廣東省水質現狀及驅動因素

陳金月,陳水森,付 嬈,尹小玲,王重洋,李 丹,彭詠石

1 廣東省科學院廣州地理研究所,廣東省遙感大數據應用工程技術研究中心,廣東省遙感與地理信息系統重點實驗室,廣東省地理空間信息技術與應用公共實驗室, 廣州 510070 2 山東大學環境研究院,青島 266237 3 中國科學院廣州地球化學研究所,廣州 510640

水是生態系統的中心,是生命之源、生產之要、生態之基[1]。據統計,過去一個世紀,全球用水量增長了6倍,并且以每年約1%的速度增長[2]。然而,隨著社會經濟快速發展和全球氣候變化加劇,水資源短缺、水環境污染、水生態退化、水災害頻發和水管理滯后等5個問題復雜交叉,嚴重限制了水資源的可持續發展,人類與水資源的沖突愈演愈烈[3—4]。大量工、農業廢水和生活污水隨地表徑流持續不斷地進入到河流中,致使水質急劇惡化[5—7]；氣候變化引起的全球水循環加劇、氣溫升高,也通過改變水體的溫度、蒸發量和水生態系統的初級生產力等加劇了水體富營養化等水污染現象[8—9]。亞洲、非洲和拉丁美洲幾乎所有河流的水環境均在惡化,預計未來幾十年水質仍將進一步惡化[2],亟需通過評估河流所在流域的水質現狀及其主要驅動因素來厘清水質變化對社會經濟、土地覆被和氣候變化之間的響應機制[5—9]。

流域水質評估得到了聯合國[2]、美國[10]、歐盟[11,12]和中國[13—15]等世界主要組織和國家的重視[16—22]。當前,流域水質評估通過對河流理化、營養鹽和生物等指標按一定的評價標準,對實測數據進行計算,進而對河流水質進行定性或定量的評估[6,23—25]。單因子指數法(SI)[24]和綜合水質指數(WQI)[26]等方法被廣泛應用。SI方法根據國家環境保護總局頒布的標準計算不同水質指標相對標準值的比值,計算簡單,但不同水質參數計算公式不一致,可能造成評估結果片面[6]。WQI方法結合以往研究的先驗知識來確定水質參數的評估標準,其評價結果更為客觀,且評估結果的層次劃分豐富、層間差異清晰,擁有較強的實用性[26]。雖然兩種方法的評價標準不同,評估結果也不盡相同,但兩者結合可以從新的高度評估研究區水質狀況及其時空特征。因此,很多時候需要綜合使用兩種方法對水質狀況進行多粒度的評估。

廣東省淡水資源總量較多,但人口眾多、水質污染嚴重,人均可用淡水資源嚴重不足[15,21,26]?；浉郯拇鬄硡^蓬勃發展的形勢下,廣東省的淡水資源面臨巨大壓力,水質狀況尤為嚴峻；但關于淡水資源的質量評估及驅動力分析的研究仍然不足,亟待加強。因此,本研究基于2019—2020年廣東省七個流域的現場采樣數據,分豐水期和枯水期,通過SI和WQI方法對廣東省的主要河流及其污染現狀進行全面評估,并就主要影響因素和驅動機制進行分析,為廣東省珠江三角洲、粵東西北的水生態健康發展提供科學支撐。

1 研究區概況

本文研究區為廣東省的七大流域(位于20°13′12″—25°30′12″N,109°39′26″—117°10′53″E,如圖1所示),包括北江流域、東江流域、西江流域、珠江三角洲河網區、粵西諸河,以及韓江流域和粵東諸河。行政區劃上,主要包括廣州、深圳、佛山、東莞等21個地級市,面積179700 km2。

研究區地貌類型復雜、北高南低,海拔在0和1888 m之間變化,以丘陵、平原和臺地為主,粵北和粵東山區地形起伏大。研究區屬于亞熱帶季風氣候,水文季節和地區差異顯著[26]：一般情況下,豐水期約占全年降水量的70%—85%；同時,降雨的年際差異也較大,最大年降水量是最小年的1.84倍,個別地區甚至達到3倍。多年平均降雨量和平均氣溫分別為1777 mm和22℃,折合年均降水量為3145億m3。

