水資源缺乏地區(qū)地表水環(huán)境承載現狀研究
——以京津冀和西北五省（自治區(qū)）為例

溫勝芳，單保慶，馬靜，鄧偉

（1. 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100085；2. 中國水利水電科學研究院，北京 100038）

水資源缺乏地區(qū)地表水環(huán)境承載現狀研究
——以京津冀和西北五省（自治區(qū)）為例

溫勝芳1，單保慶1，馬靜2，鄧偉2

（1. 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100085；2. 中國水利水電科學研究院，北京 100038）

本研究以主體功能區(qū)劃作為控制單元進行劃分，以水功能區(qū)納污能力作為環(huán)境容量基礎數據，結合國家環(huán)境保護部污染物排放統(tǒng)計數據，分析京津冀和西北五省（自治區(qū)）的不同主體功能區(qū)的地表水環(huán)境容量超載情況。結果顯示，在水資源缺乏的京津冀和西北五省（自治區(qū)）地區(qū)，其重點開發(fā)區(qū)的氨氮排放入河量均已超出水環(huán)境容量，城鎮(zhèn)生活污水排放是水環(huán)境氨氮容量超載的主要貢獻因子。對于農產品主產區(qū)和重點生態(tài)功能區(qū)，京津冀地區(qū)水環(huán)境的化學需氧量（COD）和氨氮排放量普遍超載，而西北五省（自治區(qū)）還有19%～73%的水環(huán)境容量剩余。不同主體功能區(qū)的環(huán)境和產業(yè)政策取決于主體功能區(qū)的類型和水環(huán)境容量的超載情況。

水資源缺乏區(qū)；環(huán)境容量；主體功能區(qū)；超載程度

一、背景

水資源是基礎性的自然資源和戰(zhàn)略性的經濟資源，也是生態(tài)環(huán)境的控制性因素，對區(qū)域社會經濟可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設起著至關重要的作用。

我國水資源總量列世界第6位，但人均和畝均水資源占有量僅為世界平均水平的28%和50%。水資源分布呈現南多北少，東多西少，山區(qū)多平原少的特征；水資源稟賦與人口、土地、耕地資源和生產力布局均不相匹配[1]。按照1993年國際人口行動組織在《可持續(xù)水：人口和可更新水的供給前景》報告中提出的標準，全國有14個省市自治區(qū)（北京、天津、河北、山西、上海、江蘇、山東、河南、寧夏、遼寧、吉林、安徽、陜西、甘肅）用水緊張，而這些水資源缺乏地區(qū)也正是我國生態(tài)脆弱的地區(qū)。我國水資源供需矛盾突出，水資源與地區(qū)生產力、耕地資源和生態(tài)環(huán)境需水等不相協調。水資源與生產力布局極不協調，集中體現在華北地區(qū)，其水資源量僅為全國水資源總量的3%，卻貢獻了全國15%的國內生產總值（GDP）；水資源與耕地資源分布不相協調，集中體現在西北、東北、華北地區(qū)，其耕地面積達到全國耕地總面積的32%，水資源量卻僅為全國水資源總量的9%；水資源空間分布與生態(tài)環(huán)境需水不相協調，集中體現在西北和華北地區(qū)，其單位面積產水量遠低于全國平均水平，而生態(tài)環(huán)境需水量較大，水資源的短缺加劇了該區(qū)域本已十分突出的生態(tài)環(huán)境問題，影響區(qū)域可持續(xù)發(fā)展[2]。分析水資源缺乏地區(qū)的地表水環(huán)境容量及承載力現狀，可以為該地區(qū)的水生態(tài)改善和經濟社會發(fā)展布局提供幫助。

