湘江流域水質特征及水污染經濟損失估算

劉葉葉,毛德華*,楊家亮,錢 湛

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湘江流域水質特征及水污染經濟損失估算

劉葉葉1,毛德華1*,楊家亮2,錢 湛2

(1.湖南師范大學資源與環境科學學院,湖南 長沙 410081；2.湖南省水利水電勘測設計研究總院,湖南 長沙 410007)

基于2008~2016年湘江流域內40個監測站點10項參數的月觀測資料,運用水質指數法分析流域水質時空分異特征,并采用主成分分析和多元線性回歸分析識別影響流域水環境演變的主要因素.在此基礎上將水質、水量與水資源價值結合起來,利用改進的污染損失率法和模糊數學法,構建污染價值損失模型,定量估算流域水污染經濟損失.結果表明,湘江流域水質總體以優為主,2008~2011年水質變差,2011年后水質逐漸改善,2015~2016年改善狀況較為明顯.在季節尺度上,枯水期水質最差,豐水期和平水期接近.流域主要污染物是Hg、Pb、TP、NH4+-N和CODMn.經濟發展是影響流域水質變化的主要驅動因素.污染價值損失結果表明,長沙和郴州損失量最大,湘潭、株洲和衡陽次之,婁底損失最小.在年際尺度上,2013年污染損失最高(297.04億元),2008年最低(66.53億元),總體上2008~2016年污染損失在波動中增加.

水質特征；污染損失率；水資源價值；經濟損失；湘江流域

鑒于我國水資源短缺、水環境污染的嚴峻形勢,國務院于2015年印發《水污染防治行動計劃》(稱“水十條”)[1].隨著該計劃的持續推進,國家對各河流水體提出明確的水質目標,治污工作極其緊迫.河流污染來源復雜,如工業廢水、生活污水、農藥化肥、養殖廢水等,且不同支流、河段污染特征差異明顯.因此掌握河流水環境污染特征及其主要污染因子[2],定量估算水污染經濟損失已成為迫切需要[3].

目前針對水質評估方法主要有單因子評價法、最差因子判別法、綜合指數法等.前兩種方法使用較早,計算簡單,可以直觀體現出水質指標的污染程度,但其將結果歸于最大受損參數,不能有效反映水質狀態,因此眾多學者開始使用綜合水質指數法(WQI).雖然可以使用各種公式來計算WQI,但它們都能有效地將許多物理和化學參數轉換為反映水質水平的單一值,從而消除了評估中單獨使用參數的差異,因此WQI法被廣泛應用于地表水和地下水水質評價中.Horton[4]首次提出水質指數法,并得到眾多學者的改進.Hou等[5]和Wu等[6]基于WQI法分別研究了黃河和鄱陽湖水質的時空差異,但該研究未考慮污染物權重,方法存在一定的局限性.基于上述問題?ener等[7]和Selvam等[8]根據指標影響水質的重要程度賦予每個指標一定的權重,得出較為全面的結果.因此本文綜合考慮各污染物的權重,分析湘江流域水質時空變化和主要污染因子.

國內外學者主要采用分類計算法、恢復費用法和污染損失模型衡量水污染經濟損失.分類計算法計算簡單,但是計算過程中很難保證窮盡性和獨立性.恢復費用法僅從污染源角度分析,沒有考慮污染的累積效應.因此本文采用污染損失率和環境資源價值構成的損失模型客觀估算損失額.然而目前在水資源價值核算過程中,多將其概化為水價[9-10],降低了水資源真正的價值,缺乏客觀性和科學性.因此本文綜合考慮水質、水量、經濟社會等影響因素,定量計算水資源價值.

湘江流域作為湖南省經濟發展的核心地區,對其污染狀況和水污染造成的經濟損失進行定量研究一直是一個主要問題.然而目前研究大多采用基于單參數的評價方法,可能導致由于指標選取不同結果存在較大差異[11-12],并且目前還沒有將湘江水質變化特征與環境經濟損失聯系起來定量分析.基于上述問題,本文基于WQI法,綜合考慮各項參數,分析水污染動態變化和主要污染物,基于改進的經濟損失評價模型和水資源價值評估模型,定量估算湘江沿岸行政區水污染經濟損失,以期為流域水利行政部門和其他管理部門水環境保護和管理提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區概況

湘江發源于湖南省藍山縣,流經永州、郴州、衡陽、婁底、湘潭、株洲、長沙,至湘陰縣注入洞庭湖,全長856km,面積9.47×104km2,其中湖南省占90.2%.湘江干流在萍島(瀟水河口)以上為上游;萍島至衡陽市為中游;衡陽以下為下游.流域水系發達,沿途接納眾多支流,主要有瀟水、耒水、舂陵水、洣水、蒸水、漣水等.湘江流域屬亞熱帶季風氣候,雨量充沛,多年平均降雨量在1200~1700mm,但年際變化大,年內分配不均勻,降水主要集中在春夏季.流域年平均流量2050m3/s,歷史最大流量20800m3/s,最小流量100m3/s.多年平均徑流量7.916×1010m3,其中3~7月徑流量占全年的66.6%,5月徑流量最大,1月最小,分別占17.3%和3.3%,這一趨勢與流域降水周期變化基本一致.

