深圳灣水質時空分布特征及污染源解析

梁志宏，陳秀洪，羅 歡，吳 瓊，李木桂

(珠江水利委員會珠江水利科學研究院，廣東 廣州 510635)

海灣作為陸海相互作用的過渡地帶，是強烈人為干擾作用的承受區域[1-2]。一方面，隨著經濟高速發展，海灣水環境問題日益突出，嚴重威脅灣區經濟發展、濱海景觀帶效果和海洋生態環境，受到越來越多學者的關注。宋南奇等[3]指出2000年以后，渤海赤潮發生頻率明顯增加，赤潮的分布范圍更加廣泛；李俊龍等[4]發現長江口、杭州灣、珠江口、欽州灣、膠州灣、溫州灣、福清灣、海河口、遼河口和泉州灣等多個河口海灣均存在不同程度的富營養化現象；Hayn等[2]研究發現從20世紀90年代中后期開始，布扎茲海灣氮負荷增加3倍以上；Glibert等[5]研究發現從1991年開始，佛羅里達海灣中部和西部區域出現水華現象。另一方面，海灣污染途徑復雜多樣，其水質同時受到陸源污染和海洋外來污染的影響，生態系統較為脆弱[6]。國內外學者嘗試多種方法[7-8]對海灣主要污染源進行解析，楊斌等[9]應用Pearson相關分析法，指出陸源輸入的營養鹽及貝類養殖是欽州灣水質變化的主要驅動因子；李飛等[10]通過空間聚類分析和因子分析方法，發現海州灣主要污染源為陸域污染；Norozcoborbo等[11]采用多種數學統計分析方法，指出徑流污染和污水處理廠尾水對墨西哥恩森納達海灣水環境影響突出；Zhou等[12]利用聚類分析、判別分析和旋轉主成分分析等方法，發現徑流污染等因素對香港東部沿海水環境沖擊較大。

深圳灣毗鄰港澳，背靠珠三角，地處亞太主航道，具有發展灣區經濟的領導優勢和經濟基礎。近年來，深圳灣周邊先后建造了國家級紅樹林保護區、海濱生態公園、濱海大道等工程，成為深圳市的重要景觀帶，又是我國城市中心區唯一紅樹林生態濕地所在地。深圳灣地區突出的水環境問題與其高標準定位格格不入，現狀水質難以滿足海洋功能區劃要求(海水Ⅲ類標準)，對深圳市和香港兩地的經濟發展與生態環境優化等影響重大。隨著河長制、水生態文明建設等國家政策的提出，深圳市已開展旱季污水收集、尾水提標改造等多項水環境治理措施[13]，流域水環境形勢發生較大改變。基于此，面對深圳灣水質問題突出的嚴峻現實，立足于深圳水環境治理逐見成效的新背景，本文廣泛收集深圳灣、珠江口、深圳灣流域水質凈化廠尾水、面源與截排溢流污染等最新水質數據，系統分析深圳灣水質時空分布特征，解析入灣污染途徑及主要污染源，以期為深圳灣下一步水環境治理工作提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

深圳灣是珠江河口伶仃洋東部的半封閉河口灣，處于深圳和香港兩地的分界線上，位置為 113°53′E～114°03′E，22°24′N～22°32′N(圖1)。深圳灣縱深約14 km，平均寬度7.5 km，平均水深僅為 2.9 m，灣內水域面積92.17 km2，以東角頭至對岸白泥為界分為內灣和外灣。深圳灣深圳側集水區面積367.97 m2。流域內河流眾多，其中后海河、大沙河、小沙河、鳳塘河、新洲河和深圳河直接流入深圳灣。

圖1 深圳灣地理位置與監測點位分布

1.2 數據與方法

1.2.1數據來源

深圳灣逐季度水質數據由深圳市規劃和自然資源局提供，水質指標包括溶解氧(DO)、化學需氧量(COD)、無機氮(TIN)、活性磷酸鹽(TIP)、氨氮(NH3-N)和總磷(TP)。利用2017年3月、2017年10月、2018年3月水質數據的平均值表征深圳灣旱季水質特征，2017年5月、2017年8月、2018年6月、2018年9月水質數據的平均值表征深圳灣雨季水質特征。深圳灣流域水質凈化廠尾水水質數據來自2018年《深圳市水質凈化廠進出水數據每日一報》。面源與截排溢流污染數據來自2018年8月27—28日暴雨期間深灣一路溢流井和大沙河截排箱涵溢流水體連續監測樣本，所有樣本的采集及檢測分析嚴格按照GB 3838—2002《地表水環境質量標準》中相應的方法。深圳灣流域雨季(4—9月)逐小時降水數據來自長江水利委員會水文局的《深圳河定期連續水文測驗及分析任務》，氣象站點位于深圳河河口。

