市、德宏州 8个州市。C 26 分布范围较小，主要位于昆明市、玉溪市、曲靖市、红河州交界处。表 2云南省六大水系工业水污染物排放前 3 行业及占比Tab 2Top three industries and proportion of industrial waterpollutant discharge in six major water systemsin Yunnan Province水系化学需氧量氨氮排放前3 行业占比%排放前3 行业占比%伊洛瓦底江流域C 133394C 134248D 461528C 152196C 151073C 262160红河流域C 133910C 254003C 221549C 132548C 141493C 141777澜沧江流域C 133982B 084421C 141437B 092232B 091015C 131095怒江流域C 133989C 133573C 142333C 263259C 271064C 141275长江流域C 134155C 143454C 141967C 133231C 15967C 261047珠江流域C 135196C 265269C 151332C 133498C 141144C 15373表 3云南省工业水污染点源负荷标准差椭圆分析结果Tab3Ellipse analysis on standard deviation of industrialwater pollution point source load in Yunnan Province行业化学需氧量氨氮椭圆面积/km2椭圆 x 轴方向轴长/m椭圆 y 轴方向轴长/m椭圆 x 轴的旋转角度/()椭圆面积/km2椭圆 x 轴方向轴长/m椭圆 y 轴方向轴长/m椭圆 x 轴的旋转角度/()全部行业 19059187 2786808121770657546314257355 26437434171671578659C 1317278691 2570665321396297725917111302 28746743189484068782C 148778892 2144071513034114107727798378 2619842894765228968C 1515545268 27833531177790769727C 26322056184546811212581439152 4工业水污染点源负荷核密度分析化学需氧量和氨氮排放的全部行业、前 3 排放行业的工业负荷密度分布如图 5 所示。从排放化学需氧量的全部行业来看，污染密度较大的区域主要位于昆明市的官渡区、呈贡区、盘龙区、五华区、西山区、安宁市、晋宁县、宜良县、石林彝族自治县，西双版纳州的勐海县、景洪市，红河州的石屏县，大理州的弥渡县、祥云县、大理市、宾川县，曲靖市的富源县、陆良县、宣威市，49第 2 期万普娟，等:云南省工业水污染点源空间分布特征研究图 4云南省工业水污染点源负荷标准差椭圆分析Fig 4Ellipse analysis on standard deviation of industrial water pollution point source load in Yunnan Province图 5云南省工业水污染点源负荷核密度分析Fig 5Nuclear density analysis on industrial water pollution point source load in Yunnan Province保山市的隆阳区，玉溪市的江川县、通海县、红塔区等地区。其中，C 13 主要分布于红河州的石屏县、蒙自市、个旧市，昆明市的官渡区、盘龙区、五华区、西山区，大理州的弥渡县、永平县;C 14 主要集中在昆明市的石林彝族自治县、宜良县、呈贡区、官渡区、盘龙区、五华区、西山区，大理州的祥云县、大理市、弥渡县，丽江市的古城区、玉龙纳西族自治县，玉溪市的江川县、红塔区、通海县;C 15 排放聚集在昆明市的晋宁县、安宁市，曲靖市的富源县、麒麟区、沾益县、师宗县，玉溪市的红塔区、江川县、华宁县，德宏州的瑞丽市，楚雄州的双柏县、姚安县。从排放氨氮的全部行业来看，污染密度较高的主要位于红河州的开远市，临沧市的临翔区，昆明市的晋宁县、富民县，曲靖市的沾益县，大理州的大理市，保山市59人民长江2023 年的隆阳区。其中，C 13 主要集中在昆明市的官渡区、呈贡区、盘龙区、五华区、西山区，红河州的石屏县、开远市，大理州的弥渡县、鹤庆县，昭通市的巧家县，曲靖市的麒麟区，保山市的隆阳区;C 14 和 C 26 排放聚集范围较小，C 14 主要集中在昆明市的晋宁县、安宁市，保山市的隆阳区，C 26 主要集中在曲靖市的沾益县，昆明市的富民县。总体而言，云南省工业水污染排放源聚集呈现空间差异，污染密度较大的主要集中在滇中地区，C13 呈现带状分布，C 14、C 15、C 26 呈现点状分布，大部分高污染密度区位于当地州市政府所在地或与其相邻的县区，主要是因为州市政府所在地一般经济较为发达、人口密度高、城市化水平较高、工业企业数量较多，排放的污染物也相对较多，相邻县区受到中心城市的影响，在行业结构上也呈现出一定的相似性14。为验证研究的可靠性，统计了 2017 年云南省 16个州市河流化学需氧量和氨氮浓度的年均值，利用反距离插值得到图 6。化学需氧量浓度较高的是楚雄州和昆明市，其次是玉溪市、曲靖市、红河州、丽江市以及西双版纳州，其余较低;而氨氮浓度较高的是昆明市、楚雄州、曲靖市，其次是玉溪市、大理州、丽江市、普洱市，其余较低。对比发现，河流水质浓度空间分布与工业点源化学需氧量和氨氮的排放量大部分一致，也存在和水系排放强度不一致的部分。工业水污染点源大部分位于坝子15 内，存在地形、地貌、海拔阻隔，流域内的工业点源可能随小河流排放到其他水系;其次是六大流域的面积不同，水环境容量不同，例如红河流域化学需氧量排放量大，但是由于流域面积大，使得该水系的排放强度较低;最后河流水质污染是各种污染源共同作用的结果，本文仅仅分析了工业点源，对于农业面源和生活源等没有涉及，然而农业面源对水污染的贡献较大16。图 6云南省化学需氧量和氨氮浓度空间分布Fig 6Spatial distribution of chemical oxygen demand andammonia nitrogen concentration in Yunnan Province3结论与建议3 1结 论(1)工业水污染点源数量最多的行业主要是 C 15、C 13、C 14、D 46 等，化学需氧量排放前 3 的行业是 C 13、C 14、C 15，氨氮排放前 3 的行业是C 13、C 14、C 26。