廣東省水質(zhì)現(xiàn)狀及驅(qū)動(dòng)因素

陳金月,陳水森,付 嬈,尹小玲,王重洋,李 丹,彭詠石

1 廣東省科學(xué)院廣州地理研究所,廣東省遙感大數(shù)據(jù)應(yīng)用工程技術(shù)研究中心,廣東省遙感與地理信息系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東省地理空間信息技術(shù)與應(yīng)用公共實(shí)驗(yàn)室, 廣州 510070 2 山東大學(xué)環(huán)境研究院,青島 266237 3 中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所,廣州 510640

水是生態(tài)系統(tǒng)的中心,是生命之源、生產(chǎn)之要、生態(tài)之基[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì),過(guò)去一個(gè)世紀(jì),全球用水量增長(zhǎng)了6倍,并且以每年約1%的速度增長(zhǎng)[2]。然而,隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和全球氣候變化加劇,水資源短缺、水環(huán)境污染、水生態(tài)退化、水災(zāi)害頻發(fā)和水管理滯后等5個(gè)問(wèn)題復(fù)雜交叉,嚴(yán)重限制了水資源的可持續(xù)發(fā)展,人類與水資源的沖突愈演愈烈[3—4]。大量工、農(nóng)業(yè)廢水和生活污水隨地表徑流持續(xù)不斷地進(jìn)入到河流中,致使水質(zhì)急劇惡化[5—7]；氣候變化引起的全球水循環(huán)加劇、氣溫升高,也通過(guò)改變水體的溫度、蒸發(fā)量和水生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)力等加劇了水體富營(yíng)養(yǎng)化等水污染現(xiàn)象[8—9]。亞洲、非洲和拉丁美洲幾乎所有河流的水環(huán)境均在惡化,預(yù)計(jì)未來(lái)幾十年水質(zhì)仍將進(jìn)一步惡化[2],亟需通過(guò)評(píng)估河流所在流域的水質(zhì)現(xiàn)狀及其主要驅(qū)動(dòng)因素來(lái)厘清水質(zhì)變化對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、土地覆被和氣候變化之間的響應(yīng)機(jī)制[5—9]。

流域水質(zhì)評(píng)估得到了聯(lián)合國(guó)[2]、美國(guó)[10]、歐盟[11,12]和中國(guó)[13—15]等世界主要組織和國(guó)家的重視[16—22]。當(dāng)前,流域水質(zhì)評(píng)估通過(guò)對(duì)河流理化、營(yíng)養(yǎng)鹽和生物等指標(biāo)按一定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,進(jìn)而對(duì)河流水質(zhì)進(jìn)行定性或定量的評(píng)估[6,23—25]。單因子指數(shù)法(SI)[24]和綜合水質(zhì)指數(shù)(WQI)[26]等方法被廣泛應(yīng)用。SI方法根據(jù)國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局頒布的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算不同水質(zhì)指標(biāo)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值的比值,計(jì)算簡(jiǎn)單,但不同水質(zhì)參數(shù)計(jì)算公式不一致,可能造成評(píng)估結(jié)果片面[6]。WQI方法結(jié)合以往研究的先驗(yàn)知識(shí)來(lái)確定水質(zhì)參數(shù)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn),其評(píng)價(jià)結(jié)果更為客觀,且評(píng)估結(jié)果的層次劃分豐富、層間差異清晰,擁有較強(qiáng)的實(shí)用性[26]。雖然兩種方法的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不同,評(píng)估結(jié)果也不盡相同,但兩者結(jié)合可以從新的高度評(píng)估研究區(qū)水質(zhì)狀況及其時(shí)空特征。因此,很多時(shí)候需要綜合使用兩種方法對(duì)水質(zhì)狀況進(jìn)行多粒度的評(píng)估。

