环境科学  2024, Vol. 45 Issue (2): 780-791   PDF    
深圳市2015~2021年雨源型河流水质时空变化及其对降雨的响应
韦必颖1, 成建梅1, 苏晓煜2, 程天舜3     
1. 中国地质大学(武汉)环境学院, 武汉 430078;
2. 广东省深圳生态环境监测中心站, 深圳 518049;
3. 广东省深圳市水务规划设计院, 深圳 518001
摘要: 雨源型城市河流水容量偏小, 缺乏动态补充水源, 易受污染.基于深圳市2015~2021年全市(不含深汕)9大流域的21个水质指标数据和逐日降雨数据, 利用单因子指数评价、综合污染指数、层次聚类分析和Pearson相关分析等方法, 研究深圳市河流水质时空分布特征及特征污染物对降雨的响应关系.结果表明:①2015年全区大部分断面水质都是劣Ⅴ类水, 2018年10月后河流水质总体得到大幅度改善, 与2018年深圳市开展治水专项活动背景一致, 到2021年约62%的断面水质达Ⅰ~Ⅲ类水标准;②深圳市(不含深汕)西部人口稠密地区的水质污染较东部更严重, 河口和支流下游水质污染较上游更严重;③深圳市坪山河、龙岗河、茅洲河和深圳河的水质受降雨的影响显著;④深圳市河流的主要特征污染指标是DO、COD、BOD5、NH4+-N、TP、高锰酸盐指数、石油类和阴离子表面活性剂;对于坪山河和龙岗河, 降雨使TP和NH4+-N指标浓度升高;对于茅洲河, 降雨使TP和COD指标浓度升高;对于深圳河, 降雨使COD、TP和NH4+-N指标浓度升高.以上结果能够揭示深圳市雨源型河流水质时空变化情况及其对降雨事件引发的非点源污染的响应关系, 为深圳市打造更高品质水环境提供科学参考.
关键词: 水质评价      雨源型河流      降雨      时空分布      深圳市     
Spatial-temporal Variation in Water Quality of Rain-source Rivers in Shenzhen from 2015 to 2021 and Its Response to Rainfall
WEI Bi-ying1 , CHENG Jian-mei1 , SU Xiao-yu2 , CHENG Tian-shun3     
1. School of Environment Studies, China University of Geosciences (Wuhan), Wuhan 430078, China;
2. Shenzhen Environment Monitoring Centre, Shenzhen 518049, China;
3. Shenzhen Water Planning & Design Institute Co., Ltd., Shenzhen 518001, China
Abstract: Rain-source urban rivers have the characteristics of small water capacity, lack of dynamic water supply, and being easily polluted. This study analyzed the spatial and temporal distribution characteristics of river water quality and the response of characteristic pollutants to rainfall based on daily rainfall data and 21 water quality indicators of nine major river basins in Shenzhen (excluding Shenzhen-Shantou) from 2015 to 2021 by using the single-factor assessment method, comprehensive pollution index method, hierarchical cluster analysis, and Pearson correlation. The results showed that: ① in 2015, the water quality of most sections in the whole region was inferior Class Ⅴ water. After October 2018, the overall water quality of rivers was greatly improved, which was consistent with the background of Shenzhen's special water control activities in 2018. By 2021, the water quality of approximately 62% of sections reached Class Ⅰ-Ⅲ water standards. ② The water pollution in the densely populated western part of Shenzhen was more serious than that in the eastern part, and the water pollution in the lower reaches of the estuaries and tributaries was more serious than that in the upper reaches. ③ The water quality of the Pingshan River, Guanlan River, Longgang River, and Maozhou River was significantly affected by rainfall. ④ The main characteristic pollution indexes of the Shenzhen River were DO, permanganate index, COD, BOD5, NH4+-N, TP, petroleum, and anionic surfactant. For the Pingshan River and Longgang River, rainfall increased the concentrations of TP and NH4+-N. For the Maozhou River, rainfall increased the concentrations of TP and COD. For the Shenzhen River, rainfall increased the concentrations of COD, TP, and NH4+-N. The above results reveal the spatio-temporal variation in rain-source river water quality in Shenzhen and its response to non-point source pollution caused by rainfall events and provide a scientific reference for building a higher quality water environment in Shenzhen.
Key words: water quality assessment      rain-source rivers      rainfall      temporal and spatial distribution      Shenzhen     

