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(qū)域[1-2]。一方面，隨著經(jīng)濟高速發(fā)展，海灣水環(huán)境問題日益突出，嚴重威脅灣區(qū)經(jīng)濟發(fā)展、濱海景觀帶效果和海洋生態(tài)環(huán)境，受到越來越多學者的關(guān)注。宋南奇等[3]指出2000年以后，渤海赤潮發(fā)生頻率明顯增加，赤潮的分布范圍更加廣泛；李俊龍等[4]發(fā)現(xiàn)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(yǎng)化現(xiàn)象；Hayn等[2]研究發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)從1991年開始，佛羅里達海灣中部和西部區(qū)域出現(xiàn)水華現(xiàn)象。另一方面，海灣污染途徑復雜多樣，其水質(zhì)同時受到陸源污染和海洋外來污染的影響，生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱[6]。國內(nèi)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(guān)分析法，指出陸源輸入的營養(yǎng)鹽及貝類養(yǎng)殖是欽州灣水質(zhì)變化的主要驅(qū)動因子；李飛等[10]通過空間聚類分析和因子分析方法，發(fā)現(xiàn)海州灣主要污染源為陸域污染；Norozcoborbo等[11]采用多種數(shù)學統(tǒng)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(huán)境影響突出；Zhou等[12]利用聚類分析、判別分析和旋轉(zhuǎn)主成分分析等方法，發(fā)現(xiàn)徑流污染等因素對香港東部沿海水環(huán)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(fā)展灣區(qū)經(jīng)濟的領導優(yōu)勢和經(jīng)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(qū)、海濱生態(tài)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(qū)唯一紅樹林生態(tài)濕地所在地。深圳灣地區(qū)突出的水環(huán)境問題與其高標準定位格格不入，現(xiàn)狀水質(zhì)難以滿足海洋功能區(qū)劃要求(海水Ⅲ類標準)，對深圳市和香港兩地的經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境優(yōu)化等影響重大。隨著河長制、水生態(tài)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(huán)境治理措施[13]，流域水環(huán)境形勢發(fā)生較大改變?；诖?，面對深圳灣水質(zhì)問題突出的嚴峻現(xiàn)實，立足于深圳水環(huán)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(zhì)凈化廠尾水、面源與截排溢流污染等最新水質(zhì)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析深圳灣水質(zhì)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(huán)境治理工作提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)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(nèi)水域面積92.17 km2，以東角頭至對岸白泥為界分為內(nèi)灣和外灣。深圳灣深圳側(cè)集水區(qū)面積367.97 m2。流域內(nèi)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(jiān)測點位分布

1.2 數(shù)據(jù)與方法

1.2.1數(shù)據(jù)來源

深圳灣逐季度水質(zhì)數(shù)據(jù)由深圳市規(guī)劃和自然資源局提供，水質(zhì)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(zhì)數(shù)據(jù)的平均值表征深圳灣旱季水質(zhì)特征，2017年5月、2017年8月、2018年6月、2018年9月水質(zhì)數(shù)據(jù)的平均值表征深圳灣雨季水質(zhì)特征。深圳灣流域水質(zhì)凈化廠尾水水質(zhì)數(shù)據(jù)來自2018年《深圳市水質(zhì)凈化廠進出水數(shù)據(jù)每日一報》。面源與截排溢流污染數(shù)據(jù)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(xù)監(jiān)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(huán)境質(zhì)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(shù)據(jù)來自長江水利委員會水文局的《深圳河定期連續(xù)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(jù)《深圳市海洋功能區(qū)劃》，深圳灣屬于三類環(huán)境功能區(qū)(一般工業(yè)用水區(qū)、濱海風景旅游區(qū))，水質(zhì)要求達到海水Ⅲ類標準。根據(jù)《深圳市地表水環(huán)境功能區(qū)劃》，深圳灣流域范圍內(nèi)入灣河流屬于一般景觀用水區(qū)，水質(zhì)要求達到地表水V類標準。因此，本研究采用我國現(xiàn)行的GB 3097—1997《海水水質(zhì)標準》中海水Ⅲ類標準和GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)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(zhì)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(shù)法[14]對深圳灣水質(zhì)進行評價，計算公式為

(1)

式中：Si為單因子污染指數(shù)，當Si>1，表明該水質(zhì)指標超過了規(guī)定的水質(zhì)標準限值，Si越大表明相應指標超標越嚴重；ρi為某一水質(zhì)指標質(zhì)量濃度的實測值；ρS0為某一水質(zhì)指標質(zhì)量濃度的標準值，根據(jù)《深圳市海洋功能區(qū)劃》，深圳灣執(zhí)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(yǎng)狀態(tài)質(zhì)量指數(shù)法[15]對深圳灣富營養(yǎng)化水平進行評價，計算公式為

