快速城市化對深圳水環境的影響分析

蔣 鈺,張秋英,李發東,胡江玲,李曹樂,王 凡

(1.新疆師范大學地理科學與旅游學院,新疆 烏魯木齊 830000;2.中國環境科學研究院,北京 100000;3.中國科學院地理科學與資源研究所,北京 100000)

隨著全球經濟的快速發展和人口增長的不斷加速,城市化進程也在以前所未有的速度迅猛發展。根據《聯合國世界城市化前景》,到2050年,全球68%的人口將生活在城市地區[1]。中國的常住人口的城鎮化率在2021年達到了64.72%,根據《中國農村發展報告2020》預計2025年將達到65.5%,2050年前可能達到70%以上[2]。城市化率達到30%～70%時為快速發展的城市化中期階段,在此階段,日益增長的資源需求將對環境造成壓力,使得城市環境出現如土地利用和土地覆蓋變化[3-4]、大氣環境變化[5]、環境污染[6-7]和水質退化等一系列問題[8],這些問題對可持續發展產生了不利的影響。其中,水環境問題尤為突出和嚴重[9],隨著城市化進程的加快,城市用水需求和用水量不斷增加,加劇了城市水資源短缺。截至目前,中國661個城市中有三分之二缺水,其中110多個城市因城市人口增長和城市工業發展而嚴重缺水[10]。研究城市化與水資源利用的互動關系,可為解決這些地區水資源問題的經濟和生態可持續發展提供科技支撐。

深圳作為中國最早開放的城市,自改革開放以來經歷了快速城市化過程,常住人口40年間增長了56倍。“十三五”時期深圳的GDP年平均增長速度達到了21.6%,截至2020年深圳GDP總量為2.77萬億元,僅次于上海和北京[11]。隨著社會經濟活動的進行在居民生活水平得到改善的同時,人口過密、土地退化、環境污染等“城市病”日益突現,城市的自然生態環境也受到了影響[12]。深圳作為快速發展的大型城市,不到2 000 km2的面積容納了1 700多萬常住人口,使得城市環境問題日益突出[13]。作為城市自然生態環境的重要組成部分,河流水系及水環境受到社會經濟發展的影響尤為顯著,城市水生態系統面臨嚴重的壓力,如水資源短缺、水體富營養化和水污染等[14]。以往的一些研究表明,城市化與生態環境之間存在著復雜的影響關系[15]。水環境作為生態環境的重要組成部分,與城市化進程密切相關[16]。關于城市化對水環境的影響主要有2種觀點。一種觀點認為,隨著城市化的發展,廢污水回收治理措施的實施、綠色基礎設施的建設和城市公共服務逐漸完善等,城市水質會得到改善,水資源利用效率得以提高,城市化對水環境帶來的是積極影響[17-19]。另一種觀點認為,城市化發展過程中的城市基礎建設使得不透水面增加,改變了地表徑流、峰值流量、暴雨頻率和地下水補給[20-22]。影響了自然的水循環,會引發惡臭黑色、富營養化、水生物種生物多樣性喪失等水環境問題,給水環境帶來了消極影響。而水環境也對城市化進程有著制約作用。水資源是城市形成和發展的基礎。不僅滿足了城市居民的日常需求,而且對于城市工業產業可持續發展也有著重要作用[23]。

然而,城市化與水環境之間的影響關系由于不同城市的經濟發達程度,產業結構和人口規模的差別尚不明確。因此需要研究城市化帶來的人口增長、與水環境之間的具體影響關系,并在此基礎上有針對性地采取措施,制定合理的政策,在快速城市化的同時改善城市水環境。本文采用Pearson相關分析,對深圳灣快速城市化發展與水環境中各水質指標之間的數量變化規律進行分析,探討影響深圳灣水環境變化的主要因素,提出相應的發展對策,以期為快速城市化背景下的城市水環境管理提供科技支撐。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

深圳地處廣東省東南沿海,南臨香港新界,與香港僅深圳河一水之隔,北部與東莞、惠州接壤,東起大亞灣、大鵬灣,西瀕珠江口和伶仃洋,屬濱海半島城市。深圳屬于缺水型城市,城市供水大部分來自境外引水。2019年,深圳市(未含深汕)供水量20.62億m3,其中17.61億m3來自境外引水[24]。

