随着我国社会经济和城市化的发展，沿海城市的陆源污染剧增，并通过地表径流、 河流排放入海导致近岸海域水质污染严重，科学掌握海湾内的陆源污染负荷以及水环境污染变化规律，可为海洋环境容量研究和水污染负荷总量的控制与削减提供科学依据. 国内外海湾地区陆源污染负荷的研究包括点源和非点源污染两部分^{[1, 2, 3, 4]}，点源污染主要来自城市生活污水和工业废水，普遍采用综合用水法和经验浓度系数法^[5]； 非点源污染主要来自雨水径流，具有随机性、 广泛性、 模糊性和滞后性等特点^[6]，影响因素众多，土地利用变化是最主要的因素^{[7, 8, 9]}. 20世纪60年代以来，国内外学者提出了多种非点源污染核算方法和模型，常用的有SWMM(storm water management model)、 SWAT(soil and water assessment tool)以及HSPF(hydrological simulation program-Fortran)等^[10]，但模型要求有长系列资料作为输入条件； 在相关资料相对缺乏时，常用的方法有平均浓度法^[11]、 水质水量相关法^[12]、 输出系数模型^[13]和L-THIA(long-term hydrological impact assessment)^[14]等.

深圳湾是跨境水域，其流域分布在深圳和香港境内，深圳湾受深港两地污染物的共同影响，水体富营养化严重^[15]. 深圳湾流域深圳一侧随着人口增加和城市快速发展，入湾污染负荷急剧增加； 香港一侧随着工农业和畜牧业的转移，污染物变化特性截然不同. 深圳湾的陆源污染负荷多是关于单一年份或深圳一侧的研究^[16,17]，全面系统的长时间序列的研究较少. 本研究采用经验排污系数法、 输出系数模型以及平均浓度法，探讨了1986~2011年间深圳湾流域TN和TP入海年通量，分析了流域内入海污染负荷年通量的变化规律和分布，以期为深圳湾水环境治理提供科学依据.

深圳湾是一个半封闭型海湾，位于珠江口伶仃洋以东，北接深圳市福田和南山区，南连香港新界西北地区，连接伶仃洋的龙鼓水道(图 1). 深圳湾湾长约14 km，面积约90 km²，内湾水浅，自东向西逐渐变深，湾口最深处约16 m，平均水深约2.9 m.

图 1

Fig. 1

图 1 研究区域位置示意 Fig. 1 Location of the study area

深圳湾流域面积617.8 km²，年平均气温22.4℃，年平均降水量约1 935.8 mm，降雨多集中在4~10月，约占全年总降水量的90%. 其中，位于深圳一侧的流域面积351.3 km²，包括罗湖区、 福田区、 南山区和龙岗区布吉街道. 根据国土资源部2007年8月10日颁布的《土地利用现状分类》，结合土地利用的特点，深圳一侧土地利用类型分为耕地、 园地、 林地、 草地、 水域、 建设用地、 交通和开发用地等8大类. 2011年深圳一侧土地利用类型以建设用地和林地为主，分别占40.4%和20.6%^[18].

深圳湾流域位于香港一侧的面积266.5 km²，主要包括北区、 元朗地区和流浮山一带，大部分属乡村地区，禽畜农场多，公共污水处理设施不完备. 香港一侧主要污染源包括禽畜饲养场的排放物及农业面源污染、 无污水管道的乡村地区直接或经由化粪池或渗水池渗漏的生活污水、 城镇区域内错接到雨水渠的废水及其他残余污染物等^[19]，都通过河流最终流入深圳湾.

香港和深圳两地生活用水方式以及工农业排污情况不同，有关污染源基础资料的统计方法也不一样. 因此，在计算TN和TP污染负荷时，根据两地现有的资料分别采用经验排污系数法、 输出系数模型和平均浓度法计算深圳一侧城镇生活污水入海污染负荷(代表点源)、 地表径流引起的污染负荷(代表非点源)以及香港一侧各条入湾河流输出的污染物负荷(包括点源和非点源).

深圳市TN和TP点源污染负荷主要来自生活污水. 经验排污系数法根据城镇居民人口数和污水处理厂进出水水质等资料，合理确定城镇人均综合生活排放系数、 综合生活污水平均浓度等特征值，计算城镇生活污染负荷的产生总量和削减量，进而确定城镇生活污水中TN和TP的入海年通量，计算公式如下:

根据深圳市污水处理厂多年的进水水质监测资料，采用经验浓度系数，TN取33.6 mg ·L^-1. 2000年之前允许使用含磷洗涤剂，TP取8.0 mg ·L^-1； 2000年后禁止使用含磷洗涤剂，取5.76 mg ·L^{-1 [20, 21]}. 污水处理厂的尾水浓度采用一级B标准(TN取20 mg ·L^-1，TP取1.5 mg ·L^-1)^[22]. 根据《第一次全国污染源普查城镇生活源产排物系数手册》，深圳市城镇人均生活污水排放系数取185 L ·(d ·人)^-1，人口和污水处理率等资料采用文献^[23].