(2)

式中：INQ為營養(yǎng)狀態(tài)質(zhì)量指數(shù)；ρS1為某一水質(zhì)指標營養(yǎng)狀態(tài)水平標準值，根據(jù)《深圳市海洋功能區(qū)劃》，深圳灣執(zhí)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(yǎng)化水平，INQ<2為貧營養(yǎng)化水平，2≤INQ≤3為中營養(yǎng)化水平。

c. 采用有機污染指數(shù)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(shù)，A>4為重污染，3

2 結(jié)果與分析

2.1 深圳灣水質(zhì)時空分布特征

表1 深圳灣各水質(zhì)指標污染指數(shù)時空分布

2.1.1水質(zhì)指標時空分布特征

深圳灣雨季和旱季各項水質(zhì)指標污染指數(shù)時空分布見表1。由表1可見，各個監(jiān)測點位DIN和DIP的污染指數(shù)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(jiān)測點位GD082外，其余監(jiān)測點位的污染指數(shù)均低于1，達到海水Ⅲ類標準。結(jié)合深圳市海洋局和香港環(huán)境保護署歷年公布的《深圳市海洋環(huán)境狀況公報》和《香港海水水質(zhì)》，2010年以來，深圳、香港雙方圍繞深圳灣開展了多項水環(huán)境治理措施，深圳灣水質(zhì)逐步得到改善，但現(xiàn)狀水質(zhì)仍達不到海水Ⅲ類的水質(zhì)目標，關(guān)鍵污染因子為DIN和DIP，表現(xiàn)為氮磷營養(yǎng)鹽超標。

由表1可見，在時間尺度上，雨季各項水質(zhì)指標的污染指數(shù)均高于旱季；以監(jiān)測點位ZQ019為例，雨季DO、COD、DIN和DIP污染指數(shù)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(zhì)量呈現(xiàn)從外灣向內(nèi)灣降低的趨勢。以雨季DIN為例，內(nèi)灣監(jiān)測點位GD082和ZQ019的污染指數(shù)分別為10.7和7.4，遠高于外灣監(jiān)測點位GD084和GD085對應的污染指數(shù)(3.7和3.9)。

2.1.2水體營養(yǎng)狀況時空分布特征

雨季和旱季深圳灣營養(yǎng)狀態(tài)質(zhì)量指數(shù)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(yǎng)狀態(tài)質(zhì)量指數(shù)均超過3，水體呈現(xiàn)富營養(yǎng)化狀態(tài)。在時間尺度上，雨季深圳灣營養(yǎng)狀態(tài)質(zhì)量指數(shù)普遍高于旱季；雨季營養(yǎng)狀態(tài)質(zhì)量指數(shù)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(yǎng)化程度均呈現(xiàn)從外灣向內(nèi)灣加重的趨勢。以雨季為例，靠近深圳河河口的內(nèi)灣區(qū)域營養(yǎng)狀態(tài)質(zhì)量指數(shù)達到15，相當于深圳灣灣口區(qū)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(shù)時空分布見圖3。在時間尺度上，雨季深圳灣有機污染指數(shù)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(shù)基本高于4，水體呈現(xiàn)有機重污染狀態(tài)；旱季內(nèi)灣有機污染指數(shù)普遍高于4，水體呈現(xiàn)有機重污染狀態(tài)，外灣有機污染指數(shù)普遍低于2，水體呈現(xiàn)較清潔狀態(tài)。在空間尺度上，無論旱季或雨季，水體有機污染程度呈現(xiàn)從外灣向內(nèi)灣加重的趨勢；以雨季為例，靠近深圳河河口的內(nèi)灣區(qū)域有機污染指數(shù)超過14，相當于深圳灣灣口區(qū)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(diào)查