深圳灣介于中國香港新界西北部和中國廣東省深圳市南山區的東部對開海域,位于元朗平原以西、蛇口以東。本文以深圳灣流域內的大沙河、鳳塘河和新洲河3條河流為研究區。大沙河發源于羊臺山,縱貫深圳市南山區,干流長13.7 km,上游分左右兩條支流,分別建有西麗水庫和長嶺陂水庫,下游匯入深圳灣。鳳塘河發源于北環大道以北的高丘地區,由上游的香茅水、三道渠、蓮塘溪、龍井溪、甜水坑5條支流的匯水面積組成,由北向南流,最后流入深圳灣。新洲河緊鄰鳳塘河,為深圳河流域在福田區的支流(圖1)。

圖1 研究區概況

1.2 數據來源

1.2.1水環境指標

本研究時間尺度為2012—2020年,水環境參數數據來源于環境監測中心站對深圳灣流域的常規監測與中國環境科學研究院2012—2020年對GB 3838—2002《地表水環境質量標準》中的溶解氧(DO)、化學需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)等 24 項指標的監測,監測時間為每年的 1—12 月,每月監測1次月度數據。綜合考慮各項數據對水污染程度的表現能力,最終,選取溶解氧(DO)、高錳酸鹽(CODMn)、化學需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、總磷 (TP)5項水環境評價因子,利用其歷年均值分析深圳灣水環境的變化特征。

1.2.2社會經濟數據

影響流域水環境的因素包括自然因素和社會經濟因素,自然因素一般包括降水量、氣溫、水溫等。由于研究區范圍相對較小,降水量等因素基本一致,因此可以忽略自然因素對深圳灣流域水環境的影響。本文主要分析城市化過程中社會經濟等因素對水環境的影響,在城市化過程中,流域人口數量和社會經濟結構是影響流域水環境的主要因素,因此選擇人口數量、國民生產總值、人均GDP以及廢污排放量等作為城市化對深圳灣流域水環境影響的代表因素。相關數據見表1、2,來源于2012—2020年深圳市各區統計年鑒以及水資源公報。

表1 深圳市福田區社會經濟動態變化

2 分析方法

2.1 水質單項指標時間變化分析

分別選取福田區和南山區內的6個斷面2012—2020年6月的長序列水質數據,以此來表示研究區內的水質狀況。分析DO、NH3-N、TP、COD、CODMn等5種指標的時間變化,其中具有多個監測點位的河流取其算術平均值[25]。

2.2 水質綜合指標時間變化分析

本研究選取綜合污染指數法對各條河流水質進行量化,用以確定研究水體的污染程度[26]。計算見式(1):

(1)

式中P——綜合污染指數,P值越大表明河流水質的污染越嚴重;Pi——第i項污染物的污染指數:C——第i項污染物的年平均值;Si——污染物的評價標準;n——參與評價的污染指標項數。

本文以GB 3838—2002《地表水環境質量標準》表中的Ⅲ類水質標準限值為污染物評價標準,與其他值越小表示水質越好不同,DO值在不超過10 mg/L的范圍內,越大表示水質越好,因此在計算總濃度時,對DO污染指數用Si/Ci計算[27],其他水質指標則用Ci/Si計算。

2.3 水質空間變化分析

選取各區在2012、2016、2020年的DO、CODMn、COD、NH3-N和TP共5項指標來分析水質的空間變化,使用ArcGIS10.8軟件對5項水質指標分別進行空間插值分析。反距離權重法(Inverse Distance Weighted,簡稱 IDW)是基于“地理第一定律”基本假設提出的一種依據空間異質性和空間相關性從而進行加權平均內插的插值方法,主要是利用觀測點與插值點之間的距離得出空間分布特征,離插值點越近的樣本賦予的權重越大,屬于確定性的內插方法[28]。該方法體現了空間變化特征,因此常被應用于生態環境治理等領域中。

2.4 Pearson相關分析

本研究選用皮爾遜相關系數來分析深圳灣人口動態變化以及產業結構變化對水環境的影響。皮爾遜相關系數(Pearson correlation coefficient),又稱皮爾遜積矩相關系數,用來度量X、Y2個變量之間的相互關系,其取值范圍介于-1和+1之間。2個變量相關間的皮爾遜相關系數為這2個變量的協方差與標準差的商[29],即式(2):

(2)