我國生態(tài)文明建設的首要任務是優(yōu)化國土空間開發(fā)格局，而實施主體功能區(qū)戰(zhàn)略、形成主體功能區(qū)布局是優(yōu)化空間格局的戰(zhàn)略重點[3,4]。2010年國務院印發(fā)了《全國主體功能區(qū)規(guī)劃》（國發(fā)[2010]46號），將我國國土空間按開發(fā)方式劃分為優(yōu)化開發(fā)區(qū)域、重點開發(fā)區(qū)域、限制開發(fā)區(qū)域和禁止開發(fā)區(qū)域，按開發(fā)內容分為城市化地區(qū)、農產品主產區(qū)和重點生態(tài)功能區(qū)。規(guī)劃根據主體功能定位給出了發(fā)展方向和管制原則，推動了符合主體功能區(qū)目標的區(qū)域發(fā)展。城市化地區(qū)把增強綜合經濟實力作為首要任務，同時應保護好耕地和生態(tài)；農產品主產區(qū)把增強農業(yè)綜合生產能力作為首要任務，同時應保護好生態(tài)，在不影響主體功能的前提下適度發(fā)展非農產業(yè)；重點生態(tài)功能區(qū)把增強提供生態(tài)產品能力作為首要任務，同時可適度發(fā)展不影響主體功能的適宜產業(yè)[5]。至此，主體功能區(qū)劃成為我國國土空間開發(fā)的戰(zhàn)略性、基礎性和約束性規(guī)劃，主體功能區(qū)建設成為落實人口、經濟和資源環(huán)境相協調的國土空間開發(fā)格局的重要戰(zhàn)略舉措。國家“十三五”規(guī)劃將主體功能區(qū)建設作為落實生態(tài)文明建設新的戰(zhàn)略高度，把生態(tài)文明建設和經濟發(fā)展綠色化統(tǒng)一到主體功能區(qū)建設，是關系到形成人與自然和諧發(fā)展的現代化建設新格局的關鍵[4]。

本研究從水環(huán)境容量的視角，選取水資源供需矛盾最為突出的京津冀和西北五省（自治區(qū)）作為代表地區(qū)，分析其不同主體功能區(qū)類型的水環(huán)境容量現狀及由經濟社會發(fā)展帶來的污染物排放情況，期望通過水環(huán)境容量的利用和超載情況分析，從不同主體功能區(qū)建設和發(fā)展的角度為水資源缺乏、供需矛盾突出地區(qū)的水資源利用和水環(huán)境保護提供建議。

二、研究方法

（一）研究區(qū)域概況

京津冀區(qū)域以全國2.3%的國土面積和1%的水資源，承擔了全國8.1%的人口，產出了全國9.7%的GDP，是我國水資源最短缺，水污染與水生態(tài)退化最嚴重，水環(huán)境支撐力與發(fā)展矛盾最尖銳的地區(qū)[6,7]，如表1所示。根據《全國水資源保護規(guī)劃（2015—2030）》，京津冀157個水功能區(qū)中僅有26%的地表水質量達標[8]。在我國主體功能規(guī)劃中，京津冀整體定位是“以首都為核心的世界級城市群、區(qū)域整體協同發(fā)展改革引領區(qū)、全國創(chuàng)新驅動經濟增長新引擎、生態(tài)修復環(huán)境改善示范區(qū)”，京津冀區(qū)域發(fā)展要統(tǒng)籌解決經濟、生態(tài)、交通等方面的問題，綜合建設與改善區(qū)域人居環(huán)境，成為生態(tài)修復環(huán)境改善示范區(qū)[5,9]。

西北五省（自治區(qū)）以全國43%的國土面積和8%的水資源承擔了全國6%的人口，貢獻了6%的GDP，化學需氧量（COD）和氨氮排放量占比分別為10%和7%，502個水功能區(qū)中有51%的地表水質量達標[8]，如表1所示。西北五省（自治區(qū)）在我國具有重要的生態(tài)價值和戰(zhàn)略地位，在中國西部大開發(fā)戰(zhàn)略、新絲綢之路經濟帶戰(zhàn)略構想等重大戰(zhàn)略支撐下，將發(fā)揮越來越重要的作用，經濟持續(xù)較快發(fā)展將逐步縮小其與我國平均發(fā)展水平的差距。西北五省（自治區(qū)）是水資源與地區(qū)生產力布局、耕地資源和生態(tài)環(huán)境需水極不協調的典型代表區(qū)域。