1.2 數據來源

本文所用數據為2008~2016年湘江流域共40個監測點的月監測數據,監測指標包括水位、流量、水溫、溶解氧、pH值、砷、汞、氨氮、總磷等,水質數據來源于湖南省水利廳.基于水質指標選擇原則[13],以及考慮到40個監測點的數據完整性和數據檢測限額,本文最終選取10項指標,將其分為3組,第1組(汞(Hg)、鉛(Pb)、鎘(Cd)和六價鉻(Cr6+))、第2組(溶解氧(DO)、總磷(TP)、高錳酸鹽指數(CODMn)、氨氮(NH4+-N))和第3組(銅(Cu)和鋅(Zn)).

1.3 研究方法

1.3.1 WQI模型 本研究采用的WQI模型與地表水環境質量標準(GB3838-2002)[14]一致,WQI模型中優(100)、良(75)、尚好(50)、較差(25)、差(0)分別對應于GB3838-2002中I、II、III、IV、V.由于各污染物的權重存在差異,其對水生生物或人類用水的貢獻率不同,因此本文根據指標影響水質的重要程度確定各污染物的權重[15],最終得出WQI值.

式中:W為第種污染物的權重;S為相應的水質得分;為水質指標個數.

式中:u為隸屬函數,基于模糊綜合評價法求得;T為轉置符號.

1.3.2 污染損失模型 根據詹姆斯的濃度—損失曲線[16],水中污染物所造成的經濟損失與污染物濃度大體呈S型上升曲線形態.當污染物濃度過低時,水污染損失較小,隨著濃度的增加,水污染損失急劇增加,但在一定的發展水平下,其污染損失必存在一個閾值,使得水污染造成的經濟損失呈現阻尼因子作用下的增長模式.污染損失模型可表示為:

式中:Si為第i種污染物造成的經濟損失;K為水資源價值;Ri為第i種污染物的污染損失率;ai、bi為第i種污染物的損失參數;Ci為污染物i的濃度.

當水中污染物存在一種以上時,其綜合損失率可表示為:

式(6)是通過考慮污染物權重的差異修正得出.

式中:′為修正的綜合損失率;ω為污染物的權重;為水質指標個數.

1.3.3 水資源價值評價模型 水資源價值與自然和社會經濟之間復雜的動態聯系,使其成為內部結構復雜、運動機理處于混沌狀態的模糊系統.由于水質評價不能簡單用是或否回答,同時水資源價值高低、豐富程度并無嚴格的界限,因此本文采用模糊數學法[17]建立水資源價值模型,函數形式可表示為:

式中:為水資源價值;1,2,...,X為與水資源價值大小有關的類因素.

根據模糊綜合評價理論,水資源價值由水資源綜合評價矩陣和水資源價格向量綜合確定,評價函數如下式所示:

構建水資源綜合評價函數,即:

式中:ω為單要素中各評價因子的權重;μ為各評價因子的隸屬度函數.

水資源價格向量,先確定水資源價格上限U:

式中:CImax為最大水費承受指數,根據國際通用標準一般在3%以內為宜[17];1為年居民人均可支配收入;C為年均居民用水量;P為單位供水成本及利潤.

采用等差間隔劃分水資源價格區間,則水資源價格向量為

2 結果與分析

2.1 基于WQI的水質綜合評價

在時間尺度上,2008~2016年湘江流域WQI平均值為(92.88±3.32),按WQI分級標準,湘江水質以“優”為主.2016年水質最好,WQI接近95,除Pb和NH4+-N外,其他指標均滿足II類標準.2011年水質最差,主要污染因子為Hg、Pb和NH4+-N.總體上,WQI從2008年下降到2011年,之后水質逐漸改善,2014~2016年WQI值增長速度較快,主要是由于2014年湘江流域正式實施生態補償,對跨界斷面超標予以處罰,因此2014年開始湘江水質改善狀況明顯.