输出系数模型计算非点源污染通量是利用相对容易得到的土地利用状况等资料，直接建立土地利用与受纳水体非点源污染负荷之间的关系. 随着该模型的广泛应用，许多学者^[24,25]对其进行了改进与发展，适当考虑污染物在流域传输过程中损失、 年际降雨变化对污染物输出影响、 以及与系数分类相关的污染物来源等. 输出系数模型如下:

深圳湾流域深圳一侧几乎没有农业生产和畜禽养殖，非点源污染负荷通量主要通过地表径流进入深圳湾，模型输入数据资料采用深圳国土资源局“深圳土地利用变更统计”和深圳市气象局“深圳市气候公报”. 输出系数模型计算中参考深圳湾流域非点源污染负荷相关研究^{[26, 27, 28]}，确定合理的各种土地利用类型的输出系数，见表 1.

表 1(Table 1)

表 1 研究区各种土地利用类型输出系数/mg·L-1 Table 1 Export coefficients of all types of land use in the study area/mg ·L-1 类型 耕地 园地 林地 草地 水域 建设用地 交通 开发用地 TN 33.5 17.57 3.12 3.08 3.12 14.80 31.5 3.01 TP 1.87 0.68 0.14 0.12 0.29 1.55 1.90 0.07

表 1 研究区各种土地利用类型输出系数/mg·L-1 Table 1 Export coefficients of all types of land use in the study area/mg ·L-1

深圳湾流域香港一侧营养盐通过河道排放入海，河流输出的污染负荷总量即为香港一侧的入湾污染负荷年通量. 平均浓度法采用流量加权平均浓度乘以年径流量确定入湾污染负荷，计算公式为:

深圳湾流域深圳一侧1986~2011年间TN和TP的入海年通量、 以及点源和非点源部分变化趋势见图 2.

图 2

Fig. 2

图 2 深圳侧污染物年通量变化 Fig. 2 Changes of pollution loads in Shenzhen area

深圳市的人口由1986年的93.6万人增加到2011年的1 046.7万人，深圳湾流域深圳一侧的生活污水排放量相应增加了2.5亿t. 随着不同时期污水处理设施陆续投入运行，污水处理率逐年提高，由1986年的不足10.0%提高到2011年的94.0%，经过污水截排和污水处理设施处理后，TN和TP点源年负荷呈现不同的趋势，2011年比1986年增加了261.0%和64.2%. TN的点源负荷通量在2005年以前增长迅速，从1675.7 t 增加到6548.4 t； 之后基本维持在6500 t左右，2009年以后下降到6049.3 t，下降了7.6%. TP点源负荷1986~1999年间大幅上升，由305.3 t增加到765.1 t； 1999年末深圳市政府禁止使用含磷洗涤剂，因此2000年后TP点源污染负荷明显下降，下降了17.3%； 在2000~2005年间，TP点源负荷又上升了18.3%，其原因是由于人口由271万增长到347.6万人，而污水处理率一直处在60%左右； 2005年后污水处理率提高到94.0%，负荷下降了32.9%.

深圳一侧TN和TP非点源26年来入海年通量呈现波动上升的趋势，由1683.3 t和177.9 t增加到2750.5 t和328.9 t，分别增加了63.4%和84.9%. 分析其原因负荷波动与降水量有关，不同降雨量时地表径流产生非点源污染差别较大，其中1993、1994 2001和2008年是丰水年，降雨量在2500 mm以上，非点源TN和TP年负荷均超过3000 t和300 t. 非点源负荷上升趋势与深圳城市化快速发展不断改变不同土地利用类型的面积有关，不同土地利用类型污染输出负荷量差异很大. 以1986年和2011年为例，建设用地和交通用地面积比重分别增加了26.3%和11.4%(见表 2)，建设用地TN和TP负荷通量分别增长了203.1%和101.4%，交通用地TN和TP负荷量增幅分别在14倍和6倍以上. 因此，建设和交通用地的增大是流域非点源污染负荷增长的主要因素.

