城市化对城市地表水环境质量的影响城市边缘区水环境质量演变及其城市化响应以广东省广州市花都区为例

城市化对城市地表水环境质量的影响城市边缘区水环境质量演变及其城市化响应以广东省广州市花都区为例

边缘位于城市和农村地区的交汇处。随着城市化进程的不断冲击,城市边缘区成为城市中心工业企业外迁的理想去处和主要集中地。更有甚者把城市边缘区作为城市废物的“天然处理厂”,致使该区域成为生态环境、经济发展和社会等问题最突出集中的区域。尤其是城市生活污水、工业废水、农业污染、固体废弃物的排放量快速增加,导致地表水环境质量不断恶化。目前,已有众多学者针对城市化引起的城市地表水环境污染问题进行了研究[5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19]。笔者在前人研究的基础上,以广州市花都区为例,研究城市边缘区地表水质的时空变化规律及其城市化响应机制,旨在为城市可持续发展提供依据。1污染分担率指数法该研究的数据主要来源于《花都五十年(1949～1998年)》、1999～2008年花都区统计年鉴、1994～2007年花都区环境质量报告书、花都市环境保护规划(1996～2010年)、广州市花都区环境保护规划(2006～2020年)。在此,根据数据的历史时间可比性结合污染分担率分析,选取了溶解氧、高锰酸盐指数等几项主要污染物指标进行评价。评价方法采用《地表水环境质量评价有关问题的技术规定(暂行)》进行断面和河流水质评价。用水质平均污染指数比较水质总体水平和综合污染情况,污染分担率表征各指标污染负荷权重。由于只收集到了地表水系的监测数据,湖泊及水库的水质则不纳入考虑范围,对断面的水质类别应用单因子评价由于环境质量报告中没有收录流溪河的监测数据,因此笔者只研究巴江河、天马河和新街河的水环境质量变化。2结果与分析2.1各断面主要污染程度分析由表1可知,溶解氧、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮、石油类、总磷和化学需氧量为全河段主要污染指标,累计污染分担率在68.85%～94.41%,平均值达到80.47%。为保证数据的可比性,选择上述7种主要污染物计算河段断面的污染指数,结果见图1。由图1可知,1994～2003年,全河段平均污染指数呈现出下降的趋势,2003～2007年,污染指数又呈现上升趋势。1994年,白坭断面的平均污染指数为2.15,为各断面最高,大坳、天马河和井岗桥依次为1.51、0.83和1.71。到2003年,各断面污染指数均有不同程度的下降,白坭断面为0.45,为当年各断面最低值,大坳、天马河和井岗桥依次为0.66、0.80和0.82。随后,各断面污染指数又有不同程度的上升,到2007年,白坭断面污染指数上升为0.74,大坳、天马河和井岗桥分别上升到0.94、1.58和1.07,其中天马河污染指数变为最高,污染程度加剧。从各断面在此期间的平均污染指数来看,井岗桥断面污染指数最高,天马河次之,大坳和白坭相对较低由表2可知,1994～2007年研究区地表水环境平均质量相对较差,全河段主要污染物浓度平均值大部分超过Ⅲ类标准。其中溶解氧为Ⅲ类标准值的84.6%,高锰酸盐指数、五日生化需氧量和石油类超标倍数分别为0.12、0.11和4.00倍,氨氮为标准的65.0%,并未超标,总磷则趋近于标准值。从各断面监测结果来看,白坭断面水质相对较好,超标的指标主要为石油类,超标倍数为4.2倍。大坳断面主要是溶解氧、高锰酸盐指数、五日生化需氧量和石油类等超标,其中溶解氧为标准的91.4%,高锰酸盐指数、五日生化需氧量和石油类超标倍数分别为0.08、0.01和3.20倍。天马河断面水质相对污染严重,除氨氮外,其余5项指标均超标,其中溶解氧为标准的71.6%,高锰酸盐指数、五日生化需氧量、石油类和总磷等指标分别超标0.37、0.35、3.80和0.25倍,高锰酸盐指数浓度为各断面之最。井岗桥断面水质平均值为各断面中最差,其中溶解氧为标准的64.6%,高锰酸盐指数、五日生化需氧量、石油类和总磷等指标分别超标0.25、0.44、4.60和0.25倍,氨氮浓度为各断面之最。在全河段主要的污染指标中,溶解氧、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、石油类和化学需氧量等都是有机污染的指标,其污染分担率超过60%,表明全河段主要是受到了有机物的污染。由于石油类污染物超标程度相比其他污染物较高而且在此期间其浓度值有所下降导致平均污染指数也出现了下降趋势,但是与此同时其他污染物超标情况则越来越严重,因此实际污染程度仍在不断加剧。2.2断面水质类别由表3可知,1994年研究区各河段断面除了天马河口为IV类水质外,其余断面均为V类水质。决定各断面水质类别的项目以石油类为主,另外还包括溶解氧、五日生化需氧量和化学耗氧量。到2007年,各断面水质均发生退化,其中大坳、天马河口和井岗桥断面水质变为劣V类,属于严重污染水体。