1.2.2評價標準

根據《深圳市海洋功能區劃》，深圳灣屬于三類環境功能區(一般工業用水區、濱海風景旅游區)，水質要求達到海水Ⅲ類標準。根據《深圳市地表水環境功能區劃》，深圳灣流域范圍內入灣河流屬于一般景觀用水區，水質要求達到地表水V類標準。因此，本研究采用我國現行的GB 3097—1997《海水水質標準》中海水Ⅲ類標準和GB 3838—2002《地表水環境質量標準》中地表水V類標準分別作為深圳灣和陸源入灣水體水質是否達標的評價標準。

1.2.3研究方法

a. 采用單因子污染指數法[14]對深圳灣水質進行評價，計算公式為

(1)

式中：Si為單因子污染指數，當Si>1，表明該水質指標超過了規定的水質標準限值，Si越大表明相應指標超標越嚴重；ρi為某一水質指標質量濃度的實測值；ρS0為某一水質指標質量濃度的標準值，根據《深圳市海洋功能區劃》，深圳灣執行海水Ⅲ類標準，則ρS0(DO)=4 mg/L，ρS0(COD)=4 mg/L，ρS0(DIN)=0.4 mg/L，ρS0(DIP)=0.03 mg/L。

b. 采用營養狀態質量指數法[15]對深圳灣富營養化水平進行評價，計算公式為

(2)

式中：INQ為營養狀態質量指數；ρS1為某一水質指標營養狀態水平標準值，根據《深圳市海洋功能區劃》，深圳灣執行海水Ⅲ類標準，參考文獻[17]，則ρS1(DIN)=0.6 mg/L，ρS1(DIP)=0.045 mg/L，ρS1(COD)=4 mg/L，ρS1(Chl-a)=5 mg/L。INQ>3為富營養化水平，INQ<2為貧營養化水平，2≤INQ≤3為中營養化水平。

c. 采用有機污染指數法[16]對深圳灣有機污染程度進行評價，計算公式為

(3)

式中A為有機污染指數，A>4為重污染，3

2 結果與分析

2.1 深圳灣水質時空分布特征

表1 深圳灣各水質指標污染指數時空分布

2.1.1水質指標時空分布特征

深圳灣雨季和旱季各項水質指標污染指數時空分布見表1。由表1可見，各個監測點位DIN和DIP的污染指數無論在旱季還是雨季均超過1，不滿足海水Ⅲ類標準；對于DO和COD，除靠近深圳河河口的監測點位GD082外，其余監測點位的污染指數均低于1，達到海水Ⅲ類標準。結合深圳市海洋局和香港環境保護署歷年公布的《深圳市海洋環境狀況公報》和《香港海水水質》，2010年以來，深圳、香港雙方圍繞深圳灣開展了多項水環境治理措施，深圳灣水質逐步得到改善，但現狀水質仍達不到海水Ⅲ類的水質目標，關鍵污染因子為DIN和DIP，表現為氮磷營養鹽超標。

由表1可見，在時間尺度上，雨季各項水質指標的污染指數均高于旱季；以監測點位ZQ019為例，雨季DO、COD、DIN和DIP污染指數分別為0.9、1.0、6.6和7.4，相當于旱季的1.1～2.6倍。在空間尺度上，無論旱季或雨季，水體質量呈現從外灣向內灣降低的趨勢。以雨季DIN為例，內灣監測點位GD082和ZQ019的污染指數分別為10.7和7.4，遠高于外灣監測點位GD084和GD085對應的污染指數(3.7和3.9)。

2.1.2水體營養狀況時空分布特征

雨季和旱季深圳灣營養狀態質量指數時空分布見圖2。由圖2可見，無論旱季或雨季，深圳灣整體營養狀態質量指數均超過3，水體呈現富營養化狀態。在時間尺度上，雨季深圳灣營養狀態質量指數普遍高于旱季；雨季營養狀態質量指數范圍為 5.6～15，相當于旱季的1.1～1.6倍。在空間尺度上，無論旱季或雨季，水體富營養化程度均呈現從外灣向內灣加重的趨勢。以雨季為例，靠近深圳河河口的內灣區域營養狀態質量指數達到15，相當于深圳灣灣口區域的2.7倍。

