粤港澳大湾区2015—2019年入海河口水质变化趋势

2021-11-02董斯齐刘庆生颜凤芹苏奋振

水资源保护 2021年5期

董斯齐，黄翀，李贺，刘庆生，颜凤芹，苏奋振

(1.中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室，北京 100101；2.中国科学院大学资源与环境学院，北京 100049)

珠江三角洲地区位于广东省东南部，海陆交通便利，被称为我国的“南大门”，凭借着优越的区位条件和政策的大力扶持，工业化和城市化进程飞速推进，如今已成为我国开放程度最高、经济最活跃的地区之一。2015年，国家发展改革委员会、外交部和商务部联合发布《推动共建丝绸之路经济带和21世纪海上丝绸之路的愿景与行动》，其中明确提出“打造粤港澳大湾区”。2019年，国务院发布《粤港澳大湾区发展规划纲要》(简称“发展纲要”)，“粤港澳大湾区”逐步取代“珠三角城市群”，上升为国家层面的重大发展战略。发展规划纲要指出，推进粤港澳大湾区开发建设，要对标纽约湾区、旧金山湾和东京湾等国际一流湾区的生态环境质量和治理水平，将实施最严格的生态环境保护制度[1]。改革开放以来，粤港澳大湾区人口增长和城市化的快速发展，生产生活污水大量排放，导致区域内陆水体和近岸海域污染严重，其中入海河流带来的污染是海湾最主要的陆域污染源[1]。近年来，地方政府投入了大量的人力物力，污水减排取得一定效果[2-3]，但目前的水环境质量相比国际一流湾区建设要求仍有较大差距。“十三五”期末(2020年底)，广东省人均GDP约15 000美元，根据发达国家的经验，这一阶段大多数污染物将达到排放峰值，也是生态环境质量转变的“拐点期”[4]。加强粤港澳大湾区水环境污染治理，保障水环境容量安全，是粤港澳大湾区城市群可持续发展的前提和基础。明确影响大湾区主要入海河流水质的主要污染物，分析大湾区水质污染现状和变化趋势，对粤港澳大湾区近岸海域污染治理和生态环境保护具有重要的指导意义。国内外学者基于污染指数法、主成分分析法和回归分析法等方法，对粤港澳大湾区不同城市水质状况进行了广泛研究[5-14]，但研究内容主要集中于城市内部河流、湖泊及水库等地表水的水质评价，缺乏对入海河口的水质评价和变化趋势研究。实际上，入海河口的水质状况更能体现陆源污染对海域的影响。本文针对粤港澳大湾区2015—2019年入海河口水质污染状况和污染物浓度变化趋势进行分析，以期为粤港澳大湾区水环境污染治理提供参考。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

粤港澳大湾区(111°21′E～114°53′E，21°28′N～24°29′N)位于我国东南部沿海，地处珠江流域下游和粤东粤西沿海，是由广东省广州、深圳、珠海、佛山、惠州、东莞、中山、江门和肇庆等9个城市，以及香港、澳门两个特别行政区组成的城市群，陆域总面积约为5.6万km2[15]。大湾区地势北高南低，西部、北部和东部为丘陵山地环绕，中部、南部以冲积平原为主，呈相对闭合的“三面环山、一面临海、三江汇流、八口出海”的独特地形地貌[16]。大湾区气候属亚热带海洋季风气候，年均降水量1 720 mm，区域内河网水系密布，水道纵横交错，相互贯通，汇集了西江、北江、东江和众多中小河流，各类河流324条，河道总长1 600 km，河网密度高达 0.83 km/km2[17]。大湾区主要包括西北江三角洲流域、东江流域、粤东诸河流域和粤西诸河流域，其中西北江三角洲流域包括西江和北江流域。西江、北江流域主要为肇庆市，西北江三角洲流域包括江门、佛山、广州、中山、珠海、澳门，东江流域包括惠州、广州、东莞、深圳、香港。区域内河口海湾众多，如珠江河口、大亚湾、大鹏湾、广海湾及北海湾等，充沛的降水和密集的河网带来了丰富的水资源，水资源总量约3 742亿m3。但由于城市建设和工业的快速开发，以及密集的人口和工业活动带来的高强度负荷，水体污染情况较为普遍。