表1 研究區(qū)域概況

（二）控制單元劃分方法

本研究以主體功能區(qū)劃為原則，綜合主體功能區(qū)、行政區(qū)、水生態(tài)區(qū)劃、水系完整性、水質響應、水功能區(qū)完整性等因素對京津冀和西北五省（自治區(qū)）進行三級控制單元的劃分，以期有效結合功能區(qū)水環(huán)境容量和污染物排放數據，分析不同主體功能區(qū)類型和不同控制單元的水環(huán)境容量利用和超載情況，并給出發(fā)展建議。

一級控制單元為4類主體功能區(qū)，以主體功能區(qū)劃的范圍和類型為主。二級控制單元稱為控制區(qū)（京津冀為12個控制區(qū)、西北五省（自治區(qū)）為10個控制區(qū)），主要考慮水生態(tài)區(qū)劃、行政區(qū)等因素，用于水環(huán)境容量和污染源排放的分析。二級控制單元的劃分依據則針對不同的功能區(qū)類型有所側重，在優(yōu)化開發(fā)區(qū)主要考慮了經濟社會特征差異、在重點開發(fā)區(qū)主要考慮了空間位置差異、在農產品主產區(qū)主要考慮了生態(tài)功能區(qū)劃的差異、在重點生態(tài)功能區(qū)主要考慮了水生態(tài)功能分區(qū)的差異。三級控制單元為子控制區(qū)（京津冀為29個子控制區(qū)、西北五省（自治區(qū)）為24個子控制區(qū)），主要考慮因素為流域完整性。京津冀和西北五省（自治區(qū)）的三級控制單元劃分情況，如圖1所示。

（三）水環(huán)境容量的計算方法

水環(huán)境容量指水體環(huán)境在規(guī)定的環(huán)境目標下所能容納的污染物數量，容量大小與水體特征、水質目標及污染物特性有關，同時還與污染物的排放方式及排放的時空分布有密切關系[10]。隨著我國水環(huán)境管理體系從濃度控制、目標總量控制轉向容量總量控制，以水環(huán)境容量計算為基礎的流域水質目標管理和水功能區(qū)限制納污紅線管理就顯得越來越重要[11～13]。本研究采用水功能區(qū)納污能力作為水環(huán)境容量的計算方法，依據《全國重要江河湖泊水功能區(qū)納污能力核定和分階段限排總量控制方案技術大綱》，收集全國重要江河湖泊水功能區(qū)水質、水量監(jiān)測資料，開展基準年水功能區(qū)水質評價。結合各流域入河排污口普查等有關工作，對重要江河湖泊水功能區(qū)中的入河排污口和支流口開展統(tǒng)計調查，確定水功能區(qū)主要污染物的入河量現狀。根據全國重要江河湖泊水功能區(qū)水質目標要求，復核重要江河湖泊水功能區(qū)納污能力（水環(huán)境容量），重點復核水質目標調整和設計條件（如流量）變化時的水功能區(qū)納污能力。在復核水域納污能力、測算主要污染物入河量的基礎上，確定水功能區(qū)的污染物限制排污總量。以主體功能區(qū)、控制區(qū)和子控制區(qū)三級控制單元為分析單元，分析不同地區(qū)的污染物排放情況并給出建議。

（四）主要數據來源

主體功能區(qū)數據來源于國務院發(fā)布的《全國主體功能區(qū)規(guī)劃》及相關各省發(fā)展和改革委員會和人民政府發(fā)布的主體功能區(qū)規(guī)劃[5,9]。水功能區(qū)的水域納污能力（水環(huán)境容量）數據來源于水利部發(fā)布的《全國水資源保護規(guī)劃（2015—2030）》[8]。各縣市污染物的排放數據來源于2014年環(huán)境保護部發(fā)布的環(huán)境統(tǒng)計數據[7]。