2.1.3水體有機污染時空分布特征

雨季和旱季深圳灣有機污染指數時空分布見圖3。在時間尺度上，雨季深圳灣有機污染指數普遍高于旱季，相當于旱季的1.1～7.4倍；雨季有機污染指數基本高于4，水體呈現有機重污染狀態；旱季內灣有機污染指數普遍高于4，水體呈現有機重污染狀態，外灣有機污染指數普遍低于2，水體呈現較清潔狀態。在空間尺度上，無論旱季或雨季，水體有機污染程度呈現從外灣向內灣加重的趨勢；以雨季為例，靠近深圳河河口的內灣區域有機污染指數超過14，相當于深圳灣灣口區域的2.7倍。

(a) 雨季

(b) 旱季

(a) 雨季

(b) 旱季

2.2 深圳灣污染源解析

2.2.1入灣污染源調查

深圳灣污染物入灣途徑及水質凈化廠分布概況見圖4。由圖4可見，深圳灣污染源主要包括珠江口外來污染、水質凈化廠尾水、面源與截排溢流污染，通過入灣河口、入灣污水排放口和入灣雨水排放口3個途徑進入深圳灣。入灣河口共計6個，分別為后海河河口、大沙河河口、小沙河河口、鳳塘河河口、新洲河河口和深圳河河口。流域內水質凈化廠共計7個，分別為蛇口水質凈化廠、福田水質凈化廠、埔地嚇水質凈化廠、布吉水質凈化廠、羅芳水質凈化廠、濱河水質凈化廠和西麗水質凈化廠。蛇口水質凈化廠尾水直接排放至珠江口，福田水質凈化廠尾水直接進入深圳灣，其余5個水質凈化廠尾水均通過入灣河口最終進入深圳灣。入灣污水排放口為尾水直接入灣的福田水質凈化廠尾水排放口。結合城市排水管網分布圖和實地調研情況，深圳灣沿岸現狀入灣雨水排放口共計34個，灣口至后海河河口沿岸一帶共計11個，后海河河口至深圳河河口共計23個。對比旱季，雨季深圳灣污染來源增加了面源與截排溢流污染，污染物入灣途徑增加了入灣雨水排放口。

圖4 深圳灣污染物入灣途徑及水質凈化廠分布

2.2.2主要污染源解析

基于以上研究，深圳灣水質問題主要為氮磷營養鹽超標?？紤]到GB 3097—1997《海水水質標準》以DIN和DIP約束氮磷營養鹽，GB 3838—2002《地表水環境質量標準》以NH3-N和TP約束氮磷營養鹽，而目前學術界關于NH3-N與DIN、TP與DIP之間的轉換關系尚不明確，本研究從DIN、DIP、NH3-N和TP的角度分別探討珠江口外來污染、流域陸源污染(水質凈化廠尾水、面源與截排溢流污染)對深圳灣的影響。根據深圳市規劃和自然資源局提供的2017—2018年深圳灣逐季度水質數據，深圳灣DIN和DIP旱季全域平均質量濃度分別為1.1 mg/L和0.076 mg/L，雨季全域平均質量濃度分別為 2.5 mg/L 和0.152 mg/L；NH3-N和TP旱季全域平均質量濃度最小值分別為0.25 mg/L和0.15 mg/L，雨季全域平均質量濃度最大值分別為1.27 mg/L和0.34 mg/L。

a. 珠江口水質。珠江口旱季和雨季DIN平均質量濃度分別為0.7 mg/L和1.5 mg/L，低于深圳灣旱季和雨季全域平均質量濃度(1.1 mg/L和 2.5 mg/L)。珠江口旱季和雨季DIP平均質量濃度分別為0.077 mg/L和0.123 mg/L，基本低于深圳灣旱季和雨季全域平均質量濃度(0.076 mg/L和0.152 mg/L)。可見，珠江口DIN和DIP的質量濃度總體上較深圳灣現狀水質的質量濃度偏低。

b. 水質凈化廠尾水。深圳灣流域內水質凈化廠尾水氮磷營養鹽濃度見表2。2018年西麗、福田、布吉一期、布吉二期、埔地嚇一期、埔地嚇二期、羅芳和濱河水質凈化廠尾水中NH3-N和TP的質量濃度均分別低于0.8 mg/L和0.3 mg/L，達到地表水V類標準(2 mg/L和0.4 mg/L)?？梢?，經過尾水提標改造工程，水質凈化廠尾水現狀處理能力已達到較高水平，NH3-N和TP的質量濃度均在深圳灣現狀水質波動范圍內(0.25～1.27 mg/L和0.15～0.34 mg/L)。

