云南省工业水污染点源空间分布特征研究
万 普 娟，邱 飞，向 峰，潘 春 梅，朱 翔，
(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)
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Ⅰ～Ⅱ类标准，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、劣Ⅴ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。
1.1 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。
2.1 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.1 Top ten industries of industrial water pollution point sources in Yunnan Province %
图1 云南省工业水污染点源数量前3行业空间分布Fig.1 Spatial distribution of the top three industries with the most industrial water pollution point sources in Yunnan Province
2.2 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ArcGIS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81.93%。其中，玉溪市以8.33%企业量贡献了全省32.20%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29.95%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。
图2 云南省工业水污染点源及其污染负荷空间分布Fig.2 Spatial distribution of industrial water pollution point sources and their pollution loads in Yunnan Province
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。
图3 云南省六大水系水污染物排放强度空间分布Fig.3 Spatial distribution of water pollutant discharge intensity of six major water systems in Yunnan Province
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。
图4 云南省工业水污染点源负荷标准差椭圆分析Fig.4 Ellipse analysis on standard deviation of industrial water pollution point source load in Yunnan Province
表3 云南省工业水污染点源负荷标准差椭圆分析结果Tab.3 Ellipse analysis on standard deviation of industrial water pollution point source load in Yunnan Province
2.4 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，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。
图5 云南省工业水污染点源负荷核密度分析Fig.5 Nuclear density analysis on industrial water pollution point source load in Yunnan Province
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，C-13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.6 Spatial distribution of chemical oxygen demand and ammonia nitrogen concentration in Yunnan Province
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。