摘要: 为了量化工农业排污对新疆地区水资源的影响,使用国际上通用的灰水足迹模型,对新疆地区COD、总氮、总磷、氨氮及重金属等污染物的灰水足迹进行了评估。结果表明:1) 新疆地区2012年~2017年的灰水足迹分别为1621、1621、1727、1554、383和349亿m³。2) 2012年~2015年新疆地区的综合灰水足迹指数分别为1.80、1.70、2.38、1.67,属于“很高”等级,表明污染物会严重威胁到水生生态系统的健康稳定;2016年~2017年的综合灰水足迹指数分别为0.35和0.34,属于“中等”等级,表明污染物对新疆水环境的影响虽然没有超出水体的自净能力,但是其对于水生生态系统的潜在威胁不可忽视。3) 总氮是新疆水质性缺水的决定性指标;而重金属类污染物对新疆地区水环境的影响较小。因此,为了促进新疆地区经济社会与生态环境全面协调可持续发展,应当加强氮污染治理,削减进入水体的氮负荷。
Abstract:
To quantify the influence of industrial and agricultural pollution discharge on water resources in Xin-jiang region, the grey water footprint model is adopted in assessing pollutants such as COD, TN, TP, NH3-N and heavy metals. The results indicated: 1) From 2012 to 2017, the grey water footprint in Xin-jiang was 162.1, 162.1, 172.7, 155.4, 38.3 and 34.9 billion m³, respectively. 2) From 2012 to 2015, the comprehensive grey water footprint in Xinjiang was 1.80, 1.70, 2.38 and 1.67, respectively, which be-longed to the “very high” grade, indicating that the pollutants posed serious threat to health and stability of aquatic ecosystem; from 2016 to 2017, the comprehensive grey water footprint was 0.35 and 0.34, respectively, which belonged to the “medium” grade, indicating that pollutants had little influence on Xinjiang’s water environment, but its potential threat to aquatic ecosystem cannot be ignored. 3) TN was a decisive index to cause water quality-induced water shortage of Xinjiang; while heavy metals played a small role in aquatic environment. Therefore, to promote harmonious and sustainable development of economic society and ecological environment in Xinjiang, nitrogen pollution control should be strengthened and reduced the nitrogen dumped into water-body.
1. 引言
新疆维吾尔自治区深居内陆、远离海洋、气候干旱,是我国降水量最少的省份之一 [1] [2]。因此,水资源一直是制约新疆地区经济社会与生态环境全面协调可持续发展的重要因素 [3]。
早在2001年,董新光等学者便根据新疆的水资源分布特征及利用状况,提出了新疆水资源短缺的五种类型:资源性缺水、工程性缺水、设施性缺水、管理性缺水和污染性缺水 [4]。陈亚宁等人利用77个气象站近50年的水文气象资料,针对全球气候变化对塔里木河流域水资源的影响展开了研究 [5]。结果表明:厄尔尼诺一南方涛动与塔里木河流域近50年的降水、径流之间缺少有明显的联系,塔河的水资源短缺和生态系统恶化主要是由人类活动造成的 [5]。邓铭江等学者对天山北麓的水资源供需发展趋势进行了评估,并提出了相应的跨流域供水工程规划 [6]。钟强针对新疆农业灌溉水有效利用系数不足的问题,开发了灌溉渠系水资源优化配置技术 [7]。肖开提·阿不都热衣木针对新疆奎屯河流域的水资源高效利用,开发了相应的信息化管理系统 [8]。
总体来看,目前新疆的资源性缺水问题已经得到了比较系统的研究;而且随着水利工程的建设、节水设施的普及和水利信息化的发展,工程性缺水、设施性缺水、管理性缺水也得到了一定的缓解。然而值得注意的是,随着近年来农业和工矿业的快速发展,大量污染负荷被排放入河流和湖泊中,新疆的水质性缺水也愈发突出,对当地的水环境造成了极大压力,严重威胁到生态系统的健康稳定 [9]。但是现有文献中,新疆的水质性缺水问题,仍缺乏系统性的评估。
为了准确量化新疆地区的水质性缺水,本研究将基于国际上通用的灰水足迹模型,对新疆地区化学需氧量、总氮、总磷、氨氮及重金属等污染物对水环境的影响进行评估,从而为新疆的水资源管理与水环境保护提供对策与建议。
2. 灰水足迹模型
灰水足迹是由荷兰学者Hoekstra教授提出的一种水质性缺水评价方法,它是指将污染负荷稀释至容许限制以下时所需要的虚拟水体积 [10] [11]。由于灰水足迹能够从水量的角度简洁而直观地污染物对水质的影响,因此它在世界各地的水资源管理与水环境保护中均得到了广泛的应用 [10] [11]。
设第i种污染物的排放负荷为xi (t),容许值为ci (mg/L),本底值为bi (mg/L),则污染物的灰水足迹Gi (亿m³)为 [10] [11]:
(1)
由于水体对不同污染物的稀释过程是独立的,因此区域综合灰水足迹G采用各污染物灰水足迹的最大值计算 [10] [11]。
(2)
Hoekstra将第i种污染物的灰水足迹与区域水资源总量W (亿m³)的比值被定义为灰水足迹指数Pi [10] [11]:
(3)
相应的,区域综合灰水足迹指数P的计算方法为:
(4)
早期研究中,通常以Pi > 1作为污染负荷超标的判断条件。近年来,Yan等学者基于复杂环境过程和不确定性分析,进一步提出了更详细的评价标准(如表1所示) [12] [13]。