三、結果與分析

（一）京津冀地區(qū)水環(huán)境容量與入河量超載情況

京津冀地區(qū)的水環(huán)境COD容量為57 468 t/a，COD入河量（83 929 t/a）是其容量的1.5倍；水環(huán)境氨氮容量為2 806 t/a，氨氮入河量（12 354 t/a）是其容量的4.4倍。京津冀地區(qū)基于水功能區(qū)水質目標的COD和氨氮容量及入河超載量，如表2所示。

圖1 京津冀和西北五省（自治區(qū)）的三級控制單元劃分情況

四類主體功能區(qū)中重點開發(fā)區(qū)的COD入河量最多，68%的水功能區(qū)均超載。優(yōu)化開發(fā)區(qū)的COD入河總量超載38%，超載的水功能區(qū)比例為22%；重點生態(tài)功能區(qū)的COD入河總量相對于水環(huán)境容量仍有部分盈余，但超載的水功能區(qū)比例也達到了20%。氨氮與COD的入河量超載情況相近，重點開發(fā)區(qū)的氨氮入河量最多，67%的水功能區(qū)超載，入河總量超載6.1倍；優(yōu)化開發(fā)區(qū)的氨氮入河總量超載3.1倍，超載的水功能區(qū)比例為27%；重點生態(tài)功能區(qū)和農產品主產區(qū)的氨氮入河總量沒有盈余，超載倍數分別為1.3倍和1.9倍，超載的水功能區(qū)比例也達到了20%。

京津冀地區(qū)污染物的入河量超載情況在控制區(qū)（二級控制單元）的表現有較大差異（見圖2）。在優(yōu)化開發(fā)區(qū)的三個控制區(qū)中，唐山、秦皇島區(qū)污染物入河量與水環(huán)境容量相近，而北京、天津、廊坊區(qū)的氨氮入河量超載達14倍。重點開發(fā)區(qū)中以衡水區(qū)超載最為嚴重，COD入河量超載3.5倍，氨氮入河量超載9.6倍；承德區(qū)的氨氮入河量超載10倍，冀中南區(qū)氨氮入河量超載5倍。重點生態(tài)功能區(qū)中燕山地區(qū)豐水區(qū)的環(huán)境容量較大，但入河量超載倍數也較高，COD入河量超載50%，氨氮入河量超載1.6倍。COD容量盈余存在于燕山地區(qū)欠水區(qū)，氨氮容量盈余存在于太行山地少水區(qū)。

（二）京津冀地區(qū)污染物排放情況

京津冀地區(qū)的COD排放以農業(yè)排放為主（65%），氨氮排放以城鎮(zhèn)生活排放為主（54%）。在全國COD排放逐漸得到控制并出現拐點的情況下，氨氮排放將成為優(yōu)化開發(fā)區(qū)治理的重點和難點（見表3）。在絕對排放量上，氨氮排放以城鎮(zhèn)生活排放最高，主要排放區(qū)域為京津冀核心區(qū)；農業(yè)氨氮排放最高的區(qū)域為京津冀核心區(qū)和農產品主產區(qū)；工業(yè)氨氮排放以冀中南城市群為主。

從工業(yè)產值、廢水排放和污染物排放的比例來看，石化、造紙、食品、紡織、制藥、皮革屬于京津冀地區(qū)需要重點關注的六大行業(yè)。六大行業(yè)占其廢水排放總量的63%，COD排放總量的70%，氨氮排放總量的73%（見表4）。工業(yè)COD的排放主要集中在造紙、石化和食品行業(yè)，分別占工業(yè)COD排放總量的21%、16%和14%。工業(yè)氨氮的排放主要集中在石化、造紙和食品行業(yè)，分別占工業(yè)氨氮排放總量的35%、11%和10%。

京津冀不同主體功能區(qū)的主要控制行業(yè)如下：優(yōu)化開發(fā)區(qū)的主控行業(yè)是造紙和食品行業(yè)；重點開發(fā)區(qū)的主控地區(qū)和行業(yè)為濱海開發(fā)區(qū)的化工行業(yè)、冀中南城市群的造紙和制藥行業(yè)。