研究區人口密度和城市化率高。據統計,2017年,廣東省在1.80%的國土面積上養育了8.90%的人口(1.17億人),創造了93436.29億元GDP (占中國GDP 的1/8)[27]。但由于研究區人水矛盾突出,其水生態系統異常脆弱和敏感[28]。當前,廣東省淡水資源正面臨著水資源可持續利用能力不足的巨大威脅[15,21,26]。例如,以香港、澳門和珠江三角洲的政治、生活和經濟用水而聞名的珠江水質退化明顯,并經常面臨諸多的水污染問題,已得到國家各個層面的水利、環保和農業部門的重視。

圖1 研究區概況及采樣點位置Fig.1 The location map of the study area and sampling points

2研究方法與材料2.1數據來源及處理

主要數據及其來源如下：(1)水質數據來源于2019—2020年間的現場采樣和室內分析,主要包括溶解氧(DO)、葉綠素a(Chla)、氨氮(NH3N)、總氮(TN)、總磷(TP)、透明度、懸浮物(SPM)；(2)氣象數據來源于中國氣象數據中心(http://data.cma.cn/)和廣東省各地國家氣象觀測站點2014—2017年間的統計數據；(3)高程數據為30 m×30 m空間分辨率的DEM數據,下載自地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/)；(4)土地覆被數據來源于清華大學地球系統科學系發布的FROM-GLC10產品(http://data.ess.tsinghua.edu.cn)[29],空間分辨率為10 m×10 m；(5)社會經濟數據來源于廣東省各城市的統計年鑒以及國民經濟和社會發展統計公報。

本研究中,依據分層采樣原則[6],分豐水期和枯水期對廣東省主要河流進行采樣,樣點較均勻地分布在廣東省七大流域的上、中、下游,基本涵蓋了研究區內不同水質現狀和水文特征的主要水系,保證了水質采樣點的代表性,為客觀評估廣東省水質現狀提供了基本保證,各個流域采樣點及其采樣時間見圖1和表1。受新冠疫情影響,西江流域和部分珠江三角洲河網區枯水期的水樣未采集。水樣采集參照《地表水環境質量標準》(GB3838—2002)規范進行。DO使用便攜式水質檢測分析儀(YSI)對水面下25 cm處的水體進行現場測量。透明度使用塞氏盤法(Secchi depth disk, SDD)進行現場測量。Chla、NH3N、TN、TP和SPM等水質參數在實驗室內測量,樣品均在避光、低溫的環境下存儲。Chla、NH3N、TN和TP的測定方法分別為《水質 葉綠素a的測定 分光光度法》(HJ897—2017)《水質 氨氮的測定 水楊酸分光光度法》(HJ536—2009)《水質 總氮的測定 流動注射-鹽酸萘乙二胺分光光度法》(HJ 668—2013)和《水質 磷酸鹽和總磷的測定 連續流動-鉬酸銨分光光度法》(HJ670—2013),它們均屬于分光光度法,主要區別在于預處理程序、加入的顯色液種類和含量、用于測量水體吸光度的波段和對照液等四個方面。SPM采用《水質懸浮物的測定重量法》(GB11901-89)來測定。

表1 各流域采樣點數量及其采集時間統計

2.2 評估方法

2.2.1SI評估方法

單因子指數法(SI)[23,24]根據水質參數相對標準值的比值進行評估,可以分為兩類：(1)水質隨參數值增加而下降的因子,水質參數主要包括Chla、NH3N、TN、TP和SPM,其計算公式如式(1)所示；(2)水質隨參數值增加而改善的因子,主要包括DO和SDD,其計算公式如式(2)所示。

(1)

(2)

2.2.2WQI評估方法

綜合水質指數(WQI)是一種知識驅動型的評價方法,各個水質參數的劃分及其權重根據先驗知識來確定[6,23,30—33]。其計算如式(3)所示。

(3)