在空間尺度上,中上游水質最好,除站點9外,干流WQI值大于95,下游WQI值為84~93,漣水和湘江干流湘潭—長沙段水質最差,且支流水質總體差于干流.WQI值在第27站點(湘潭)最低(84.06),最高(97.89)在第6站點(永州).在季節尺度上,總體水質接近WQI平均值,枯水期水質較差,湘潭出現劣V類,豐水期低于平水期0.02分,二者較為接近,可能是由于豐水期面源污染加強,點源和面源的綜合作用使得流域水質稍差.

2.2 主要污染因子

在3種水質參數中,第1組和第2組參數的WQI值較低,對污染起主導作用.WQI與W(1) 和W(2)的相關系數分別為0.478和0.890(<0.01).W(1)和W(2)的平均值分別為92.62和91.9,與湘江平均WQI值(92.88)相當.第3組參數的WQI(即W(3))平均值為99.79,接近無污染狀態,在時空尺度上均保持在較高水平.具體而言,Cd、Cr6+、DO、Cu、Zn平均WQI值均大于95,Pb和NH4+-N較低,接近75,其中湘潭段NH4+-N污染最為嚴重,出現劣V類.

在第1組參數中,特別是Hg和Pb對污染起主導作用,平均WQI值分別為89.05和76.06,其中Hg在站點間變化較大,WQI值處于25~100.相關分析結果表明,Hg與W(1)和WQI的相關系數最大,皮爾遜相關系數分別為0.761和0.486(<0.01).在第2組參數中,TP、NH4+-N和CODMn與W(2)的相關系數分別為0.541、0.722和0.726(<0.01).因此,湘江流域主要污染物為Hg、Pb、TP、NH4+-N和CODMn.

在空間尺度上,36個監測點的汞平均WQI值(Hg)均高于Pb,其中Hg接近WQI值,在2和26站點最小.Pb與W(1)和WQI在空間上無明顯差異,但與WQI的分布趨勢相反.大部分站點CODMn>TP>NH4+-N,均在23、27(湘潭)和40(長沙)站點較低,這主要是由于長沙和湘潭生活污水和工業廢水排放量大,且湘潭污染直接排入下游長沙,上游和本地排放的綜合作用導致富營養化污染重于其他地區,特別是NH4+-N,在長沙、湘潭均有超標.

在季節尺度上,W(1)平均值表示為枯水期<平水期<豐水期.枯水期Hg和Pb接近,均在26和27站點(湘潭)超標.W(2)平均值表示為枯水期<豐水期<平水期,可能是由于豐水期正值作物生長期,化肥施用量增加,雨水沖刷促使面源污染相對嚴重于平水期,但是二者WQI值相差不大.NH4+-N和TP總體低于CODMn,屬于II~III類,但二者存在極端值,特別是NH4+-N,因此本文選取2008~2016年NH4+-N濃度較高的4個站點進一步分析.由圖2可知,S27污染最嚴重,2008~2016年S27均超III類標準,最小值在2010年(1.07mg/L),2014年達到最大值(4.23mg/L),超過V類標準2倍多,污染主要源于生活污染和農業污染.S30有4年超III類標準,2008年最低(0.25mg/L),2009年迅速增加,達到最大值(3.01mg/L). S36和S40總體在III類標準上下波動,污染相對較輕.

圖2 4個站點NH4+-N濃度變化特征

S27位于湘潭,S30位于郴州,S36和S40位于長沙

為識別影響湘江流域水質的主要因素,本文選取流域水文和社會經濟指標進行因子分析,然后分別以因子得分和水質指標為自變量和因變量進行回歸分析.由表1可知,因子1解釋了總方差的55.671%,人均GDP、城鎮人口和工業增加值載荷值較高,表征經濟發展.因子2對方差的貢獻率為32.139%,降水量和水資源量占有較高權重,表征水文情勢.以上2個因素較好地解釋了原始變量的信息(87.810%),說明經濟發展和水文情勢是影響流域水質變化的主要因素.回歸分析結果表明,因子1與Pb和CODMn顯著相關(<0.01),因子2與Pb顯著相關(<0.05).綜上可知,因子1是影響流域污染的主要驅動因素.

2.3 污染損失核算

2.3.1 污染損失率的確定 將40個站點按行政區劃分,可分為長沙、株洲、湘潭、衡陽、郴州、永州和婁底7個行政區.選取流域主要污染物Hg、Pb、TP、NH4+-N和CODMn,各行政區污染物濃度用站點平均值表示.我國目前采用的《地表水環境質量標準》[14]按地表水水域環境功能和保護目標劃分為5類,結合湘江流域水環境功能區的實際情況,將地表水II類作為背景濃度,污染物濃度在達到背景濃度時對水資源價值的損失率為0.01,將地表水V類作為嚴重污染臨界濃度,污染物濃度在達到臨界濃度時對水資源價值的損失率為0.99[18].將以上2點代入式(4)可得到不同污染物對應的a和b值,分別采用式(4)和式(6)計算各行政區單項污染物損失率和綜合損失率,結果見圖3.

