深圳湾水质时空分布特征及污染源解析

梁志宏，陈秀洪，罗 欢，吴 琼，李木桂

(珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广东 广州 510635)

海湾作为陆海相互作用的过渡地带，是强烈人为干扰作用的承受区域[1-2]。一方面，随着经济高速发展，海湾水环境问题日益突出，严重威胁湾区经济发展、滨海景观带效果和海洋生态环境，受到越来越多学者的关注。宋南奇等[3]指出2000年以后，渤海赤潮发生频率明显增加，赤潮的分布范围更加广泛；李俊龙等[4]发现长江口、杭州湾、珠江口、钦州湾、胶州湾、温州湾、福清湾、海河口、辽河口和泉州湾等多个河口海湾均存在不同程度的富营养化现象；Hayn等[2]研究发现从20世纪90年代中后期开始，布扎兹海湾氮负荷增加3倍以上；Glibert等[5]研究发现从1991年开始，佛罗里达海湾中部和西部区域出现水华现象。另一方面，海湾污染途径复杂多样，其水质同时受到陆源污染和海洋外来污染的影响，生态系统较为脆弱[6]。国内外学者尝试多种方法[7-8]对海湾主要污染源进行解析，杨斌等[9]应用Pearson相关分析法，指出陆源输入的营养盐及贝类养殖是钦州湾水质变化的主要驱动因子；李飞等[10]通过空间聚类分析和因子分析方法，发现海州湾主要污染源为陆域污染；Norozcoborbo等[11]采用多种数学统计分析方法，指出径流污染和污水处理厂尾水对墨西哥恩森纳达海湾水环境影响突出；Zhou等[12]利用聚类分析、判别分析和旋转主成分分析等方法，发现径流污染等因素对香港东部沿海水环境冲击较大。

深圳湾毗邻港澳，背靠珠三角，地处亚太主航道，具有发展湾区经济的领导优势和经济基础。近年来，深圳湾周边先后建造了国家级红树林保护区、海滨生态公园、滨海大道等工程，成为深圳市的重要景观带，又是我国城市中心区唯一红树林生态湿地所在地。深圳湾地区突出的水环境问题与其高标准定位格格不入，现状水质难以满足海洋功能区划要求(海水Ⅲ类标准)，对深圳市和香港两地的经济发展与生态环境优化等影响重大。随着河长制、水生态文明建设等国家政策的提出，深圳市已开展旱季污水收集、尾水提标改造等多项水环境治理措施[13]，流域水环境形势发生较大改变。基于此，面对深圳湾水质问题突出的严峻现实，立足于深圳水环境治理逐见成效的新背景，本文广泛收集深圳湾、珠江口、深圳湾流域水质净化厂尾水、面源与截排溢流污染等最新水质数据，系统分析深圳湾水质时空分布特征，解析入湾污染途径及主要污染源，以期为深圳湾下一步水环境治理工作提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

深圳湾是珠江河口伶仃洋东部的半封闭河口湾，处于深圳和香港两地的分界线上，位置为 113°53′E～114°03′E，22°24′N～22°32′N(图1)。深圳湾纵深约14 km，平均宽度7.5 km，平均水深仅为 2.9 m，湾内水域面积92.17 km2，以东角头至对岸白泥为界分为内湾和外湾。深圳湾深圳侧集水区面积367.97 m2。流域内河流众多，其中后海河、大沙河、小沙河、凤塘河、新洲河和深圳河直接流入深圳湾。

图1 深圳湾地理位置与监测点位分布

1.2 数据与方法

1.2.1数据来源

深圳湾逐季度水质数据由深圳市规划和自然资源局提供，水质指标包括溶解氧(DO)、化学需氧量(COD)、无机氮(TIN)、活性磷酸盐(TIP)、氨氮(NH3-N)和总磷(TP)。利用2017年3月、2017年10月、2018年3月水质数据的平均值表征深圳湾旱季水质特征，2017年5月、2017年8月、2018年6月、2018年9月水质数据的平均值表征深圳湾雨季水质特征。深圳湾流域水质净化厂尾水水质数据来自2018年《深圳市水质净化厂进出水数据每日一报》。面源与截排溢流污染数据来自2018年8月27—28日暴雨期间深湾一路溢流井和大沙河截排箱涵溢流水体连续监测样本，所有样本的采集及检测分析严格按照GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中相应的方法。深圳湾流域雨季(4—9月)逐小时降水数据来自长江水利委员会水文局的《深圳河定期连续水文测验及分析任务》，气象站点位于深圳河河口。

