程鵬 李明遠(yuǎn) 樓凱 秦華鵬,?

深圳河灣流域溢流污染規(guī)律及其對(duì)海灣水質(zhì)的影響

程鵬1李明遠(yuǎn)2樓凱2秦華鵬1,?

1.北京大學(xué)深圳研究生院環(huán)境與能源學(xué)院, 深圳 518055; 2.深圳市規(guī)劃國(guó)土發(fā)展研究中心, 深圳 518000; ?通信作者, E-mail: qinhp@pkusz.edu.cn

以深圳河灣流域?yàn)檠芯繉?duì)象, 基于流域降雨徑流污染?沿河截排系統(tǒng)溢流?海灣水動(dòng)力水質(zhì)聯(lián)合模型, 分析研究區(qū)溢流污染輸出的時(shí)空變化規(guī)律及其對(duì)海灣水質(zhì)的影響。結(jié)果表明, 全年流域主要污染源為污水處理廠尾水污染和溢流污染; 溢流污染占入河灣總污染負(fù)荷的 30%左右, 雨季升至 50%左右, 成為深圳河灣流域雨季最主要的污染源; 溢流污染負(fù)荷季節(jié)差異性顯著, 雨季占全年總負(fù)荷的 85%以上; 溢流污染負(fù)荷隨降雨量增加而增加, 當(dāng)降雨強(qiáng)度相差不大的時(shí)候, 雨前干旱時(shí)間越長(zhǎng), 溢流污染負(fù)荷越大;深圳灣內(nèi)灣水質(zhì)比外灣差且波動(dòng)更明顯, 雨季內(nèi)灣及灣中水質(zhì)比旱季差且波動(dòng)更大; 在場(chǎng)次降雨情況下, 內(nèi)灣水質(zhì)波動(dòng)受溢流污染沖擊影響最嚴(yán)重, 灣中及外灣水質(zhì)波動(dòng)主要受潮汐作用影響; 在降雨重現(xiàn)期為 0.25~0.5 年(2 小時(shí)降雨約 45~60 mm)時(shí), 深圳灣水質(zhì)超標(biāo)最明顯, 水質(zhì)受溢流污染沖擊影響的持續(xù)時(shí)間為 12~20 天。

溢流污染; 污染源解析; 海灣水質(zhì); 時(shí)空變化; 暴雨洪水管理模型(SWMM); 環(huán)境流體動(dòng)力學(xué)模型(EFDC)

深圳是粵港澳大灣區(qū)世界級(jí)城市群的核心城市。作為深圳的近岸海灣, 深圳灣位于深圳市的核心區(qū)域, 承擔(dān)著城市發(fā)展和生態(tài)保育的雙重功能。在城市化快速發(fā)展過(guò)程中, 深圳河灣流域存在雨污管錯(cuò)接問(wèn)題, 給水環(huán)境保護(hù)工作帶來(lái)較大的挑戰(zhàn)[1–3]。為了解決這個(gè)問(wèn)題, 深圳市建立沿河截排系統(tǒng), 作為一種截流直排雨污水、快速改善河道水質(zhì)的有效措施, 沿河截排系統(tǒng)已成為大部分城市排水系統(tǒng)改造工程的重要組成部分, 廣泛用于收集和傳輸快速城市化地區(qū)沿河雨水管排放的漏排污水[4–7]。在旱季, 由于漏排污水流量較小, 沿河截排系統(tǒng)可以完全截排沿河的漏排污水, 但是在雨季, 降雨期間大量雨水進(jìn)入雨水管, 與原有的漏排污水混流, 因截排系統(tǒng)和污水處理廠的運(yùn)輸能力有限, 當(dāng)降雨產(chǎn)生的徑流超過(guò)運(yùn)輸能力時(shí), 便產(chǎn)生沿河截排系統(tǒng)溢流和污水處理廠廠前溢流。這些溢流會(huì)進(jìn)入半封閉的海灣, 對(duì)水質(zhì)有潛在的重大影響[8–9]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)合流制管網(wǎng)溢流特征及其對(duì)河流水質(zhì)影響的研究較為充分。合流制管網(wǎng)溢流(combined sewer overflows, CSOs)污染主要受溢流口特征[8]、降雨特征[10–11]和下墊面特性[12–13]等影響, 存在初始沖刷效應(yīng), 初始階段污染物的負(fù)荷相對(duì)較高[14]。溢流污染對(duì)水體的危害非常嚴(yán)重, 會(huì)導(dǎo)致河流出現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)鹽超標(biāo)[15]、病原菌增多[16–17]和溶解氧降低[18]等現(xiàn)象。Lund 等通過(guò)[19]對(duì)合流制區(qū)域河流的水質(zhì)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn), 與無(wú) CSOs 的河流相比, 有 CSOs 的河流氨氮和總磷濃度更高, 溶解氧濃度更低。針對(duì)截排系統(tǒng), Chen 等[8]基于暴雨洪水管理模型(storm water management model, SWMM)分析深圳河灣截排系統(tǒng)溢流的空間分布特征及影響因素, 但沒(méi)有分析溢流對(duì)受納水體的影響。鄭明鳳等[20]基于 SWMM 和環(huán)境流體動(dòng)力學(xué)模型(the environmental fluid dynamics code, EFDC)分析徑流污染對(duì)深圳灣富營(yíng)養(yǎng)化的影響, 但未考慮溢流影響這一關(guān)鍵因素。對(duì)于灣區(qū)城市, 在潮汐影響下, 溢流污染對(duì)海灣水質(zhì)的影響更加顯著和復(fù)雜。然而, 目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)截排系統(tǒng)溢流污染對(duì)海灣水質(zhì)影響的研究較缺乏。