式(2)為總體相關系數ρXY。若用樣本計算的協方差和標準差替代總體的協方差和標準差,則可得到樣本相關系數r:

(3)

樣本相關系數r可以表示X、Y2個變量之間的相關性,若r>0,表示X、Y2個變量之間是正相關關系;若r<0,則表示X、Y2個變量之間是負相關關系;|r|越接近1,相關性越強。

為了避免兩變量之間的相關關系是偶然造成的,需要引入p值來檢驗X、Y兩變量之間的顯著性水平。當p<0.05時,說明兩變量間存在顯著的線性相關關系;當p>0.05時,則說明兩變量間線性相關關系不顯著。使用皮爾遜相關系數分析深圳灣人口動態變化以及產業結構變化對水環境的影響。在分析人口變化對水環境的影響時,由于深圳流動人口比例較大,因此僅選用常住人口數量變化代表人口變化的指標,不選用戶籍人口作為指標。在分析產業結構對水環境的影響時,因為分析對象是水環境,除選用各產業GDP作為指標外,還選用了工業用水和第三產業用水作為指標。分析結果見表2。

表2 深圳市南山區社會經濟動態變化

3 結果與分析

3.1 水質單項指標時間變化分析

圖2所示,可以看出研究區河流水質中COD含量較高,即有機污染物為河流水質中的主要污染物成分。從污染物指標整體來看,研究區10年間污染指標整體呈先減少,后趨于平穩的形勢。COD在福田區先減少后在一定范圍內波動,其中2012年后出現驟降,主要原因是深圳市針對河流治理、污水處理等水環境問題出臺了一系列政策,并實施大量水質改善工程。新洲河綜合整治工程于2010年完工后,河流水質得到了改善,2012年福田河綜合整治工程完工,使福田河水質大幅度提升,由于福田河與新洲河同為深圳河支流,且位于新洲河上游,新洲河水質得到了進一步改善。而南山區COD則呈現先增加后減少的趨勢,其中極大值出現在2012年左右,在2014年后出現驟降,可能原因是2013年港深聯合治理深圳河四期工程開工,以及2014年大沙河上游的龍華區雨水和再生水利用詳細規劃開始實施,建設了一系列再生水管網等,使下游南山區水質也得到了很大改善。CODMn、NH3-N則總體略有減少的同時在一定范圍內波動,DO含量在波動中略微上升。而研究區內TP含量在10年間整體呈現下降趨勢。就各個指標濃度而言,COD和NH3-N含量在福田區較高,而在南山區較低,其余各項指標在各區內差別不大。

a)新洲河(福田區)

3.2 水質綜合指標隨時間變化分析

運用各區監測斷面6種污染指標數據求得綜合污染指數變化特征見圖3。與單項指標相同,各河流綜合污染指標總體都呈下降趨勢,其中福田區的平均綜合污染指數較高,說明福田區的河流水質污染較南山區更為嚴重。原因可能是,福田區的水質受新洲河上游福田河水質惡化的影響,導致污染指數較高。就各區綜合污染指數變化而言,福田區的變化更為明顯,由2010年的10.30降低到2019年的2.39,水質好轉幅度較大;這與深圳市政府實行的一系列水質綜合治理措施有關,也與福田區產業結構有關,福田區第三產業占比高于南山區,第三產業造成的水體污染隨著市政管道及生活污水處理設施的完善得到了很好的處理。南山區水質較好且變化較小。由此可以發現,近10年來,福田區水質相對較差,其水質好轉幅度也較大,南山區的水質相對較好且變化幅度較小。

圖3 水質綜合指標變化特征

3.3 水質空間變化特征分析

使用ArcGIS10.8軟件進行水質空間變化分析,由于采樣點個數較少,選用反距離權重法進行插值分析,分析結果見圖4。

a)COD

分析空間變化趨勢可以發現研究區主要污染物為NH3-N、COD和TP,總體水質情況為:福田區內水質較差,而南山區水質相對較好。各區內水質空間變化趨勢為:入灣河流的上游污染物含量低,水質較好,沿河流走向水質逐漸變差;其中福田區的新洲河入海口和鳳塘河入海口水質污染最為嚴重。導致入海河口水質污染的主要原因是上游生活污水和工業園區廢水的排放。而觀察3個時期各區的水質變化可以發現,深圳灣水質總體呈現好轉趨勢,福田區水質雖然相較南山區整體較差,但也有逐漸好轉的趨勢,隨著城市化的發展,深圳灣涉及的2個區水質均有好轉的趨勢。