表1 因子載荷矩陣

污染物損失率在各行政區的變化情況不同(圖3(a)).長沙和湘潭綜合損失率最大,株洲、衡陽和郴州次之,永州和婁底最小.長沙、株洲、湘潭變化最大,在2008~ 2011年逐漸增加,2011年達到極大值,2012年稍有下降,但在2013年迅速增加,之后長沙和株洲趨于穩定,而湘潭在2014 ~2015年損失繼續增加,在2014年達到最大值.衡陽和郴州變化趨勢相反,永州和婁底變化最小,總體呈下降趨勢.各行政區NH4+-N和TP損失率最高,且存在明顯差異,主要是因為監測點中NH4+-N和TP極端值較多.

2.3.2 水資源價值的確定 目前,水資源價值尚未形成統一的分類標準和評價體系,本文基于水資源具有的功能并借鑒聯合國千年生態系統評估報告提出的生態系統與人類福祉評估框架將水資源價值分為水量價值、人口價值、社會經濟價值和生態環境價值.首先,物以稀為貴表明了資源的稀缺程度與其價值量之間的關系,水量越是稀缺,水資源價值就越高,需要注意的是衡量水資源價值高低的水量要素主要取決于水量的相對稀缺程度,而不是絕對水量,因此采用人均水資源量和單位面積水資源量反映水資源的相對稀缺性.其次當水資源能夠滿足人類自身需求條件時,人類活動對水資源價值的影響是不顯著的,但隨著人口增加水資源出現短缺時,人類活動會大大影響水資源價值,因此選取人口密度、人均GDP和人均用水量表征人口因素.社會經濟因素與水資源相輔相成,互相影響,一方面許多地區以河口或港口城市為依托,大力發展航運,促進了該地社會經濟的發展;另一方面,只有利用經濟手段開發利用水資源,才能充分挖掘水資源的價值.本文選擇萬元GDP用水量、工業增加值用水和水資源開發利用率作為水資源價值評價的經濟指標.生態環境的好壞影響不同功能的水資源,本文選擇生態環境用水量進行評價.根據式(9)可得到各行政區的水資源價值.由圖3(b)可知,長沙水資源價值最高,郴州和永州最低,總體上2008~2016年水資源價值波動增加.

2.3.3 污染損失的確定 將綜合污染損失率和水資源價值結果代入式(7),可得到7個行政區的水污染經濟損失,由圖3(c)可知,長沙和郴州損失量最大,這主要與社會經濟狀況和水資源量有關,長沙經濟發展最快,郴州水資源量第二,加之污染損失率高于婁底(水資源量第一),因而損失額較高.由于湘潭水質超標比較嚴重,損失量大于株洲和衡陽.婁底損失量最小,主要是因為婁底水資源量較小且損失率不高.在時間尺度上,2013年污染損失最高(297.04億元),2008年最低(66.53億元),總體上2008~2016年污染損失在波動中增加.

3 討論

單因素法是水質評價中最常用的方法,雖然單因素方法提供了有價值的信息,但其將結果歸于最大受損參數,不能有效地反映水質狀況.相反,基于多參數的綜合評價方法有利于水質評價.因此,本文采用WQI法對湘江流域水環境質量進行綜合評價.

由于WQI值是綜合考慮各污染物水質水平,因此在計算過程中由于水質指標多,綜合考慮可能會忽視極端值,因此本文選取2008~2016年污染最嚴重的4個站點的NH4+-N濃度以進一步分析,結果表明湘潭、郴州和長沙NH4+-N污染較為嚴重,尤其是S27在9年間均超III類標準.S30污染次之,S36和S40總體在III類標準上下波動,污染相對較輕.因此之后在分析流域水質變化時應將單參數法和多參數法綜合使用,以便了解流域整體污染狀況和主要污染因子.

由于污染物權重差異造成其對綜合損失率的貢獻不同,基于傳統方法將各污染物作用等同,計算得到的損失率可能存在偏差.因此本文采用改進的污染損失模型估算各污染物損失率.