决定各断面水质类别的项目变为总磷和溶解氧。由此可见,在此期间,研究区各断面水质污染程度均有所恶化。2.3污染程度的下降研究区进入20世纪90年代以来,深受广州中心城区辐射,城市化进程迅速。期间,人文因素已经成为短时段内区域环境变化的主要驱动因子因此笔者拟重点分析影响水环境质量变化的人文因素。首先对地表水环境的主要污染物浓度分别与表征城市化的指标,包括人均GDP、非农业人口比例等作相关分析,结果见表4。由表4可知,户籍人口、人均GDP等指标与溶解氧、高锰酸盐指数、石油类和总磷等污染物浓度均呈现出明显的相关关系,表明人口规模的快速增长导致了高锰酸盐指数、总磷等污染物浓度的增加和溶解氧浓度的下降,这些主要污染物浓度的变化直接导致了研究区水环境质量的下降。人口规模对于水质的影响机制在于,一方面人口规模增长导致用水量剧增,造成水资源短缺;另一方面,来自于人类固体废弃物的有机碳、氮、磷等污染物浓度与人口规模成比例增长。这2方面的作用直接加剧了水环境质量的恶化。人均GDP等指标与上述几类主要污染物浓度的相关性更为密切,表明相对人口规模增长而言,经济发展是影响研究区水环境质量变化的更主要因素。从经济发展的不同阶段来看,“九五”期间,研究区工矿企业迅速发展,大大增加了工业废水的排放量,特别是电镀、漂染行业的超标废水,对水体造成严重污染。研究区各城镇生活废水和第三产业废水都未经处理直接排入江河,其中含有大量的氨氮、化学耗氧量和石油类等污染物,加重了水体的有机污染程度。由于巴江河是研究区主要通航运河,运输船只排放、泄漏的大量油污也是巴江河石油类污染严重的主要原因之一。进入“十五”期间,研究区经济飞速发展,工业、第三产业新污染源不断增加,随之废水排放量不断增大。与此同时,花都区污水处理能力始终相对滞后,大量生活废水和工业废水继续直接排入水体,导致水质污染严重。另外,研究区北部、西部承接境外来水中的污染物排放逐年增加,对研究区的水质也有所影响。进入“十一五”期间,研究区在经济迅速发展的同时,加大了工业废水的污染治理,使得工业废水排放对河流水质的影响有所减轻。但是,污染处理能力的低下仍然是制约水质提升的关键因素,尤其是2007年,新华污水处理厂进行技术改造,几乎处于停产状态,直接导致了该年水质严重下降。另外,受到白云机场的带动,第三产业数量增加迅速,其排放废水也是造成河流水质下降的原因。3结论和讨论3.1水环境质量现状(1)1994～2007年,研究区地表水环境平均污染指数总体呈现下降趋势,期间有所波动。从各河段断面来看,井岗桥断面平均污染指数最高,天马河断面次之,大坳和白坭断面相对较低。从污染分担率来看,溶解氧、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮、石油类、总磷和化学需氧量等有机污染物是全河段主要污染指标,而且除石油类和溶解氧等浓度下降外,其余均不断升高。由此可知,研究区水环境质量正处于不断下降的过程。(2)从水质类别来看,1994年研究区各断面除了天马河口为IV类水质外,其余断面均为V类水质。到2007年,各断面水质均发生退化,其中大坳、天马河口和井岗桥断面水质变为劣V类,属于严重污染水体。研究区作为广州市重要的水源保护地,其水质的恶化已经严重威胁到了广州市的饮用水安全。(3)分析可知,研究区经济、人口规模的增长与主要污染物浓度均呈现出明显的相关关系,而经济与人口规模相比是影响水环境质量的更主要因素。具体来看,研究区工业结构不够合理,电镀、漂染等高污染低产值行业的比例过大,第三产业、生活废水、畜牧养殖及农业生产也都产生了大量的污染物排放。同时,污水处理能力的严重滞后,直接加剧了水质的恶化。为此,建议通过调整工业结构,提升污水处理能力和严格控制农业畜牧养殖源和面源污染等措施来控制水环境质量恶化。3.2地环境处理对策3.2.1水环境质量影响以2004年为例,2004年花都区印染和电镀行业的总产值占花都区工业企业总产值的1.1%,但其废水排放量却占花都区工业总排放量的73.5%,化学耗氧量、石油类、氨氮、重金属和氰化物的排放量占花都区工业总排放量的比例为78.7%～91.9%,说明花都区水环境质量较差与工业结构中污染排放量大的企业所占比例较大有关,而这些企业对工业总产值贡献率又相对偏低,与其排放量严重不相称,因此必须对工业结构进行优化调整。3.2.2东南角城市生活污水排放量污染情况生活污水主要包括城市居民生活污水、城市公共设施以及第三产业设施排放的污水。花都区城市生活污水排放量逐年增加且绝大部分都未经处理直接排入江河,是有机污染物的主要来源。据统计,2004年花都区总人口74.88万人,城市人口约62.84万人,其城市生活污水排放量约5619.47万t,排放化学需氧量12615.1t,氨氮1490.9t。到2004年底,全区只有1个实际处理能力为2万t/d的污水处理厂,污水处理设施建设严重滞后于经济社会发展,造成极大的污染。因此必须加快污水处理设施的建设,对生活污水及第三产业废水进行有效治理,尤