鑒于上述背景, 本文建立流域尺度的降雨徑流污染?沿河截排系統(tǒng)溢流?海灣水動(dòng)力水質(zhì)聯(lián)合模型, 識(shí)別溢流污染對(duì)深圳灣負(fù)荷的貢獻(xiàn), 分析深圳河灣流域截排系統(tǒng)溢流污染負(fù)荷輸出的時(shí)空規(guī)律, 研究連續(xù)動(dòng)態(tài)模擬及不同降雨重現(xiàn)期下溢流污染對(duì)海灣水質(zhì)的影響, 探討沿河截排系統(tǒng)溢流污染與海灣水質(zhì)之間的響應(yīng)關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

深圳灣是深圳與香港之間的一個(gè)半封閉海灣, 東接深圳河, 西連珠江口內(nèi)伶仃洋, 匯水面積為596 km2。灣內(nèi)縱深約 14 km, 平均寬 7.5 km, 平均水深僅 2.9m, 灣內(nèi)水域面積為 92.17km2, 灣口至灣頂長(zhǎng) 18.5km, 海床高程大部分在?7~?1m之間, 比降約為 0.3 ‰。區(qū)域內(nèi)降雨量時(shí)空分配非常不平衡, 多年平均降雨量為 1966.5mm, 汛期(4—9 月)降雨量大且集中, 多以暴雨形式出現(xiàn), 約占全年降雨總量的 80 %。

深圳側(cè)有水質(zhì)凈化廠 8 座, 污水處理能力總共為 199 萬(wàn) t/d; 香港側(cè)有水質(zhì)凈化廠 2 座, 污水處理能力總共為 16.2 萬(wàn) t/d。與深圳側(cè)相比, 香港側(cè)污水處理能力較小, 原因是靠近深圳灣流域的香港側(cè)主要為山地和林地, 屬于未開(kāi)發(fā)區(qū)。目前, 深圳側(cè)深圳河灣流域已經(jīng)建成比較完善的污水收集處理系統(tǒng), 大沙河、新洲河、福田河、布吉河下游、沙灣河下游和蓮塘河的截排系統(tǒng)(參數(shù)見(jiàn)表 1)均已完善并運(yùn)行, 將收集的雨污水送入就近的污水處理廠處理(圖 1)。