表2 深圳灣流域內水質凈化廠尾水營養鹽質量濃度

c. 面源與截排溢流污染。深圳灣面源與截排溢流污染氮磷營養鹽質量濃度見圖5。深灣一路混流井和大沙河截排箱涵各個時段NH3-N的質量濃度均劣于地表水V類標準(2 mg/L)，最大質量濃度分別為地表水V類標準的8.97倍和9.51倍。深灣一路混流井和大沙河截排箱涵各個時段TP的質量濃度均劣于地表水V類標準(0.4 mg/L)，最大質量濃度分別為地表水V類標準的5.05倍和4.55倍。

由圖5可見，與深圳灣現狀水質相比，深灣一路混流井和大沙河截排箱涵各個時段NH3-N均劣于深圳灣全域平均質量濃度最大值(1.27 mg/L)，最大質量濃度分別可達深圳灣全域平均質量濃度最大值的14.1倍和14.9倍。深灣一路混流井和大沙河截排箱涵各個時段TP基本劣于深圳灣全域平均質量濃度最大值(0.34 mg/L)，最大質量濃度分別為深圳灣全域平均質量濃度最大值的6.4倍和5.4倍。

(a) NH3-N

(b) TP

對比珠江口水體、水質凈化廠尾水、面源與截排溢流水體等污染物濃度與深圳灣現狀水質，可見，采取旱季污水收集、水質凈化廠尾水提標改造等水環境治理措施后，面源與截排溢流污染對深圳灣水質的脅迫程度突出。為進一步研究面源與截排溢流污染對深圳灣水質的影響，基于深圳河河口2016年雨季逐小時降水數據，利用SWMM(storm water management model)對深圳側面源與截排溢流污染負荷進行估算。SWMM模型作為動態降水-徑流模擬模型，被廣泛應用于城市地區面源與截排溢流污染模擬[17]。模擬結果表明，深圳灣流域 NH3-N 的面源與截排溢流總負荷分別為62.7 t和256.1 t，TP的面源與截排溢流總負荷分別為13.5 t和27.7 t?？梢?，雨季深圳灣流域面源與截排溢流入灣氮磷營養鹽負荷分別達到了76.2 t和283.8 t。由于面源與截排溢流污染排放在時間上具有雨天集中排放的特點[18]，將對深圳灣水環境造成嚴重沖擊。鄭明鳳等[19]指出面源與截排溢流污染將加劇深圳灣富營養化程度，甚至存在潛在赤潮風險。此外，鑒于深圳灣整個海域雨季和旱季氮磷營養鹽已嚴重超標，從環境容量的角度來看，已無剩余容量而言[20]，有必要對面源與截排溢流污染采取嚴格的削減措施。

3 結 論

a. 深圳灣現狀達不到海水Ⅲ類的水質目標，關鍵污染因子為DIN和DIP。水質時空分布規律明顯，時間尺度上，雨季水質普遍劣于旱季，雨季營養狀態指數和有機污染指數分別相當于旱季的1.1～1.6倍和1.1～7.4倍；空間尺度上，水體富營養化和有機污染程度呈現從外灣向內灣逐漸加重的趨勢。

b. 深圳灣污染物入灣途徑包括6個入灣河口(后海河河口、大沙河河口、小沙河河口、鳳塘河河口、新洲河河口、深圳河河口)、1個入灣污水排放口(福田水質凈化廠尾水排放口)和34個入灣雨水排放口；雨季深圳灣污染來源較旱季增加了面源與截排溢流污染，污染物入灣途徑增加了入灣雨水排放口。

c. 深圳灣污染物來源包括珠江口外來污染、水質凈化廠尾水、面源與截排溢流污染。采取旱季污水收集、水質凈化廠尾水提標改造等水環境治理措施后，深圳灣主要污染源為面源與截排溢流污染。面源與截排溢流水體氮磷營養鹽質量濃度可達地表水V類標準和深圳灣現狀水質的4.55～14.9倍。其次，深圳灣流域雨季氮磷營養鹽入灣負荷量大，深圳灣流域NH3-N的面源與截排溢流總負荷分別為62.7 t和256.1 t，TP的面源與溢流總負荷分別為13.5 t和27.7 t，將對已無剩余氮磷營養鹽容量的深圳灣水環境造成嚴重沖擊。