国家重点生态功能区县域地表水环境质量评估分析

翟德超，高锡章，刘海江，许 杰，李 飞，孙 聪

1.中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室，北京 100101 2.中国科学院大学，北京 100049 3.江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心，江苏 南京 210023 4.中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012 5.青海省生态环境厅信息中心，青海 西宁 810000 6.国家环境保护青藏高原生态环境监测与评估重点实验室，青海 西宁 810000

2010年，国务院发布了《全国主体功能区规划》，确定了25个国家重点生态功能区，旨在保护、恢复和提高相关区域的水源涵养、水土保持、防风固沙和生物多样性维护等重要生态功能，确保国家生态安全[1]。鉴于国家重点生态功能区内的经济开发活动受到一定程度的限制，财政部印发了《国家重点生态功能区转移支付办法》[2]，明确中央财政以一般性转移支付的方式对国家重点生态功能区所属县级政府进行生态补偿。截止到2020年，国家已累计下达转移支付资金6 000多亿元。因此，评估国家重点生态功能区县域生态环境保护成效，对国家生态环境保护与修复决策具有重要意义[3-5]。

水环境质量是体现国家重点功能区生态环境保护与修复效果的重要表征性指标，也是评估生态环境质量的重要指示性指标。我国现有水环境质量研究工作主要集中在流域和区域尺度。在流域尺度，李丽娟[6]研究了澜沧江的水质状况并进行了成因分析，陈润羊等[7]分析了长江流域水质的时空变化规律，汪杰[8]研究了辽河流域水环境质量变化趋势。此外，诸多学者对小流域尺度的水环境状况也进行了研究分析[9-14]。在区域尺度，陈振楼等[15]考察了长江三角洲地表水环境的污染状况，毕业亮等[16]对深圳市河流水污染情况进行了评价。而对于国家重点生态功能区，自2010年国务院发布《全国主体功能区规划》以来，现有生态环境质量评价工作多集中于陆表植被长势[17-21]、土地覆盖变化[22-29]等，缺乏较为系统的地表水环境质量评价分析。因此，本文以国家重点生态功能区县域为研究对象，基于2012—2020年地表水监测数据，对国家重点生态功能区水环境状况及其变化趋势进行了评价分析，旨在为国家重点生态功能区管理决策提供科学依据。

1.1 研究区域与数据来源

本文的研究范围包含了截至2020年已纳入国家重点生态功能区的县域，共810个，按功能类型分为防风固沙、水土保持、水源涵养和生物多样性维护4类[5]，分布于29个省份及新疆生产建设兵团，总面积约为484万km2，占我国陆域国土面积的一半以上。

地表水质量数据基于2012—2020年国家重点生态功能区县域各类地表水断面监测结果，监测项目为《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)[30]表1中的24项指标，且所有县域均按照统一的监测频次开展监测[5]。其余数据包括2012—2018年国家重点生态功能区县域化学需氧量排放数据，以及2012—2017年国家重点生态功能区县域化肥施用量数据，上述数据来源于国家重点生态功能区县域环境质量评价项目组。此外，2012—2019年各地年平均气温、年降水量数据[31-32]来源于国家地球系统科学数据中心(https://gre.geodata.cn/)。

1.2 研究方法

地表水水质评价参照原环境保护部《地表水环境质量评价办法(试行)》[33]中的河流、流域(水系)水质评价方法。水质评价指标为《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)表1中除水温、总氮、粪大肠杆菌群以外的21项指标，以每年至少8次监测数据的算术平均值进行评价。断面水质类别评价采用单因子评价法；
流域水质状况评价采用断面水质类别比例法，即根据流域中各水质类别的断面数占断面总数的百分比来评价其水质状况。

地表水水质影响因素使用地理探测器模型进行分析。该方法可探测地理现象的空间分异性，并揭示其背后的驱动因子[34-35]。与传统的回归分析模型不同，地理探测器对数据的正态性没有要求，也不受多自变量间的共线性影响[34]。其计算公式如下：

(1)

大量研究表明，地表水污染除了与当地的工业和生活污水排放情况[36-39]密切相关外，同样受到气候变化的影响[40-42]。气温升高会提升生物化学反应的效率[40]；
降水变化直接影响着河水的径流量，从而影响到污染物的迁移速度和浓度[41]。本研究结合国家重点生态功能区县域水质状况，利用地理探测器模型分析了化学需氧量和高锰酸盐指数两个超标较为严重的水质监测指标与县域年化学需氧量排放量、年降水量、年平均气温的关系。

2.1 国家重点生态功能区县域地表水环境质量总体情况

监测数据显示，国家重点生态功能区县域地表水水质总体良好，部分地区相对较差。2020年开展监测的1 746个水质断面中，Ⅰ～Ⅲ类水质断面占比为93.47%，高于全国平均水平(83.40%[43])约10个百分点。在Ⅰ～Ⅲ类水质类别中，Ⅱ类水质断面所占比例最高，达到了66.04%；
其次为Ⅲ类水质断面的16.15%；
Ⅰ类水质断面为11.28%。2020年，西北、西南、华中、华南和华东地区只有少数地表水监测断面水质超标，地表水水质较差的断面主要集中在内蒙古北部、陕西北部、山西西部及京津冀地区。