1.2.2评价标准

根据《深圳市海洋功能区划》，深圳湾属于三类环境功能区(一般工业用水区、滨海风景旅游区)，水质要求达到海水Ⅲ类标准。根据《深圳市地表水环境功能区划》，深圳湾流域范围内入湾河流属于一般景观用水区，水质要求达到地表水V类标准。因此，本研究采用我国现行的GB 3097—1997《海水水质标准》中海水Ⅲ类标准和GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中地表水V类标准分别作为深圳湾和陆源入湾水体水质是否达标的评价标准。

1.2.3研究方法

a. 采用单因子污染指数法[14]对深圳湾水质进行评价，计算公式为

(1)

式中：Si为单因子污染指数，当Si>1，表明该水质指标超过了规定的水质标准限值，Si越大表明相应指标超标越严重；ρi为某一水质指标质量浓度的实测值；ρS0为某一水质指标质量浓度的标准值，根据《深圳市海洋功能区划》，深圳湾执行海水Ⅲ类标准，则ρS0(DO)=4 mg/L，ρS0(COD)=4 mg/L，ρS0(DIN)=0.4 mg/L，ρS0(DIP)=0.03 mg/L。

b. 采用营养状态质量指数法[15]对深圳湾富营养化水平进行评价，计算公式为

(2)

式中：INQ为营养状态质量指数；ρS1为某一水质指标营养状态水平标准值，根据《深圳市海洋功能区划》，深圳湾执行海水Ⅲ类标准，参考文献[17]，则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为富营养化水平，INQ<2为贫营养化水平，2≤INQ≤3为中营养化水平。

c. 采用有机污染指数法[16]对深圳湾有机污染程度进行评价，计算公式为

(3)

式中A为有机污染指数，A>4为重污染，3

2 结果与分析

2.1 深圳湾水质时空分布特征

表1 深圳湾各水质指标污染指数时空分布

2.1.1水质指标时空分布特征

深圳湾雨季和旱季各项水质指标污染指数时空分布见表1。由表1可见，各个监测点位DIN和DIP的污染指数无论在旱季还是雨季均超过1，不满足海水Ⅲ类标准；对于DO和COD，除靠近深圳河河口的监测点位GD082外，其余监测点位的污染指数均低于1，达到海水Ⅲ类标准。结合深圳市海洋局和香港环境保护署历年公布的《深圳市海洋环境状况公报》和《香港海水水质》，2010年以来，深圳、香港双方围绕深圳湾开展了多项水环境治理措施，深圳湾水质逐步得到改善，但现状水质仍达不到海水Ⅲ类的水质目标，关键污染因子为DIN和DIP，表现为氮磷营养盐超标。

由表1可见，在时间尺度上，雨季各项水质指标的污染指数均高于旱季；以监测点位ZQ019为例，雨季DO、COD、DIN和DIP污染指数分别为0.9、1.0、6.6和7.4，相当于旱季的1.1～2.6倍。在空间尺度上，无论旱季或雨季，水体质量呈现从外湾向内湾降低的趋势。以雨季DIN为例，内湾监测点位GD082和ZQ019的污染指数分别为10.7和7.4，远高于外湾监测点位GD084和GD085对应的污染指数(3.7和3.9)。

2.1.2水体营养状况时空分布特征

雨季和旱季深圳湾营养状态质量指数时空分布见图2。由图2可见，无论旱季或雨季，深圳湾整体营养状态质量指数均超过3，水体呈现富营养化状态。在时间尺度上，雨季深圳湾营养状态质量指数普遍高于旱季；雨季营养状态质量指数范围为 5.6～15，相当于旱季的1.1～1.6倍。在空间尺度上，无论旱季或雨季，水体富营养化程度均呈现从外湾向内湾加重的趋势。以雨季为例，靠近深圳河河口的内湾区域营养状态质量指数达到15，相当于深圳湾湾口区域的2.7倍。

