快速城市化对深圳水环境的影响分析

蒋 钰,张秋英,李发东,胡江玲,李曹乐,王 凡

(1.新疆师范大学地理科学与旅游学院,新疆 乌鲁木齐 830000;2.中国环境科学研究院,北京 100000;3.中国科学院地理科学与资源研究所,北京 100000)

随着全球经济的快速发展和人口增长的不断加速,城市化进程也在以前所未有的速度迅猛发展。根据《联合国世界城市化前景》,到2050年,全球68%的人口将生活在城市地区[1]。中国的常住人口的城镇化率在2021年达到了64.72%,根据《中国农村发展报告2020》预计2025年将达到65.5%,2050年前可能达到70%以上[2]。城市化率达到30%～70%时为快速发展的城市化中期阶段,在此阶段,日益增长的资源需求将对环境造成压力,使得城市环境出现如土地利用和土地覆盖变化[3-4]、大气环境变化[5]、环境污染[6-7]和水质退化等一系列问题[8],这些问题对可持续发展产生了不利的影响。其中,水环境问题尤为突出和严重[9],随着城市化进程的加快,城市用水需求和用水量不断增加,加剧了城市水资源短缺。截至目前,中国661个城市中有三分之二缺水,其中110多个城市因城市人口增长和城市工业发展而严重缺水[10]。研究城市化与水资源利用的互动关系,可为解决这些地区水资源问题的经济和生态可持续发展提供科技支撑。

深圳作为中国最早开放的城市,自改革开放以来经历了快速城市化过程,常住人口40年间增长了56倍。“十三五”时期深圳的GDP年平均增长速度达到了21.6%,截至2020年深圳GDP总量为2.77万亿元,仅次于上海和北京[11]。随着社会经济活动的进行在居民生活水平得到改善的同时,人口过密、土地退化、环境污染等“城市病”日益突现,城市的自然生态环境也受到了影响[12]。深圳作为快速发展的大型城市,不到2 000 km2的面积容纳了1 700多万常住人口,使得城市环境问题日益突出[13]。作为城市自然生态环境的重要组成部分,河流水系及水环境受到社会经济发展的影响尤为显著,城市水生态系统面临严重的压力,如水资源短缺、水体富营养化和水污染等[14]。以往的一些研究表明,城市化与生态环境之间存在着复杂的影响关系[15]。水环境作为生态环境的重要组成部分,与城市化进程密切相关[16]。关于城市化对水环境的影响主要有2种观点。一种观点认为,随着城市化的发展,废污水回收治理措施的实施、绿色基础设施的建设和城市公共服务逐渐完善等,城市水质会得到改善,水资源利用效率得以提高,城市化对水环境带来的是积极影响[17-19]。另一种观点认为,城市化发展过程中的城市基础建设使得不透水面增加,改变了地表径流、峰值流量、暴雨频率和地下水补给[20-22]。影响了自然的水循环,会引发恶臭黑色、富营养化、水生物种生物多样性丧失等水环境问题,给水环境带来了消极影响。而水环境也对城市化进程有着制约作用。水资源是城市形成和发展的基础。不仅满足了城市居民的日常需求,而且对于城市工业产业可持续发展也有着重要作用[23]。

然而,城市化与水环境之间的影响关系由于不同城市的经济发达程度,产业结构和人口规模的差别尚不明确。因此需要研究城市化带来的人口增长、与水环境之间的具体影响关系,并在此基础上有针对性地采取措施,制定合理的政策,在快速城市化的同时改善城市水环境。本文采用Pearson相关分析,对深圳湾快速城市化发展与水环境中各水质指标之间的数量变化规律进行分析,探讨影响深圳湾水环境变化的主要因素,提出相应的发展对策,以期为快速城市化背景下的城市水环境管理提供科技支撑。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

深圳地处广东省东南沿海,南临香港新界,与香港仅深圳河一水之隔,北部与东莞、惠州接壤,东起大亚湾、大鹏湾,西濒珠江口和伶仃洋,属滨海半岛城市。深圳属于缺水型城市,城市供水大部分来自境外引水。2019年,深圳市(未含深汕)供水量20.62亿m3,其中17.61亿m3来自境外引水[24]。

