渤海氮污染的来源结构与污染压力空间分布

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王辉¹, 栾维新¹, 康敏捷²1. 大连海事大学航运经济与管理学院,大连 116026
2. 大连大学经济管理学院,大连 116622

Nitrogen pollution source structure and spatial distribution of Bohai Sea

WANG Hui¹, LUAN Weixin¹, KANG Minjie²1. School of Maritime Economics and Management, Dalian Maritime University, Dalian 116026, Liaoning, China
2. School of Economics and Management, Dalian University, Dalian 116622, Liaoning, China

收稿日期:2018-04-3修回日期:2019-09-18网络出版日期:2020-01-20

基金资助:

国家自然科学基金项目.41671117
海洋公益性行业科研专项项目.201505001

Received:2018-04-3Revised:2019-09-18Online:2020-01-20
作者简介 About authors
王辉（1978-）,男,陕西西安人,博士,讲师,主要研究方向为产业经济、区域经济E-mail:whui@vip.163.com。

摘要
近30年渤海环境发生了巨大变化,陆源污染输入是导致渤海环境恶化的主要原因。为研究陆源污染压力强度与海域污染的空间关系,采用层级嵌套的水污染输出分区方法,将环渤海地区划分为23个陆海统筹管理分区,并基于土地利用数据、社会经济统计数据和污染普查等资料,估算出环渤海地区五类社会经济活动的总氮排放量,进而分析各分区单元的陆源污染压力。研究结果表明：① 渤海周边陆域总氮排放量约85万t,农业农村面源污染是氮污染的主要来源,占总排放量的57.4%,工业污染贡献有限,渤海湾沿岸城镇居民生活排放突出;② 23个陆海统筹管理分区之间的污染压力差异巨大,辽东湾、渤海湾和莱州湾周边的分区陆源污染压力大,其它分区的压力相对较低,各分区内陆域污染压力与对应海域污染状况在空间上高度一致;③ 各分区之间污染的来源构成差异显著,渤海湾氮污染的主要来源是居民生活排放,辽东湾工业污染相对突出,莱州湾农业面源污染占比大;④ 渤海周边陆源污染排海压力短期内难以缓解。
关键词： 渤海;陆源氮污染;汇水区;污染空间分布

Abstract

In the past 30 years, the Bohai Sea's environment has undergone tremendous changes. The input of land-based pollution is the main cause of the deterioration of the Bohai Sea's environment. In order to study the spatial relationship between the pressure intensity of land-based pollution and the pollution of the sea area, the three transport spaces from the catchment area to the estuary of the sea and the affected sea area are overall considered. The hierarchical nested water pollution output zoning method is adopted to divide the Bohai Sea area into 23 land-sea integrated management zones, which have spatially linked land-based pollution pressures with pollution in the Bohai Sea. Based on the data of the land use, socio-economic statistics and pollution census, the total nitrogen emissions of five types of social and economic activities in the Bohai Rim region were estimated, and then the land-based pollution pressure of each sub-unit was analyzed. The results show that: 1) The total nitrogen emissions of social and economic activities around the Bohai Sea area are about 850, 000 tons, among which, agricultural and rural non-point source pollution is the main source of nitrogen pollution, accounting for 57.4% of the total emissions, while the contribution of industrial emissions to nitrogen pollution is limited, accounting for 7.4% of the total emissions, and the living emission of urban residents is outstanding, accounting for 35.2% of the total emissions. 2) The nitrogen emission intensity of each catchment areas of land source is spatially highly coupled with its corresponding sea area pollution, which indicates that, the 23 land-sea integrated management zones classified in this paper are reasonable and operable. 3) The pollution pressures between the 23 land-sea integrated management zones are huge. The sub-area land source pollution pressures in the surrounding areas of Liaodong Bay, Bohai Bay and Laizhou Bay are relatively high. The pressures in other subareas are relatively low. 4) The pollution sources in the main catchment areas have obvious differences. The source of pollution between various sub-areas is significantly different. The main source of nitrogen pollution in Bohai Bay is residents' living emissions, Liaodong Bay industrial pollution is relatively prominent, and Laizhou Bay agricultural non-point source pollution accounted for a large proportion. Considering the spatial difference of pollution source structure, the management of land-based pollution should take catchment area as a unit to manage and control major pollution sources. 5) The pressure of land-based pollution in the Bohai Sea is difficult to alleviate in a short term.