3.4 人口動態變化對水環境的影響分析

研究表明,城市化帶來的人口增長將造成城市生活源COD 入河量的大幅度增加[30]。此外,TP、NH3-N的含量也有所增加,但較于COD增加幅度較小且隨著污水處理設施以及污水收集管網的完善可得到消減[30]。城市水環境惡化制約了水資源利用,對人口和城市化發展造成消極影響。同時,城市化帶來的區域人口、經濟規模和經濟結構的演變,又反作用于地區用水量和用水結構,造成地區水環境質量發生變化[31]。將福田區和南山區的常住人口數據分別與相對應的水質數據進行相關性分析,分析結果見表3。

表3 深圳市各區常住人口數量與水質指標的相關性分析

由表3可知,總體上DO與人口數量呈正相關關系,其中福田區DO含量與人口的相關性更為顯著(r=0.711,p=0.032)。NH3-N、COD、CODMn都與人口數量呈負相關關系,其中南山區COD指數與人口的相關性最為顯著(r=0.901,p=0.05)。由此分析結果可得知,人口對水質指標的影響主要在DO、COD、NH3-N含量方面,TP的變化受人口數量影響較小。

深圳灣區涉及的2個區,福田區常住人口從2012年的133.05萬人增加到2020年的155.41萬人;南山區人口從2012年的110.85萬人,增加到2020年的180.42萬人;總人口從2012年的243.90萬人,增加到2020年的335.83萬人,增加了38%。更多的人口往往意味著更多的資源消耗,包括水資源和生活必需品,從而也導致了生活污水、垃圾等排放,增加了深圳河灣地區的污水和垃圾處理壓力。目前,即便是最完善的污水收集和垃圾收集處理系統,都難免在雨季特別是暴雨季節存在污染物的滲漏。根據深圳市水資源公報數據,人均水資源量從2012年南山區62.38 m3變為2020年的72.50 m3,福田區由2012年的54.77 m3降至2020年的40.97 m3。福田區人均水資源減少了近14 m3,可見人口增加造成的影響。從用水組成看,2個區均以居民生活用水和城市用水為主,占比均超過40%。因此,隨著城市化的快速發展,人口急劇增加,水資源量減少,污染物進入河灣地區的風險升高,由此增加了污染物處理的壓力。人口的增長使得水資源變得緊張,水環境中NH3-N含量增加,由相關性分析可知,福田區人口增長對水環境中NH3-N含量的影響最大。南山區相較于福田區受人口增長的影響較小,水環境質量主要受產業結構等因素的影響。

3.5 產業結構對水環境的影響分析

由于河流水系中的污染主要來源于人類生產、生活之中,農業面源污染、工業廢水及第三產業中產生的生活廢水均對河流水質產生重要影響,而隨著城市化進程的加快及不同產業結構的調整,排放到河流的污染物種類與數量均會隨之發生改變,因此,研究不同產業的規模與污染指標濃度的關系有助于更好地認識不同產業對水環境帶來的影響。

將福田區和南山區的產業結構數據分別與相對應的水質數據進行相關性分析,分析結果見圖5、6。

圖5 福田區產業結構與水質相關性分析

圖5可知,福田區第二產業占比與NH3-N之間有著顯著的負相關關系,相關系數值為-0.681,而與DO、CODMn、COD、TP共4項之間相關關系不顯著。第三產業占比和DO之間有著顯著的正相關關系(r=0.711 8,p=0.029),并與CODMn、COD之間有著顯著的負相關關系,相關系數值分別為-0.784、-0.668。除此之外,第三產業占比與TP之間相關關系不顯著。福田區工業用水量和DO、COD之間有著顯著的負相關關系,和CODMn(r=0.827,p=0.006)、NH3-N(r=0.793,p=0.05)有著顯著的正相關關系,與TP之間相關關系不顯著。第三產業用水量與NH3-N之間呈現出顯著的負相關關系,相關系數值是-0.690。同時,第三產業用水與DO、CODMn、COD、TP共4項水質指標之間相關關系不顯著。產業結構變化對福田區水環境的影響較為顯著,第二產業占比增加導致了水環境中CODMn、COD和NH3-N增加,第三產業占比增加使得水環境中DO含量增加,使水質得到了改善。隨著深圳城市化的發展,第二產業比重逐漸增加。同時,由于技術能力有限,部分地區的污水處理設施不夠完善,工業廢水的排放已經污染了城市的湖泊、海洋等水環境,這已經成為一個日趨嚴重的環境問題[32]。此前大量在中國沿海地區的研究表明,第一產業與水環境中COD 及 TP 的含量呈高度正相關[33],第二、三產業與水環境中的NH3-N濃度相關,第二產業占比與NH3-N濃度呈正相關,而第三產業占比與NH3-N濃度呈負相關。第二產業占比對NH3-N濃度變化影響最為明顯,第三產業占比與之相比影響較弱[34]。