深圳湾介于中国香港新界西北部和中国广东省深圳市南山区的东部对开海域,位于元朗平原以西、蛇口以东。本文以深圳湾流域内的大沙河、凤塘河和新洲河3条河流为研究区。大沙河发源于羊台山,纵贯深圳市南山区,干流长13.7 km,上游分左右两条支流,分别建有西丽水库和长岭陂水库,下游汇入深圳湾。凤塘河发源于北环大道以北的高丘地区,由上游的香茅水、三道渠、莲塘溪、龙井溪、甜水坑5条支流的汇水面积组成,由北向南流,最后流入深圳湾。新洲河紧邻凤塘河,为深圳河流域在福田区的支流(图1)。

图1 研究区概况

1.2 数据来源

1.2.1水环境指标

本研究时间尺度为2012—2020年,水环境参数数据来源于环境监测中心站对深圳湾流域的常规监测与中国环境科学研究院2012—2020年对GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中的溶解氧(DO)、化学需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)等 24 项指标的监测,监测时间为每年的 1—12 月,每月监测1次月度数据。综合考虑各项数据对水污染程度的表现能力,最终,选取溶解氧(DO)、高锰酸盐(CODMn)、化学需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、总磷 (TP)5项水环境评价因子,利用其历年均值分析深圳湾水环境的变化特征。

1.2.2社会经济数据

影响流域水环境的因素包括自然因素和社会经济因素,自然因素一般包括降水量、气温、水温等。由于研究区范围相对较小,降水量等因素基本一致,因此可以忽略自然因素对深圳湾流域水环境的影响。本文主要分析城市化过程中社会经济等因素对水环境的影响,在城市化过程中,流域人口数量和社会经济结构是影响流域水环境的主要因素,因此选择人口数量、国民生产总值、人均GDP以及废污排放量等作为城市化对深圳湾流域水环境影响的代表因素。相关数据见表1、2,来源于2012—2020年深圳市各区统计年鉴以及水资源公报。

表1 深圳市福田区社会经济动态变化

2 分析方法

2.1 水质单项指标时间变化分析

分别选取福田区和南山区内的6个断面2012—2020年6月的长序列水质数据,以此来表示研究区内的水质状况。分析DO、NH3-N、TP、COD、CODMn等5种指标的时间变化,其中具有多个监测点位的河流取其算术平均值[25]。

2.2 水质综合指标时间变化分析

本研究选取综合污染指数法对各条河流水质进行量化,用以确定研究水体的污染程度[26]。计算见式(1):

(1)

式中P——综合污染指数,P值越大表明河流水质的污染越严重;Pi——第i项污染物的污染指数:C——第i项污染物的年平均值;Si——污染物的评价标准;n——参与评价的污染指标项数。

本文以GB 3838—2002《地表水环境质量标准》表中的Ⅲ类水质标准限值为污染物评价标准,与其他值越小表示水质越好不同,DO值在不超过10 mg/L的范围内,越大表示水质越好,因此在计算总浓度时,对DO污染指数用Si/Ci计算[27],其他水质指标则用Ci/Si计算。

2.3 水质空间变化分析

选取各区在2012、2016、2020年的DO、CODMn、COD、NH3-N和TP共5项指标来分析水质的空间变化,使用ArcGIS10.8软件对5项水质指标分别进行空间插值分析。反距离权重法(Inverse Distance Weighted,简称 IDW)是基于“地理第一定律”基本假设提出的一种依据空间异质性和空间相关性从而进行加权平均内插的插值方法,主要是利用观测点与插值点之间的距离得出空间分布特征,离插值点越近的样本赋予的权重越大,属于确定性的内插方法[28]。该方法体现了空间变化特征,因此常被应用于生态环境治理等领域中。

2.4 Pearson相关分析

本研究选用皮尔逊相关系数来分析深圳湾人口动态变化以及产业结构变化对水环境的影响。皮尔逊相关系数(Pearson correlation coefficient),又称皮尔逊积矩相关系数,用来度量X、Y2个变量之间的相互关系,其取值范围介于-1和+1之间。2个变量相关间的皮尔逊相关系数为这2个变量的协方差与标准差的商[29],即式(2):

(2)

