快速城市化地区饮用水源水质长期变化特征分析-以深圳水库（1991-2018年）为例.pdf

针对快速城市化地区饮用水源保护问题,以深圳水库近3 0 a水质监测数据为基础,探讨了其长期变化特征,研究结果表明:1 9 9 12 0 1 8年间,深圳水库主要水质指标浓度呈现逐步下降的趋势,除了在1 9 9 62 0 0 2年间营养盐和大肠菌群等指标略有超标外,总体维持在较好的水平,这与当地重视水环境保护,实施了入库水质净化工程、沿线引水渠道密闭工程、水源涵养林改造工程和入库支流初期雨水控制工程等重点项目,并取得良好的环境效益密切相关;综合评价也表明,除了2 0 0 02 0 0 2年3个年度水质指标为良外,其他2 5 a的水质指标均达到优水平。在影响水污染综合指标的各因子中,营养元素T N和T P的贡献达到3 3.1%6 7.5%,是影响水环境质量最为重要的因素;D O、B O D5、C O DC r、石油类和大肠菌群在局部年份具有一定的影响;而氟化物和痕量污染物(挥发酚、氰化物和重金属等)占比相对较小。关键词:快速城市化,饮用水源,水污染综合指数,深圳水库中图分类号:X 8 2 4 文献标识码:B 文章编号:1 0 0 8-0 1 1 2(2 0 2 3)0 8-0 0 3 1-0 5 收稿日期:2 0 2 3-0 3-0 8;修回日期:2 0 2 3-0 4-0 6基金项目:国家自然科学基金联合基金重点项目(N S F C-广东大数据科学中心项目)(编号:N o.U 1 9 1 1 2 0 5)。作者简介:张利萍(1 9 7 7-),女,本科,工程师,主要从事资源环境规划管理研究工作。1 概述自改革开放以来,快速工业化和城市化成为我国持续发展的核心驱动力,在创造经济奇迹的同时,也深刻地改变着区域水系统的结构、过程和功能,特别是污水处理设施不足和面源污染控制滞后,导致水污染和水生态退化等问题1,严重地威胁城市饮用水源健康安全,受到政府部门和专家学者的广泛关注2-8。通过水质评价可有效了解区域水质类别和污染指标情况,并反映水质时空变化9-1 1,其内容包括评价指标的选取、评价标准的确定和评价方法的选择等。评价指标的选择可根据地表水环境质量标准(G B 3 8 3 82 0 0 2)中的指标,结合区域特点或重点,选择相应的指标进行评价。评价标准需要根据水体的功能定位进行明确,如饮用水源一般采用地表水环境质量标准(G B 3 8 3 82 0 0 2)中的I I I类水作为评价标准。目前,水质评价方法较多,常用的方法包括模糊综合评价法、灰色聚类评价法、层次分析法和人工神经网络方法等1 2-1 3,但这些方法主要用于确定不同指标的权重,不能明确水体污染物类别,而水污染综合指数法能系统和简便地表达水质综合信息得到了广泛应用1 4。虽然我国已经建立了系统的水质评价标准体系和评价方法,并在全国各地有较多的实践应用,但针对快速城市化地区饮用水源水质的长期变化鲜有报道1 5-2 0。本项研究以快速城市化的典型区域 深圳市为例,探讨深圳水库近3 0 a来水质的演变特征,其研究结果不仅可以深圳市饮用水源保护提供科技支撑,也可以为其他地区的水源保护提供借鉴。2 研究区概况深圳市位于广东省中南部沿海,陆地范围为东经1 1 3 4 5 4 4 -1 1 4 3 7 2 1,北纬2 2 2 6 5 9 -2 2 5 1 4 9。深圳市东临大亚湾,西濒珠江口,北与东莞市和惠州市接壤,南与香港特别行政区相隔。深圳市所辖范围呈狭长形,东西宽,南北窄。根据1 9 9 5年底完成的土地资源详查成果,全市总面积1 9 4 8.6 9 k m2(包括大小铲岛和妈州岛)。深圳市地势东南高、西北低,地貌13类型多样,有低山、丘陵、平原、台地等,其中丘陵面积最大,平原次之。深圳地处北回归线以南,全年高温多雨,属南亚热带海洋性季风气候,年平均温度2 2.4,年降水量1 9 4 8 mm,夏季常有台风出现。深圳于1 9 7 9年建市,1 9 8 0年设立经济特区。大规模的工业化和城市化过程,是深圳改革开放以来经济发展的主要动力,从2 0世纪8 0年代中期到9 0年代中期1 0 a左右的时间,深圳迅速完成了从传统的农业地区向新兴的高速城市化地区转化的过程。本项研究以深圳市重要的饮用水源 深圳水库为研究对象。深圳水库于1 9 6 5年3月竣工,集雨面积为6 0.5 k m2,库容为4 8 1 0万m3,是深圳市十个大中型供水水库之一,也是东江引水工程重要的调节水库(见图1)2 1;其水源除少部分来自于自产水外,大多通过东深供水工程引水,在水库进行调蓄和转输至香港、深圳部分区域。