Keywords：Bohai Sea;land-based nitrogen pollution;catchment area;spatial distribution of pollution

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本文引用格式
王辉, 栾维新, 康敏捷. 渤海氮污染的来源结构与污染压力空间分布. 地理研究[J], 2020, 39(1): 186-199 doi:10.11821/dlyj020180317
WANG Hui. Nitrogen pollution source structure and spatial distribution of Bohai Sea. Geographical Research[J], 2020, 39(1): 186-199 doi:10.11821/dlyj020180317

1 引言

党的十八大将生态文明建设提升至战略高度,十九大的召开更加强了其制度化的落实。渤海是环渤海地区生态文明的重要基石,同时也是该地区各类污水的最终收纳场,过去30年,渤海环境发生了巨大改变。20世纪90年代初,渤海仅三大海湾近岸的局部海域有轻度污染,到2015年,受污染的面积已达3.7万km²,近乎是半个渤海的面积,其中四类水质（重度污染）和劣四类水质（严重污染）面积约1.1万km²,集中分布在近岸海域及三大海湾^[1],主要污染物为无机氮和活性磷酸盐,无机氮是劣四类水质海域的主要污染要素,渤海生态环境已在告急。在30年的时间尺度内,渤海环境急剧恶化与沿岸社会经济快速发展、人口高度集中、工业化进程等社会经济活动强度不断加大有密切联系。渤海80%以上的污染来自于陆域社会经济活动^[2],要遏制渤海污染,迫切需要推进陆海环境的统筹管理。但陆域社会经济活动纷繁复杂,污水排放的结构、强度与空间分布更是千差万别,如何厘清污染源的特征是环境统筹治理的前提,另外,陆域污染源与海洋污染在空间上错位分布,如何确定污染与源头之间的空间对应关系也是陆海环境统筹的难点。

厘清周边陆域污染源的排放特征是治理渤海污染首先要解决的问题。污染源排放估算有两种思路,一是以接纳污染物的地表及水系为研究对象,通过地势、地貌、土壤类型、水质、地表径流量等为因子构建污染估算模型,常见的模型有HSPF、SWAT、L-THIA、SWMM等,这些方法需大量实测数据作为模型校正参数^[3],但大尺度的水文水质数据通常难以获取,加之对污染源的识别较为模糊,因此,该方法比较适用于中小尺度区域污染负荷估算^[4]。渤海周边三省两市面积约52万km²,地形地貌差异较大,有40条常年有径流的河流汇入渤海,难以采用以上方法构建统一的污染估算模型。另一种思路是以社会经济统计指标为参数,采用排污系数法估算污染排放量,不依靠大量的实测数据,侧重污染源强度和规模的分析,适用于较大范围社会经济活动的污染排放压力估算。已有****对黄河^{[5, 6]}、海河^[7]、滦河^[8]、辽河^[9,10,11]等河流的污染入海通量进行分析,将海洋污染的源头追溯到流域,还有****从社会经济发展视角探索流域污染的驱动机制^[12,13],将海洋污染与陆域社会经济活动挂钩,陆源污染研究逐渐细化,从社会经济总体发展与污染排放关系研究^[14,15,16],细化到农业面源污染^[17,18,19]、工业点源污染^[20,21]、养殖污染^[22,23]、农村生活污染^[24]等不同污染源的评价上,这些成果为分析陆源污染的来源、规模等提供了有力的支撑,但这些研究以社会经济统计数据和污染排放系数对污染量进行估算,难以根据地区差异对各地的污染排放系数进行修正,会影响估算的精度;另外,在研究中多以行政区或流域为空间分析单元,存在因行政区范围与流域范围不统一造成估算误差,也未能把陆域空间分区和海域污染分区一一对应,导致陆源污染排海压力与海域环境实际响应不符,难以为陆海环境管理政策的制定和实施提供有效抓手。

本文以环渤海地区为研究区域,分析陆源氮污染对渤海环境的压力。为解决陆域污染源与海域污染区域在空间上错位问题,文章采用二、三级河网分类将环渤海地区划分为23个汇水区,并确保每个汇水区有独自对应的入海岸段,即每个汇水区内的水体都可通过自己的入海口排入渤海,依据海洋污染状况和水动力情况将海域污染进行分区,然后通过陆域污染入海口将陆海两类分区进行耦合链接,形成23对陆海统筹管理分区,实现陆域污染源与海域污染区的空间耦合,这样可将自然分区、行政分区与管理分区有机结合,为污染治理提供污染源识别和污染量估算的重要参考。为解决陆域污染源识别的难题,文章引入污染普查数据对各地区的排污系数进行修正,利用社会经济统计数据、土地利用数据等对各类社会经济活动进行污染源甄别和污染量估算,分别从区县、地级市和汇水区三级空间单元分析环渤海地区社会经济活动氮污染排放的空间分布特征,并将23个汇水区产生的污染物压力均摊到对应的海岸线上,研究陆源污染压力与海域环境污染之间的空间对应关系,为陆海环境统筹提供可操作的研究思路与技术手段。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源与处理