1.2 数据来源

粤港澳大湾区入海河口水质监测数据来源于广东省生态环境厅公众网(http://gdee.gd.gov.cn/)公布的2015—2019年的广东省入海河流水质监测数据，该数据逐月记录了大湾区主要入海河口监测断面的30多项水质信息。粤港澳大湾区行政区划和河流水系数据来自国家基础地理信息数据库(http://www.webmap.cn/main.do?method=index)。

本文收集的入海河口水质监测资料，包括莲花山、沙田泗盛、蕉门、洪奇沥、中山港码头、珠海大桥、鸡啼门大桥、苍山渡口等8个监测断面，其中，莲花山、沙田泗盛位于东江流域，其余6个监测断面位于西北江三角洲流域，监测断面分布见图1。水质监测频率为每月1次，监测项目包括pH值、高锰酸盐指数、BOD5、NH3-N、TN、TP和石油类等30项指标。评价指标的选择是在对监测数据初步筛选后进行，排除监测结果长期为未检出或满足Ⅰ类水质要求的监测项目。最终，选用我国GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中BOD5、NH3-N、COD、TP、TN和重金属元素污染物Hg、Pb、Cu、Zn、Cr6+、Cd等11项指标进行研究。

图1 粤港澳大湾区入海河口水质监测断面分布

1.3 研究方法

1.3.1污染指数法

污染指数法是国内外评价河流污染水平时比较常用的一种方法，评价指标涉及各类有机污染物和无机污染物等。本文所使用的污染指数包括单因子污染指数和内梅罗综合污染指数。

单因子指数法基于水质实测数据和水质评价标准进行对比分析，选取水质最差的类别即为评价结果，计算公式为

(1)

式中：Ii为评价因子i的污染指数；Ci为评价因子i的实测值；Coi为评价因子i的水质标准值。参照GB 3838—2002《地表水环境质量标准》确定评价标准，对于越小越优的指标，Ii≤1即为符合标准，对于越大越优的指标，Ii≥1即为符合标准。

内梅罗综合污染指数法是考虑所有参加评价的污染因子的方法，计算公式为

(2)

式中：Ip为内梅罗指数，Ip≤1说明水质较好，Ip>1说明水质较差；Iimax为所有评价因子中污染指数最大值；¯I为所有评价因子的单因子污染指数平均值。

1.3.2季节性Kendall检验法

季节性Kendall检验法是由Hirsch等[18]于1982年提出的一种水质评价方法，是一种非参数统计方法，因其不受样本值、分布类型及少数异常值等因素的干扰而较为广泛地应用于水文、气象等要素系列呈现非正态分布的领域[19-22]。该方法原理是将历年相同月的水质资料进行比较，避免了由于河流径流量季节周期变化对以浓度为单位的水质指标检测值产生的影响。

季节性Kendall检验法计算公式可参考文献[23]，比较前后两年相同月的水质污染物的浓度值，若后一年份的值高于前一年的值则记为“+1”，小于前一年的值记为“-1”，相等记为“0”。若“+1”的次数比“-1”次数多，则可能为上升趋势，反之则可能为下降趋势，若“+1”和“-1”的个数相等，则不存在上升或下降趋势。