1980年深圳成立经济特区以来, 社会经济取得了举世瞩目的成就, 由一个边陲小镇发展为一座现代化国际化创新型城市, 创造了世界城市发展史上的奇迹[1].但是随着经济的飞速发展, 快速发展工业化, 生活污水和工业废水的排放量不断提高, 城市污染负荷远远超出本地水环境承载力, 水环境治理压力巨大[2~4].而深圳市虽处在我国水资源丰富的珠江三角洲地区, 且降水丰沛(多年年平均降水约1 837 mm), 但受地形条件限制, 境内无较大河流, 只有小河小溪, 水资源主要依靠境外东江引入[5].并且大多数河流属于城市雨源型河流, 具有雨季是河, 旱季成沟, 水环境容量偏小[6], 缺乏动态补充水源的特点, 易受到人类的活动和降雨的强烈干扰, 导致流域水资源短缺和水体污染严重[7, 8].降雨通常被认为是除人为因素干扰外导致污染物流入水体的自然因素和先决条件, 从狭义上讲, 非点源污染往往是由降雨径流导致的污染过程[9, 10].王子鸣等[11]研究发现白洋淀雨季各个水质指标与土地利用的相关性低于非雨季, 陈焰等[12]研究发现北京市新凤河流域不同降雨强度下的降雨量与水质浓度呈显著的二次函数关系, 水质变化取决于降雨起稀释作用或冲刷作用.因此利用科学的方法评价河流水质状况及降雨对水质产生的影响, 对于明确未来水质目标和拟定治理路径具有重要指导意义.

近年来, 有学者对深圳市水质现状开展了相关研究.苏晓煜等[13]采用综合污染指数法分析深圳市近40年主要5条河流的高锰酸盐指数、NH4+-N、TP和COD数据, 分析深圳市河流水质污染程度与经济增长的关系;张贤君等[14]分析了观澜河流域2017年11月至2020年5月的DO和NH4+-N指标变化, 分析了水体黑臭的原因;张敏等[15]分析了龙岗河和坪山河流域2008~2014年的COD、NH4+-N和TP的污染情况及空间分布特征;毕业亮等[16]选取2018年龙岗河的12个监测点位, 采用单因子评价法、综合污染指数法和主成分分析法对龙岗河水质进行综合评价.以上的研究成果可以看出, 目前对深圳市的主要5河流的水质评价研究比较深入, 并获得了科学的数据.但是前人的研究大多集中在深圳市主要5条河流的水质状况评价方面以及人口、经济对水质的影响, 缺乏深圳市全市河流的水质时空变化分析及降雨对水质的影响研究.

为了更加全面深入地了解深圳市所有河流的水质状况及降雨对水质的影响, 从大量的监测数据中识别重要的污染因素及水质时空分布特征.本文以2015~2021年深圳市(不含深汕)九大流域所有河流的21项监测指标逐月水质数据为基础, 结合2017~2020年坪山河、龙岗河、茅洲河和深圳河的日水质数据和日降雨数据, 分析识别降雨对河流水质的影响关系, 并探讨污染的主要成因, 以期为改善深圳市水生态环境质量, 实现水资源、水环境和水生态“三水”统筹管理提供科学参考.

1 材料与方法 1.1 研究区概况

深圳市位于珠江口伶仃洋以东, 北与东莞和惠阳相接, 南临香港特别行政区, 东靠大鹏半岛与大亚湾相连.深圳市下辖9个行政区(福田区、罗湖区、南山区、盐田区、宝安区、龙岗区、坪山区、龙华区、光明区)、1个新区(大鹏新区)和2个特别区(深汕特别合作区、前海经济特区).深圳市地处北回归线以南, 属于南亚热带海洋性季风气候, 长夏冬短, 雨量充沛, 阳光充足.年平均气温为22.4℃, 最高气温为38.7℃, 最低气温为6℃[17].年日照时数为1 933.8 h, 年总辐射量5 225 MJ·m-2, 年平均相对湿度为77%.多年平均年降雨量为1 966.5 mm, 每年4~9月为雨季, 降雨量占年降雨量的84%.深圳市有独立河流98条(内陆河流8条, 直接入海河流90条), 一级支流105条, 二、三级支流107条.深圳市河流长度变化程度大, 平均长度不足4 km, 河流水系分布基本特点是小河众多, 大河稀少, 且径流流路短, 呈明显的雨源型河流特征.深圳市地理位置及河流水系见图 1.