2.1.1 数据来源

（1）主要经济数据来源于环渤海地区44个地级市的社会经济统计年鉴;

（2）地理底图来源于国家基础地理信息中心1:100万的分县市行政区划图;

（3）土地利用为2015年数据,比例尺1:10万,数据来源于中国科学院地理科学与资源研究所;

（4）工业污染估算的基准数据是2007年第一次全国污染源普查数据;

（5）各类社会经济活动的排污系数来源于污染普查手册。文章以2015年作为污染排放量估算的年份,社会经济统计数据也以2015年数据为准。

2.1.2 社会经济统计数据的空间化因不同土地利用类型承载着不同的社会经济活动,社会经济活动产生的污染物排放强度在空间上也非均匀分布,如工业生产主要分布在城镇用地和其他建设用地上,工业统计数据在空间化过程中应叠加在城镇及其他建设用地上,而不应叠在其他土地利用类型上。因此,各类社会经济数据空间化应叠在对应的土地利用图层上,以提高污染源空间分析精度。为避免数据处理的冗余,将环渤海地区26类土地利用数据合并为10大类,依据社会经济活动类型与土地利用类型的空间依附关系,对社会经济统计数据空间化。

2.1.3 陆域研究范围的划定严格意义上,渤海并不是周边三省二市污水排放的唯一海域,辽宁和山东两省同时拥有渤海岸线和黄海岸线,辽宁东部和山东东南部地区污水流入黄海,在确定影响渤海污染的沿岸陆域区域时应剔除入黄海的流域区域。依据等高线作为确定流域范围的基础数据,绘制等高线图,结合两省的单线河与双线河图,分别划定辽宁和山东的入黄海流域范围,剔除辽宁入黄海流域2.66万km²和山东入黄海流域6.82万km²,本文中环渤海地区的研究范围是指剔除入黄海流域后三省两市的陆域面积,约42.39万km²,见图1。

图1

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图1研究范围与陆海统筹管理分区

Fig. 1Research scope and land-sea integrated management zones

2.1.4 汇水单元的划分本文拟通过划分汇水单元解决陆域污染源与海洋污染在空间上错位分布问题。汇水单元的划分方法参考康敏捷^[25]层级嵌套的多尺度陆源水污染输出分区方法,采用二、三级河网分类,将环渤海地区的陆域、海岸和近岸海域划分为23个陆海统筹的管理分区（见图1中LS1~LS23）,汇水单元是指具有独立入海口或沿海岸线的陆域区域,汇水单元之间在空间上不重叠,每个汇水单元内的污染物会由自身的入海口或沿海岸线流入渤海。通过这样的分区把空间上错位的陆域污染源与污染海区关联起来,为陆海环境统筹分析提供了支撑。

2.2 污染排放量估算方法

本文将环渤海地区的总氮污染源分为种植业、畜禽养殖、农村生活、城镇生活和工业生产五大类,根据不同污染源类型选择不同的污染估算方法,具体如下：

2.2.1 影响氮污染排放的社会经济指标筛选指标选取方法：① 参照排污系数,筛选产生氮污染的社会经济类型;② 利用统计资料从中筛选出规模大或排污强度大的社会经济活动;③ 选择操作性强、获取相对容易的能反映该社会经济活动的统计指标;通过以上思路确定了27个社会经济指标（见表1）。

Tab. 1
表1
表1与氮污染相关的主要社会经济指标
Tab. 1The main socio-economic indicators of the impact of nitrogen emissions

指标类	指标项
1人口数量	城镇常住人口数	农村人口数
2种植业	氮肥施用量	有机肥施用量
2种植业	复合肥施用量
3畜牧业	猪存/出栏量	奶牛存栏量
	蛋鸡存栏量	肉鸡存/出栏量
	肉牛存/出栏量
4主要工业（产值或产量）	化学原料及化学制品制造业	黑色金属冶炼及压延加工业
	造纸及纸制品业	石油加工、炼焦及核燃料加工业
	农副食品加工业	食品制造业
	饮料制造业	医药制造业
5土地利用	城镇用地面积	丘陵水田面积
	农村居民点面积	丘陵旱地面积
	其它建设用地面积	山地旱地面积
	平原旱地面积	山地水田面积
	平原水田面积

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2.2.2 种植业与畜禽养殖业氮污染排放估算方法这两类生产活动有稳定的污染排放系数,采用排污系数法估算污染排放量,公式如下：