廣東省淡水資源總量較多,但人口眾多、水質(zhì)污染嚴(yán)重,人均可用淡水資源嚴(yán)重不足[15,21,26]。粵港澳大灣區(qū)蓬勃發(fā)展的形勢(shì)下,廣東省的淡水資源面臨巨大壓力,水質(zhì)狀況尤為嚴(yán)峻；但關(guān)于淡水資源的質(zhì)量評(píng)估及驅(qū)動(dòng)力分析的研究仍然不足,亟待加強(qiáng)。因此,本研究基于2019—2020年廣東省七個(gè)流域的現(xiàn)場(chǎng)采樣數(shù)據(jù),分豐水期和枯水期,通過(guò)SI和WQI方法對(duì)廣東省的主要河流及其污染現(xiàn)狀進(jìn)行全面評(píng)估,并就主要影響因素和驅(qū)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行分析,為廣東省珠江三角洲、粵東西北的水生態(tài)健康發(fā)展提供科學(xué)支撐。

1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)為廣東省的七大流域(位于20°13′12″—25°30′12″N,109°39′26″—117°10′53″E,如圖1所示),包括北江流域、東江流域、西江流域、珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)、粵西諸河,以及韓江流域和粵東諸河。行政區(qū)劃上,主要包括廣州、深圳、佛山、東莞等21個(gè)地級(jí)市,面積179700 km2。

研究區(qū)地貌類型復(fù)雜、北高南低,海拔在0和1888 m之間變化,以丘陵、平原和臺(tái)地為主,粵北和粵東山區(qū)地形起伏大。研究區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,水文季節(jié)和地區(qū)差異顯著[26]：一般情況下,豐水期約占全年降水量的70%—85%；同時(shí),降雨的年際差異也較大,最大年降水量是最小年的1.84倍,個(gè)別地區(qū)甚至達(dá)到3倍。多年平均降雨量和平均氣溫分別為1777 mm和22℃,折合年均降水量為3145億m3。

研究區(qū)人口密度和城市化率高。據(jù)統(tǒng)計(jì),2017年,廣東省在1.80%的國(guó)土面積上養(yǎng)育了8.90%的人口(1.17億人),創(chuàng)造了93436.29億元GDP (占中國(guó)GDP 的1/8)[27]。但由于研究區(qū)人水矛盾突出,其水生態(tài)系統(tǒng)異常脆弱和敏感[28]。當(dāng)前,廣東省淡水資源正面臨著水資源可持續(xù)利用能力不足的巨大威脅[15,21,26]。例如,以香港、澳門和珠江三角洲的政治、生活和經(jīng)濟(jì)用水而聞名的珠江水質(zhì)退化明顯,并經(jīng)常面臨諸多的水污染問(wèn)題,已得到國(guó)家各個(gè)層面的水利、環(huán)保和農(nóng)業(yè)部門的重視。

圖1 研究區(qū)概況及采樣點(diǎn)位置Fig.1 The location map of the study area and sampling points

2研究方法與材料2.1數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

主要數(shù)據(jù)及其來(lái)源如下：(1)水質(zhì)數(shù)據(jù)來(lái)源于2019—2020年間的現(xiàn)場(chǎng)采樣和室內(nèi)分析,主要包括溶解氧(DO)、葉綠素a(Chla)、氨氮(NH3N)、總氮(TN)、總磷(TP)、透明度、懸浮物(SPM)；(2)氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)中心(http://data.cma.cn/)和廣東省各地國(guó)家氣象觀測(cè)站點(diǎn)2014—2017年間的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)；(3)高程數(shù)據(jù)為30 m×30 m空間分辨率的DEM數(shù)據(jù),下載自地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)；(4)土地覆被數(shù)據(jù)來(lái)源于清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系發(fā)布的FROM-GLC10產(chǎn)品(http://data.ess.tsinghua.edu.cn)[29],空間分辨率為10 m×10 m；(5)社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于廣東省各城市的統(tǒng)計(jì)年鑒以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)。