2 结果与分析

2.1 单因子污染程度

根据广东省生态环境厅公布的《广东省水环境功能区划》河流部分的水质控制目标，可知大湾区各入海河口监测断面的水质控制目标：莲花山为Ⅳ类，沙田泗盛为Ⅱ类，蕉门、洪奇沥、中山港码头、珠海大桥、鸡啼门大桥和苍山渡口均为Ⅲ类。按照 GB 3838—2002《地表水环境质量标准》，计算2015—2019年大湾区8个入海河口水质监测断面11个指标单因子污染指数，对大湾区入海河口氮磷污染、有机污染及重金属污染情况进行分析。

2.1.1氮磷污染状况

由于氮磷营养元素的含量超过水生生物生长需求而造成的水质恶化现象称为氮磷污染。对水体而言，最严重的问题是氮磷等营养物质大量进入引起水中营养元素过剩导致水体富营养化。通过计算得到2015—2019年粤港澳大湾区主要入海河口水质监测断面的NH3-N、TN、TP 3个指标的单因子污染指数，结果见图2。由图2可见，TN超标最为严重，除2015年在珠海大桥和鸡啼门大桥断面符合控制标准外，2016—2019年污染指数在8个断面均超标，介于1.5～5.0之间。2015—2019年，除沙田泗盛断面外，其余各断面的NH3-N和TP的污染指数均小于1，表明粤港澳大湾区入海河口的NH3-N和TP污染情况较轻。污染最严重的沙田泗盛断面，TN、TP和NH3-N的污染指数均呈下降趋势。总体上，导致粤港澳大湾区主要入海河口氮磷污染的物质为TN，TP与NH3-N污染较轻。

(a) 莲花山

2.1.2有机污染状况

水体有机污染主要是指由城市污水、食品工业和造纸工业等排放含有大量有机物的废水所造成的污染，有机污染物在水中进行生物氧化分解过程中，需消耗大量氧，COD和BOD5是水体受有机物污染的代表性指标。通过计算得到2015—2019年粤港澳大湾区入海河口水质监测断面的COD和BOD5的单因子污染指数如图3所示。由图3可见，在8个入海河口监测断面中，除沙田泗盛外，其余断面的COD与BOD5的污染指数均小于1，符合其水环境功能区水质控制标准。沙田泗盛断面有机污染相对较重，BOD5的污染指数在1.0～1.5之间，但呈逐渐下降趋势。

(a) 莲花山

2.1.3重金属污染状况

水体的重金属污染是工业生产过程中产生的含有Cr6+、Cd、Cu、Hg等重金属离子的废水进入水体造成的污染。计算2015—2019年大湾区入海河口水质监测断面的Hg、Pb、Cu、Zn、Cd、Cr6+重金属元素的单因子污染指数，结果见图4。由图4可见，2015—2018年8个监测断面的重金属污染指数均为达标状态，其值介于0～0.4之间；2018年后，沙田泗盛与鸡啼门大桥两个断面的Hg污染指数急速上升，超过1.0，变为不达标，其中鸡啼门大桥断面2019年Hg污染指数达到水质标准的1.6倍，污染严重超标。从污染物类型看，Hg的污染指数要大于其他重金属污染物，除苍山渡口外的7个断面Hg的污染指数在2018—2019年均呈上升趋势。总体上看，大湾区入海河口重金属污染状况较轻，污染主要集中在沙田泗盛和鸡啼门大桥断面，主要污染物为Hg。

(a) 莲花山

2.2 综合污染程度

根据内梅罗综合污染指数对水体污染等级进行划分，可以确定水体的综合污染等级。综合污染指数等级分级标准为：小于1为清洁水质，介于1～2之间为轻度污染水质，2～3之间为中度污染水质，3～5之间为重度污染水质，大于5为严重污染水质。各断面的内梅罗综合污染指数变化情况见图5，可见粤港澳大湾区入海河口水环境污染状况不容乐观，所有8个监测断面均长期处于污染状态。其中，污染最严重的是沙田泗盛断面，2015年为重度污染，2016—2019年为中度污染，其内梅罗指数呈下降趋势，说明污染有好转趋势。鸡啼门大桥和珠海大桥两个监测断面在2015年为清洁状态，2016—2019年为轻度污染，其内梅罗指数为上升趋势，说明污染呈加重趋势。莲花山、蕉门、洪奇沥、中山港码头和苍山渡口5个断面的内梅罗指数在1.5～2.0之间波动，均为轻度污染状态，变化不明显。