式(2)为总体相关系数ρXY。若用样本计算的协方差和标准差替代总体的协方差和标准差,则可得到样本相关系数r:

(3)

样本相关系数r可以表示X、Y2个变量之间的相关性,若r>0,表示X、Y2个变量之间是正相关关系;若r<0,则表示X、Y2个变量之间是负相关关系;|r|越接近1,相关性越强。

为了避免两变量之间的相关关系是偶然造成的,需要引入p值来检验X、Y两变量之间的显著性水平。当p<0.05时,说明两变量间存在显著的线性相关关系;当p>0.05时,则说明两变量间线性相关关系不显著。使用皮尔逊相关系数分析深圳湾人口动态变化以及产业结构变化对水环境的影响。在分析人口变化对水环境的影响时,由于深圳流动人口比例较大,因此仅选用常住人口数量变化代表人口变化的指标,不选用户籍人口作为指标。在分析产业结构对水环境的影响时,因为分析对象是水环境,除选用各产业GDP作为指标外,还选用了工业用水和第三产业用水作为指标。分析结果见表2。

表2 深圳市南山区社会经济动态变化

3 结果与分析

3.1 水质单项指标时间变化分析

图2所示,可以看出研究区河流水质中COD含量较高,即有机污染物为河流水质中的主要污染物成分。从污染物指标整体来看,研究区10年间污染指标整体呈先减少,后趋于平稳的形势。COD在福田区先减少后在一定范围内波动,其中2012年后出现骤降,主要原因是深圳市针对河流治理、污水处理等水环境问题出台了一系列政策,并实施大量水质改善工程。新洲河综合整治工程于2010年完工后,河流水质得到了改善,2012年福田河综合整治工程完工,使福田河水质大幅度提升,由于福田河与新洲河同为深圳河支流,且位于新洲河上游,新洲河水质得到了进一步改善。而南山区COD则呈现先增加后减少的趋势,其中极大值出现在2012年左右,在2014年后出现骤降,可能原因是2013年港深联合治理深圳河四期工程开工,以及2014年大沙河上游的龙华区雨水和再生水利用详细规划开始实施,建设了一系列再生水管网等,使下游南山区水质也得到了很大改善。CODMn、NH3-N则总体略有减少的同时在一定范围内波动,DO含量在波动中略微上升。而研究区内TP含量在10年间整体呈现下降趋势。就各个指标浓度而言,COD和NH3-N含量在福田区较高,而在南山区较低,其余各项指标在各区内差别不大。

a)新洲河(福田区)

3.2 水质综合指标随时间变化分析

运用各区监测断面6种污染指标数据求得综合污染指数变化特征见图3。与单项指标相同,各河流综合污染指标总体都呈下降趋势,其中福田区的平均综合污染指数较高,说明福田区的河流水质污染较南山区更为严重。原因可能是,福田区的水质受新洲河上游福田河水质恶化的影响,导致污染指数较高。就各区综合污染指数变化而言,福田区的变化更为明显,由2010年的10.30降低到2019年的2.39,水质好转幅度较大;这与深圳市政府实行的一系列水质综合治理措施有关,也与福田区产业结构有关,福田区第三产业占比高于南山区,第三产业造成的水体污染随着市政管道及生活污水处理设施的完善得到了很好的处理。南山区水质较好且变化较小。由此可以发现,近10年来,福田区水质相对较差,其水质好转幅度也较大,南山区的水质相对较好且变化幅度较小。

图3 水质综合指标变化特征

3.3 水质空间变化特征分析

使用ArcGIS10.8软件进行水质空间变化分析,由于采样点个数较少,选用反距离权重法进行插值分析,分析结果见图4。

a)COD

分析空间变化趋势可以发现研究区主要污染物为NH3-N、COD和TP,总体水质情况为:福田区内水质较差,而南山区水质相对较好。各区内水质空间变化趋势为:入湾河流的上游污染物含量低,水质较好,沿河流走向水质逐渐变差;其中福田区的新洲河入海口和凤塘河入海口水质污染最为严重。导致入海河口水质污染的主要原因是上游生活污水和工业园区废水的排放。而观察3个时期各区的水质变化可以发现,深圳湾水质总体呈现好转趋势,福田区水质虽然相较南山区整体较差,但也有逐渐好转的趋势,随着城市化的发展,深圳湾涉及的2个区水质均有好转的趋势。