式中,WQI為綜合水質指數,Hi為第i個水質參數標準化值,Pi是第i個水質參數的權重,n為參與評價的水質參數個數。WQI的閾值在[0,100]之間,WQI越大,水質質量越好;采用等分法將河流水質劃分為優、良、中、差、極差五個等級(表2)。

表2 綜合水質指數方法各水質參數等級劃分及其權重

2.3 驅動力分析

驅動力分析是深化水質時空分布規律的核心工作之一,是河流治理和保護的理論基礎。本著可操作性、科學性和可度量性的原則,結合廣東省河流污染現狀,選擇地形、氣象、社會經濟和土地覆被類型四大要素對廣東省主要河流的水質分布規律進行探討,各要素的度量因子選取如下：

(1)地形：高程、坡度、坡向等通過影響流域的水熱分布和植被生長狀況來影響降雨和地表徑流,從而進一步影響流域非點源污染的產生和輸移[21,34,35]。廣東省河道縱橫交錯,各流域地形地貌差異大；因此,本文選擇高程、坡度和坡向因子探討地形對水質分布規律的影響。

(2)氣象：廣東省降雨、蒸發和溫度的年際和地區差異大,水文季節明顯。溫度制約著流域的氣候和水生環境等自然條件,通過初級生產力進一步影響水生態系統,是影響河流水質的重要因素；降雨和蒸發量是影響流域水資源承載力的最直接因素,是決定河流水質狀況的關鍵因素[4,8,9]。因此,本文選擇溫度、多年平均降雨量和年蒸發量因子來探討氣象對水質分布規律的影響。

(3)社會經濟：工農污水排放量大、產業結構不合理是流域水質惡化的直接原因；將人口密度、產業結構等社會經濟指標作為水質現狀的驅動因素已成為學術界的普遍共識[22,36]。因此,本文選擇人口密度,人均GDP,總污水排放量,豬肉出欄量、禽類產量、水產品產量,一、二、三產業占比,化肥和農藥使用量因子來探討社會經濟對水質分布規律的影響。

(4)土地覆被類型：河流是土地覆被類型的重要組成部分,其水質受到流域土地覆被類型占比的重要影響[37]。當前,點源污染得到有效控制,非點源污染成為了影響河流水質的重要原因。幾乎所有的非點源污染都與土地覆被類型等下墊面的變化緊密相關[38,39],土地覆被通過影響流域的生態功能和入河污染物的排放而影響河流的水質狀況[21]。經過采樣點水質參數與不同距離緩沖區內土地覆被類型占比的相關性分析,選擇與水質參數濃度相關性較高的12 km緩沖區作為土地覆被類型占比的統計單元,并探討其對水質分布規律的影響。

3 廣東省水質現狀

3.1 SI單因子方法評估結果分析

豐水期和枯水期各水質參數的描述性統計結果(表3)顯示：豐水期和枯水期的水質參數均呈現出顯著差異,水質變化幅度較大。SPM、Chla和TP的季節差異較大,豐水期SPM的平均濃度(80.55 mg/L)是枯水期(26.01 mg/L)的3.10倍,但豐水期Chla和TP的平均濃度為枯水期的1/2左右。NH3N和TN的濃度變化也具有較為明顯的季節差異,豐水期兩個水質參數的濃度要顯著高于枯水期。豐水期各采樣點的SDD變化幅度較枯水期大,標準差(31.78 cm vs. 27.39 cm)和變異系數(0.48 vs. 0.32)均大于枯水期。

表3 水質參數描述性統計

圖2 單因子污染指數(豐水期N=66,枯水期N=54)Fig.2 Single factor pollution index (High flow season: N=66; Low flow season: N=54)