图5 各监测断面的水质内梅罗综合污染指数变化

2.3 主要污染指标浓度变化趋势

由前文分析结果可知，目前粤港澳大湾区主要入海河口水环境污染的主要类型为氮磷污染和有机污染。粤港澳大湾区属亚热带海洋季风气候，其河流流量具有季节特征，每年4—9月为汛期，10月至次年3月为非汛期[24]，由于水质评价标准为污染物浓度值，因此评价结果受河流流量影响较大。在进行粤港澳大湾区入海河口污染指标的浓度变化分析时，为避免季节性对监测数据的影响，对2015—2019年粤港澳大湾区入海河口水质监测数据采用季节性Kendall检验法进行趋势分析，结果见表1。

表1 大湾区入海河口监测断面水质趋势分析结果

由图4和表1可知，沙田泗盛断面水质现状为中度污染，但所有水质指标浓度均为高度显著下降趋势。洪奇沥断面的TN浓度显著下降，但COD浓度高度显著上升，氮污染好转，有机污染加重。蕉门断面COD和TP浓度均显著上升，有机污染和富营养化污染加重。鸡啼门大桥和珠海大桥断面目前为轻度污染等级，BOD5、NH3-N、COD浓度虽均呈高度显著下降趋势，在TP持续排放的同时，其主要污染TN浓度为高度显著上升趋势，水体富营养化呈加重趋势。中山港码头断面水质污染较轻，除NH3-N浓度无明显变化外，其他水质指标浓度高度显著下降，且呈快速好转趋势。苍山渡口断面NH3-N浓度呈高度显著下降，但由于NH3-N污染指数已经很小，而其他主要污染物排放无显著变化，断面水质好转趋势不明显。

从流域看，东江流域入海河口水质污染现状为中度污染，但莲花山和沙田泗盛2个监测断面趋势分析数据显示大多数污染物浓度下降，总体上呈好转趋势。西北三角洲流域各入海河口监测断面污染较轻，但其主要污染物TN浓度呈上升状态，水质有恶化趋势。从监测项目看，BOD5浓度下降趋势最为显著，有7个断面(莲花山、沙田泗盛、洪奇沥、蕉门、鸡啼门大桥、珠海大桥、中山港码头)的BOD5浓度均显著下降。此外，5个断面(莲花山、沙田泗盛、鸡啼门大桥、珠海大桥、苍山渡口)的NH3-N和4个断面(沙田泗盛、鸡啼门大桥、珠海大桥、中山港码头)的COD浓度下降明显，改善情况较好。TP和TN浓度变化趋势不容乐观，90%的断面显示TP浓度无下降趋势，近50%断面的TN污染无好转趋势，TN是影响大湾区入海河口水环境质量的主要污染物。

2.4 水环境质量变化驱动因素分析

张伟等[25-26]的研究结果显示，珠江口及毗邻海域由无机氮、活性磷酸盐引起的海域营养盐含量超标现象突出。梁志宏等[27]基于深圳湾、珠江口、水质净化厂尾水、面源与截排溢流水体等水质数据，系统分析了深圳湾水质时空分布特征及其污染物来源，结果表明深圳湾现状水质不达标，关键污染因子为无机氮(DIN)和活性磷酸盐(DIP)。这些研究结果与本研究结果一致，当前影响粤港澳大湾区入海河口水质的主要污染类型仍为氮磷污染，氮磷污染依然是粤港澳大湾区水污染防治的主要问题，且氮污染程度高于磷污染。