近年來(lái), 由于城市化水平越來(lái)越高, 區(qū)域內(nèi)不滲透地表的增多導(dǎo)致徑流量和污染負(fù)荷加大, 雨季降雨期間沿河截排系統(tǒng)和污水處理廠的運(yùn)輸能力有限, 大量污染負(fù)荷通過(guò)沿河截排系統(tǒng)和污水處理廠溢流進(jìn)入深圳灣(圖 2)。近 5 年的海灣水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示, 雨季內(nèi)灣化學(xué)需氧量(chemical oxygen de- mand, COD)、無(wú)機(jī)氮和磷酸鹽的平均濃度為 7.49, 4.13 和 0.33mg/L, 按照Ⅳ類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn), 分別超標(biāo) 1.5, 8.3 和 7.3 倍, 與旱季相比, 分別超出 2.5, 1.6和 1.5 倍。雨季極端降雨導(dǎo)致的溢流污染使得海灣水質(zhì)波動(dòng)較大, 超標(biāo)明顯, 對(duì)海灣水質(zhì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的影響。

1.2 模型的建立

為了研究城市截排系統(tǒng)溢流污染對(duì)海灣水質(zhì)連續(xù)動(dòng)態(tài)的影響, 本文基于 SWMM 和 EFDC 模型, 建立降雨徑流污染?沿河截排系統(tǒng)溢流?海灣水動(dòng)力水質(zhì)聯(lián)合模型。其中, 降雨徑流污染和沿河截排系統(tǒng)溢流采用 SWMM 進(jìn)行模擬, 海灣水質(zhì)響應(yīng)過(guò)程采用 EFDC 模型進(jìn)行模擬。首先用 SWMM 構(gòu)建城市降雨徑流污染模型和沿河截排系統(tǒng)溢流模型, 模擬深圳河灣流域各河流出口的流量和水質(zhì)濃度的變化過(guò)程, 然后會(huì)同河流基流和點(diǎn)源排放序列, 一起作為動(dòng)態(tài)邊界條件輸入 EFDC 海灣水動(dòng)力水質(zhì)模型進(jìn)行聯(lián)合模擬。

表1 研究區(qū)域內(nèi)沿河截排系統(tǒng)參數(shù)

說(shuō)明: 截排能力表示截排系統(tǒng)可截流降雨在流域產(chǎn)生最大地表徑流量的能力。

根據(jù)收集到的排水分區(qū)、地形數(shù)據(jù)、河流水系、道路和管網(wǎng)分布等資料, 將流域概化為 452 個(gè)子匯水區(qū)域、15 條水系、781 條管渠、844 個(gè)節(jié)點(diǎn)和 29 個(gè)排口。將深圳灣流域的用地類型劃分為居住用地、工業(yè)用地、商業(yè)用地、道路和植被/綠地 5個(gè)類型。

沿河截排系統(tǒng)溢流模型采用 SWMM 中的堰流模塊, 在匯水區(qū)模型和排水模型的基礎(chǔ)上, 增加沿河截排系統(tǒng), 設(shè)定截排系統(tǒng)溢流口。溢流口為連接截排系統(tǒng)與河道的通道, 當(dāng)箱涵的水位高于溢流口的高度時(shí), 便會(huì)發(fā)生溢流。

根據(jù)收集到的海陸邊界和海灣地形等資料, 將深圳灣劃分為 2434 個(gè)正交網(wǎng)格。海洋開(kāi)邊界的數(shù)據(jù)來(lái)自深圳蛇口赤灣站的潮位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和外海的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù), 河流邊界的流量和水質(zhì)輸入數(shù)據(jù)來(lái)自SWMM 模擬值和非降雨時(shí)期監(jiān)測(cè)值。耦合模型如圖 3 所示, 主要模擬指標(biāo)有潮位、流量、COD、無(wú)機(jī)氮、磷酸鹽、氨氮、總氮(total nitrogen, TN)和總磷(total phosphorus, TP)。