深圳灣污染物入灣途徑及水質(zhì)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(zhì)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(nèi)水質(zhì)凈化廠共計7個，分別為蛇口水質(zhì)凈化廠、福田水質(zhì)凈化廠、埔地嚇水質(zhì)凈化廠、布吉水質(zhì)凈化廠、羅芳水質(zhì)凈化廠、濱河水質(zhì)凈化廠和西麗水質(zhì)凈化廠。蛇口水質(zhì)凈化廠尾水直接排放至珠江口，福田水質(zhì)凈化廠尾水直接進入深圳灣，其余5個水質(zhì)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(zhì)凈化廠尾水排放口。結(jié)合城市排水管網(wǎng)分布圖和實地調(diào)研情況，深圳灣沿岸現(xiàn)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(zhì)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(zhì)問題主要為氮磷營養(yǎng)鹽超標?？紤]到GB 3097—1997《海水水質(zhì)標準》以DIN和DIP約束氮磷營養(yǎng)鹽，GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》以NH3-N和TP約束氮磷營養(yǎng)鹽，而目前學術(shù)界關(guān)于NH3-N與DIN、TP與DIP之間的轉(zhuǎn)換關(guān)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(zhì)凈化廠尾水、面源與截排溢流污染)對深圳灣的影響。根據(jù)深圳市規(guī)劃和自然資源局提供的2017—2018年深圳灣逐季度水質(zhì)數(shù)據(jù)，深圳灣DIN和DIP旱季全域平均質(zhì)量濃度分別為1.1 mg/L和0.076 mg/L，雨季全域平均質(zhì)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(zhì)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(zhì)量濃度最大值分別為1.27 mg/L和0.34 mg/L。

a. 珠江口水質(zhì)。珠江口旱季和雨季DIN平均質(zhì)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(zhì)量濃度(1.1 mg/L和 2.5 mg/L)。珠江口旱季和雨季DIP平均質(zhì)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(zhì)量濃度(0.076 mg/L和0.152 mg/L)。可見，珠江口DIN和DIP的質(zhì)量濃度總體上較深圳灣現(xiàn)狀水質(zhì)的質(zhì)量濃度偏低。

b. 水質(zhì)凈化廠尾水。深圳灣流域內(nèi)水質(zhì)凈化廠尾水氮磷營養(yǎng)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(zhì)凈化廠尾水中NH3-N和TP的質(zhì)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(jīng)過尾水提標改造工程，水質(zhì)凈化廠尾水現(xiàn)狀處理能力已達到較高水平，NH3-N和TP的質(zhì)量濃度均在深圳灣現(xiàn)狀水質(zhì)波動范圍內(nèi)(0.25～1.27 mg/L和0.15～0.34 mg/L)。

表2 深圳灣流域內(nèi)水質(zhì)凈化廠尾水營養(yǎng)鹽質(zhì)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(yǎng)鹽質(zhì)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(zhì)量濃度均劣于地表水V類標準(2 mg/L)，最大質(zhì)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(zhì)量濃度均劣于地表水V類標準(0.4 mg/L)，最大質(zhì)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(xiàn)狀水質(zhì)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(zhì)量濃度最大值(1.27 mg/L)，最大質(zhì)量濃度分別可達深圳灣全域平均質(zhì)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(zhì)量濃度最大值(0.34 mg/L)，最大質(zhì)量濃度分別為深圳灣全域平均質(zhì)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(zhì)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(xiàn)狀水質(zhì)，可見，采取旱季污水收集、水質(zhì)凈化廠尾水提標改造等水環(huán)境治理措施后，面源與截排溢流污染對深圳灣水質(zhì)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(zhì)的影響，基于深圳河河口2016年雨季逐小時降水數(shù)據(jù)，利用SWMM(storm water management model)對深圳側(cè)面源與截排溢流污染負荷進行估算。SWMM模型作為動態(tài)降水-徑流模擬模型，被廣泛應用于城市地區(qū)面源與截排溢流污染模擬[17]。模擬結(jié)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(yǎng)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(huán)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(yǎng)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(yǎng)鹽已嚴重超標，從環(huán)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(jié) 論

a. 深圳灣現(xiàn)狀達不到海水Ⅲ類的水質(zhì)目標，關(guān)鍵污染因子為DIN和DIP。水質(zhì)時空分布規(guī)律明顯，時間尺度上，雨季水質(zhì)普遍劣于旱季，雨季營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)和有機污染指數(shù)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(yǎng)化和有機污染程度呈現(xiàn)從外灣向內(nèi)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(zhì)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(zhì)凈化廠尾水、面源與截排溢流污染。采取旱季污水收集、水質(zhì)凈化廠尾水提標改造等水環(huán)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(yǎng)鹽質(zhì)量濃度可達地表水V類標準和深圳灣現(xiàn)狀水質(zhì)的4.55～14.9倍。其次，深圳灣流域雨季氮磷營養(yǎng)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(yǎng)鹽容量的深圳灣水環(huán)境造成嚴重沖擊。