粤港澳大湾区不同入海河口重金属污染状况存在差异。重金属污染分析结果显示，位于广州、东莞和珠海的入海河口重金属含量略高，Hg浓度较高的区域分布于沙田泗盛、鸡啼门大桥、洪奇沥和中山港码头附近，苍山渡口和珠海大桥重金属污染物主要为Cr6+，这可能是由污染来源不同造成的。刘宝林等[28]发现珠江干流的重金属污染呈现明显的城市来源特征，经济发展程度存在差异的不同城市河段重金属污染存在明显差异，重金属Cu、Zn、Pb、Cr、Ni主要来自工业废水、生活污水及混合排放污水。张起源等[29-30]对过去珠江出海口及近岸海域的重金属污染程度进行了分析，八大出海口门水体受重金属污染程度在清洁到轻度污染之间，重金属综合生态风险处于“低等”水平，这与本文分析结果一致，近年来粤港澳大湾区重金属污染维持在较低水平。

污染最严重的区域为东江南支流入海口的沙田泗盛断面，单因子污染指数分析结果显示，2015—2019年该断面BOD5、TN、NH3-N均未达到水质控制标准，其中TN、NH3-N严重超标。综合污染指数结果显示该断面2015—2019年污染程度在中度污染以上，最高达到3.49，为重度污染。东莞市于2019年初开展了断面水质达标攻坚行动，制定并实施了污水处理设施提标改造方案，要求东莞市近岸海域汇水区域内的污水处理设施出水达到广东省《水污染物排放限值》的较严值，并明确规定了沙田泗盛断面的水质目标由Ⅳ类水质在2020年改善到Ⅲ类。从沙田泗盛断面的水质变化趋势可以看出，在主要污染物TN浓度及综合污染指数持续上升2年后，于2019年显著下降，这表明落实严格的水环境保护政策是改善入海水质的重要途径。

陆源污染物经河流入海是近岸海域水环境与生态系统的主要威胁。广东省海洋与渔业局调查显示，2015年珠江携带入海的污染物总量为 243.68万t，2017年为325.27万t，增加了81.59万t。2017年珠三角地区沿岸的32个入海排污口中，有5个排污口存在排放超标现象，超标指标为COD、NH3-N和TP等[31]。由综合污染等级分析结果可知，流经广州和东莞等城市的河流，在入海河口水质污染等级较高，广州和东莞经珠江口排放的污染物是粤港澳大湾区近岸海域主要的陆源污染源，由珠海、澳门和香港入海的污染物较少。根据当前粤港澳大湾区陆源污染物经河口流入海的污染趋势看，包含氮磷元素的营养盐排放量呈上升趋势，这导致粤港澳大湾区海域赤潮灾害频繁发生，2017年发生了5起赤潮，受灾面积达91.2 km2[31]。粤港澳大湾区水生态足迹研究结果表明，2000—2014年粤港澳大湾区水资源生态足迹呈上升趋势，在结构上，水污染足迹占水资源生态足迹的比例最大，城镇生活污水、人均GDP、工业废水是影响水资源生态足迹的最主要因素[32]。虽然2010—2017年粤港澳大湾区万元GDP水资源生态足迹下降40.7%，但水生态容量现状仍然为赤字[33]。随着粤港澳大湾区经济和城市化的快速发展，虽然人均水资源量远高于全国平均水平，但由于水污染导致的水质型缺水问题已经成为影响粤港澳大湾区水资源可持续利用的关键因素。

世界先进湾区的水环境都经历了先污染后治理的过程，实现粤港澳大湾区经济社会可持续发展的根本途径，是对入海污染物实施总量控制。当前粤港澳大湾区入海河口水质污染问题，实质上是陆源污染物入海总量控制问题，需要通过由海向陆地追溯污染物来源，基于“海陆统筹、以海定陆”的原则，由陆向海针对性地提出污染治理措施，实现海陆统筹下的治理体系，从而促进粤港澳大湾区可持续发展。