模型建立過(guò)程中, 尾水污染、直排污染、香港側(cè)污染、大氣沉降污染和底泥污染的設(shè)置方法如下: 尾水污染中, 福田、濱河和羅芳污水處理廠的負(fù)荷直接排入深圳河或深圳灣, 其他污水處理廠則通過(guò)補(bǔ)水的形式補(bǔ)充河流基流, 各污水處理廠的水量水質(zhì)采用深圳市水務(wù)集團(tuán)的逐時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù); 直排污染的排污口數(shù)據(jù)來(lái)源于最新的第二次全國(guó)污染源普查結(jié)果, 經(jīng)過(guò)整治的深圳河灣流域排污口目前還有總排放量為 5787m3/d 的污水進(jìn)入深圳灣, 采用污水處理廠的進(jìn)水水質(zhì)數(shù)據(jù); 香港側(cè)的污染主要為降雨徑流污染和河流基流污染, 其中降雨徑流污染來(lái)源于 SWMM 計(jì)算結(jié)果, 河流基流污染來(lái)源于香港環(huán)境保護(hù)署的河流水量水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù); 深圳灣大氣沉降污染根據(jù)樊敏玲等[21]在中山橫門的研究數(shù)值, 由海域面積計(jì)算得到 2017 年大氣沉降對(duì)深圳灣的氮磷貢獻(xiàn), 氨氮為 146t, TN 為 395t, TP 為 5t; 底泥中 COD 釋放通量根據(jù)宋芳等[22]的研究結(jié)果, 營(yíng)養(yǎng)鹽釋放通量參考廣東海洋大學(xué) 2017 年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù), 得到 2017 年底泥釋放對(duì)深圳灣的貢獻(xiàn), COD為 2380 t, 氨氮為 43 t, TN為203 t, TP 為 47 t。

1.3 模型的率定與驗(yàn)證

選取 2017 年作為模擬時(shí)段, 模擬所需的海面風(fēng)場(chǎng)、海水鹽度和水溫來(lái)源于深圳市海洋環(huán)境與資源監(jiān)測(cè)中心的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù), 太陽(yáng)輻射、云量、蒸發(fā)和流域降雨量來(lái)源于深圳市國(guó)家氣象觀測(cè)臺(tái), 水文、水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于深圳市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站、深圳市水務(wù)局和深圳市海洋局。

1.3.1水動(dòng)力模型

選取深圳河口站 2017 年 9 月的流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和深圳灣站 2017 年 9 月潮位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的流量及潮位驗(yàn)證, 結(jié)果如圖 4 所示。驗(yàn)證結(jié)果的精度用NSE系數(shù)(Nash-Sutcliffe efficiency coefficient)衡量, 深圳河口站流量驗(yàn)證的 NSE 系數(shù)為 0.84, 深圳灣站潮位 NSE 系數(shù)為 0.92。模型模擬的水文過(guò)程與實(shí)測(cè)水文過(guò)程趨勢(shì)基本上吻合。

最后, 利用 2017 年筆架山河河口站的溢流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù), 參照 Chen 等[8]的方法, 對(duì)水文模型參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證, 參數(shù)率定和驗(yàn)證結(jié)果的精度用皮爾森相關(guān)系數(shù)()衡量, 場(chǎng)次監(jiān)測(cè)溢流持續(xù)時(shí)間和模擬溢流持續(xù)時(shí)間的2為 0.8371。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證, 所建模型能夠較準(zhǔn)確地模擬深圳河灣流域沿河截排系統(tǒng)溢流。

圖1 研究區(qū)域與監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

圖2 沿河截排系統(tǒng)溢流示意圖

1.3.2水質(zhì)模型

1)下墊面沖刷過(guò)程。SWMM 中的水質(zhì)參數(shù)主要是污染物累積模塊和沖刷模塊的參數(shù), 采用 2012年 4 月 5 日和 16 日的降雨徑流污染監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù), 對(duì)SWMM 的參數(shù)進(jìn)行率定和驗(yàn)證, 具體方法見(jiàn)文獻(xiàn)[20]。各用地類型的各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)驗(yàn)證結(jié)果的 NSE系數(shù)均在 0.78~0.93 之間, 說(shuō)明模型參數(shù)可靠, 能夠較準(zhǔn)確地模擬降雨徑流污染。

黑色為SWMM, 藍(lán)色為EFDC模型

2)海灣水質(zhì)部分。采用 2017 年 9 月 1—15 日深圳河口站和深圳灣浮標(biāo)站的連續(xù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證, 各水質(zhì)指標(biāo)的時(shí)間序列如圖 5 所示。深圳河口站 COD、氨氮、TN 和 TP 驗(yàn)證結(jié)果的 NSE 系數(shù)均在 0.75~0.86 范圍內(nèi), 深圳灣浮標(biāo)站驗(yàn)證結(jié)果的NSE 系數(shù)在 0.71~0.78 范圍內(nèi), 說(shuō)明模型水質(zhì)參數(shù)可靠, 能夠較準(zhǔn)確地模擬陸域污染物進(jìn)入深圳灣后的水質(zhì)情況。