本研究中,依據(jù)分層采樣原則[6],分豐水期和枯水期對(duì)廣東省主要河流進(jìn)行采樣,樣點(diǎn)較均勻地分布在廣東省七大流域的上、中、下游,基本涵蓋了研究區(qū)內(nèi)不同水質(zhì)現(xiàn)狀和水文特征的主要水系,保證了水質(zhì)采樣點(diǎn)的代表性,為客觀評(píng)估廣東省水質(zhì)現(xiàn)狀提供了基本保證,各個(gè)流域采樣點(diǎn)及其采樣時(shí)間見(jiàn)圖1和表1。受新冠疫情影響,西江流域和部分珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)枯水期的水樣未采集。水樣采集參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)規(guī)范進(jìn)行。DO使用便攜式水質(zhì)檢測(cè)分析儀(YSI)對(duì)水面下25 cm處的水體進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。透明度使用塞氏盤法(Secchi depth disk, SDD)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。Chla、NH3N、TN、TP和SPM等水質(zhì)參數(shù)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)量,樣品均在避光、低溫的環(huán)境下存儲(chǔ)。Chla、NH3N、TN和TP的測(cè)定方法分別為《水質(zhì) 葉綠素a的測(cè)定 分光光度法》(HJ897—2017)《水質(zhì) 氨氮的測(cè)定 水楊酸分光光度法》(HJ536—2009)《水質(zhì) 總氮的測(cè)定 流動(dòng)注射-鹽酸萘乙二胺分光光度法》(HJ 668—2013)和《水質(zhì) 磷酸鹽和總磷的測(cè)定 連續(xù)流動(dòng)-鉬酸銨分光光度法》(HJ670—2013),它們均屬于分光光度法,主要區(qū)別在于預(yù)處理程序、加入的顯色液種類和含量、用于測(cè)量水體吸光度的波段和對(duì)照液等四個(gè)方面。SPM采用《水質(zhì)懸浮物的測(cè)定重量法》(GB11901-89)來(lái)測(cè)定。

表1 各流域采樣點(diǎn)數(shù)量及其采集時(shí)間統(tǒng)計(jì)

2.2 評(píng)估方法

2.2.1SI評(píng)估方法

單因子指數(shù)法(SI)[23,24]根據(jù)水質(zhì)參數(shù)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值的比值進(jìn)行評(píng)估,可以分為兩類：(1)水質(zhì)隨參數(shù)值增加而下降的因子,水質(zhì)參數(shù)主要包括Chla、NH3N、TN、TP和SPM,其計(jì)算公式如式(1)所示；(2)水質(zhì)隨參數(shù)值增加而改善的因子,主要包括DO和SDD,其計(jì)算公式如式(2)所示。

(1)

(2)

2.2.2WQI評(píng)估方法

綜合水質(zhì)指數(shù)(WQI)是一種知識(shí)驅(qū)動(dòng)型的評(píng)價(jià)方法,各個(gè)水質(zhì)參數(shù)的劃分及其權(quán)重根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)來(lái)確定[6,23,30—33]。其計(jì)算如式(3)所示。

(3)

式中,WQI為綜合水質(zhì)指數(shù),Hi為第i個(gè)水質(zhì)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化值,Pi是第i個(gè)水質(zhì)參數(shù)的權(quán)重,n為參與評(píng)價(jià)的水質(zhì)參數(shù)個(gè)數(shù)。WQI的閾值在[0,100]之間,WQI越大,水質(zhì)質(zhì)量越好;采用等分法將河流水質(zhì)劃分為優(yōu)、良、中、差、極差五個(gè)等級(jí)(表2)。

表2 綜合水質(zhì)指數(shù)方法各水質(zhì)參數(shù)等級(jí)劃分及其權(quán)重

2.3 驅(qū)動(dòng)力分析

驅(qū)動(dòng)力分析是深化水質(zhì)時(shí)空分布規(guī)律的核心工作之一,是河流治理和保護(hù)的理論基礎(chǔ)。本著可操作性、科學(xué)性和可度量性的原則,結(jié)合廣東省河流污染現(xiàn)狀,選擇地形、氣象、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和土地覆被類型四大要素對(duì)廣東省主要河流的水質(zhì)分布規(guī)律進(jìn)行探討,各要素的度量因子選取如下：

(1)地形：高程、坡度、坡向等通過(guò)影響流域的水熱分布和植被生長(zhǎng)狀況來(lái)影響降雨和地表徑流,從而進(jìn)一步影響流域非點(diǎn)源污染的產(chǎn)生和輸移[21,34,35]。廣東省河道縱橫交錯(cuò),各流域地形地貌差異大；因此,本文選擇高程、坡度和坡向因子探討地形對(duì)水質(zhì)分布規(guī)律的影響。