Table 1. Grey water footprint index evaluation standard
表1. 灰水足迹指数评价标准
3. 评价结果
本研究的数据引自国家统计局发布的统计年鉴 [14],新疆地区2012年~2017年的主要污染物的排放负荷如表2所示。(注:由于2018年之后的排污负荷尚未公布,因此2018年~2020年的灰水足迹暂不纳入评价。)

Table 2. Main pollutant load in the Xinjiang region
表2. 新疆的主要污染物负荷
如表2所示,这8种污染物年排放负荷的变化趋势可以分为如下3类。
1) 持续下降型:COD、氨氮和六价铬等3种污染物的排放负荷在整个评价时段内(2012年~2017年)均呈现持续下降趋势。相比于2012年,COD、氨氮和六价铬2017年的排放负荷分别削减了71%、52%、99%。

Figure 1. Grey water footprint of main pollutants in the Xinjiang region
图1. 新疆地区主要污染物的灰水足迹
2) 先上升后下降型:总氮、总磷等2种污染物的排放负荷在2014年之前呈上升趋势,2014年之后呈下降趋势。相比于2014年,总氮、总磷2017年的排放负荷分别削减了80%、83%。
3) 先下降后上升型:铅、镉、砷等3种重金属污染物的排放负荷在2015年之前呈下降趋势,但在2015年之后呈上升趋势。相比于2014年,铅、镉、砷2017年的排放负荷分别增加了123%、25%和40%。
根据曾昭、刘俊国等学者的研究,在我国的灰水足迹评价中,与人为排放的污染负荷相比天然水体中的本底值几乎可以忽略不计,而且评价标准可以近似取地表水环境质量标准中的III类水限值 [15]。根据式(1)与式(2),计算新疆地区主要污染物的灰水足迹和综合灰水足迹分别如图1和图2所示。