圖4 EFDC模型水動(dòng)力部分時(shí)間序列驗(yàn)證結(jié)果

圖5 EFDC模型水質(zhì)部分時(shí)間序列驗(yàn)證結(jié)果

1.4 模型情景設(shè)置

1)全年連續(xù)降雨情景: 用于識(shí)別全年各類污染源對(duì)深圳灣污染負(fù)荷的貢獻(xiàn), 分析深圳河灣流域截排系統(tǒng)溢流污染負(fù)荷輸出的時(shí)空規(guī)律。

2)場(chǎng)次降雨情景: 用于模擬不同降雨重現(xiàn)期下深圳河灣溢流污染輸出負(fù)荷、海灣水質(zhì)超標(biāo)情況以及海灣水質(zhì)的時(shí)空差異性。根據(jù)深圳市暴雨強(qiáng)度公式, 采用芝加哥雨型, 設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為 0.1, 0.25, 0.5和 1 年的降雨, 2 小時(shí)降雨量分別為 28, 45, 60 和 70 mm, 雨前干旱時(shí)間設(shè)置為5天, 雨峰系數(shù)為 0.4。

2 結(jié)果與討論

2.1 深圳河灣流域溢流污染負(fù)荷來(lái)源

深圳河灣流域 2017 年入灣污染負(fù)荷中 COD、氨氮、TN 和 TP 的總量分別為 30480, 1985, 5105 和473t。如表 2 所示, 污水處理廠尾水污染和溢流污染是全年兩大主要污染源, COD、氨氮、TN 和 TP合計(jì)占比分別為 68.3%, 74.7%, 81.1%和 58.8%。在當(dāng)前雨水管網(wǎng)修建較完善的情況下, 面源污染(降雨徑流未進(jìn)入管網(wǎng)直接入河的污染)占比較小。

根據(jù) Chen 等[8]的研究, 深圳河灣流域沿河截排系統(tǒng)溢流的臨界降雨量為 5mm。為了解雨天溢流污染負(fù)荷對(duì)深圳河灣流域的貢獻(xiàn)程度, 選取降雨量>5mm 的天數(shù)(共 65 天), 統(tǒng)計(jì)深圳河灣流域降雨期間的污染負(fù)荷。如表 3 所示, COD、氨氮、TN 和TP 的總量分別為 16630, 961, 1978 和 262t, 分別占全年入灣負(fù)荷的 54.6%, 48.4%, 38.7%和 55.4%。溢流污染在各類污染源中占比 50%左右, 是深圳灣雨天的主要污染源。

表2 深圳灣2017年全年各類主要污染源占比

表3 深圳灣2017年雨天各類主要污染源占比

2.2 截排系統(tǒng)溢流污染負(fù)荷的時(shí)空變化規(guī)律

2.2.1 空間變化規(guī)律

如表 4 所示, 深圳河灣流域溢流污染主要分布在污水處理廠廠前溢流、布吉河流域以及新洲河流域。濱河污水處理廠和羅芳污水處理廠 COD 溢流負(fù)荷全年占比為 52.4%, 氨氮占比為 59.0%, TN 占比為 55.1%, TP 占比為 46.0%。這是因?yàn)楫?dāng)截污系統(tǒng)傳輸進(jìn)污水處理廠的水量超過(guò)其處理能力時(shí), 污水處理廠將難以處理的污水直接排放入河, 導(dǎo)致河流污染嚴(yán)重[23]。與沿河溢流相比, 廠前溢流成為雨季河流及海灣不可忽視的污染源。