水資源價值是生態環境可持續發展的決定性因素,是市場經濟條件下合理配置水資源的必然需求,其中合理制定水價是合理配置水資源的基本手段之一.由于傳統水資源無價值或低價值觀念促使水資源短缺和水污染嚴重,因此合理估算水資源價值是非常必要的.水資源價值受自然和社會經濟因素等的影響,因此本文根據水質、水量、人口和社會經濟等因素核算水資源價值,同時將水資源價值和污染損失率結合起來綜合評估,以確定流域污染損失額度.

本文通過對湘江流域水環境演變特征進行合理的評估,得出該流域主要污染物是富營養化污染和重金屬污染,為此政府應科學制定水污染防治規劃,嚴格執行誰污染、誰治理原則;加強流域內生活污水和垃圾管理,減少農藥化肥的使用;加強歷史遺留重金屬污染治理,對于新建金屬冶煉和礦產開采等企業,應嚴格落實環?！叭瑫r”制度.此外針對流域水污染損失問題,政府部門應建立健全生態環境損害責任追究制度和生態補償制度.

4 結論

4.1 WQI結果顯示,湘江水質總體以優為主.2008~ 2011年水質逐漸變差,2011年達到最差,之后水質緩慢改善,特別是2014年湘江流域正式實施生態補償之后水質改善狀況較為明顯.在季節尺度上,枯水期最差,平水期和豐水期接近,符合污染物在時間上的產出分配規律.湘江水質評價結果以第1組和第2組參數為主,第3組參數影響較小,流域主要污染物是Hg、Pb、TP、NH4+-N和CODMn.

4.2 因子分析和回歸分析結果表明生活污水和工業廢水大量排放造成流域富營養和重金屬污染比較嚴重,經濟發展和水文情勢是影響流域污染的主要因素,尤以經濟發展為主,解釋了總方差的55.671%.

4.3 污染損失率結果表明長沙和湘潭綜合損失率最大,株洲、衡陽和郴州次之,永州和婁底最小.總體上各行政區損失率在2008~2013年逐漸增加,2013年之后緩慢下降,逐漸趨于穩定.

4.4 污染價值損失結果表明長沙和郴州損失量最大,湘潭、株洲和衡陽次之,婁底損失量最小.在時間尺度上,2013年污染損失最高(297.04億元),2008年最低(66.53億元),總體上2008~2016年污染損失在波動中增加.

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致謝：湖南省水利廳提供流域水質數據,賀新光老師在論文寫作方面給予細心指導,在此一并表示感謝.

Characteristics of water quality and estimation of economic loss from water pollution in Xiangjiang River Basin.

LIU Ye-ye1, MAO De-hua1*, YANG Jia-liang2, QIAN Zhan2

(1Resources and Environmental Science Institute, Hunan Normal University, Changsha 410081, China；2.Hunan Hydro & Power Design Institute, Changsha 410007, China)., 2019,39(4)：1471~1477

Based on monthly observations of 10 parameters at 40 monitoring sites in the basin during 2008~2016, the spatio-temporal variation characteristics were analyzed by employing water quality index method, and the main factors of water environment evolution were also identified using principal component analysis and multivariate linear regression analysis. Further, a pollution value loss model with consideration of water quality, quantity and its resource value was proposed using the improved pollution loss rate method and fuzzy mathematics method to quantitatively estimate the economic loss from water pollution in the basin. The water quality was generally excellent in Xiangjiang River Basin. Within the research period, the water quality deteriorated first from 2008 to 2011, then, gradually improved after 2011, especially in 2015 and 2016. Seasonally, the water quality was the worst in low-flow periods, and similar between moderate-flow periods and high-flow periods. The main pollutants in the basin were Hg、Pb、TP、NH4+-N and CODMn. Economic development was one of the main determining factors to the variation of water quality in the basin. The results of pollution value loss analysis indicated that Changsha and Chenzhou had the largest loss, followed by Xiangtan, Zhuzhou and Hengyang, and Loudi had the smallest loss. Annually, the pollution loss was the highest in 2013(29.704billion yuan) and the lowest in 2008(6.653billion yuan). In general, the pollution loss showed an increasing trend from 2008 to 2016 with annual fluctuations. Our results could provide scientific support and reference for the research of water pollution prevention and ecological compensation.

water quality characteristics；pollution loss rate；water resource value；economic loss；Xiangjiang River Basin

X323

A

1000-6923(2019)04-1471-07

2018-09-06

湖南省重點研發計劃項目(2017SK2301);湖南省水利科技重大項目(湘水科計[2016]194-13);湖南省教育廳重點項目(15A113);湖南省重點學科建設項目(2011001)

*責任作者, 教授, 850276407@qq.com

劉葉葉(1994-),女,山西呂梁人,湖南師范大學碩士研究生,主要研究方向為流域水資源與水環境.發表論文1篇.