SI單因子評估結果顯示(圖2)：除DO和SDD外,研究區SPM、Chla、NH3N、TN和TP等5個污染指標具有明顯的水文季節差異,Chla的季節變化最大,SPM次之,TP隨后。其中,Chla和TP污染指數呈現豐水期小于枯水期的分布趨勢；SPM、NH3N和TN等3個指標相反,豐水期的污染指數大于枯水期。在豐水期,主要的污染指標為TN、Chla、SPM和DO,污染指數分別為3.88、2.15、1.61和1.58。相應地,枯水期的主要污染指標為Chla、TN、DO和SDD,污染指數分別為5.42、3.77、1.58和1.30。因此,選擇豐水期和枯水期污染程度均較為嚴峻的Chla、TN和DO等三個水質參數展開宏觀尺度上的水質綜合評估及影響因素分析。

3.2 WQI方法評估結果分析

WQI方法評估結果(圖3和圖4)表明：廣東省豐水期和枯水期的WQI指數分別為45和53,各個流域的水質狀況不容樂觀；除韓江流域外,豐水期的水質污染較枯水期更為嚴峻,韓江下游、粵東諸河和粵西諸河三個流域的季節差異最為明顯。豐水期,全省71%采樣點的WQI指數在60以下,屬于中等以下水質；同時有21%采樣點的WQI指數在40以下,屬于較差水質。枯水期,全省有57%采樣點WQI指數在60以下,屬于中等以下水質；同時有24%采樣點的WQI指數在40以下,屬于較差水質。

圖3 豐水期采樣點及其綜合水質指數評估結果的空間分布 Fig.3 Spatial distribution of sampling points and their WQI evaluation degrade in high flow seasonHFS: 豐水期 High flow season;LFS:枯水期 Low flow season

圖4 枯水期采樣點及其綜合水質指數評估結果的空間分布 Fig.4 Spatial distribution of sampling points and their WQI evaluation degrade in low flow season

4 驅動因素分析

WQI的評估結果顯示：研究區的水質狀況不容樂觀,有57%以上的采樣點屬于中等以下水質,尤其是粵西諸河、粵東諸河、珠江三角洲河網區以及韓江下游的水質亟需治理和保護。選擇豐水期和枯水期水質問題均較突出的DO、Chla和TN等三種常用水質參數的濃度,以及WQI綜合水質評價指數與地形、氣象、社會經濟和土地覆被類型等四類驅動因素進行Pearson相關性分析[23],結果如表4所示。

表4 水質參數與驅動因素的Pearson相關性分析結果

4.1 DO驅動因素分析

豐水期DO濃度與不透水面面積占比(r=-0.51,P<0.01)、人口密度(r=-0.43,P<0.01)和豐水期蒸發量(r=-0.26,P<0.10)等14個指標呈顯著負相關；同時,與林地面積占比(r=0.44,P<0.01)和第一產業比重(r=0.33,P<0.05)等5個指標呈顯著正相關?？菟贒O濃度的驅動因子相對簡單,與林地面積占比(r=-0.32,P<0.05)呈顯著負相關；與枯水期降雨量(r=0.36,P<0.05)、城市污水處理率(r=0.36,P<0.05)等4個指標呈顯著正相關。

土地覆被類型、人口密度、GDP、污水排放量、降雨量、豬肉產量等指標是影響水體DO濃度的關鍵因素。相對枯水期,豐水期DO濃度變化的機理更為復雜,影響因子眾多,與其相關的指標高達19個；而枯水期的影響因子有5個,不足豐水期的1/3。另外,需要注意的是,降雨量具有顯著的季節差異,在豐水期,降雨量對DO濃度無顯著的提升作用；然而,在枯水期,降雨量對DO濃度的提升卻較為顯著,這可能與流域內降雨強度帶來的水體自凈能力變化以及復雜地表徑流導致的面源污染程度不同有關。未來,應完善水質遠程在線監控系統,提高水質和相關驅動因子的監測頻度和范圍,結合無人機、衛星遙感大數據挖掘不同時期、不同情景下的水環境主要影響因素,提高水污染追溯和應急管理水平,保障飲用水安全,不斷減輕人類活動對水生態環境的影響。