表4 深圳河灣流域溢流污染負(fù)荷的空間分布

2.2.2 時(shí)間變化規(guī)律

深圳市 2017 年全年降雨量為 2070.6 mm, 其中雨季(4—9 月)降雨量(1865.6 mm)占全年的 90%。雨季 COD、氨氮、TN 和 TP 的溢流污染負(fù)荷分別為9062, 573, 940 和 130t, 在全年的占比為 89.3%, 88.5%, 87.5%和 87.5% (圖 6)。流域月度溢流污染負(fù)荷與月降雨量正相關(guān), 降雨量越大, 溢流污染排放負(fù)荷總量越大, 主要是因?yàn)榻涤炅吭酱? 從地表沖刷出來(lái)的污染物越多, 這些污染物隨徑流進(jìn)入截污系統(tǒng)后從溢流口溢出。另外, 在分析月度場(chǎng)次降雨過(guò)程中發(fā)現(xiàn), 溢流污染負(fù)荷還與降雨間隔時(shí)間及降雨強(qiáng)度有關(guān)(圖 7)。2017 年 9 月 13—15 日的降雨過(guò)程中, 雖然 15 日的降雨強(qiáng)度大于 13 日, 但由于 15日的降雨間隔時(shí)間較短, 地面累積的污染物有限, 沖刷進(jìn)入沿河截污系統(tǒng)的徑流污染負(fù)荷較少, 因此溢流污染負(fù)荷也相對(duì)較少。

2.3 深圳灣全年水質(zhì)的時(shí)空變化規(guī)律

選取深圳灣內(nèi) 3 個(gè)代表點(diǎn)位——內(nèi)灣、灣中和外灣(圖 1), 分析溢流污染對(duì)深圳灣水質(zhì)的影響, 選取 COD、無(wú)機(jī)氮和磷酸鹽 3 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行全年逐月的水質(zhì)統(tǒng)計(jì)分析, 結(jié)果如圖 8 所示。

從空間上看, 深圳灣水質(zhì)從外灣到內(nèi)灣逐漸變差, 其中內(nèi)灣比灣中和外灣水質(zhì)波動(dòng)明顯。內(nèi)灣、灣中和外灣全年 COD 平均濃度分別為 19.6, 8.2 和5.7mg/L, 全年無(wú)機(jī)氮平均濃度分別為 3.2, 2.0 和0.6mg/L, 全年磷酸鹽平均濃度分別為 0.35, 0.25 和0.08mg/L。其中, 內(nèi)灣無(wú)機(jī)氮比Ⅳ類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(≤0.5mg/L)超標(biāo) 6.4 倍, 磷酸鹽比Ⅳ類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(≤0.045mg/L)超標(biāo) 7.8 倍。根據(jù)國(guó)家海洋局發(fā)布的《中國(guó)海洋環(huán)境狀況公報(bào)》中富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)計(jì)算方法(= [化學(xué)需氧量]×[無(wú)機(jī)氮]×[活性磷酸鹽] ×106/4500), 計(jì)算結(jié)果顯示內(nèi)灣水質(zhì)為重度富營(yíng)養(yǎng)化。主要原因是, 與外灣相比, 內(nèi)灣及灣中的水質(zhì)更多地受到雨季隨陸域河流進(jìn)入深圳灣的截排系統(tǒng)溢流污染沖擊影響, 在雨季波動(dòng)明顯; 同時(shí), 由于內(nèi)灣水動(dòng)力交換條件較差, 溢流污染物進(jìn)入內(nèi)灣后不易擴(kuò)散, 導(dǎo)致內(nèi)灣水質(zhì)超標(biāo)嚴(yán)重。外灣水質(zhì)更多地受到珠江口水質(zhì)的影響, 受陸域溢流污染物的影響較小, 所以全年波動(dòng)不明顯。

圖6 深圳河灣流域溢流污染負(fù)荷時(shí)間分布

圖7 2017年9月深圳河灣流域溢流污染負(fù)荷情況

從時(shí)間上看, 雨季內(nèi)灣和灣中各污染物濃度及波動(dòng)程度均高于旱季, 雨季內(nèi)灣 COD、無(wú)機(jī)氮和磷酸鹽平均濃度分別為 24.0, 3.5 和 0.4mg/L, 比旱季分別超出 58.9%, 25.0%和 29.0%, 無(wú)機(jī)氮和磷酸鹽比Ⅳ類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)分別超標(biāo) 7.0 和 8.9 倍。雨季內(nèi)灣 COD、無(wú)機(jī)氮和磷酸鹽濃度變化幅度為 507%, 348%和 667%, 遠(yuǎn)高于旱季, 主要是由于雨季陸域溢流污染物進(jìn)入海灣后導(dǎo)致水質(zhì)瞬時(shí)超標(biāo)引起的波動(dòng)。由此可見(jiàn), 溢流污染成為深圳灣雨季水質(zhì)超標(biāo)的重要污染源。