图1 深圳水库位置及采样点示意3 材料与方法监测指标与时段:水质监测指标包括p H、D O、C O DM n、B O D5、T N、T P、石油类、大肠菌群、氟化物、挥发酚、氰化物、砷、汞、六价铬、铅、镉、铜等指标,监测频率为每月1次,在水库共布置3个采样点,监测时段为1 9 9 12 0 1 8年(见图1)。指标分析方法:采用生态环境部推荐的相关标准方法进行了化学分析,如p H值(玻璃电极法测定),B O D5(稀释和接种法)、T N(碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法)、T P(钼酸铵分光光度法)等。采用空白、标样和重复等办法进行质量控制,以及仪器的校验,减少长期监测数据之间的误差。数据收集与统计:深圳水库1 9 9 12 0 1 8年水质监测数据来自于深圳市政府部门。将各水质监测指标的逐月数据进行平均,作为当年的数值。水质评价时选择了D O、C O DM n、B O D5、T N、T P、石油类、大肠菌群、氟化物、挥发酚、氰化物、砷、汞、六价铬、铅、镉、铜等1 6项指标(因研究区水体p H一直在类水范畴,以及氨氮和硝态氮与T N的强相关性,在本研究中未作为评价指标),评价方法为水污染综合指数法。评价基准为国家地表水环境质量标准(G B 3 8 3 82 0 0 2)中的类水,它是在单因子水质评价基础上,采用加权平均的方法,求算水污染综合指数,计算公式如下:P=1nni=1Pi(1)Pi=CiSi(2)式中:P 水污染综合指数;Pi 第i个水质因子的水污染指数;Ci 第i个水质因子的监测浓度值,m g/L;Cs i 第i个水质因子的标准浓度值,m g/L,本处取地表水环境质量标准(G B 3 8 3 82 0 0 2)中的类水为标准浓度。水质状况指数分为五个等级,并以指数值 1、2、3、4、5 表达,分别对应优、良、中、差、劣五类水质状况2 2。4 结果与分析4.1 单项指标浓度变化趋势根据水库长期水质指标变化特点(如图2所示),可以分为3个时段进行分析。1)2 0世纪9 0年代初(1 9 9 11 9 9 5年):本时段主要水质指标除T N、T P和大肠菌群略有超标外,其他水质指标如D O、C O DM n、B O D5、石油类和氟化物均处于类水标准水平;而氰化物、挥发酚和重金属指标(砷、汞、六价铬、铅、镉、铜等)均较低或未检出,达到类水标准。2)2 0世纪末至2 1世纪初(1 9 9 62 0 0 2年):随着东深引水工程沿线经济社会的发展,特别是东莞石马河流域的发展,东深供水水质有下降的趋势,主要水质指标D O、C O DM n、B O D5、T N和T P等指标出现超过类水标准现象,表明除了营养盐外,水库也存在一定的有机污染。刘芳文等(2 0 0 4年)也报道了2 0 0 0232 0 2 3年8月 第8期张利萍:快速城市化地区饮用水源水质长期变化特征分析N o.8 A u g.2 0 2 3年以来广州市流溪河水质有机污染呈现加重趋势,表明这一阶段珠三角城市的快速发展带来了环境胁迫2 3。由于面源污染等控制的滞后,大肠菌群也存在超标情况较,这与吴银川等(2 0 0 0年)在南京等地的饮用水质评价结果相似2 4。3)2 1世纪初至2 0 1 8年(2 0 0 32 0 1 8年):在这一阶段,针对水库水质存在的问题,当地政府采取了大量的措施进行水质提升,并逐步显现出工程的环境效果。在这一时段,所有监测的营养类和痕量类指标均显著好转,稳定达到并维持在类水标准。a D O、C O DM n、B O D5和T Nb 石油类、T P、氟化物和大肠菌群c 挥发酚、氰化物、砷、汞、六价铬、铅、镉和铜图2 1 9 9 12 0 1 8年主要水质指标浓度变化趋势示意总的来说,深圳水库除了在1 9 9 62 0 0 2年水质指标略有超标外,总体维持在较好的水平,主要营养类指标浓度在1 9 9 12 0 1 8年间呈现显著(P0.0 5),此后年份则呈现快速下降的趋势(P 0.0 1),这也表明流域内实施的相关工程取得较好成效。王鑫璇等(2 0 1 4年)在深圳水库针对全氟化物的研究也验证了以上结论2 5。图4为1 9 9 12 0 1 8年间,水污染综合指数的影响因素比重。由图4可知,营养元素T N和T P对水污染指数贡献最大,其比例达到3 3.1%6 7.5%,近年也一直稳定保持在6 0%左右,是影响水环境质量最为332 0 2 3年8月 第8期广东水利水电N o.8 A u g.2 0 2 3重要的因素。