图 1 深圳市河流水系示意 Fig. 1 Map of Shenzhen river system

深圳市流域面积大于100 km2的流域有茅洲河流域、珠江口流域、观澜河流域、深圳河流域、深圳湾流域、龙岗河流域、坪山河流域、大鹏湾流域和大亚湾流域这9大流域.深圳市集雨面积大于1 km2的河流合计310条, 河流长度为999.9 km.深圳市流域分区见图 1.

1.2 数据来源

水质数据来源于深圳生态环境监测中心站, 本文收集2015~2021年逐月水质数据和2017~2020年的逐日水质数据.2015~2021年逐月水质数据每年的检测断面数量如表 1所示, 覆盖深圳市全境九大流域(图 1), 便于进行水质时空变化分析.水质评价指标为《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中除水温、总氮和粪大肠菌群以外的21项指标.即:pH、溶解氧(DO)、高锰酸盐指数、化学需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH4+-N)、总磷(TP)、铜(Cu)、锌(Zn)、氟化物、硒(Se)、砷(As)、汞(Hg)、镉(Cd)、六价铬、铅(Pb)、氰化物、挥发酚、石油类、阴离子表面活性剂和硫化物.

表 1 2015年~2021年河流水质监测断面数量 Table 1 Number of river water quality monitoring sections from 2015 to 2021

降雨数据来源于深圳市水务局, 本文收集了坪山雨量站、龙岗雨量站、光明雨量站和布吉雨量站自动监测的2017~2020年降雨量日数据, 雨量站分布如图 1所示.

1.3 数据处理与分析方法 1.3.1 数据统计方法

本研究使用Excel软件进行原始数据的整理, 水质数据层次聚类分析和水质与降雨的相关分析均在Orgin2022中进行.水质时空分布图利用ArcGIS 10.7绘制.

1.3.2 水质评价方法

单因子水质指数法是我国地表水环境质量标准中指定的水质评价方法, 将监测所得的21项水质指标数据与标准进行对比分类, 在所有的参评水质中, 如有某一项指标超标, 则所属断面不符合相应的水质标准, 选择评价结果最差的水质类别作为最终评价结果[18, 19].

综合水质指数(WQI)法是一种将多种水质指标转化为单一指标来描述水质整体状况的数值方法, 被广泛应用于世界各地各种河流、湖泊和水库的水质评价[20~22].本文采用Huang等[23]提出的新型综合水质指数法(WQI-DET).WQI-DET是根据中国《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中Ⅰ(优)、Ⅱ(良)、Ⅲ(中等)、Ⅳ(差)和Ⅴ(差)这5个水质等级对现有WQI方法进行的改编.与原始指数从0~100相比, WQI-DET在-∞(水质极差)至100(水质极好)之间的范围更广, 从而可以清楚地区分水质条件极差和极差[23, 24].WQI-DET的计算方法如下:

式中, WQI-DETij为水样j的变量i的水质, cij为水样j的变量i的浓度, ciIciV为第Ⅰ类和第Ⅴ类变量i的浓度, WQI-DETj为水样j的水质.WQI-DET的取值范围为-∞~100, 数值越大代表水质越好.

1.3.3 层次聚类分析

聚类分析(CA)是根据对象距离远近或相似性大小进行分类的多元统计方法[25].本文采用的层次聚类分析(HCA)是应用最广泛的聚类方法, 该法以逐次聚合的方式将距离最近或者最相似的对象聚成一个类簇, 直至最后聚成一类[26].在河流水质评价中, 通常基于监测时间和监测点的地理位置进行层次聚类分析[27], 如苏州古城区水体污染时空分析[28]、黄河干流水质评价与时空变化分析[29]等.本文采用的计算方法是欧氏距离平方和离差平方法.