2.4 不同降雨重現(xiàn)期下流域溢流污染輸出負(fù)荷及海灣水質(zhì)的時(shí)空變化規(guī)律

2.4.1 溢流污染輸出負(fù)荷

不同降雨重現(xiàn)期下深圳河灣流域溢流污染輸出負(fù)荷統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖 9 所示。當(dāng)降雨重現(xiàn)期從 0.1 年增大至 0.5 年時(shí), 溢流污染負(fù)荷增幅較大; 隨著降雨重現(xiàn)期繼續(xù)增大, 溢流污染負(fù)荷的增幅變小。這是因?yàn)槌跗谟炅枯^小, 地表污染物隨徑流進(jìn)入截污箱涵較少; 隨著雨量增大, 進(jìn)入截污箱涵的徑流量迅速增大, 導(dǎo)致溢流負(fù)荷較快地增長(zhǎng); 當(dāng)雨量增大到一定程度時(shí), 因?yàn)榈孛娣e累的污染物有限, 所以沖刷入截污箱涵的污染負(fù)荷逐漸減少, 導(dǎo)致溢流負(fù)荷增幅逐漸變小。

2.4.2 海灣水質(zhì)的時(shí)空變化規(guī)律

設(shè)計(jì)降雨情景模擬時(shí)間段為 2017 年 6 月 30 日0:00—2:00, 共 2 小時(shí), 研究雨季不同降雨重現(xiàn)期下陸域溢流污染隨河流進(jìn)入深圳灣對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生的影響, 圖 10 顯示內(nèi)灣、灣中和外灣的 COD、無(wú)機(jī)氮和磷酸鹽濃度隨時(shí)間的變化情況。

從空間上看, 在場(chǎng)次降雨情況下, 內(nèi)灣水質(zhì)波動(dòng)受溢流污染的沖擊影響最嚴(yán)重, 灣中及外灣水質(zhì)波動(dòng)主要受潮汐作用影響, 基本上不受陸域溢流污染沖擊影響。從時(shí)間上看, 內(nèi)灣水質(zhì)整體上受溢流污染沖擊影響的持續(xù)時(shí)間為 12~20 天。隨著降雨重現(xiàn)期增大, 內(nèi)灣更早地出現(xiàn)污染物濃度峰值。降雨重現(xiàn)期為 0.25~1 年時(shí), 雨后 7~19 小時(shí)出現(xiàn)污染物濃度峰值; 降雨重現(xiàn)期為 0.1 年時(shí), 雨后 44~49 小時(shí)出現(xiàn)污染物濃度峰值。主要是因?yàn)榻邓噩F(xiàn)期越大, 污染物沖刷強(qiáng)度越大, 匯流時(shí)間越短, 污染物隨徑流進(jìn)入截污箱涵后更快地溢出, 使得內(nèi)灣相對(duì)更快地出現(xiàn)污染物濃度峰值。

從不同降雨重現(xiàn)期情況看, 在降雨重現(xiàn)期為0.25~0.5 年(2 小時(shí)降雨量為 45~60mm)時(shí), 內(nèi)灣水質(zhì)超標(biāo)最明顯。其中, COD 和無(wú)機(jī)氮在降雨重現(xiàn)期為 0.5 年時(shí)的濃度最大, 分別為 43.2 和 7.1 mg/L, 比Ⅳ類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)分別超標(biāo)約 3.5 和 14.2 倍。磷酸鹽在降雨重現(xiàn)期 0.25 年時(shí)濃度最大, 為 0.38mg/L, 比Ⅳ類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)超標(biāo)約 8.4 倍。當(dāng)降雨重現(xiàn)期為 1 年時(shí), 由于進(jìn)入深圳灣的溢流污染負(fù)荷比徑流量小, 所以內(nèi)灣水質(zhì)濃度反而小于降雨重現(xiàn)期為0.25~0.5 年時(shí)。由此可見(jiàn), 陸域溢流污染造成深圳灣內(nèi)灣水質(zhì)的短期超標(biāo)現(xiàn)象非常明顯, 在大雨情況下, 應(yīng)當(dāng)更加關(guān)注溢流污染對(duì)海灣水質(zhì)的影響。