(2)氣象：廣東省降雨、蒸發(fā)和溫度的年際和地區(qū)差異大,水文季節(jié)明顯。溫度制約著流域的氣候和水生環(huán)境等自然條件,通過(guò)初級(jí)生產(chǎn)力進(jìn)一步影響水生態(tài)系統(tǒng),是影響河流水質(zhì)的重要因素；降雨和蒸發(fā)量是影響流域水資源承載力的最直接因素,是決定河流水質(zhì)狀況的關(guān)鍵因素[4,8,9]。因此,本文選擇溫度、多年平均降雨量和年蒸發(fā)量因子來(lái)探討氣象對(duì)水質(zhì)分布規(guī)律的影響。

(3)社會(huì)經(jīng)濟(jì)：工農(nóng)污水排放量大、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理是流域水質(zhì)惡化的直接原因；將人口密度、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)作為水質(zhì)現(xiàn)狀的驅(qū)動(dòng)因素已成為學(xué)術(shù)界的普遍共識(shí)[22,36]。因此,本文選擇人口密度,人均GDP,總污水排放量,豬肉出欄量、禽類產(chǎn)量、水產(chǎn)品產(chǎn)量,一、二、三產(chǎn)業(yè)占比,化肥和農(nóng)藥使用量因子來(lái)探討社會(huì)經(jīng)濟(jì)對(duì)水質(zhì)分布規(guī)律的影響。

(4)土地覆被類型：河流是土地覆被類型的重要組成部分,其水質(zhì)受到流域土地覆被類型占比的重要影響[37]。當(dāng)前,點(diǎn)源污染得到有效控制,非點(diǎn)源污染成為了影響河流水質(zhì)的重要原因。幾乎所有的非點(diǎn)源污染都與土地覆被類型等下墊面的變化緊密相關(guān)[38,39],土地覆被通過(guò)影響流域的生態(tài)功能和入河污染物的排放而影響河流的水質(zhì)狀況[21]。經(jīng)過(guò)采樣點(diǎn)水質(zhì)參數(shù)與不同距離緩沖區(qū)內(nèi)土地覆被類型占比的相關(guān)性分析,選擇與水質(zhì)參數(shù)濃度相關(guān)性較高的12 km緩沖區(qū)作為土地覆被類型占比的統(tǒng)計(jì)單元,并探討其對(duì)水質(zhì)分布規(guī)律的影響。

3 廣東省水質(zhì)現(xiàn)狀

3.1 SI單因子方法評(píng)估結(jié)果分析

豐水期和枯水期各水質(zhì)參數(shù)的描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表3)顯示：豐水期和枯水期的水質(zhì)參數(shù)均呈現(xiàn)出顯著差異,水質(zhì)變化幅度較大。SPM、Chla和TP的季節(jié)差異較大,豐水期SPM的平均濃度(80.55 mg/L)是枯水期(26.01 mg/L)的3.10倍,但豐水期Chla和TP的平均濃度為枯水期的1/2左右。NH3N和TN的濃度變化也具有較為明顯的季節(jié)差異,豐水期兩個(gè)水質(zhì)參數(shù)的濃度要顯著高于枯水期。豐水期各采樣點(diǎn)的SDD變化幅度較枯水期大,標(biāo)準(zhǔn)差(31.78 cm vs. 27.39 cm)和變異系數(shù)(0.48 vs. 0.32)均大于枯水期。

表3 水質(zhì)參數(shù)描述性統(tǒng)計(jì)

圖2 單因子污染指數(shù)(豐水期N=66,枯水期N=54)Fig.2 Single factor pollution index (High flow season: N=66; Low flow season: N=54)