（1）

P_{TN} = \overset{n}{\sum_{i = 1}} (Q_{TNi} \times β_{TNi} \times T)

式中：P_TN代表氮污染物的年排放总量;Q_TNi代表第i类种植业的土地面积或养殖业的规模;β_Tni代表第i类种植业农田的总氮径流失系数或养殖业总氮排放系数;n为类别总数;T为估算周期。农田总氮径流流失系数：将研究区农田划分为旱地大田、水田、菜地和园地,参考污染普查肥料流失系数手册,四个类型农田的氮径流流失系数分别为1.2%,2.2%,4.1%和1.0%。畜禽养殖氮排放系数：养殖业的污染排放量与地区、气候和养殖规模有较强的相关性,环渤海地区位于华北与东北区,参考污染普查养殖污染排放手册,估算采用养殖专业户规模的各类畜禽总氮排放系数,具体数值见表2。

Tab. 2
表2
表2畜禽养殖总氮排污系数
Tab. 2Nitrogen emission coefficient of livestock and poultry

	猪	肉牛	奶牛	肉鸡	蛋鸡
总氮排放系数（g/（天·只））	14.6	24.5	125.6	0.91	0.36

注：参考资料为《第一次全国污染源普查畜禽养殖业源产排污系数手册》^[26]。

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2.2.3 居民生活氮排放估算方法居民生活氮排放计算同样采用排污系数法。因城镇与农村在取水和排水方式上不同,导致两地居民在用水习惯上存在较大差异,也导致城镇居民的生活废水排放量较农村居民多,所以,要分别估算两者的生活总氮排放量。参考污普手册将环渤海地区各城市进行分类,并依据手册确定各类城市居民生活总氮污染物排放系数,系数见表3。农村居民生活污水及总氮排放系数取相应城镇系数的50%。

Tab. 3
表3
表3城镇居民生活源污染物排放系数
Tab. 3Pollution emission coefficient of urban residents

	生活污水（L/（人·天））	氨氮排放（g/（人·天））	总氮排放（g/（人·天））
一类城市	142.00	8.90	12.30
二类城市	135.00	8.60	11.50
三类城市	125.00	8.00	9.90
四类城市	115.00	7.50	9.40

注：参考资料为《第一次全国污染源普查城镇生活源产排污系数手册》^[27]。

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2.2.4 工业氮排放估算方法环渤海地区工业门类齐全,生产环节复杂多样,排污特征千差万别,采用排污系数法估算工业各行业的污染物排放量不具有可操作性,利用全国第一次污染源普查数据作为基础,结合工业统计数据估算各行业排污量是相对准确的方法。在2008年全国第一次污染源普查中,调查了环渤海地区工业污染源258537万个,收集了大量细致的工业排污数据,整理形成研究区423个区县各工业行业的污染产排数据集。以该数据集为基准,计算出当年各区县的各工业行业万元产值氨氮排放强度,并假定在2007—2015年间工业污染治理投资水平保持不变,采用行业分类计算法估算2015年工业氨氮排污量,计算公式如下：

（2）

T N_{ind} = \overset{n}{\sum_{i = 1}} [X_{i} \times δ_{i} \times (1 - ρ)]

式中：TN_ind为2015年工业生产的氨氮排放量（t）;X_i为第i个工业行业2015年产值（亿元）;δ_i为第i个工业行业2007年的氨氮排放强度（由污普数据计算得出,t/亿元）;ρ是2007—2015年8年间工业废水排放强度的递减率。考虑到ρ并不能很好地反映工业废水处理水平的提升,另设置了两种情景模式对ρ进行调整。调整参数依据各地区每年“工业废水治理完成投资额”计算得出,即每年投资额除以过去10年累计值,商取平均值作为平均提升的参数,取三省两市中较高平均值作为快速提升的参数。最终确定情景一为未调整;情景二为平均提升,调整后参数为1.08ρ;情景三为快速提升,调整后参数为1.2ρ。

以污染源普查数据为基准,文章对以上各估算方法进行了验证。以环渤海地区44个地级市为估算单元,估算了2007年的种植业、畜禽养殖业、工业生产、城镇居民生活的氮污染排污压力;估算结果与污普数据对比（（污普数据-估算结果）/污普数据）发现,估算值与污普数据相对误差区间为3%~15%。估算精度可以满足对研究区各社会经济活动的排污压力进行结构分析和空间分布评价,因此,文章采用了以上估算方法。