2 结果与分析 2.1 单因子评价结果

采用单因子评价法对深圳市河流各个监测断面的水质逐月数据进行评价, 评价指标为:pH、DO、高锰酸盐指数、COD、BOD5、NH4+-N、TP、Cu、Zn、Pb、Se、As、Hg、Cd、六价铬、氟化物、氰化物、挥发酚、石油类、阴离子表面活性剂和硫化物.从2015~2021年深圳市河流断面月均水质类别比例变化情况可知(图 2).Ⅰ~Ⅲ类水质断面比例稳步上升, 从2015年的10.01%升至2021年10月62.25%, 上升了52.24个百分点.劣Ⅴ类水质断面比例持续下降, 2015年80.97%断面水质为劣Ⅴ类, 水质污染最为严重;2016年监测断面增多, 79.8%的断面水质为劣Ⅴ类;2017年78.43%的断面水质为劣Ⅴ类;2018年66.08%的断面水质为劣Ⅴ类, 7%为Ⅴ类;2019年38.8%的断面水质为劣Ⅴ类;2020年15.02%的断面水质为劣Ⅴ类, 水质状况显著改善;2021年仅6%的断面水质为劣Ⅴ类, 水质状况整体良好, 说明深圳市在“十三五”期间河流水污染防治工作促进了地表水环境质量的改善.

图 2 深圳市2015~2021年月均水质断面类别占比 Fig. 2 Proportion of monthly mean water quality in Shenzhen from 2015 to 2021

表 2统计了深圳市2015~2021年所有水质监测站点的逐月水质样本共13 367个.根据2002年中华人民共和国生态环境部发布的地表水标准, Ⅲ类地表水标准以下的水体不能作为集中饮用水源, 因此使用Ⅲ类地表水标准作为单个指标浓度限值[30].由深圳市水质指标统计表得出, DO、高锰酸盐指数、COD、BOD5、NH4+-N、TP、石油类和阴离子表面活性剂的平均浓度均高于Ⅲ类地表水标准, 其中表征有机物污染的DO、高锰酸钾指数、COD和BOD5指标[31]污染超标率在25.6%~38.8%范围内;表征水体富营养化程度[32, 33]的NH4+-N、TP指标污染超标率分别为51.09%和53%;表征化学污染物的石油类、阴离子表面活性剂指标[34]污染超标率分别是29.6%和23.16%;挥发酚、氟化物、硫化物、氰化物化学污染指标平均值均符合Ⅲ类地表水标准, 样本污染超标率低于15%;所有重金属指标Pb、Cu、Zn、Se、As、Hg、Cd和六价铬平均值远低于Ⅲ类地表水标准限值, 超99%的水质样本没有重金属污染问题, 重金属指标整体均处于达标状态, 不影响水质分级.水质指标统计数据表明深圳市河流存在严重的富营养化问题, 超过一半的水质样本NH4+-N和TP指标超标, 河流水体主要存在有机污染和少量的化学污染问题;河流中重金属指标浓度较低, 对人类健康的影响较小, 归因于重金属主要来自工业废水[35], 而近10年来深圳进行产业转型, 关闭了大量线路板、蚀刻和酸洗等企业, 严管其余相关产业的污水排放[36].

表 2 深圳市河流水质指标统计1) Table 2 Statistics of river water quality indexes in Shenzhen

2.2 WQI-DET综合评价结果

选取单因子评价法得出的深圳市河流污染特征指标:DO、高锰酸盐指数、COD、BOD5、NH4+-N、TP、石油类和阴离子表面活性剂作为数值评价指标, 采用新型水质指数(WQI-DET)对2015~2021年河流的水质进行评价.计算的年均WQI-DET指数分布如图 3所示, 深圳市河流水质污染集中在西部的茅洲河流域、珠江口流域、观澜河流域、深圳湾流域和中部的龙岗河流域, 东部流域河流水质较好, 总体水质均处于好转状态.2015~2017年, 全市大约89%的水质断面WQI-DET指数值小于40, 水质类别为Ⅳ类水及以下.其中, 茅洲河流域、观澜河流域的所有水质断面和珠江口流域97%的水质断面WQI-DET指数值小于0, 属于劣Ⅴ类黑恶臭水体, 水质污染及其严重.2018年之后深圳市水质总体得到改善, WQI-DET指数值小于0的水质断面数量明显减少.到2021年, 全市74%的水质断面WQI-DET指数值大于40, 水质类别为Ⅲ类水及以上, 全市50%以上的水质断面WQI-DET指数值大于60, 水质等级达到Ⅰ、Ⅱ类水, WQI-DET指数值小于0的黑恶臭水质断面大部分在河流河口和支流下游.由于2015年水质监测站较少, 使用2016年的年均WQI-DET水质指数为背景值, 计算2016~2021年各个站点的水质变化情况.只有个别站点WQI-DET水质指数小幅度波动变小, 绝大多数水质监测断面的WQI-DET水质指数数值增大, 水质明显好转.根据《深圳市治水提升计划(2015~2020年)》的5 a治水目标(表 3), 深圳市提出“治水十策”和“十大行动”, 严格控制污染物排放、完善污水处理布局和排水管网、实施雨污分流等措施提升水环境质量.从总体上看, 到2021年9大流域全面实现了5 a治水目标, 茅洲河的水质达1992年以来最好水平, 深圳市河流水环境治理取得了明显成效.