2012—2020年，国家重点生态功能区县域地表水Ⅰ～Ⅲ类水质断面占比平均为90.86%。在此期间，国家重点生态功能区县域地表水水质呈改善趋势(图1)，Ⅰ～Ⅲ类水质断面占比从2012年的89.14%升高到2020年的93.47%。其中：Ⅰ类水质断面占比逐年升高，从2012年的5.59%升高到2020年的11.28%；
Ⅱ类水质断面占比波动升高，从2012年的57.20%升高到2020年的66.04%；
Ⅲ类水质断面占比降低明显，从2012年的36.34%降低到2020年的16.15%。

图1 国家重点生态功能区县域Ⅰ～Ⅲ类水质断面占比变化趋势Fig.1 The change trend of the proportionof Ⅰ-Ⅲ classes surface water sitesin counties of national key ecologicalfunction areas(NKEFA)

2012—2020年，国家重点生态功能区县域地表水超标水质以Ⅳ类为主，其断面所占比例平均为5.20%，Ⅴ类、劣Ⅴ类水质断面所占比例平均为1.43%、3.11%。化学需氧量、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮、总磷为主要超标项，其超标断面占总超标断面的比例的多年平均值分别为24.22%、17.29%、11.96%、11.19%、10.70%。

2.2 4类生态功能区地表水环境质量状况

2020年，水源涵养、水土保持、防风固沙、生物多样性维护4类生态功能区Ⅰ～Ⅲ类水质断面占比分别为93.84%、92.97%、81.82%、95.82%，其中水源涵养区、水土保持区、生物多样性维护区Ⅰ～Ⅲ类水质断面占比分别比2020年全国平均水平(83.40%[43])高出10.44、9.57、12.42个百分点，但防风固沙区低于全国平均水平1.58个百分点。2012—2020年，4类生态功能区Ⅰ～Ⅲ类水质断面占比的平均值分别为91.79%、83.67%、77.64%、95.84%(表1)。与2012年相比，2020年水土保持区、防风固沙区和生物多样性维护区地表水水质均有不同程度的改善，Ⅰ～Ⅲ类水质断面占比分别上升了15.25、6.14、2.29个百分点；
水源涵养区地表水Ⅰ～Ⅲ类水质断面占比基本保持稳定(图2)。

表1 4类生态功能区水质状况及主要超标项Table 1 Water quality and the main over-standard items in the four ecological functional areas %

4类生态功能区的主要超标污染物存在差异。2012—2020年，水源涵养、防风固沙、生物多样性维护功能区的主要超标项均为化学需氧量和高锰酸盐指数，其中，3类生态功能区2020年化学需氧量和高锰酸盐指数超标断面占生态功能区总超标断面的比例分别为65.12%、58.33%、53.33%(表1)；
而水土保持功能区2020年主要超标项为化学需氧量和五日生化需氧量，二者超标断面占生态功能区总超标断面的比例为53.57%(表1)。

2.3 地表水质量影响因素分析

基于地理探测器模型，分析了地表水化学需氧量和高锰酸盐指数与县域化学需氧量排放量、降水量、气温的关系。结果表明，两个超标项的驱动因子类似(图3)。县域年化学需氧量排放量的q值均为最高，对地表水化学需氧量和高锰酸盐指数的解释力分别为0.464(P<0.001)和0.413(P<0.001)；
年降水量次之，解释力分别为0.248(P<0.001)和0.273(P<0.001)；
年平均气温的影响并不显著，q值分别为0.105(P=0.137)和0.136(P=0.071)。可见，国家重点生态功能区县域年化学需氧量排放量和年降水量对其地表水化学需氧量和高锰酸盐指数有显著影响，且县域年化学需氧量排放量的影响更为突出。

注：“***”表示P<0.001。图3 地表水主要超标污染物与县域化学需氧量排放量及气候因子的地理探测器统计结果Fig.3 The results of geographicaldetectors for the main pollutants withchemical oxygen demand emissionsand climatic factors

针对陕西北部、山西西部和京津冀地区等地表水水质超标断面较为集中的区域，选取该地区2020年超标地表水监测断面，将其地表水化学需氧量和高锰酸盐指数分别与断面所在县域的年化学需氧量排放量、年降水量进行回归分析。结果表明，地表水化学需氧量、高锰酸盐指数与县域年化学需氧量排放量的决定系数(R2)分别达到了0.159(P<0.001)和0.140(P<0.001)，通过显著性检验；
而县域年降水量对地表水化学需氧量和高锰酸盐指数的解释力相对较低，R2分别为0.007(P=0.281)和0.009(P=0.217)，未通过显著性检验(图4)。可见，上述3个区域的地表水水质在一定程度上受到当地化学需氧量排放量的影响。该结果与王昕鸽[36]、邓娟[37]及梁增强[38]的研究结论类似，即工业、生活废水是造成山西、陕西及京津冀地区水质污染的重要原因。不过，近几年该区域水污染程度已明显减轻[37]。