2.1.3水体有机污染时空分布特征

雨季和旱季深圳湾有机污染指数时空分布见图3。在时间尺度上，雨季深圳湾有机污染指数普遍高于旱季，相当于旱季的1.1～7.4倍；雨季有机污染指数基本高于4，水体呈现有机重污染状态；旱季内湾有机污染指数普遍高于4，水体呈现有机重污染状态，外湾有机污染指数普遍低于2，水体呈现较清洁状态。在空间尺度上，无论旱季或雨季，水体有机污染程度呈现从外湾向内湾加重的趋势；以雨季为例，靠近深圳河河口的内湾区域有机污染指数超过14，相当于深圳湾湾口区域的2.7倍。

(a) 雨季

(b) 旱季

(a) 雨季

(b) 旱季

2.2 深圳湾污染源解析

2.2.1入湾污染源调查

深圳湾污染物入湾途径及水质净化厂分布概况见图4。由图4可见，深圳湾污染源主要包括珠江口外来污染、水质净化厂尾水、面源与截排溢流污染，通过入湾河口、入湾污水排放口和入湾雨水排放口3个途径进入深圳湾。入湾河口共计6个，分别为后海河河口、大沙河河口、小沙河河口、凤塘河河口、新洲河河口和深圳河河口。流域内水质净化厂共计7个，分别为蛇口水质净化厂、福田水质净化厂、埔地吓水质净化厂、布吉水质净化厂、罗芳水质净化厂、滨河水质净化厂和西丽水质净化厂。蛇口水质净化厂尾水直接排放至珠江口，福田水质净化厂尾水直接进入深圳湾，其余5个水质净化厂尾水均通过入湾河口最终进入深圳湾。入湾污水排放口为尾水直接入湾的福田水质净化厂尾水排放口。结合城市排水管网分布图和实地调研情况，深圳湾沿岸现状入湾雨水排放口共计34个，湾口至后海河河口沿岸一带共计11个，后海河河口至深圳河河口共计23个。对比旱季，雨季深圳湾污染来源增加了面源与截排溢流污染，污染物入湾途径增加了入湾雨水排放口。

图4 深圳湾污染物入湾途径及水质净化厂分布

2.2.2主要污染源解析

基于以上研究，深圳湾水质问题主要为氮磷营养盐超标。考虑到GB 3097—1997《海水水质标准》以DIN和DIP约束氮磷营养盐，GB 3838—2002《地表水环境质量标准》以NH3-N和TP约束氮磷营养盐，而目前学术界关于NH3-N与DIN、TP与DIP之间的转换关系尚不明确，本研究从DIN、DIP、NH3-N和TP的角度分别探讨珠江口外来污染、流域陆源污染(水质净化厂尾水、面源与截排溢流污染)对深圳湾的影响。根据深圳市规划和自然资源局提供的2017—2018年深圳湾逐季度水质数据，深圳湾DIN和DIP旱季全域平均质量浓度分别为1.1 mg/L和0.076 mg/L，雨季全域平均质量浓度分别为 2.5 mg/L 和0.152 mg/L；NH3-N和TP旱季全域平均质量浓度最小值分别为0.25 mg/L和0.15 mg/L，雨季全域平均质量浓度最大值分别为1.27 mg/L和0.34 mg/L。

a. 珠江口水质。珠江口旱季和雨季DIN平均质量浓度分别为0.7 mg/L和1.5 mg/L，低于深圳湾旱季和雨季全域平均质量浓度(1.1 mg/L和 2.5 mg/L)。珠江口旱季和雨季DIP平均质量浓度分别为0.077 mg/L和0.123 mg/L，基本低于深圳湾旱季和雨季全域平均质量浓度(0.076 mg/L和0.152 mg/L)。可见，珠江口DIN和DIP的质量浓度总体上较深圳湾现状水质的质量浓度偏低。

b. 水质净化厂尾水。深圳湾流域内水质净化厂尾水氮磷营养盐浓度见表2。2018年西丽、福田、布吉一期、布吉二期、埔地吓一期、埔地吓二期、罗芳和滨河水质净化厂尾水中NH3-N和TP的质量浓度均分别低于0.8 mg/L和0.3 mg/L，达到地表水V类标准(2 mg/L和0.4 mg/L)。可见，经过尾水提标改造工程，水质净化厂尾水现状处理能力已达到较高水平，NH3-N和TP的质量浓度均在深圳湾现状水质波动范围内(0.25～1.27 mg/L和0.15～0.34 mg/L)。