D O和B O D5也对水污染综合指数具有一定的影响,其贡献比例分别达到4.8%1 8.4%,3.3%1 2.9%,在长期监测时段内具有波动性,主要体现在1 9 9 0年代末至2 0 0 0年代初的占比较大,而近年来则一直保持在较低的水平;C O DC r对水污染综合指数的贡献一直较稳定,在3.6%6.2 8%之间,这也表明有机污染的程度较轻;石油类对水污染综合指数的占比在3.2%3 2.5%之间,主要原因在于1 9 9 0年代末至2 0 0 0年代初的占比较大;而大肠菌群的占比为0.6%2 6.3%之间,主要是在1 9 9 0年初占比较高,其后则一直保持在较低的水平;氟化物在本水库含量不高2 3,对水污染综合指数的贡献较小,占比为2.2%5.9%;其他几个痕量污染物,包括挥发酚、氰化物和重金属等,一直保持在较低水平,对水污染综合指数的贡献较小,其总体占比为2.7%9.3%。图3 深圳水库1 9 9 12 0 1 8年水污染综合指数变化趋势示意图4 深圳水库1 9 9 12 0 1 8年水污染综合指数影响因素示意5 结语本项研究以快速城市化的典型区域深圳市为例,探讨了城市化过程中深圳水库近3 0 a来水质的演变特征,得到以下结论:1)深圳水库除了在1 9 9 62 0 0 2年水质指标略有超标外,总体维持在较好的水平,主要营养类指标浓度整体呈现显著下降趋势,痕量污染物(挥发酚、氰化物和重金属类)一直维持在较低水平,这与当地重视水环境保护,实施了多个重要的库内外水质改善工程等项目,并取得良好的环境效益密切相关。2)综合评价表明,在研究的2 8 a间,除2 0 0 02 0 0 2年3个年度水质指标为良外,其他年份水质指标均达到优水平。在影响水污染综合指标的各因子中,营养元素T N和T P的贡献较大,是影响水质的重要因素;D O、B O D5、C O DC r、石油类和大肠菌群在局部年份具有一定的影响;氟化物占比为2.2%5.9%、痕量污染物(挥发酚、氰化物和重金属等)占比为2.7%9.3%,相对贡献较小。参考文献:1 黄奕龙,王仰麟.深圳市河流水质退化及其驱动机制研究J.中国农村水利水电,2 0 0 7(7):1 0-1 3.2 邢昱.城市饮用水源地水质监测与评价研究J.环境与发展,2 0 1 7,2 9(7):1 6 7,1 6 9.3 梅国芳,孙姝,王岚.佳木斯市地下水饮用水源水质现状研究J.环境科学与管理,2 0 1 5,4 0(7):1 4 7-1 5 0.4 甘秀海,万玉,吴恒艳,等.贵阳市乌当区农村饮用水源水质调查与评价J.贵州师范学院学报,2 0 1 4,3 0(9):2 0-2 3.5 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2(4 2):3 7-4 6.1 6 Y A N G L P,Z HU L Y,L I U Z T.O c c u r r e n c e a n d p a r t i t i o n o f p e r f l u o r i n a t e d c o m p o u n d s i n w a t e r a n d s e d i m e n t f r o m L i a o R i v e r a n d T a i h u L a k e,C h i n a J.C h e m o s p h e r e,2 0 1 1,8 3(6):8 0 6-8 1 4.1 7 邢小茹,曹勤,刘京,等.中国部分环境保护重点城市集中式饮用水源水质评价J.中国环境科学,2 0 0 8(1 1):9 6 1-9 6 7.1 8 易雯,于群.饮用水源水质评价指数法探讨J.中国环境监测,2 0 0 3(5):4 3-4 7.1 9 陈仁杰,钱海雷,袁东,等.改良综合指数法及其在上海市水源水质评价中的应用J.环境科学学报,2 0 1 0,3 0(2):4 3 1-4 3 7.2 0 普靖茜,祁云宽,刘宇,等.云南盘溪大龙潭水质变化及原因分析J.环境科学导刊,2 0 1 9,3 8(6):3 4-3 7.2 1 唐天均,杨晟,尹魁浩,等.基于E F D C模型的深圳水库富营养化模拟J.湖泊科学,2 0 1 4,2 6(3):3 9 3-4 0 0.2 2 刘苗,王敏,顾军农,等.“引黄入京”工程南输水线水源水质分析评价J.中国给水排水,2 0 1 6,3 2(7):6-9.2 3 刘芳文,吴军,颜文,等.流溪河水质评价与监控措施J.安全与环境学报,2 0 0 4(5):1 9-2 3.2 4 吴银川,张景山,赵敏,等.大厂镇地区饮用水源枯水期水质评价J.环境与健康杂志,2 0 0 0(4):2 1 5-2 1 7.2 5 王鑫璇,张鸿,何龙,等.深圳水库群表层水中全氟化合物的分布特征J.