(2)化学需氧量排放主要位于玉溪市、德宏州、丽江市、曲靖市，总计占云南省总排放 90 77%;氨氮排放集中于大理州、红河州、玉溪市、楚雄州，占81 93%。珠江水系化学需氧量和氨氮排放强度较高;长江水系化学需氧量和氨氮排放强度属于高水平;怒江水系氨氮排放强度较高，化学需氧量排放较低;而伊洛瓦底江水系化学需氧量排放强度高，氨氮排放强度较低;澜沧江水系和红河水系化学需氧量和氨氮的排放强度均低。(3)水污染点源主要的排放行业在空间分布上具有方向性并形成相对集中的趋势，聚集中心均位于滇中，污染浓度较高的聚集区县大部分位于州市政府所在地或其相邻地区。工业污染源与河流污染物化学需氧量和氨氮浓度值在空间分布上总体保持一致，少数区域不同。3 2建议(1)建立水系、州市、县域 3 级分区管理体系，加强对重点区域和行业的分区、分类治理，制定更严格的环境准入标准和减排方案。在水系上，重点关注珠江水系在农副食品加工业，酒、饮料和精制茶制造业，食品制造业，化学原料和化学制品制造业等行业中氨氮和化学需氧量的排放;怒江水系重点行业是农副食品加工业、化学原料和化学制品制造业、食品制造业的氨氮排放。加强对上述重点行业的监督和管理，利用产业政策淘汰环境污染较重的落后小企业，改善大企业废水处理能力，逐步减少水污染物的源头排放。在州市上，化学需氧量排放重点区域是玉溪市、德宏州、丽江市、曲靖市，氨氮排放重点区域是大理州、红河州、玉溪市、楚雄州。在县域上，治理重点区域是当地州市政府所在地或与其相邻的县区。针对以上重点区域实行水污染物排放总量控制，并增加区域内污水处理厂的建设，提高其处理效率和运行稳定性。(2)根据云南省工业水污染点源负荷标准差椭圆分析结果，针对行业水污染排放聚集的重点区域应该实行跨行政区联防、联控协同治理。注重行政区间的合作，完善跨行政区信息共享的渠道，协同作战;进一步加强聚集区不同行业水污染物的集中治理，制定分69第 2 期万普娟，等:云南省工业水污染点源空间分布特征研究区域、分行业的环境准入标准和减排方案，推进化学需氧量和氨氮污染物源头防控。参考文献:1人民网 中国仍为世界最大的发展中国家:从购买力平价法视角评析EB/OL 2021 08 27 http:finance people com cn/n1/2020/0520/c1004 31716286 html 2张静，段扬，张伟，等 京津冀区域工业水污染排放空间密度特征研究J 生态环境学报，2018，27(1):115 121 3中华人民共和国生态环境部 2016 2019 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that:the industries with the largest number of point sources are mainly wine，beverage and refined tea manufacturing(C 15)，agri-cultural and sideline food processing(C 13)，food manufacturing(C 14)，water production and supply(D 46)，etc The topthree emission industries of chemical oxygen demand(COD)are C 13，C 14 and C 15，and the top three emission industriesof ammonia nitrogen are C 13，C 14 and C 26(chemical raw materials and chemical products manufacturing)COD e-missions are mainly located in Yuxi City，Dehong Prefecture，Lijiang City and Qujing City，accounting for 90 77%of the prov-ince;ammonia nitrogen emissions are concentrated in Dali Prefecture，Honghe Prefecture，Yuxi City and Chuxiong Prefecture，ac-counting for 8193%The main industries of point source emissions have directionality in spatial distribution and form a rela-tively concentrated trend The aggregation centers are located in Central Yunnan Province，and most of the aggregation districts andcounties with high pollution concentration are located in or adjacent to the state and municipal government location The pointsources and concentration values of water pollutants are generally consistent in spatial distribution，but different in a few areas Theresearch results can provide theoretical basis for formulating water pollution control measures in Yunnan ProvinceKey words:industrial water pollution;chemical oxygen demand;ammonia nitrogen;spatial distribution of point sources;stand-ard deviation ellipse analysis;nuclear density analysis;Yunnan Province79