3.4 人口动态变化对水环境的影响分析

研究表明,城市化带来的人口增长将造成城市生活源COD 入河量的大幅度增加[30]。此外,TP、NH3-N的含量也有所增加,但较于COD增加幅度较小且随着污水处理设施以及污水收集管网的完善可得到消减[30]。城市水环境恶化制约了水资源利用,对人口和城市化发展造成消极影响。同时,城市化带来的区域人口、经济规模和经济结构的演变,又反作用于地区用水量和用水结构,造成地区水环境质量发生变化[31]。将福田区和南山区的常住人口数据分别与相对应的水质数据进行相关性分析,分析结果见表3。

表3 深圳市各区常住人口数量与水质指标的相关性分析

由表3可知,总体上DO与人口数量呈正相关关系,其中福田区DO含量与人口的相关性更为显著(r=0.711,p=0.032)。NH3-N、COD、CODMn都与人口数量呈负相关关系,其中南山区COD指数与人口的相关性最为显著(r=0.901,p=0.05)。由此分析结果可得知,人口对水质指标的影响主要在DO、COD、NH3-N含量方面,TP的变化受人口数量影响较小。

深圳湾区涉及的2个区,福田区常住人口从2012年的133.05万人增加到2020年的155.41万人;南山区人口从2012年的110.85万人,增加到2020年的180.42万人;总人口从2012年的243.90万人,增加到2020年的335.83万人,增加了38%。更多的人口往往意味着更多的资源消耗,包括水资源和生活必需品,从而也导致了生活污水、垃圾等排放,增加了深圳河湾地区的污水和垃圾处理压力。目前,即便是最完善的污水收集和垃圾收集处理系统,都难免在雨季特别是暴雨季节存在污染物的渗漏。根据深圳市水资源公报数据,人均水资源量从2012年南山区62.38 m3变为2020年的72.50 m3,福田区由2012年的54.77 m3降至2020年的40.97 m3。福田区人均水资源减少了近14 m3,可见人口增加造成的影响。从用水组成看,2个区均以居民生活用水和城市用水为主,占比均超过40%。因此,随着城市化的快速发展,人口急剧增加,水资源量减少,污染物进入河湾地区的风险升高,由此增加了污染物处理的压力。人口的增长使得水资源变得紧张,水环境中NH3-N含量增加,由相关性分析可知,福田区人口增长对水环境中NH3-N含量的影响最大。南山区相较于福田区受人口增长的影响较小,水环境质量主要受产业结构等因素的影响。

3.5 产业结构对水环境的影响分析

由于河流水系中的污染主要来源于人类生产、生活之中,农业面源污染、工业废水及第三产业中产生的生活废水均对河流水质产生重要影响,而随着城市化进程的加快及不同产业结构的调整,排放到河流的污染物种类与数量均会随之发生改变,因此,研究不同产业的规模与污染指标浓度的关系有助于更好地认识不同产业对水环境带来的影响。

将福田区和南山区的产业结构数据分别与相对应的水质数据进行相关性分析,分析结果见图5、6。

图5 福田区产业结构与水质相关性分析

图5可知,福田区第二产业占比与NH3-N之间有着显著的负相关关系,相关系数值为-0.681,而与DO、CODMn、COD、TP共4项之间相关关系不显著。第三产业占比和DO之间有着显著的正相关关系(r=0.711 8,p=0.029),并与CODMn、COD之间有着显著的负相关关系,相关系数值分别为-0.784、-0.668。除此之外,第三产业占比与TP之间相关关系不显著。福田区工业用水量和DO、COD之间有着显著的负相关关系,和CODMn(r=0.827,p=0.006)、NH3-N(r=0.793,p=0.05)有着显著的正相关关系,与TP之间相关关系不显著。第三产业用水量与NH3-N之间呈现出显著的负相关关系,相关系数值是-0.690。同时,第三产业用水与DO、CODMn、COD、TP共4项水质指标之间相关关系不显著。产业结构变化对福田区水环境的影响较为显著,第二产业占比增加导致了水环境中CODMn、COD和NH3-N增加,第三产业占比增加使得水环境中DO含量增加,使水质得到了改善。随着深圳城市化的发展,第二产业比重逐渐增加。同时,由于技术能力有限,部分地区的污水处理设施不够完善,工业废水的排放已经污染了城市的湖泊、海洋等水环境,这已经成为一个日趋严重的环境问题[32]。此前大量在中国沿海地区的研究表明,第一产业与水环境中COD 及 TP 的含量呈高度正相关[33],第二、三产业与水环境中的NH3-N浓度相关,第二产业占比与NH3-N浓度呈正相关,而第三产业占比与NH3-N浓度呈负相关。第二产业占比对NH3-N浓度变化影响最为明显,第三产业占比与之相比影响较弱[34]。