SI單因子評(píng)估結(jié)果顯示(圖2)：除DO和SDD外,研究區(qū)SPM、Chla、NH3N、TN和TP等5個(gè)污染指標(biāo)具有明顯的水文季節(jié)差異,Chla的季節(jié)變化最大,SPM次之,TP隨后。其中,Chla和TP污染指數(shù)呈現(xiàn)豐水期小于枯水期的分布趨勢(shì)；SPM、NH3N和TN等3個(gè)指標(biāo)相反,豐水期的污染指數(shù)大于枯水期。在豐水期,主要的污染指標(biāo)為TN、Chla、SPM和DO,污染指數(shù)分別為3.88、2.15、1.61和1.58。相應(yīng)地,枯水期的主要污染指標(biāo)為Chla、TN、DO和SDD,污染指數(shù)分別為5.42、3.77、1.58和1.30。因此,選擇豐水期和枯水期污染程度均較為嚴(yán)峻的Chla、TN和DO等三個(gè)水質(zhì)參數(shù)展開宏觀尺度上的水質(zhì)綜合評(píng)估及影響因素分析。

3.2 WQI方法評(píng)估結(jié)果分析

WQI方法評(píng)估結(jié)果(圖3和圖4)表明：廣東省豐水期和枯水期的WQI指數(shù)分別為45和53,各個(gè)流域的水質(zhì)狀況不容樂(lè)觀；除韓江流域外,豐水期的水質(zhì)污染較枯水期更為嚴(yán)峻,韓江下游、粵東諸河和粵西諸河三個(gè)流域的季節(jié)差異最為明顯。豐水期,全省71%采樣點(diǎn)的WQI指數(shù)在60以下,屬于中等以下水質(zhì)；同時(shí)有21%采樣點(diǎn)的WQI指數(shù)在40以下,屬于較差水質(zhì)。枯水期,全省有57%采樣點(diǎn)WQI指數(shù)在60以下,屬于中等以下水質(zhì)；同時(shí)有24%采樣點(diǎn)的WQI指數(shù)在40以下,屬于較差水質(zhì)。

圖3 豐水期采樣點(diǎn)及其綜合水質(zhì)指數(shù)評(píng)估結(jié)果的空間分布 Fig.3 Spatial distribution of sampling points and their WQI evaluation degrade in high flow seasonHFS: 豐水期 High flow season;LFS:枯水期 Low flow season

圖4 枯水期采樣點(diǎn)及其綜合水質(zhì)指數(shù)評(píng)估結(jié)果的空間分布 Fig.4 Spatial distribution of sampling points and their WQI evaluation degrade in low flow season

4 驅(qū)動(dòng)因素分析

WQI的評(píng)估結(jié)果顯示：研究區(qū)的水質(zhì)狀況不容樂(lè)觀,有57%以上的采樣點(diǎn)屬于中等以下水質(zhì),尤其是粵西諸河、粵東諸河、珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)以及韓江下游的水質(zhì)亟需治理和保護(hù)。選擇豐水期和枯水期水質(zhì)問(wèn)題均較突出的DO、Chla和TN等三種常用水質(zhì)參數(shù)的濃度,以及WQI綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)指數(shù)與地形、氣象、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和土地覆被類型等四類驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析[23],結(jié)果如表4所示。

表4 水質(zhì)參數(shù)與驅(qū)動(dòng)因素的Pearson相關(guān)性分析結(jié)果

4.1 DO驅(qū)動(dòng)因素分析

豐水期DO濃度與不透水面面積占比(r=-0.51,P<0.01)、人口密度(r=-0.43,P<0.01)和豐水期蒸發(fā)量(r=-0.26,P<0.10)等14個(gè)指標(biāo)呈顯著負(fù)相關(guān)；同時(shí),與林地面積占比(r=0.44,P<0.01)和第一產(chǎn)業(yè)比重(r=0.33,P<0.05)等5個(gè)指標(biāo)呈顯著正相關(guān)?？菟贒O濃度的驅(qū)動(dòng)因子相對(duì)簡(jiǎn)單,與林地面積占比(r=-0.32,P<0.05)呈顯著負(fù)相關(guān)；與枯水期降雨量(r=0.36,P<0.05)、城市污水處理率(r=0.36,P<0.05)等4個(gè)指標(biāo)呈顯著正相關(guān)。