表2 深圳湾流域内水质净化厂尾水营养盐质量浓度

c. 面源与截排溢流污染。深圳湾面源与截排溢流污染氮磷营养盐质量浓度见图5。深湾一路混流井和大沙河截排箱涵各个时段NH3-N的质量浓度均劣于地表水V类标准(2 mg/L)，最大质量浓度分别为地表水V类标准的8.97倍和9.51倍。深湾一路混流井和大沙河截排箱涵各个时段TP的质量浓度均劣于地表水V类标准(0.4 mg/L)，最大质量浓度分别为地表水V类标准的5.05倍和4.55倍。

由图5可见，与深圳湾现状水质相比，深湾一路混流井和大沙河截排箱涵各个时段NH3-N均劣于深圳湾全域平均质量浓度最大值(1.27 mg/L)，最大质量浓度分别可达深圳湾全域平均质量浓度最大值的14.1倍和14.9倍。深湾一路混流井和大沙河截排箱涵各个时段TP基本劣于深圳湾全域平均质量浓度最大值(0.34 mg/L)，最大质量浓度分别为深圳湾全域平均质量浓度最大值的6.4倍和5.4倍。

(a) NH3-N

(b) TP

对比珠江口水体、水质净化厂尾水、面源与截排溢流水体等污染物浓度与深圳湾现状水质，可见，采取旱季污水收集、水质净化厂尾水提标改造等水环境治理措施后，面源与截排溢流污染对深圳湾水质的胁迫程度突出。为进一步研究面源与截排溢流污染对深圳湾水质的影响，基于深圳河河口2016年雨季逐小时降水数据，利用SWMM(storm water management model)对深圳侧面源与截排溢流污染负荷进行估算。SWMM模型作为动态降水-径流模拟模型，被广泛应用于城市地区面源与截排溢流污染模拟[17]。模拟结果表明，深圳湾流域 NH3-N 的面源与截排溢流总负荷分别为62.7 t和256.1 t，TP的面源与截排溢流总负荷分别为13.5 t和27.7 t。可见，雨季深圳湾流域面源与截排溢流入湾氮磷营养盐负荷分别达到了76.2 t和283.8 t。由于面源与截排溢流污染排放在时间上具有雨天集中排放的特点[18]，将对深圳湾水环境造成严重冲击。郑明凤等[19]指出面源与截排溢流污染将加剧深圳湾富营养化程度，甚至存在潜在赤潮风险。此外，鉴于深圳湾整个海域雨季和旱季氮磷营养盐已严重超标，从环境容量的角度来看，已无剩余容量而言[20]，有必要对面源与截排溢流污染采取严格的削减措施。

3 结 论

a. 深圳湾现状达不到海水Ⅲ类的水质目标，关键污染因子为DIN和DIP。水质时空分布规律明显，时间尺度上，雨季水质普遍劣于旱季，雨季营养状态指数和有机污染指数分别相当于旱季的1.1～1.6倍和1.1～7.4倍；空间尺度上，水体富营养化和有机污染程度呈现从外湾向内湾逐渐加重的趋势。

b. 深圳湾污染物入湾途径包括6个入湾河口(后海河河口、大沙河河口、小沙河河口、凤塘河河口、新洲河河口、深圳河河口)、1个入湾污水排放口(福田水质净化厂尾水排放口)和34个入湾雨水排放口；雨季深圳湾污染来源较旱季增加了面源与截排溢流污染，污染物入湾途径增加了入湾雨水排放口。

c. 深圳湾污染物来源包括珠江口外来污染、水质净化厂尾水、面源与截排溢流污染。采取旱季污水收集、水质净化厂尾水提标改造等水环境治理措施后，深圳湾主要污染源为面源与截排溢流污染。面源与截排溢流水体氮磷营养盐质量浓度可达地表水V类标准和深圳湾现状水质的4.55～14.9倍。其次，深圳湾流域雨季氮磷营养盐入湾负荷量大，深圳湾流域NH3-N的面源与截排溢流总负荷分别为62.7 t和256.1 t，TP的面源与溢流总负荷分别为13.5 t和27.7 t，将对已无剩余氮磷营养盐容量的深圳湾水环境造成严重冲击。