3 环渤海地区氮污染排放与空间分布

3.1 氮污染排放总量与污染源结构

依照以上估算方法,以研究区423个区县为单位,对农田径流、畜禽养殖、农村与城镇生活的总氮排放和工业生产的氨氮排放分别估算,经汇总得出2015年环渤海地区总氮污染排放量约85万t,氮污染源排放结构见表4。

Tab. 4
表4
表4各类社会经济活动氮污染排放量与排放结构
Tab. 4Nitrogen pollution emissions from socio-economic activities and emission structures

	工业	城镇生活	农村生活	畜禽养殖	农田生产	合计
氮污染排放量（万t）	6.3	29.9	19.1	21	8.8	85.1
占比（%）	7.4	35.2	22.4	24.7	10.3

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居民生活排放是区域氮污染的最大来源。研究区城镇居民生活氮污染排放量约29.9万t,占总量的35.2%。生活废水中氨氮含量为（20~40）mg/L,环渤海地区城市污水处理率约85%,氨氮的去除率约70%~80%^[28],可算出城市生活排放的氨氮有效去除率为60%~70%,还有较大的提升空间。研究区农村居民生活氮污染排放量约19.1万t,约占总量的22.4%。农村居民生活废水还未实现管道排放,主要是房前屋后的倾倒,而且北方农村旱厕比例大,粪便没有任何处理环节,主要的处理方式是田间地头堆肥后还田,很容易流失入河导致水体污染。城镇与农村居民生活总氮排放已占总量的58%,成为最大污染源。畜禽养殖氮污染排放约占总量的1/4。畜禽养殖的氮污染估算量为21万t,是区域氮污染的第二大污染源。研究区畜禽养殖业发展速度快,规模大,1978年至2015年间,畜牧业产值增长近200倍,对一产的贡献率也由13%增加到29.7%;养殖的主要品种为猪、鸡、奶牛等,猪的存栏量由4771头增长至6533万头,1990年至2015年鸡的出栏量由5.07亿只增长至33.6亿只;牲畜存栏量由1073万头增长至1589万头。研究区的畜禽养殖七成是养殖专业户,打破了以往畜-肥-粮的良性循环,养殖专业户规模大、污染集中、排放浓度高。这种养殖户多分布在村庄、道边、河畔附近,畜禽粪便常收集并堆积在养殖场周边,在降雨作用下容易产生径流汇入附近水体,造成环境污染。工业生产氨氮排放量占总量的7.4%。经估算,研究区工业排放的氨氮量约7.2万t（情景一）、6.3万t（情景二）、4.8万t（情景三）,以情景二估算量6.3万t计算（后同）,工业排放占总量的7.4%,仅从氮污染排放的贡献量看,工业不是环渤海地区氮污染的主要贡献者。环渤海地区的钢铁、石油开采、石油加工、化工、造纸、黑色金属矿采选、装备制造等工业部门是比较典型的生产规模大、污染排放量也大的污染源,以上工业行业的废水排放超过整个工业废水排放总量的75%。尽管工业废水产生量大,但回收利用率高,产排比为6.2:1,实际排放到环境中的量较小,对周边环境造成的污染有限。但因监管不力导致部分企业偷排对河道造成的严重污染时有发生,因突发情况引发的环境污染恶性事件也需重点关注。但从区域总体来看,工业并不是氮污染的主要贡献源。种植业总氮污染排放占总量的10%。农田径流造成的氮污染排放量为8.8万t,占总量的10.3%,种植业生产并不是该地区氮污染的主要来源。华北地区和东北地区大部分农田具有地垄,受地垄的阻隔,常规的农田灌溉和一般强度的降水难以在农田形成较大规模的地表径流,农田氮肥以地表径流形式的流失比例较少,多数通过挥发、淋溶、硝化等方式流失。总体来看,氮污染主要来源于人和动物的生物体代谢,占总排放量的75%以上,相比居民生活和养殖业,工业生产和种植业的氮污染排放占比较小,两者合计不足总量的20%。

3.2 环渤海地区氮污染排放压力的空间分布

以区县为单元汇总各社会经济类型氮污染排放量,得到各区县总氮污染排放压力的空间分布（见图2a）。氮污染负荷比较大的区县（超过6000t/a）有13个,主要分布在山东省,这些区县污染压力大的主要原因是畜禽养殖规模大,养殖污染排放占这些区县总量的30%以上。北京、天津、河北和辽宁绝大多数区县氮污染负荷在（1000~3000）t/a。