图 3 深圳市2015~2021年监测站点水质指数 Fig. 3 Water quality index map of monitoring stations in Shenzhen from 2015 to 2021

表 3 深圳市2015~2020年治水提质5 a工作目标 Table 3 Five-year objectives of water control and quality improvement in Shenzhen from 2015 to 2020

为了进一步追溯深圳市河流污染来源, 本文利用ArcGIS反距离权重插值法计算未知区域的WQI-DET指数[37].由于2015年的监测站点较少, 覆盖区域不够全面, 因此仅计算2016~2021年年均WQI-DET指数, 获得所有河流年均WQI-DET指数的分布情况(图 4).2019年是深圳市水污染治理决战年, 西部污染严重的茅洲河流域、珠江口流域、深圳湾流域和观澜河流域水质在2019年得到明显改善.2021年, 九大流域干流下游河口水质较上游差, 污染较为严重.除此之外, 水质污染主要集中在茅洲河上游最大的支流新陂头河;观澜河流域一级支流油松河和观澜街道辖区内观澜河河段和木古河;深圳湾流域沙头坑河;深圳河流域塘径水、水径水和山厦河;珠江口水系的新圳河、双界河、福永河和沙井街道辖区内的排水渠(道生围涌、衙边涌、后亭排洪渠、步涌排洪渠、德丰围涌、石围涌、沙涌、和二涌).以上污染严重河段分别位于南园街道、新湖街道、龙华街道、观澜街道、沙头街道、布吉街道、新安街道、福永街道以及沙井街道.这些街道人口稠密, 市政设施较为落后.受污染河道河流承担了城区的排水任务, 河流的主要污染源是居民生活污水、降雨冲刷、汽修、餐饮、农贸市场和垃圾转运站等场所形成的生活污染[38, 39].

图 4 深圳市2016~2021年水质指数分布 Fig. 4 Water quality index distribution map of Shenzhen from 2016 to 2021

2.3 水质时空分异性规律

本文分别求出21项水质监测指标(pH、DO、高锰酸盐指数、COD、BOD5、NH4+-N、TP、Cu、Zn、Pb、Se、As、Hg、Cd、六价铬、氟化物、氰化物、挥发酚、石油类、阴离子表面活性剂和硫化物)月平均值和流域平均值, 分别进行时空尺度上的层次聚类分析.聚类分析要求数据符合正态分布, 需要在分析之前进行K-S非参数检验.结果显示, 月平均数据组的TP、高锰酸钾、As、Cd、石油类、粪大肠杆菌数不服从正态分布, 进行自然对数转换后, 各监测指标均能够以95%或更高的可信度服从正态分布;流域平均数据组各指标均以95%或更高的可信度服从正态分布, 为了消除变量单位量纲的影响, 同时需要对数据进行标准化处理(均值为0, 方差为1).

时间尺度聚类分析与判别分析结果表明:全年可分为3个时段(图 5), 时段Ⅰ(5~11月)、时段Ⅱ(2月和12月)和时段Ⅲ(1月、3月和4月).深圳市年内各月降雨分布差距大, 4~9月属于雨季, 时段Ⅱ(2月和12月)属于非雨季, 水体污染程度与其他时期不同, 并且由于深圳市河流属于雨源型河流, 初步判断深圳河流水质存在雨季和非雨季的差别, 降雨会对水质产生一定影响.

图 5 时间和空间尺度层次聚类分析结果 Fig. 5 Time and spatial scale hierarchical clustering analysis results

空间尺度聚类分析与判别分析结果表明, 深圳全市可分为3个区域(图 5), 大鹏湾流域、大亚湾流域和坪山河流域为流域Ⅰ, 均处在深圳东部地区;龙岗河流域、深圳河流域和深圳湾流域为流域Ⅱ, 处于深圳的中部地区;观澜河流域、茅洲河流域和珠江口流域为流域Ⅲ, 处于深圳市中西部人口稠密地区.水体污染程度由重到轻依次为流域Ⅲ、流域Ⅱ和流域Ⅰ.符合新型综合水质指数法(WQI-DET)绘制的水质空间分布规律.