土地覆被類型、人口密度、GDP、污水排放量、降雨量、豬肉產(chǎn)量等指標(biāo)是影響水體DO濃度的關(guān)鍵因素。相對(duì)枯水期,豐水期DO濃度變化的機(jī)理更為復(fù)雜,影響因子眾多,與其相關(guān)的指標(biāo)高達(dá)19個(gè)；而枯水期的影響因子有5個(gè),不足豐水期的1/3。另外,需要注意的是,降雨量具有顯著的季節(jié)差異,在豐水期,降雨量對(duì)DO濃度無(wú)顯著的提升作用；然而,在枯水期,降雨量對(duì)DO濃度的提升卻較為顯著,這可能與流域內(nèi)降雨強(qiáng)度帶來(lái)的水體自凈能力變化以及復(fù)雜地表徑流導(dǎo)致的面源污染程度不同有關(guān)。未來(lái),應(yīng)完善水質(zhì)遠(yuǎn)程在線監(jiān)控系統(tǒng),提高水質(zhì)和相關(guān)驅(qū)動(dòng)因子的監(jiān)測(cè)頻度和范圍,結(jié)合無(wú)人機(jī)、衛(wèi)星遙感大數(shù)據(jù)挖掘不同時(shí)期、不同情景下的水環(huán)境主要影響因素,提高水污染追溯和應(yīng)急管理水平,保障飲用水安全,不斷減輕人類活動(dòng)對(duì)水生態(tài)環(huán)境的影響。

4.2 Chla驅(qū)動(dòng)因素分析

豐水期Chla濃度與年均降雨量(r=-0.40,P<0.01)、城市污水處理率(r=-0.31,P<0.05)、第三產(chǎn)業(yè)比重(r=-0.31,P<0.05)和濕地面積占比(r=-0.24,P<0.10)等9個(gè)指標(biāo)呈顯著負(fù)相關(guān)；同時(shí),與化肥使用量(r=0.62,P<0.01)、耕地面積占比(r=0.63,P<0.01)、豐水期溫度(r=0.47,P<0.01)和禽類產(chǎn)量(r=0.32,P<0.05)等11個(gè)指標(biāo)呈顯著正相關(guān)?？菟贑hla濃度的主要驅(qū)動(dòng)因子與豐水期無(wú)明顯差異,但影響幅度更大。這種Chla的水文季節(jié)差異可能是由于枯水期降雨量較低,河流稀釋能力下降,但工農(nóng)業(yè)污水排放的豐富營(yíng)養(yǎng)鹽導(dǎo)致浮游植物大量繁殖產(chǎn)生。

溫度、降雨量以及農(nóng)藥化肥的使用量等指標(biāo)是影響水體Chla濃度的關(guān)鍵因素。Chla濃度與溫度存在較高的正相關(guān)性,這是由于浮游植物生長(zhǎng)、體內(nèi)酶活性和代謝速率受到溫度較大影響有關(guān),主要表現(xiàn)為光合作用增強(qiáng)、生物量升高[40]。同時(shí),隨著點(diǎn)源污染逐步得到控制,以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、禽畜養(yǎng)殖帶來(lái)的農(nóng)業(yè)面源污染已成為了Chla濃度增高和水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要因素,這與前人的研究結(jié)果一致[17,18,21]。這表明廣東省的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集約化程度以及綠色發(fā)展能力仍然不足,仍需要大量的農(nóng)藥、化肥使用?？梢試L試借助物質(zhì)循環(huán)和能量平衡,依靠水生植物的光合作用,將大量營(yíng)養(yǎng)鹽轉(zhuǎn)化為水生植物的初級(jí)生產(chǎn)力加以利用,促進(jìn)以改善水質(zhì)、優(yōu)化水環(huán)境為主要目標(biāo)的“環(huán)保資源化產(chǎn)業(yè)”[17]。

4.3 TN驅(qū)動(dòng)因素分析

豐水期TN濃度與林地面積占比(r=-0.43,P<0. 01)和灌木面積占比(r=-0.24,P<0.10)等2個(gè)指標(biāo)呈顯著的負(fù)相關(guān)；同時(shí),與人口密度(r=0.38,P<0.01)、草地面積占比(r=0.36,P<0.01)、豐水期溫度(r=0.23,P<0.10)等6個(gè)指標(biāo)呈顯著正相關(guān)?？菟赥N濃度的驅(qū)動(dòng)機(jī)制較為簡(jiǎn)單：與灌木面積占比(r=-0.36,P<0.05)呈顯著負(fù)相關(guān)；與不透水面面積占比(r=0.64,P<0.01)和工業(yè)污水排放量(r=0.36,P<0.05)等2個(gè)指標(biāo)呈顯著正相關(guān)。