4.2 Chla驅動因素分析

豐水期Chla濃度與年均降雨量(r=-0.40,P<0.01)、城市污水處理率(r=-0.31,P<0.05)、第三產業比重(r=-0.31,P<0.05)和濕地面積占比(r=-0.24,P<0.10)等9個指標呈顯著負相關；同時,與化肥使用量(r=0.62,P<0.01)、耕地面積占比(r=0.63,P<0.01)、豐水期溫度(r=0.47,P<0.01)和禽類產量(r=0.32,P<0.05)等11個指標呈顯著正相關?？菟贑hla濃度的主要驅動因子與豐水期無明顯差異,但影響幅度更大。這種Chla的水文季節差異可能是由于枯水期降雨量較低,河流稀釋能力下降,但工農業污水排放的豐富營養鹽導致浮游植物大量繁殖產生。

溫度、降雨量以及農藥化肥的使用量等指標是影響水體Chla濃度的關鍵因素。Chla濃度與溫度存在較高的正相關性,這是由于浮游植物生長、體內酶活性和代謝速率受到溫度較大影響有關,主要表現為光合作用增強、生物量升高[40]。同時,隨著點源污染逐步得到控制,以農業生產、禽畜養殖帶來的農業面源污染已成為了Chla濃度增高和水體富營養化的重要因素,這與前人的研究結果一致[17,18,21]。這表明廣東省的農業生產集約化程度以及綠色發展能力仍然不足,仍需要大量的農藥、化肥使用?？梢試L試借助物質循環和能量平衡,依靠水生植物的光合作用,將大量營養鹽轉化為水生植物的初級生產力加以利用,促進以改善水質、優化水環境為主要目標的“環保資源化產業”[17]。

4.3 TN驅動因素分析

豐水期TN濃度與林地面積占比(r=-0.43,P<0. 01)和灌木面積占比(r=-0.24,P<0.10)等2個指標呈顯著的負相關；同時,與人口密度(r=0.38,P<0.01)、草地面積占比(r=0.36,P<0.01)、豐水期溫度(r=0.23,P<0.10)等6個指標呈顯著正相關?？菟赥N濃度的驅動機制較為簡單：與灌木面積占比(r=-0.36,P<0.05)呈顯著負相關；與不透水面面積占比(r=0.64,P<0.01)和工業污水排放量(r=0.36,P<0.05)等2個指標呈顯著正相關。

居民生活和工業發展的氮營養鹽排放以及不透水面增多加劇的面源污染是TN濃度過高的主要原因。居民生活排放的大量污水和工農業生產使用的化肥、農藥、石油等造成水體富營養化；據統計,廣東省2017年折純后的化肥使用總量為258萬噸。大量的化肥被施用到農田里,其中約有55%—75%的氮和磷沒有被作物吸收,其中一部分最終還會進入水體,加劇了河流和湖泊的富營養化[36,41]。同時,建設用地硬化了下墊面,減弱了其對污染物的截留和吸收作用[18]。Peterjohn等[42]的研究表明河岸帶可滯留89%的氮和80 %的磷；不同自然植被間的氮素納污能力差異顯著,林地和灌木對氮素的吸納能力較強,而草地對氮素的吸收能力有待進一步驗證,整體呈現林地>灌木>草地的變化趨勢[43—44]。因此，有針對性地對河岸帶緩沖區的土地覆被結構進行調整,是減輕面源污染、改善水質的重要方向,建議在該區域加快推廣綠色與無公害農業種植技術,以及精準施肥等控制農業面源污染的措施[36]。距離河道2 km的河岸帶為水體富營養化的關鍵控制范圍,需要優化農田施肥管理、加強牲畜糞便處理、建設林地過濾帶和河岸緩沖帶等措施來削減面源污染負荷[19]。同時,建議通過立法對沿河、沿湖2 km以內的工業和生活用地進行嚴格管理或清退,加強生活污水處理,科學合理布局工業、養殖品種,推廣使用生物有機肥料和低毒、低殘留高效農藥[36]。此外,全球氣候變暖以及水體蒸發量帶來的水體自身凈化能力變化也可能是水體氮污染的重要因素[8—9]。