图4 陕西北部、山西西部和京津冀地区县域地表水超标断面主要超标污染物与县域年化学需氧量排放量及年降水量的回归分析Fig.4 Regression analysis of the main pollutants with annual chemical oxygen demandemissions and annual precipitation for excessive sites in northernShaanxi,western Shanxi and Beijing-Tianjin-Hebei region

考虑到内蒙古北部超标断面较为集中但人类活动强度较低的情况，同样选取了该区域2020年未达标的地表水监测断面，将其化学需氧量和高锰酸盐指数与断面所在县域的年化学需氧量排放量及年降水量进行回归分析。结果表明，地表水化学需氧量和高锰酸盐指数与县域化学需氧量排放量的R2分别为0.023(P=0.152)和0.020(P=0.177)，均未通过显著性检验；
而地表水化学需氧量和高锰酸盐指数与县域年降水量的R2分别达到了0.113(P=0.001)和0.082(P=0.006)，均通过了显著性检验。可见，县域年降水量对地表水化学需氧量和高锰酸盐指数的解释力明显高于县域年化学需氧量排放量(图5)。内蒙古北部地区属于干旱半干旱气候，降水较少，地表径流量较小，水体稀释能力和自净能力较弱，因此，该地区地表水水质与当地气候条件密切相关。

图5 内蒙古北部地区县域地表水超标断面主要超标污染物与县域年化学需氧量排放量及年降水量的回归分析Fig.5 Regression analysis of the main pollutants with annual chemical oxygendemand emissions and annual precipitation for excessivesites in northern Inner Mongolia

2.4 总氮超标情况分析

2012—2020年国家重点生态功能区县域地表水水质监测结果显示，化学需氧量、高锰酸盐指数等主要超标项的超标断面数量占总断面数的比例大多处于降低或波动状态，只有总氮的超标断面数量占总断面数的比例显著增加，从2012年的19.03%增加到2020年的34.08%。这可能是因为自《全国主体功能区规划》发布以来，相关区域内大规模、高强度的城镇化和工业化开发活动得到了限制，但重点生态功能区内农业化肥尤其是氮肥的大量施用使得河流中的总氮含量急速增加。由图6可知，2012—2017年，国家重点生态功能区县域的年平均化肥施用量呈逐年上升趋势，从2.70万t上升到3.16万t。

图6 2012—2017年国家重点生态功能区县域平均化肥施用量及总氮超标断面占比变化趋势Fig.6 Variation trend of the average chemicalfertilizer application and the ratio of over-standard sites of total nitrogen in counties ofNKEFA from 2012 to 2017

选择2017年国家重点生态功能区地表水断面的总氮浓度与断面所在县域的化肥施用量进行回归分析，结果显示，化肥施用量和总氮浓度的R2为0.111(P<0.001)，表明化肥施用量与总氮浓度存在较为密切的关系(图7)。虽然《地表水环境质量评价方法(试行)》规定的地表水水质评价指标中未包含总氮，《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)[30]中也未涉及河流总氮限值，但考虑到国家重点生态功能区县域作为国家生态屏障的特殊性，建议将总氮纳入国家重点生态功能区县域地表水水质评价指标体系。

图7 2017年国家重点生态功能区县域化肥施用量与地表水监测断面总氮浓度的回归分析Fig.7 Regression analysis of chemicalfertilizer application and total nitrogenin surface water monitoring sitesin counties of NKEFA in 2017

1)2012—2020年，国家重点生态功能区县域地表水水质总体良好且持续改善，部分地区相对较差。在此期间，Ⅰ～Ⅲ类水质断面的平均比例为90.86%，并表现出明显的上升趋势，从2012年的89.14%上升到2020年的93.47%。在空间分布上，地表水水质较差的断面主要集中在内蒙古北部、陕西北部、山西西部和京津冀地区。

2)4类生态功能区的地表水水质存在较明显的差异，其中，生物多样性维护区的地表水水质最好，其次为水源涵养区，再次为水土保持区，防风固沙区最差。2012—2020年，水源涵养区地表水水质基本保持稳定，其余3类生态功能区均有不同程度的改善。

3)国家重点生态功能区县域地表水主要超标项为化学需氧量、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮和总磷，其中，化学需氧量和高锰酸盐指数超标断面占总超标断面的比例的多年平均值分别达到了24.22%和17.29%。

4)国家重点生态功能区县域地表水水质状况主要受县域年化学需氧量排放量的影响，气候条件中的年降水量也是重要影响因素之一。在地表水超标断面较为集中的陕西北部、山西西部和京津冀地区，地表水水质可能主要与县域年化学需氧量排放量有关；
在内蒙古东部，可能主要受降水因素的影响。未来，在国家重点生态功能区县域生态环境质量评价工作中，需要充分考虑自然因素对水质变化的影响，以确保评价结果科学公正。

5)考虑到国家重点生态功能区县域作为国家生态屏障的特殊性，建议将总氮纳入国家重点生态功能区县域地表水水质评价指标体系。