居民生活和工業(yè)發(fā)展的氮營(yíng)養(yǎng)鹽排放以及不透水面增多加劇的面源污染是TN濃度過(guò)高的主要原因。居民生活排放的大量污水和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)使用的化肥、農(nóng)藥、石油等造成水體富營(yíng)養(yǎng)化；據(jù)統(tǒng)計(jì),廣東省2017年折純后的化肥使用總量為258萬(wàn)噸。大量的化肥被施用到農(nóng)田里,其中約有55%—75%的氮和磷沒(méi)有被作物吸收,其中一部分最終還會(huì)進(jìn)入水體,加劇了河流和湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化[36,41]。同時(shí),建設(shè)用地硬化了下墊面,減弱了其對(duì)污染物的截留和吸收作用[18]。Peterjohn等[42]的研究表明河岸帶可滯留89%的氮和80 %的磷；不同自然植被間的氮素納污能力差異顯著,林地和灌木對(duì)氮素的吸納能力較強(qiáng),而草地對(duì)氮素的吸收能力有待進(jìn)一步驗(yàn)證,整體呈現(xiàn)林地>灌木>草地的變化趨勢(shì)[43—44]。因此，有針對(duì)性地對(duì)河岸帶緩沖區(qū)的土地覆被結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整,是減輕面源污染、改善水質(zhì)的重要方向,建議在該區(qū)域加快推廣綠色與無(wú)公害農(nóng)業(yè)種植技術(shù),以及精準(zhǔn)施肥等控制農(nóng)業(yè)面源污染的措施[36]。距離河道2 km的河岸帶為水體富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵控制范圍,需要優(yōu)化農(nóng)田施肥管理、加強(qiáng)牲畜糞便處理、建設(shè)林地過(guò)濾帶和河岸緩沖帶等措施來(lái)削減面源污染負(fù)荷[19]。同時(shí),建議通過(guò)立法對(duì)沿河、沿湖2 km以內(nèi)的工業(yè)和生活用地進(jìn)行嚴(yán)格管理或清退,加強(qiáng)生活污水處理,科學(xué)合理布局工業(yè)、養(yǎng)殖品種,推廣使用生物有機(jī)肥料和低毒、低殘留高效農(nóng)藥[36]。此外,全球氣候變暖以及水體蒸發(fā)量帶來(lái)的水體自身凈化能力變化也可能是水體氮污染的重要因素[8—9]。

4.4 WQI驅(qū)動(dòng)因素分析

豐水期WQI指數(shù)與不透水面面積占比(r=-0.43,P<0.01)、豐水期溫度(r=-0.36,P<0.01)、人口密度(r=-0.35,P<0.01)等14個(gè)指標(biāo)呈顯著的負(fù)相關(guān)；同時(shí),與林地面積占比(r=0.62,P<0.01)、高程(r=0.28,P<0.05)、第一產(chǎn)業(yè)比重(r=0.26,P<0.05)等7個(gè)指標(biāo)呈顯著正相關(guān)?？菟赪QI與草地面積占比(r=-0.41,P<0.05)、第一產(chǎn)業(yè)比重(r=-0.36,P<0.05)、高程(r=-0.32,P<0.10)等5個(gè)指標(biāo)呈顯著負(fù)相關(guān)；同時(shí),枯水期WQI指數(shù)與年均降雨量(r=0.62,P<0.01)、城市污水處理率(r=0.42,P<0.05)等4個(gè)指標(biāo)呈顯著正相關(guān)。