表 2(Table 2)

表 2 1986年和2011年非点源污染年通量变化 Table 2 Changes of non-point source pollution load in 1986 and 2011 年份 项目 土地利用类型 总计 耕地 园地 林地 草地 水域 建设用地 交通 开发用地 面积比/% 1.01 20.94 43.36 0.75 4.71 14.09 1.57 13.44 100 1986 TN/t 97.53 706.09 280.46 5.98 108.33 319.26 71.57 94.07 1 683.29 TP/t 6.02 40.98 12.58 0.27 10.07 87.59 18.15 2.19 177.85 面积比/% 0.38 13.33 20.56 0.40 8.27 40.43 12.93 3.70 100 2011 TN/t 15.43 446.99 124.13 1.07 117.13 967.69 1 050.65 27.39 2 750.48 TP/t 1.49 16.86 3.53 0.09 14.39 176.37 115.76 0.37 328.86 变化率/% TN -84.18 -36.70 -55.74 -82.11 8.12 203.10 1 368.00 -70.88 63.40 TP -75.25 -58.86 -71.94 -66.67 42.90 101.36 537.80 -83.11 84.91

表 2 1986年和2011年非点源污染年通量变化 Table 2 Changes of non-point source pollution load in 1986 and 2011

综合点源和非点源污染负荷，深圳湾流域深圳一侧TN入海年负荷总量2008年之前大幅增长，由3 359.0 t 增长到10 047.6 t，之后下降到2011年的8 799.8 t，下降了12.4%. TP入海年负荷通量在2005年之前呈明显波动上升趋势，由483.2 t增加到1 153.3 t，之后下降到840.0 t，下降了27.2%. 上述研究结果和相关文献研究基本一致，如2003年^[29]和2007年^[16]的入海负荷通量.

深圳一侧90年代开始人口和经济快速增长，90年代中期以前TN和TP入海年通量增长率比较高. 90年代中期到2005年，营养盐入海负荷通量增长有所减缓，这是因为90年代中期以来，深圳市政府为改善深圳河湾水质，加大了污水处理和河流治理力度，包括污水厂的建立、 污水截排工程和污水资源化工程等^[30]. 2006年以来，深圳一侧的营养盐排放入海量逐步得到控制，并出现下降趋势，取得了阶段性的改善.

深圳一侧1986~2011年间TN和TP点源和非点源污染负荷的贡献率，见图 3. TN和TP点源污染负荷的贡献率分别为49.9%~75.7%和60.4%~87.6%，表明26年来城镇生活污水是深圳一侧营养盐入海的主要来源. 当深圳一侧人口较少时，由于污水处理厂处理能力不足导致生活污水是主要污染； 随着污水处理厂的逐步建立，人口基数较大，使得点源污染仍是主要污染源.

图 3

Fig. 3

图 3 深圳侧点源和非点源污染负荷贡献率 Fig. 3 Contribution ratios of point source and non-point source pollution load in Shenzhen area

深圳湾流域香港一侧及其各分区1986~2011年间TN和TP的入海年通量，见图 4.

由图 4可知，26年来，香港侧TN和TP入海总负荷通量大幅减少，分别下降3028.5 t和1031.5 t，相应削减了66.3%和79.0%. 这是因为香港政府采取了一系列的减排措施，1988年6月实施了“禽畜废物管制计划”，并于1994年进行检讨修订以促进污染管制，禽畜农场数目有所下降； 1990年12月，香港环保署在研究区域内推行“减污计划”，要求工商业处所及无污水管道的乡村处理各自产生的废水； 1992年粤港共同拟定“深圳湾行动计划”，1999年制定了实施计划，旨在减少现有的污染量，管制新污染源. 以上这些措施使香港一侧营养盐入湾负荷通量大幅削减，初期效果尤其明显. 香港一侧入海年通量研究结果和相关文献研究香港地区河流输出污染物负荷量基本一致，如1998年^[31]和2005年^[17].

图 4

Fig. 4

图 4 香港侧及其各分区年污染物年通量变化 Fig. 4 Changes of pollution load in Hong Kong and its sub areas

香港一侧入海年通量主要来自元朗，TN和TP贡献率分别为63.8%~88.2%和59.8%~88.1%，这是因为元朗地区人口稠密，工商业发达，也是历史上禽畜养殖的主要区域. 相邻年份点源污染差异不大，负荷波动的主要原因和降雨有关，如1987年TN和TP负荷量远远高于1986年和1988年，是因为1986和1988年都是枯水年，而1987年是丰水年，降雨量高达2 047.5 mm，导致地表径流引起的非点源污染较大.