图2

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图2环渤海地区氮污染排放量的空间分布

Fig. 2Spatial distribution of nitrogen pollution emission in the Bohai Rim

地市单元上,氮污染排放主要集中在沈阳、北京、石家庄、潍坊、德州5个城市,排放量均超过5万t,河北及山东大多数地级市排放量在3万t左右,辽宁除沈阳和大连外,其他地级市排放量均小于2万t,其中营口、辽阳、盘锦、葫芦岛和阜新等排放量小于1万t。氮污染地级市空间分布（图2b）表明,河北各市排放量相对较高,其次是山东各市,辽宁各地级市排放相对较低。经统计分析得出,河北和山东的养殖业是导致两省各地级市氮污染排放压力大的主要原因。从省级行政区氮污染排放总量看,河北排放量最大,约31.46万t,天津最少,约4.24万t,山东为25.22万t、辽宁为17.13万t、北京为7.18万t。各行政区氮污染排放结构各有特点,北京和天津氮污染主要来源于城镇生活排放,占氮排放总量的70%左右;山东和河北氮污染的主要来源是居民生活与养殖业排放;辽宁工业结构偏重且规模较大,导致辽宁工业氮污染排放相对突出,占总量的14.7%,其他省市这一比例不足10%,各省排放结构见表5。

Tab. 5
表5
表5环渤海地区氮污染排放构成情况
Tab. 5Composition of nitrogen pollution emission in the Bohai Rim （万t）

	工业生产	城镇生活	农村生活	畜禽养殖	农田生产	合计
北京	0.10	5.45	1.13	0.47	0.03	7.18
天津	0.12	2.12	0.97	0.82	0.21	4.24
辽宁	2.51	7.4	3.19	3.02	1.01	17.13
河北	2.11	8.33	8.73	6.89	5.40	31.46
山东	1.48	6.64	5.12	9.83	2.15	25.22

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将各区县氮污染排放压力汇总到23个汇水单元上,图3显示了各汇水单元的总氮污染排放情况。海河流域及大辽河流域的污染排放量较大,海河流域划分了三个汇水单元,每个单元内污染排放量都较大,这三个汇水单元直接对应渤海湾海域,导致该海域海洋环境污染严重;大辽河流域对应着辽东湾海域,成为辽东湾海洋污染的主要输入源。山东的小清河、弥河和胶莱河汇水单元污染排放量较为突出,其对应的莱州湾海域相对周边海域污染也相对突出。滦河、大凌河、小凌河等单元以及辽东湾延伸的两翼地区、河北省沿岸地区和大连的渤海沿岸地区各汇水单元氮污染排放量相对较小,有些汇水单元没有明显的入海河道,主要以沿岸地表漫流汇入渤海,这些汇水单元对应的海域污染状况相对要好,多为轻度污染。

图3

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图323个汇水区对应岸线承载的陆源氮污染压力强度

Fig. 3Nitrogen pollution emission intensity per kilometer coastline of catchment areas

3.3 岸线污染压力强度的空间分布

为更清晰反映陆源排污对海洋环境的压力,文章引入了岸线污染压力强度概念,具体是指每千米海岸线上承载的相对应的陆源污染排放负荷量的大小,反映单位长度海岸线上承载的陆源污染排放量,具体是用汇水区的年氮污染排放量除以汇水区对应的海岸线长度,单位为t/（km·a）。本文测定了23个汇水区对应的岸线长度,计算出渤海23个岸段的单位岸线氮污染压力强度。图3中扇形环状表明各汇水区对应海岸线承载的陆源排放压力,扇形环状堆积越高表明单位岸线承载的污染压力越大。可以看出,环渤海地区陆源氮污染的排海压力主要集中在三大海湾,其中,渤海湾岸线压力强度最大,辽东湾次之,莱州湾相对较小。通过岸线污染压力分析可得出：渤海岸线污染压力强度分布与海域污染状况在空间上高度一致。海河流域、大辽河流域和小清河流域对应的岸段是环渤海地区污染排放压力较大的岸段,也正分别对应着渤海湾、辽东湾和莱州湾。海河中部汇水区对应的岸段承载氮污染排放压力约4700t/（km·a）,海河北部汇水区对应的岸段压力约2000t/（km·a）,以上两个汇水区对应的岸线主要是渤海湾沿岸,陆域强大的污染压力导致渤海湾污染相当严重;大辽河汇水区对应岸段的污染排放压力约2300t/（km·a）,该岸段主要影响辽东湾海域,造成辽东湾海域污染突出;山东小清河汇水区对应岸段的污染排放压力约1300t/（km·a）,是莱州湾海域污染的主要来源。汇水区岸线承载的氮污染压力中海河水系污染压力最大、大辽河次之、小清河最小,以上三个汇水区分别对应的渤海湾污染最重、辽东湾次之、莱州湾较轻。三大海湾之外的大连近岸、辽西—冀东海域沿岸、辽东湾东部沿岸和烟台沿岸海域污染相对较轻,对应的汇水单元岸线污染压力也相对较小,且强度不一,从（10~900）t/（km·a）均有分布。岸线污染压力分析表明,渤海海域污染状况与沿岸各汇水单元的污染排放压力存在高度的空间关联性。