人口激增和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展導(dǎo)致的自然景觀屬性下墊面減少、土地利用強(qiáng)度增加,以及污水排放量增多是WQI指數(shù)不高的主要原因。豐水期,高溫促進(jìn)浮游植物大量繁殖、蒸發(fā)量變大,強(qiáng)降雨地表徑流攜帶的大量營(yíng)養(yǎng)源和污染物,以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的大量污水排放是WQI指數(shù)下降、水質(zhì)惡化的直接因素；而林地、灌木和濕地等對(duì)降低面源污染較為有益的自然景觀對(duì)于WQI指數(shù)的提高具有積極意義?？菟赪QI指數(shù)隨著草地面積和第一產(chǎn)業(yè)比重的增加而下降,這可能是由于草地的納污機(jī)制較為復(fù)雜,其對(duì)水質(zhì)的影響仍存在爭(zhēng)議[18]。不同河岸帶截留轉(zhuǎn)化效率差異較大,主要取決于河岸帶的水文過(guò)程、河岸帶土壤特性與植被群落結(jié)構(gòu)、人類活動(dòng)性質(zhì)及季節(jié)變化等因素[45],河岸帶土地覆被類型和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整成為水污染治理和水環(huán)境保護(hù)的重要途徑[19,21]。未來(lái),有針對(duì)性地改善土地利用類型和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),完善產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和城市規(guī)劃[36],控制人口密度,將水資源保護(hù)與治理有機(jī)結(jié)合,加大污水處理力度和標(biāo)準(zhǔn),是有效控制水污染、保護(hù)水資源、增強(qiáng)水資源承載力的重要途徑?？梢越Y(jié)合高分辨率遙感和地理信息技術(shù)對(duì)水資源現(xiàn)狀進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)序大范圍的監(jiān)測(cè)和模擬[46],對(duì)重點(diǎn)區(qū)域水環(huán)境進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè),對(duì)重污染區(qū)域進(jìn)行綜合整治。

5 結(jié)論

本文綜合使用SI和WQI水質(zhì)評(píng)估方法,從宏觀尺度上展開了廣東省水質(zhì)狀況評(píng)估、主要污染類型識(shí)別和水污染驅(qū)動(dòng)因素分析,可為廣東新一輪創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展提供水生態(tài)保護(hù)參考,主要結(jié)論如下：

(1)整體來(lái)看,廣東七大流域的水污染主要以Chla(6.05 μg/L)和TN(1.92 mg/L)濃度超標(biāo)為主,同時(shí)伴有DO濃度(5.04 mg/L)偏低問(wèn)題。Chla、SPM、NH3N和TP濃度具有顯著的水文季節(jié)和驅(qū)動(dòng)因素差異：豐水期的Chla和TP濃度低于枯水期,但SPM和NH3N濃度高于枯水期；豐水期水質(zhì)問(wèn)題的驅(qū)動(dòng)因素較枯水期更為復(fù)雜。

(2)從流域來(lái)看,珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)、粵西諸河、韓江下游以及粵東諸河的練江流域水質(zhì)形勢(shì)嚴(yán)峻,有較多采樣點(diǎn)屬于中等以下水質(zhì)(WQI<60)。珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)和西江的水質(zhì)問(wèn)題主要表現(xiàn)為TN和SPM濃度較高。東江和北江水質(zhì)主要表現(xiàn)為TN濃度較高,分別為1.56 mg/L和1.66 mg/L。粵西諸河面臨TN濃度過(guò)高(1.78 mg/L)、SDD(78 cm)偏小等水質(zhì)問(wèn)題?；洊|諸河和韓江流域很多采樣點(diǎn)面臨TN超標(biāo)(1.94 mg/L vs. 1.99 mg/L)問(wèn)題。

(3)生產(chǎn)生活大量排放的氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽以及不透水面等人為景觀增多加劇的面源污染是TN和Chla濃度超標(biāo)、水質(zhì)下降的重要原因；降雨、氣溫等自然因素通過(guò)影響地表徑流、水體自凈能力、以及浮游植物的生長(zhǎng)繁殖進(jìn)一步影響水質(zhì)及其季節(jié)差異。在水生系統(tǒng)的保護(hù)與治理過(guò)程中,亟需通過(guò)土地覆被類型和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的協(xié)同優(yōu)化來(lái)消減營(yíng)養(yǎng)鹽和污染物的排放。