环境科学,2 0 1 4,3 5(6):2 0 8 5-2 0 9 0.(本文责任编辑 胡雁)L o n g-t e r m C h a r a c t e r i s t i c s o f D r i n k i n g W a t e r Q u a l i t y i n R a p i d l y U r b a n i z a t i o n A r e a:A c a s e s t u d y i n S h e n z h e n r e s e r v o i r(1 9 9 12 0 1 8)Z HA N G L i p i n g(S h e n z h e n W a t e r P l a n n i n g a n d D e s i g n I n s t i t u t e C o.,L t d.,S h e n z h e n 5 1 8 0 0 1,C h i n a)A b s t r a c t:T h e p r o t e c t i o n o f d r i n k i n g w a t e r i s a c r i s i s p r o b l e m i n r a p i d l y u r b a n i z e d a r e a s.T h e s t u d y a n a l y z e d t h e e v o l u t i o n c h a r a c t e r i s t i c s b a s e d o n S h e n z h e n R e s e r v o i r s w a t e r q u a l i t y m o n i t o r i n g d a t a f o r a l m o s t 3 0 y e a r s.T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t:T h e c o n c e n t r a t i o n o f m a i n w a t e r q u a l i t y p a r a m e t e r s o f S h e n z h e n R e s e r v o i r s h o w e d a g r a d u a l d o w n w a r d t r e n d d u r i n g 1 9 9 12 0 1 8.E x c e p t t h a t t h e p a r a m e t e r s s u c h a s n u t r i e n t s a n d c o l i f o r m g r o u p s l i g h t l 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e x o f w a t e r p o l l u t i o n(C I WP),t h e c o n t r i b u t i o n o f T N a n d T P w a s t h e h i g h e s t a n d r e a c h e d 3 3.1%6 7.5%.T h e p a r a m e t e r s o f D O,B O D5,C O DC r,p e t r o l e u m,a n d c o l i f o r m o n l y h a v e a c o n s i d e r e d i m p a c t o n C I WP i n s o m e y e a r s.T h e c o n c e n t r a t i o n o f f l u o r i d e a n d t r a c e p o l l u t a n t s(v o l a t i l e p h e n o l,c y a n i d e,a n d h e a v y m e t a l s)o n WP I w a s r e l a t i v e l y s m a l l.K e y w o r d s:r a p i d u r b a n i z a t i o n;d r i n k i n g w a t e r s o u r c e;c o m p r e h e n s i v e i n d e x o f w a t e r p o l l u t i o n;S h e n z h e n r e s e r v o i r532 0 2 3年8月 第8期广东水利水电N o.8 A u g.2 0 2 3