通过以上分析可知,海湾环境状况与沿岸社会经济污染排放压力在空间上具有密切的对应关系,表明陆海统筹管理分区具有合理性与可操作性。治理海域污染,最有效的措施就是消减对应汇水区内的污染排放,文章对三大海湾对应的汇水区内污染源结构做了进一步分析,结论如下：① 渤海湾沿岸污染排海压力大,城镇居民生活排放是主要污染源。渤海海洋环境污染最为严重的海域是渤海湾,水质状况全部低于三类水质,其中四类和劣四类水质属重度污染的海域面积占湾内面积的1/3。渤海湾沿岸的海河北部水系、海河中部水系和海河南部水系汇水区,是环渤海地区社会经济活动强度大、污染物排放压力大的区域,单位海岸线氮的压力分别为2387t/（km·a）、4703t/（km·a）、1621t/（km·a）。② 辽东湾污染中工业污染贡献量相对突出。辽东湾沿岸的大辽河、辽河和大凌河三个流域的社会经济活动强度大,高能耗、高污染的重工业占比较大,区域内黑色金属冶炼加工、石油加工、农副加工、化工业等10个行业总产值占辽宁全部工业产值约60%。污染排放估算结果表明,该地区工业生产的氨氮污染排放量占总氮排放量近20%,远高于莱州湾和渤海湾周边工业污染排放比例。大辽河、辽河和大凌河三个汇水区的单位岸线氮排放压力分别为2300t/（km·a）、678t/（km·a）、667t/（km·a）。辽西—冀东海域沿岸的单位岸线氮污染排放压力为（42~92）t/（km·a）;辽东湾东部沿岸（大清河、复州河等流域）,单位岸线氮排放压力约为16t/（km·a）、63t/（km·a）,对应海域的海洋环境基本良好。③ 莱州湾主要污染来自农业面源污染。莱州湾沿岸的潍河、小清河和徒骇河三个汇水区对应的岸线氮排放压力分别为925t/（km·a）、1390t/（km·a）、790t/（km·a）,汇水区内农业污染特征明显,氮污染物中农村农业污染源的占比分别为64%、51%和65%,以地表径流形式输移的农村生活和畜禽养殖污染成为该地区水体的主要污染源,该区域污染治理的重点是畜禽养殖和农村生活排放。

4 结论与讨论

4.1 结论

基于多源数据,本文对环渤海地区各类社会经济活动的氮污染排放量、污染结构及空间分布特征进行了分析,并统筹考虑污染物从汇水区→入海河口→影响海域三个输移空间,将渤海及周边陆域区域划分成了23个陆海统筹管理单元,将陆源污染压力与渤海海域污染在空间上联系起来,为陆海统筹管控渤海污染进行了有益探索,主要得到以下结论：

（1）农业农村面源污染是渤海氮污染的主要来源。依据估算结果,渤海周边陆域农村居民生活污染排放占总量22.4%、畜禽养殖排放占24.7%、农田种植业排放占10.3%,三类活动氮污染排放量占总量的57.4%,成为渤海氮污染的主要来源,其中,海河南部地区、莱州湾对应的陆域区域农业农村污染尤其突出;城镇居民生活排放占总量的35.2%,主要集中在渤海湾周边的海河流域;工业生产排放量占总量的7.4%,从氮排放总量上看,工业排放对渤海环境的影响有限,但因工业废水中污染物浓度高,有害成分复杂,仍需加强对工业废水排放的监管,避免因集中排放造成典型环境污染事件。

（2）海域污染状况与各汇水区污染排放压力在空间上高度耦合。辽东湾、渤海湾和莱州湾对应的汇水区内氮污染排放强度较大,三个海湾的污染状况也是最严重的;相应地,其他近岸汇水区氮污染排放压力相对较小,对应的海域环境污染状况也相对较轻,陆源氮污染排放强度与其对应的海域污染状况在空间上高度耦合,这也表明本文划分的23个陆海统筹管理单元具有合理性与可操作性。