3 降雨对河流水质的影响 3.1 水质随降雨变化趋势

为进一步识别深圳市水质的时间变化特征, 探究深圳市河流水质随降雨的变化趋势, 本文收集了深圳市坪山河坪山雨量站、龙岗河龙岗雨量站、茅洲河光明雨量站和深圳河布吉河口雨量站自动监测的降雨量日数据.并将日降雨数据与深圳市坪山河上洋水站、龙岗河吓陂水站、茅洲河燕川水站、深圳河布吉河口自动监测的水质日数据进行匹配, 其中深圳河布吉河口的水质站点和雨量站点为同一个站点, 其他雨量站均位于水质站点上游10 km内, 符合精度要求.坪山河、龙岗河、茅洲河和深圳河的平均WQI-DET指数如表 4所示, 4条河流在发生降雨事件时的平均WQI-DET指数均低于不发生降雨事件时的平均WQI-DET指数, 表明研究期内出现的降雨对坪山河、龙岗河、茅洲河和深圳河的水质有较为明显的影响, 发生降雨事件时河流水质更差.

表 4 深圳市河流平均WQI-DET指数 Table 4 Average WQI-DET index of rivers in Shenzhen

坪山河、龙岗河、茅洲河和深圳河的水质与降雨变化趋势如图 6所示.坪山河在2017年7月18日, WQI-DET指数在研究期内最低(-551), 同天的降雨量是51.8 mm, 降雨量等级属于暴雨;2018年2月, 坪山河的降雨量较少, WQI-DET指数呈上升趋势, 水质得到改善, 从劣Ⅴ类水提升到Ⅳ类水;2018年、2019年和2020年监测的日降雨量较2017年大, WQI-DET指数随降雨波动, 2018年7月、2019年8月和2020年8月均能明显看出雨天水质较晴天更差, 但WQI-DET指数大于2017年同期.龙岗河的水质受降雨影响较为明显, 2017年6月13日的综合水质年度最低(-397), 同日降雨量是102.7 mm, 降雨量等级属于大暴雨;2018年5月4日WQI-DET指数年度最低(-285), 同日降雨量是24.7 mm, 属于中雨;2019年7月3日WQI-DET指数年度最低(-594), 同日降雨量是41.3 mm, 降雨量等级属于大雨;2020年1月26日WQI-DET指数年度最低(-123), 同日降雨量是30mm, 降雨量等级属于大雨, 河流水质在降雨事件发生时均发生明显的下降;晴天时候水质得到明显提升, 例如在2019年11月日降雨为0时, 水质等级从劣Ⅴ类提升到Ⅲ类水.

绿色圆圈为重点分析标记 图 6 深圳市4条河流降雨量与水质变化趋势 Fig. 6 Variation trend of rainfall and water quality of four rivers in Shenzhen

茅洲河的综合水质在4条河流中最差, 大部分时间都为劣Ⅴ类水, 水质受降雨的影响较大.2017年7月7日的综合水质年度最低(-1 400), 同日降雨量是8.2 mm, 降雨量等级属于小雨;2018年、2019年和2020年降雨量比2017年明显增多, 降雨量为0时, 水质明显得到改善, 例如2019年11月, 水质从雨天的劣Ⅴ类水提升到Ⅳ类水.深圳河2017年、2018年和2019年水随降雨波动变化较大.2017年11月13日WQI-DET指数年度最低(-597), 同时降雨量是4.6 mm, 降雨量等级属于小雨;2018年7月4日WQI-DET指数年度最低(-1 150), 同日降雨量为25 mm, 属于中雨~大雨;2019年3月10日, WQI-DET指数年度最低(-282), 同日降雨量是14 mm, 降雨量等级属于中雨;2020年6月7日WQI-DET指数年度最低(-220), 同日降雨量为58.1 mm, 属于暴雨.降雨量为0时水质得到明显提升, 例如2019年12月, 水质从雨天的劣Ⅴ类水提升到Ⅴ类水.从水质对降雨的响应关系来看, 降雨在陆面水文循环过程中对深圳市河流水质具有突出贡献.降雨具有冲刷作用, 把累积在陆面上的污染物冲刷到就近的河道中, 增加水体负担, 使河流污染严重[40].但在2020年以后, 4条河流WQI-DET指数折线图受降雨影响较之前明显降低, 振幅明显变小, 其主要原因是深圳市推进修复原有的污水管网工程进度, 采取扩建新型管网、完善排水管网和提高雨污分流率等措施[41~43].