1986~2011年间深圳湾流域TN和TP的年负荷通量变化曲线见图 5. 为了分析不同时期流域内入湾污染负荷通量变化规律，选取80年代、 90年代及2000年之后3个代表时期. 26年来流域多年平均降雨量为1700 mm左右，3个时期的年平均降雨量分别为1680.5、1794.6和1741.7 mm，基本表示平均平水年的状况. 3个时期流域内TN年入海负荷量平均值分别为10388.2、10727.9和1937.3 t，变化不大； TP年负荷量平均值分别为2694.5、1929.2和1388.7 t，呈明显的下降趋势，减少了48.5%. 深圳湾流域深圳侧和香港侧年污染负荷贡献率见图 6. 26年来深圳一侧TN和TP入海年负荷的贡献率越来越大，分别从42.4%和27.0%增加到85.1%和75.2%. 深圳一侧经过治理，营养盐排放入海量已有所减少，但效果不如香港一侧明显. 因此，在今后深圳湾水污染的治理上，仍需加大力度控制深圳一侧的营养盐排放量.

图 5

Fig. 5

图 5 深圳湾流域及各区域污染物年通量变化 Fig. 5 Changes of Shenzhen,Hong Kong areas and total pollution loads

图 6

Fig. 6

图 6 深圳湾流域深圳侧和香港侧的年污染负荷贡献率 Fig. 6 Contribution ratios of pollution load from Shenzhen and Hong Kong areas

为保护深圳湾水环境，1986年起香港环境署实施海水水质监测计划，在深圳湾设立5个监测站位DM1~DM5，分布在湾顶到湾口之间(见图 1). 根据监测资料，1986~2011年间湾内营养盐年际变化见图 7.

图 7

Fig. 7

图 7 深圳湾营养盐年际变化 (1986~2011年) Fig. 7 Annual variation of nutrient in the Deep Bay (1986-2011)

26年来海水中TN和总无机氮(TIN)变化幅度较大，波动性上升，变化范围为1.7~4.4 mg ·L^-1和1.1~3.2 mg ·L^-1，其中TIN多年平均浓度为2.1 mg ·L^-1，远远超过四类海水水质标准，多年平均TIN是TN的79.5%，TIN对TN的贡献率大. 在80、 90年代和2000年之后的3个时期内，TN平均值分别为2.4、 2.6和2.9mg ·L^-1，呈明显的上升趋势. 由于深圳湾流域TN陆源年入海负荷的变化不明显，导致湾内TN 、 TIN上升的主要原因有: 一是深圳湾内源污染增加； 二是历年来深圳湾深圳侧大量的围海造地使深圳湾的水动力减弱，污染物在深圳湾停留时间变长容易累积引起的.

TP和正磷酸盐(PO^3-₄-P)年际变化趋势十分接近，PO^3-₄-P多年平均0.2mg ·L^-1，超四类海水水质标准4倍以上，占TP多年平均的75.2%. TP在80、 90年代和2000年之后的3个时期的平均值分别为0.65、 0.33和0.26 mg ·L^-1，呈明显的下降趋势，这与TP入海负荷量的变化规律基本相符.

(1)随着深圳社会经济和城市化的发展，1986~2011年间深圳湾流域深圳一侧TN和TP入湾负荷大幅增加，其中TN和TP的点源污染负荷分别从1675.7 t和305.3 t增加到6049.3 t和501.2 t，增加了261.0%和64.2%； 非点源污染负荷从1683.3 t和177.9 t增加到2750.5 t和328.9 t，增加了63.4%和84.9%. 深圳一侧TN和TP入海污染负荷的贡献率越来越大，分别从42.4%和27.0%增加到85.1%和75.2%. 因此，今后深圳湾水环境的治理应重点控制深圳一侧营养盐入海负荷.

(2)深圳湾流域香港一侧经过多年的治理，TN和TP入海总负荷通量26年来大幅减少，分别下降3 028.5 t和1 031.5 t，相应削减了66.3%和79.0%. 其中，香港一侧入海年通量主要来自元朗，TN和TP贡献率分别为63.8%~88.2%和59.8%~88.1%.

(3)在80、90年代以及2000年之后的3个时期，深圳湾流域TN年入海负荷通量平均值分别为10388.2、1027.9和10937.3 t，TP为2694.5、 1929.2和1388.7 t，TN变化不大，TP削减明显；相应时期内深圳湾TN平均值分别为2.4、2.6和2.9 mg ·L^-1，TP为0.65、0.33和0.26 mg ·L^-1，湾内水质变化与入海负荷通量的变化规律基本一致.
致谢: 感谢香港环保署、天文台以及深圳市国土资源局和深圳市气象局为本研究提供的数据.