（3）主要汇水区内污染来源构成存在明显的差异。渤海湾顶部海河北部汇水区对应的岸线污染压力突出,城镇污染源占50%以上,是治理的重点,工业污染源占5%;海河南部汇水区80%的污染来自农业面源,其中畜禽养殖排放占50%,治理对象明确;海河中部汇水区各类社会经济活动氮污染的贡献度相对均衡,除工业外,其它四类活动排放贡献基本相当。莱州湾顶部对应的小清河、弥河、潍河及胶莱河流域农业污染特征明显,该区域污染治理的重点是畜禽养殖和农村生活排放。辽东湾对应的辽河、大辽河及大凌河流域的工业污染特征明显,大辽河流域氮污染中工业污染源的占比约1/3,是入渤海各流域中占比最大的。因此,陆源污染的管理应结合污染源结构的空间差异,以汇水区为单元有针对性的对主要污染源进行管理调控。

（4）短期内渤海周边陆源污染排海压力难以缓解。经计算可知,渤海周边城镇居民生活排放、农村居民生活排放和畜禽养殖排放共占总排放量的82.2%,削减居民生活和畜禽养殖业排放是减少地区氮污染最有效的措施,但居民生活和畜禽养殖的排放系数基本稳定,通过控制人口数量和减少养殖规模削减排放量显然不现实,需要着力完善农村污水排放管网建设,改变粗放的畜禽养殖方式,进一步优化城镇污水管网,提高城镇污水处理率,提倡居民节约用水等措施,但以上这些措施需要大量投资和长期引导,不可能很快实现,因此,短期内渤海面临来自周边陆源氮污染的压力依然严峻。

4.2 讨论

渤海环境保护统筹在国家,责任在地方,多方协调是关键。渤海污染根源在陆域,如果不对环渤海陆域的社会经济活动进行管理调控,仅是管理排污口及海上污染活动,很难遏制渤海环境持续恶化的趋势,但污染源类型、规模、排放方式千差万别,难以厘清,加之陆域污染源与海域污染区在空间上的错位分布,导致污染权责难以界定,让各级政府在环境统筹的实施中缺少抓手,因而迫切需要逐步建立以海定陆的污染管理的“倒逼机制”。

本文以社会经济统计数据,土地利用数据为基础,结合污染普查数据,尝试构建了一套精度较高,易操作的大范围陆域社会经济活动污染源识别与排污量估算的方法,规避了参数模型法需大量实测数据的困难,修订了传统排污系数法无法体现地区间差异的不足,并通过划分陆海统筹管理单元,将环渤海地区与渤海近岸划分为23个管控单元,构建了污染源与被污染海域在空间上的联系,既明确了陆域污染源的强度与分布,又明确了其影响的海域范围,实现了海洋污染可以在陆域上追根溯源,即污染源与被污染海域之间权责明确,为通过“倒逼机制”确定陆域管控对象提供了支撑。

基于研究结果,对渤海污染治理提出政策建议：渤海治理是个系统性的工作,需要构建多层级、多部门、多主体分工的协调机制。① 可尝试在环渤海地区实施“湾长制”,并将“河长制”与“湾长制”有效对接,划清责权,共抓同管,落实陆源污染排海总量控制,协调各级地方部门,形成自海向陆的污染管控体系。② 抓住渤海陆海环境统筹治理的主要矛盾。各海湾在制定工作规划时需厘清重点防控对象,因各陆海统筹管理分区的污染源结构和分布存在巨大差异,在制定管控措施和政策时要根据本区污染源特点抓主要矛盾。③ 防控农业面源污染要大力转变畜禽养殖方式,选取面源污染集中的小流域为先行先试,并积极推广成功经验;城镇污染治理的关键措施是优化城镇管网布局,提高污水处理能力,提高污水回收利用率;工业污染防治上,加强重污行业及企业的排污监管,做好河道近岸工业行业布局规划与优化,避免因工业集中排污造成河段水体的严重污染。

本文侧重陆域污染源的识别与陆海空间管控单元的提取,研究方法在长江口及邻近海域环境超载成因及陆海统筹调控策略研究中得到应用,也为北戴河邻近陆域社会经济活动的海洋环境污染压力研究提供了重要支持,同时,也是对全国湖泊、河口和其它海湾的陆源污染防治研究的有益补充。研究中也存在一些不足,文中估算的污染排放量是社会经济活动排放到环境中的污染物量,是陆源污染排海的潜在压力,未剔除污染物在入海输移过程中的损耗量,因此,并不是真实的污染入海量,会对陆源污染压力与海域污染状况耦合分析有一定的影响,在未来涉及到小范围的研究可以结合水文、地质、水质等参数修正污染物入海量,进一步提高研究的精度。

参考文献原文顺序
文献年度倒序
文中引用次数倒序
被引期刊影响因子

[1]

2015年中国海洋环境状况公报
国家海洋局, 2016.