圖2 京津冀地區(qū)不同控制單元的污染物入河超載情況

表3 京津冀地區(qū)各主體功能區(qū)的COD和氨氮排放情況

表4 京津冀地區(qū)主要工業(yè)行業(yè)污染物排放情況

（三）西北五省（自治區(qū)）的水環(huán)境容量與入河量超載情況

西北五省（自治區(qū)）的水環(huán)境COD容量為9.72×105t，水環(huán)境氨氮容量為4.48×104t（見表5）。水環(huán)境容量的總體利用程度不高，COD容量利用率僅為38%，氨氮容量利用率達到87%；僅有重點開發(fā)區(qū)的氨氮排放（2.76×104t）已經超過地表水環(huán)境容量（2.72×104t）。

西北五省（自治區(qū)）三級控制單元的水環(huán)境COD和氨氮容量利用率，如圖3、圖4所示。污染物入河量超載區(qū)在COD和氨氮指標上有一定差異，COD入河量超載的僅有3個控制單元，最高超載倍數為2.8倍；氨氮入河量超載的則有5個控制單元，最高超載倍數為5.7倍。COD入河超載100%～150%的控制單元主要是重點開發(fā)區(qū)的黃河—甘肅渭河單元（A0409）；COD入河超載150%～280%的重點控制單元主要為農產品主產區(qū)的內蒙古—內蒙古內流區(qū)單元（B0204）和生態(tài)功能區(qū)的塔里木盆地—塔里木河內流區(qū)單元（C0719），分別超載 3 053 t/a（189%）和 5 316 t/a（276%）。氨氮入河超載100%～150%的控制單元主要分布在寧夏和內蒙古地區(qū)的黃河干流區(qū)，重點開發(fā)區(qū)的黃河—內蒙古單元（A0407）、黃河—寧夏單元

（A0408）、生態(tài)功能區(qū)的青藏高原—甘肅黃河干流單元（C0614）；氨氮入河超載150%～280%的重點控制單元主要為重點開發(fā)區(qū)的黃河—甘肅渭河單元（A0409）、黃河—青海黃河干流單元（A0411），分別超載1 652 t/a（261%）和1 229 t/a（194%）。

（四）西北五省（自治區(qū)）污染物排放情況

西北五省（自治區(qū)）污染物排放在主體功能區(qū)類型的分布上以重點開發(fā)區(qū)為主，在農業(yè)、城鎮(zhèn)生活和工業(yè)分布上COD排放以農業(yè)排放為主（55%），氨氮排放以城鎮(zhèn)生活排放為主（53%），如表6所示。城鎮(zhèn)生活排放應是重點關注的領域，尤其是整個西北五省（自治區(qū)）的氨氮排放情況和重點開發(fā)區(qū)的COD排放情況。

COD排放應重點關注內蒙古東北部的重點生態(tài)功能區(qū)和農產品主產區(qū)，以及黃河發(fā)展區(qū)。農產品主產區(qū)的內蒙古—內蒙古內流區(qū)單元（B0204）和生態(tài)功能區(qū)的塔里木盆地—塔里木河內流區(qū)單元（C0719）的COD容量利用率分別為189%和276%，農業(yè)排放占比達到87%和79%，是重點的減排領域。氨氮排放以黃河發(fā)展區(qū)的氨氮排放總量最高，其城鎮(zhèn)生活氨氮排放比例為58%。重點開發(fā)區(qū)的黃河—甘肅渭河單元（A0409）、黃河—青海黃河干流單元（A0411）的氨氮容量利用率分別為261%和194%，城鎮(zhèn)排放占比達到73%和80%，

是重點的減排領域。

表5 西北五省（自治區(qū)）基于水功能區(qū)水質目標的COD和氨氮容量及入河超載量

圖3 西北五省（自治區(qū)）三級控制單元的水環(huán)境COD容量利用率

圖4 西北五省（自治區(qū)）三級控制單元的水環(huán)境氨氮容量利用率

從工業(yè)產值、廢水排放和污染物排放的比例來看，金屬冶煉、采礦、石化、化工、食品、造紙行業(yè)屬于應重點關注的行業(yè)，六大行業(yè)占工業(yè)總產值的73%，占廢水排放總量的87%，占COD排放總量的92%，占氨氮排放總量的95%。工業(yè)COD排放應主要關注化工、食品和造紙行業(yè)，其排放量分別占工業(yè)COD排放總量的36%、26%和15%。工業(yè)氨氮排放應主要關注化工、石化、食品和金屬冶煉行業(yè)，其排放量分別占工業(yè)氨氮排放總量的45%、16%、13%和12%。