圖6可知,南山區第二產業占比僅與COD之間存在負相關關系(r=-0.705,p=0.034)。同時,第二產業占比與DO、CODMn、NH3-N、TP共4項水質指標之間相關關系不顯著。第三產業占比與COD和NH3-N 2項水質指標之間呈現出顯著負相關關系(r=-0.918,r=-0.801)。同時,第三產業占比與DO、CODMn、TP之間相關關系不顯著。工業用水量僅與COD和NH3-N 2項水質指標之間呈顯著正相關關系(r=0.796,r=0.760),第三產業用水量僅與COD 1項水質指標之間呈現出顯著的負相關關系(r=-0.906,p=0.001),與其他水質指標相關關系均不顯著。與福田區相同,南山區產業結構變化對水環境的影響也較為顯著,第二產業占比增加使水環境中COD含量增加,第三產業占比增加使水環境中COD和NH3-N含量增加。在產業結構比例中,第一、二產業增加會提高水環境中的TP濃度,第三產業增加在一段時期內會降低TP濃度,其中,第一產業占比對TP濃度變化的貢獻度最高。因此,由第一、二產業向第三產業發展有利于水環境的保護[35]。

圖6 南山區產業結構與水質相關性分析

4 結論

a)深圳灣主要水質污染物為COD和NH3-N,福田區各污染物濃度都較高而南山區較低。說明深圳灣水質污染主要來源于生活污水和第二產業產生的工業廢水。

b)南山區的水質綜合污染指數較小,污染程度較輕,而福田區水質污染指數比較高,水質污染更為嚴重。福田區的水質污染物主要來源于新洲河上游的產業園區等,但隨著近些年深圳市政府的重視,一系列水質綜合治理措施的實施深圳灣整體水質均得到了大幅度的好轉。

c)深圳灣周圍的2個區中,水質由入灣河流上游至下游入海口逐漸變差,其中福田區的新洲河入海口和鳳塘河入海口水質污染最為嚴重。導致入海河口水質污染的主要原因是上游生活污水和工業園區廢水的排放。

d)深圳灣水環境受人口變化的影響較于產業結構的影響較小,但生活污水是水中NH3-N的主要來源,隨著人口的增長,水環境中NH3-N含量控制面臨諸多困難。深圳河作為深圳灣的主要水源,也是主要的污染物輸入源,需要進行重點監測與整治。

e)產業結構對于深圳灣水環境的影響較為明顯,尤其是對于水中的COD含量影響較大,對于TP含量也有微弱影響。第二產業產生的污染物較多,對水環境的消極影響較大,第三產業對水環境產生的消極影響較小。

基于本文的研究結果,對于深圳灣水環境改善提出了一些建議。消除一些較弱的工業產業并允許支柱產業遷移到能夠支持大型產業規模,水環境承載力狀態更好的地區以及增加第三產業的占比,能夠對水環境起到積極作用。制定合理的政策引導產業結構的轉變和工業產業區的布局可以改善水環境,使得經濟增長與水資源消耗脫鉤成為可能,能夠促進地表水質量的持續改善。深圳灣大部分水質污染物通過合理輸送進入深圳灣。但由于深圳地處東南沿海地帶,亞熱帶季風氣候帶來的充沛雨量將大量地表污染物沖刷后流入深圳河的各個支流,最終匯入深圳灣。隨著城市產業結構的轉變以及產業規模的加大,污水量增大,污水處理壓力逐漸增加。因此,在對工業污水和生活污水等點源污染進行治理的同時,也需要加強城市面源污染的治理,嚴格控制COD、NH3-N等污染物的輸入量,以減輕污水處理壓力,改善水環境。