图6可知,南山区第二产业占比仅与COD之间存在负相关关系(r=-0.705,p=0.034)。同时,第二产业占比与DO、CODMn、NH3-N、TP共4项水质指标之间相关关系不显著。第三产业占比与COD和NH3-N 2项水质指标之间呈现出显著负相关关系(r=-0.918,r=-0.801)。同时,第三产业占比与DO、CODMn、TP之间相关关系不显著。工业用水量仅与COD和NH3-N 2项水质指标之间呈显著正相关关系(r=0.796,r=0.760),第三产业用水量仅与COD 1项水质指标之间呈现出显著的负相关关系(r=-0.906,p=0.001),与其他水质指标相关关系均不显著。与福田区相同,南山区产业结构变化对水环境的影响也较为显著,第二产业占比增加使水环境中COD含量增加,第三产业占比增加使水环境中COD和NH3-N含量增加。在产业结构比例中,第一、二产业增加会提高水环境中的TP浓度,第三产业增加在一段时期内会降低TP浓度,其中,第一产业占比对TP浓度变化的贡献度最高。因此,由第一、二产业向第三产业发展有利于水环境的保护[35]。

图6 南山区产业结构与水质相关性分析

4 结论

a)深圳湾主要水质污染物为COD和NH3-N,福田区各污染物浓度都较高而南山区较低。说明深圳湾水质污染主要来源于生活污水和第二产业产生的工业废水。

b)南山区的水质综合污染指数较小,污染程度较轻,而福田区水质污染指数比较高,水质污染更为严重。福田区的水质污染物主要来源于新洲河上游的产业园区等,但随着近些年深圳市政府的重视,一系列水质综合治理措施的实施深圳湾整体水质均得到了大幅度的好转。

c)深圳湾周围的2个区中,水质由入湾河流上游至下游入海口逐渐变差,其中福田区的新洲河入海口和凤塘河入海口水质污染最为严重。导致入海河口水质污染的主要原因是上游生活污水和工业园区废水的排放。

d)深圳湾水环境受人口变化的影响较于产业结构的影响较小,但生活污水是水中NH3-N的主要来源,随着人口的增长,水环境中NH3-N含量控制面临诸多困难。深圳河作为深圳湾的主要水源,也是主要的污染物输入源,需要进行重点监测与整治。

e)产业结构对于深圳湾水环境的影响较为明显,尤其是对于水中的COD含量影响较大,对于TP含量也有微弱影响。第二产业产生的污染物较多,对水环境的消极影响较大,第三产业对水环境产生的消极影响较小。

基于本文的研究结果,对于深圳湾水环境改善提出了一些建议。消除一些较弱的工业产业并允许支柱产业迁移到能够支持大型产业规模,水环境承载力状态更好的地区以及增加第三产业的占比,能够对水环境起到积极作用。制定合理的政策引导产业结构的转变和工业产业区的布局可以改善水环境,使得经济增长与水资源消耗脱钩成为可能,能够促进地表水质量的持续改善。深圳湾大部分水质污染物通过合理输送进入深圳湾。但由于深圳地处东南沿海地带,亚热带季风气候带来的充沛雨量将大量地表污染物冲刷后流入深圳河的各个支流,最终汇入深圳湾。随着城市产业结构的转变以及产业规模的加大,污水量增大,污水处理压力逐渐增加。因此,在对工业污水和生活污水等点源污染进行治理的同时,也需要加强城市面源污染的治理,严格控制COD、NH3-N等污染物的输入量,以减轻污水处理压力,改善水环境。