表6 西北五省（自治區(qū)）各主體功能區(qū)的COD和氨氮排放情況

四、總結和建議

重點開發(fā)區(qū)的地表水氨氮容量超載嚴重，城鎮(zhèn)生活的氨氮排放是主要貢獻因子，應進一步提高城鎮(zhèn)生活污水收集率和氨氮排放標準。農產品主產區(qū)和重點生態(tài)功能區(qū)也出現地表水環(huán)境容量超載的情況，京津冀地區(qū)的COD和氨氮入河量普遍超載；而在西北五省（自治區(qū)）還有19%～73%的水環(huán)境容量剩余。因此，需要進一步控制工業(yè)和城鎮(zhèn)生活排放，強化農業(yè)畜禽養(yǎng)殖污染控制等。

石化、造紙、食品、紡織、制藥、皮革六個行業(yè)為京津冀地區(qū)主要的污染排放行業(yè)。根據億元GDP的污染物排放量，紡織、皮革和造紙行業(yè)（COD為49～66 t/億元，氨氮為2.2～4.9 t/億元）應采取整個行業(yè)關閉轉移的措施；石化、食品和制藥行業(yè)（COD為10～15 t/億元，氨氮為1～2 t/億元）可以采取行業(yè)關閉轉移、行業(yè)化清潔生產改造、污水處理工藝改進等措施。

西北五省（自治區(qū)）水環(huán)境容量利用不足，在重點開發(fā)區(qū)應采取行業(yè)化清潔生產改造、污水處理工藝改進等措施，適度發(fā)展水資源利用率高的行業(yè)。在農產品主產區(qū)應重點關注農業(yè)節(jié)水工作，重點關注城鎮(zhèn)生活和畜禽養(yǎng)殖領域的減排工作。重點生態(tài)功能區(qū)應加快發(fā)展符合主體功能區(qū)規(guī)劃的經濟產業(yè)。

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Surface Water Environmental Carrying Capacity in Water-Deficient Areas: A Case Study on Jingjinji and the Five Northwestern Provinces and Autonomous Regions in China

Wen Shengfang1, Shan Baoqing1, Ma Jing2, Deng Wei2
(1. Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China;2. China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China)

This study discusses the environmental carrying capacity for surface water in different main functional zones in water-deficient areas, such as Beijing-Tianjin-Hebei (Jingjinji) and thefive northwestern provinces and autonomous regions in China. Main function was used as the basic principle to divide control units. This paper analyzes the pollution-bearing capacity of the main functional zones of the Ministry of Water Resources and analyzes pollutant discharge statistics from the Ministry of Environmental Protection. The results show that the ammonia discharge from the priority development regions of Jingjinji and Northwest China is greater than the water environmental carrying capacity, due to emissions from urban life. Pollutant discharge, including chemical oxygen demand (COD) and ammonia, into major agricultural product-producing areas and key protected ecological areas overloaded the capacity of the Jingjinji region, while 19%-73% of the water environmental carrying capacity remained in the five northwestern provinces and autonomous regions in China. Therefore, the environmental and industrial policies for different main functional zones depend on the type of functional zone and on the overloaded condition of the water environmental carrying capacity.

water-deficient areas; environmental carrying capacity; main functional zone; overload degree

X52

A

2017-06-30；

2017-07-19

溫勝芳，中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心，工程師，研究領域為水污染防治；E-mail: sfwen@rcees.ac.cn

中國工程院咨詢項目“生態(tài)文明建設若干戰(zhàn)略問題研究（二期）”(2015-ZD-16)

本刊網址：www.enginsci.cn

DOI 10.15302/J-SSCAE-2017.04.014