3.2 降雨量与主要水质指标相关性分析

为进一步明确降雨与河流水质断面水质指标的相关关系, 探究水质变化的关键污染因子, 选取COD、NH4+-N、TP、pH和DO这5项主要指标与降雨量做相关性分析(图 7[44].总体来看, 4条河流的WQI-DET与降雨量呈负相关;坪山河降雨量与NH3-N、TP呈正相关, 与pH和DO呈负相关, WQI-DET与COD、NH4+-N和TP呈显著负相关;龙岗河降雨量与COD、NH4+-N和TP呈正相关, 与DO和pH呈负相关, WQI-DET与TP和NH4+-N呈显著负相关;茅洲河降雨与COD和TP呈正相关, 与DO呈负相关, WQI-DET与TP、COD和NH4+-N呈显著负相关;深圳河降雨与COD、pH、NH4+-N和TP呈正相关, 与DO呈负相关, WQI-DET与TP、COD和NH4+-N呈显著负相关.

(a)坪山河, (b)龙岗河, (c)茅洲河, (d)深圳河;R表示降雨量;色柱为相关性系数的线性映射;*表示P≤0.05, **表示P≤0.01 图 7 深圳市4条河流主要指标与降雨量相关性热力 Fig. 7 Heat maps of correlation between main indexes and rainfall of four rivers in Shenzhen

WQI-DET数值越小表明水质越差, 与WQI-DET呈显著负相关的水质指标是水体污染的主要污染源.各水质指标与降雨的相关性分析结果, 揭示了降雨对水体水质的影响机制.坪山河、茅洲河和深圳河的主要污染指标均是TP、COD和NH4+-N;龙岗河的主要污染指标是TP和NH4+-N.对于坪山河和龙岗河, 降雨使TP和NH4+-N指标浓度升高;对于茅洲河, 降雨使TP和COD指标浓度升高;对于深圳河, 降雨使COD、TP和NH4+-N指标浓度升高.这是由于雨水冲刷携带大量污染物通过地表径流等方式进入河流, 并且沿河截污管道存在雨季溢流, 增加了河流污染物浓度[45].因此, 深圳市可依据降雨带来的特征污染物, 追踪定位面源污染来源, 加快实施雨污分流措施, 加强雨污分流管网的建设与维护, 完善截流与调蓄基础设施, 以提升河流水质.

4 结论

(1)2015~2021年, 随着水污染防治力度的提升, 深圳市河流水环境质量持续改善.其中2015~2017年全市大约89%的水质断面的水质类别为Ⅳ类水及以下, 2018年以后水质得到明显改善, 到2021年仅剩6%的断面水质为劣Ⅴ类, 水质状况整体良好.

(2)深圳市(不含深汕)西部的水质污染较东部更严重, 九大流域中茅洲河流域、珠江口流域和观澜河流域的水质污染程度最重, 其次是龙岗河流域、深圳河流域和深圳湾流域, 水质污染程度最轻的是东部的坪山河流域、大亚湾流域和大鹏湾流域, 2021年, 水质污染主要集中在人口稠密的街道、河流河口和支流下游.

(3)从水质对降雨的响应关系来看, 坪山河、龙岗河、茅洲河和深圳河的水质受降雨的影响显著, 在2020年以后, 由于深圳市采取完善排水管网、提高雨污分流率等措施, 河流受降雨影响较之前明显降低, 河流面源污染得到初步控制.

(4)深圳市河流的主要特征污染指标是DO、高锰酸盐指数、COD、BOD5、NH4+-N、TP、石油类和阴离子表面活性剂.河流主要存在富营养化的问题, 水体污染主要来自生活污染, 存在少量化学污染.对于坪山河和龙岗河, 降雨使TP和NH4+-N指标浓度升高;对于茅洲河, 降雨使TP和COD指标浓度升高;对于深圳河, 降雨使COD、TP和NH4+-N指标浓度升高.通过对污染物的追踪, 能够更加精准地治理河流面源污染问题, 帮助进一步提升河流水质.

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