圖8 2017年深圳灣各月份水質(zhì)濃度變化

圖9 不同降雨重現(xiàn)期下全流域溢流污染輸出負(fù)荷的變化

3 結(jié)論

1)深圳河灣流域主要污染源為污水處理廠尾水污染和溢流污染, 其中溢流污染占全年入河灣總污染負(fù)荷的 30%左右, 雨季升至 50%左右, 成為雨季流域最主要的污染源。

圖10 不同降雨重現(xiàn)期下深圳河灣流域溢流污染對(duì)深圳灣水質(zhì)的影響情況

2)溢流污染季節(jié)差異性顯著, 雨季溢流污染負(fù)荷占全年總溢流污染負(fù)荷的 85%以上; 流域溢流污染負(fù)荷隨降雨量增加而增加, 當(dāng)降雨強(qiáng)度相差不大的時(shí)候, 雨前干旱時(shí)間(ADP)越長(zhǎng), 溢流污染負(fù)荷越大; 溢流污染集中分布在濱河和羅芳污水處理廠、布吉河及新洲河流域, 其中污水處理廠廠前溢流占到流域總溢流負(fù)荷的 46%~59%,與沿河溢流相比, 廠前溢流成為河灣不可忽視的污染源。

3)深圳河灣水質(zhì)從外灣到內(nèi)灣逐漸變差, 河口及內(nèi)灣水質(zhì)受溢流污染沖擊影響最嚴(yán)重, 其他區(qū)域水質(zhì)波動(dòng)主要受潮汐作用影響; 雨季各污染物水質(zhì)濃度及波動(dòng)程度均高于旱季, 有雨天河灣水質(zhì)受到溢流污染沖擊作用明顯。

4)降雨量越大, 內(nèi)灣污染物峰值濃度越早出現(xiàn), 降雨重現(xiàn)期為 0.25~0.5 年(2 小時(shí)降雨約 45~60 mm)時(shí)水質(zhì)超標(biāo)最明顯, 當(dāng)降雨強(qiáng)度更大時(shí), 內(nèi)灣污染物峰值濃度反而更小; 從整體來(lái)看, 溢流污染沖擊影響持續(xù)時(shí)間大概在12~20天左右。

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Impact of Overflow Pollution on Water Quality in Shenzhen Bay

CHENG Peng1, LI Mingyuan2, LOU Kai2, QIN Huapeng1,?

1. School of Environment and Energy, Peking University at Shenzhen Graduate School, Shenzhen 518055; 2. Shenzhen Urban Planning and Land Resource Research Center, Shenzhen 518000; ? Corresponding author, E-mail: qinhp@pkusz.edu.cn

This study takes the Shenzhen Bay Basin as the research object, based on the combined model of rainfall runoff pollution, overflow from sewer interception system and hydrodynamic water quality in the bay, the temporal and spatial variation of overflow pollution and its effect on water quality in the bay were analyzed. The results show that in the whole year, the main pollution sources of the basin are the pollution of the wastewater treatment plant and theoverflow pollution. The overflow pollution accounts for about 30% of the total pollution load, rises to about 50% in the rainy season, and becames the main pollution source in the rainy season in Shenzhen Bay Basin. The overflow pollution load in rainy season accounts for more than 85% of the total overflow pollution load in the whole year. The pollution load of overflow increases with the rainfall. When the rainfall intensity is similar, the longer the dry time before rain, the greater the overflow pollution load. In terms of water quality in the bay, the water quality in the Inner Bay is worse than that in the Outer Bay and the fluctuation is more obvious, In rainy season, the water quality in Inner Bay and Middle Bay is worse and fluctuates more than that in dry season. In the event of rain, the water quality fluctuation in the inner bay was most seriously affected by the impact of overflow pollution, while the middle and outer bays was mainly affected by the tidal action. When the return period of rainfall is 0.25 to 0.5 years, the water quality in Shenzhen Bay exceeds the standard most obviously, and the duration of water quality affected by overflow pollution is 12 to 20 days.

overflow pollution; water source apportionment of pollution; bay water quality; temporal and spatial variation; storm water management modol (SWMM); the environmental fluid dynamics code (EFDC)

10.13209/j.0479-8023.2020.097

2019–12–09;

2020–01–04

深圳市發(fā)展和改革委員會(huì)節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)基金(深發(fā)改[2017]542號(hào))資助