Figure 2. Comprehensive grey water footprint in the Xinjiang region
图2. 新疆地区的综合灰水足迹
如图1和图2所示,新疆地区2012年~2017年的灰水足迹分别为1621亿m³、1621亿m³、1727亿m³、1554亿m³、383亿m³、349亿m³;且各年度的决定性污染物(即灰水足迹最大的指标)均为总氮。
除总氮外,COD、氨氮、总磷的灰水足迹也均达到了百亿m³级。其中总磷的灰水足迹年均值为469亿m³,约相当于总氮的38%;氨氮的灰水足迹年均值为388亿m³,约相当于总氮的32%;COD的灰水足迹年均值为259亿m³,约相当于总氮的21%。
与耗氧污染物和营养盐类污染物相比,重金属类污染物的灰水足迹极低。如图2所示,铅、镉、六价铬、砷的灰水足迹年均值分别为0.06亿m³、0.13亿m³、0.16亿m³、0.18亿m³,不足总氮的0.1%,几乎处于可忽略的水平。
根据图1和图2中的灰水足迹和水资源总量,结合式(3)~式(4),计算新疆地区的灰水足迹指数如图3和图4所示。
如图3和图4所示,新疆地区的综合灰水足迹指数由总氮决定。其中2012年~2015年的综合灰水足迹指数均高于1.2,属于“很高”等级,表明以总氮为主的污染物会严重威胁到水生生态系统的健康稳定;2016年~2017年的综合灰水足迹指数分别为0.35和0.34,属于“中等”等级,表明污染物对新疆水环境的影响虽然没有超出水体的自净能力,但是其对于水生生态系统的潜在威胁不可忽视。
除总氮外,2012年~2015年,COD、氨氮、总磷的灰水足迹指数超过了0.2,属于“中等”等级;其中总磷2014年的灰水足迹指数甚至可以达到0.99,属于“高”等级。但是总体来看,2015年之后,COD、氨氮、总磷的灰水足迹指数均有显著下降,其中COD和总磷的灰水足迹指数甚至均小于0.2,属于“低”等级。
与耗氧污染物和营养盐类污染物相比,重金属类污染物的灰水足迹指数极低。如图3所示,铅、镉、六价铬、砷的灰水足迹指数均不足0.1,属于“低”等级。这表明重金属对新疆地区对水环境的影响远远低于水体的自净能力,对水生生态系统的危害可以忽略不计。

Figure 3. Grey water footprint index of main pollutants in the Xinjiang region
图3. 新疆地区主要污染物的灰水足迹指数

Figure 4. Comprehensive grey water footprint index in the Xinjiang region
图4. 新疆地区的综合灰水足迹指数
值得注意的是,结合图2和图4可见,2016年的灰水足迹和灰水足迹指数相比于2015年均有明显的突变。其中灰水足迹由1554亿m³下降至383亿m³,降低了75%;灰水足迹指数由1.67下降至0.35,降低了一个等级。结合表1可知,这是由于污染物排放负荷的削减所致。我国污染负荷的削减往往与政府的水资源管理和生态环境保护政策密切相关。2015年4月,国务院颁布了《水污染防治行动计划》(“水十条”) [16],其中明确提出要从“狠抓工业污染防治强化城镇生活污染治理,推进农业农村污染防治等方面全面控制污染物排放”,“2016年底前,全部取缔不符合国家产业政策的小型造纸、制革、印染、染料、炼焦、炼硫、炼砷、炼油、电镀、农药等严重污染水环境的生产项目。”因此,由表1可见,在新疆的四种主要污染物中,相比于2015年,2016年的COD排放负荷由66.03万吨削减至23.54万吨,降低了64%;氨氮排放负荷由4.56万吨削减至2.5万吨,降低了45%;总氮排放负荷由15.54万吨削减至3.83万吨,降低了75%;总磷排放负荷由1.3万吨削减至0.25万吨,降低了81%。相应的,相比于2015年,2016年的灰水足迹和灰水足迹指数也有大幅下降。
4. 结论
新疆地区2012年~2017年的灰水足迹分别为1621亿m³、1621亿m³、1727亿m³、1554亿m³、383亿m³、349亿m³。其中2012年~2015年的综合灰水足迹指数分别为1.80、1.70、2.38、1.67,属于“很高”等级,表明污染物会严重威胁到水生生态系统的健康稳定;2016年~2017年的综合灰水足迹指数分别为0.35和0.34,属于“中等”等级,表明污染物对新疆水环境的影响虽然没有超出水体的自净能力,但是其对于水生生态系统的潜在威胁不可忽视。
总氮是新疆水质性缺水的决定性指标;而重金属类污染物对新疆地区对水环境的影响远远低于水体的自净能力,对水生生态系统的危害可以忽略不计。因此,为了促进新疆地区经济社会与生态环境全面协调可持续发展,应当加强氮污染治理,削减进入水体的氮负荷。
基金项目
美丽中国生态文明建设科技工程专项资助(XDA23040103);湖南省水利科技项目资助(XSKJ2019081-30)。