4.4 WQI驅動因素分析

豐水期WQI指數與不透水面面積占比(r=-0.43,P<0.01)、豐水期溫度(r=-0.36,P<0.01)、人口密度(r=-0.35,P<0.01)等14個指標呈顯著的負相關；同時,與林地面積占比(r=0.62,P<0.01)、高程(r=0.28,P<0.05)、第一產業比重(r=0.26,P<0.05)等7個指標呈顯著正相關?？菟赪QI與草地面積占比(r=-0.41,P<0.05)、第一產業比重(r=-0.36,P<0.05)、高程(r=-0.32,P<0.10)等5個指標呈顯著負相關；同時,枯水期WQI指數與年均降雨量(r=0.62,P<0.01)、城市污水處理率(r=0.42,P<0.05)等4個指標呈顯著正相關。

人口激增和社會經濟發展導致的自然景觀屬性下墊面減少、土地利用強度增加,以及污水排放量增多是WQI指數不高的主要原因。豐水期,高溫促進浮游植物大量繁殖、蒸發量變大,強降雨地表徑流攜帶的大量營養源和污染物,以及工農業生產的大量污水排放是WQI指數下降、水質惡化的直接因素；而林地、灌木和濕地等對降低面源污染較為有益的自然景觀對于WQI指數的提高具有積極意義?？菟赪QI指數隨著草地面積和第一產業比重的增加而下降,這可能是由于草地的納污機制較為復雜,其對水質的影響仍存在爭議[18]。不同河岸帶截留轉化效率差異較大,主要取決于河岸帶的水文過程、河岸帶土壤特性與植被群落結構、人類活動性質及季節變化等因素[45],河岸帶土地覆被類型和產業結構調整成為水污染治理和水環境保護的重要途徑[19,21]。未來,有針對性地改善土地利用類型和產業結構,完善產業結構和城市規劃[36],控制人口密度,將水資源保護與治理有機結合,加大污水處理力度和標準,是有效控制水污染、保護水資源、增強水資源承載力的重要途徑?？梢越Y合高分辨率遙感和地理信息技術對水資源現狀進行長時序大范圍的監測和模擬[46],對重點區域水環境進行持續監測,對重污染區域進行綜合整治。

5 結論

本文綜合使用SI和WQI水質評估方法,從宏觀尺度上展開了廣東省水質狀況評估、主要污染類型識別和水污染驅動因素分析,可為廣東新一輪創新驅動發展提供水生態保護參考,主要結論如下：

(1)整體來看,廣東七大流域的水污染主要以Chla(6.05 μg/L)和TN(1.92 mg/L)濃度超標為主,同時伴有DO濃度(5.04 mg/L)偏低問題。Chla、SPM、NH3N和TP濃度具有顯著的水文季節和驅動因素差異：豐水期的Chla和TP濃度低于枯水期,但SPM和NH3N濃度高于枯水期；豐水期水質問題的驅動因素較枯水期更為復雜。

(2)從流域來看,珠江三角洲河網區、粵西諸河、韓江下游以及粵東諸河的練江流域水質形勢嚴峻,有較多采樣點屬于中等以下水質(WQI<60)。珠江三角洲河網區和西江的水質問題主要表現為TN和SPM濃度較高。東江和北江水質主要表現為TN濃度較高,分別為1.56 mg/L和1.66 mg/L?；浳髦T河面臨TN濃度過高(1.78 mg/L)、SDD(78 cm)偏小等水質問題?；洊|諸河和韓江流域很多采樣點面臨TN超標(1.94 mg/L vs. 1.99 mg/L)問題。

(3)生產生活大量排放的氮磷營養鹽以及不透水面等人為景觀增多加劇的面源污染是TN和Chla濃度超標、水質下降的重要原因；降雨、氣溫等自然因素通過影響地表徑流、水體自凈能力、以及浮游植物的生長繁殖進一步影響水質及其季節差異。在水生系統的保護與治理過程中,亟需通過土地覆被類型和產業結構的協同優化來消減營養鹽和污染物的排放。