我国南部地区城市水生态环境问题解析及综合整治对策:以深圳市为例

张妍妍, 王振北, 朱洪涛, 孙德智. 我国南部地区城市水生态环境问题解析及综合整治对策:以深圳市为例[J]. 环境工程学报, 2022, 16(11): 3629-3643. doi: 10.12030/j.cjee.202112206
引用本文: 张妍妍, 王振北, 朱洪涛, 孙德智. 我国南部地区城市水生态环境问题解析及综合整治对策:以深圳市为例[J]. 环境工程学报, 2022, 16(11): 3629-3643. doi: 10.12030/j.cjee.202112206
ZHANG Yanyan, WANG Zhenbei, ZHU Hongtao, SUN Dezhi. Analysis of urban water ecological environment problems and comprehensive improvement measures in southern China: With Shenzhen as an example[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2022, 16(11): 3629-3643. doi: 10.12030/j.cjee.202112206
Citation: ZHANG Yanyan, WANG Zhenbei, ZHU Hongtao, SUN Dezhi. Analysis of urban water ecological environment problems and comprehensive improvement measures in southern China: With Shenzhen as an example[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2022, 16(11): 3629-3643. doi: 10.12030/j.cjee.202112206

我国南部地区城市水生态环境问题解析及综合整治对策:以深圳市为例

    作者简介: 张妍妍 (1997—) ,女,硕士研究生,yanyanzhang0924@163.com
    通讯作者: 孙德智(1960—),男,博士,教授,sundezhi@bjfu.edu.cn
  • 基金项目:
    国家水体污染控制与治理科技重大专项 (2017ZX07401004)
  • 中图分类号: X522

Analysis of urban water ecological environment problems and comprehensive improvement measures in southern China: With Shenzhen as an example

    Corresponding author: SUN Dezhi, sundezhi@bjfu.edu.cn
  • 摘要: 从水环境质量、水资源和水生态 (“三水”) 的角度对我国南部地区城市水生态环境进行了现状调研与问题解析,结果表明:该区域内城市普遍存在管网建设滞后的问题,近五成的城市排水管网密度低于全国平均水平;40%的城市污水处理厂运行负荷落后于全国平均水平;工业污染源以电子、汽车制造、化工和有色金属等重污染行业为主;区域内城市季节性面源污染严重;四分之一的城市属于重度缺水,水量型与水质型缺水并存以及水生态功能脆弱等。结合国家和城市相关规划要求,以深圳市为例构建水环境目标,并采用系统动力学模型对其水环境进行了模拟预测,分析了不同方案策略下目标的可达性。以此得出具体的分阶段治理措施:近期阶段 (到2025年) 重点进行控源减排、加大管网建设力度、污水处理厂提质增效、重污染企业产业升级和清洁生产、加强海绵城市的建设、构建节水型城市,并进行水生态的治理;中期阶段 (到2030年) 在控源减排的基础上重点进行水资源合理利用、建成完整的节水型城市体系、修复水生态系统;远期阶段 (到2035年) 重点进行水生态恢复,通过增加生物多样性等措施提高城市水生态系统功能。本研究可为南部地区同类城市解决水生态环境问题提供参考。
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  • 图 1  2016—2020年南部地区城市水质类别占比情况

    Figure 1.  Proportion of urban water quality categories in Southern China from 2016 to 2020

    图 2  2020年研究区域内各城市城镇人口及污废水排放情况

    Figure 2.  Urban population and sewage discharge in city in 2020

    图 3  2020年地区各城市排水管网密度情况[18]

    Figure 3.  Urban drainage network density in 2020

    图 4  2020年地区各城市污水处理厂运行负荷情况[18]

    Figure 4.  Operating load of regional sewage treatment plants in 2020

    图 5  2020年部分城市工业废水排放量及主要工业类型

    Figure 5.  Industrial wastewater discharge and main industrial types in some cities in 2020

    图 6  2019年地区平均月降雨量与优Ⅲ水质断面占比

    Figure 6.  Proportion of regional average monthly precipitation and section of excellent Ⅲ water quality in 2019

    图 7  2019年部分城市人均水资源量、水资源开发利用程度及水资源总量

    Figure 7.  Quantity of water resources per capita, developmentand utilization of water resources and total water resources in some cities in 2019

    图 8  2019年人均日生活用水量和万元工业增加值用水量高的城市

    Figure 8.  Cities with high per capita daily domestic water consumption and ten thousand yuan of industrial added value in 2019

    图 9  2020年部分城市再生水利用率情况

    Figure 9.  Utilization ratio of reclaimed water in some cities in 2020

    图 10  城市水生态环境系统动力学流程图

    Figure 10.  Flow chart of urban water ecological environment system dynamics

    图 11  深圳市近期阶段入水环境中COD、氨氮、TP及总用水量变化趋势

    Figure 11.  The change trend of COD, ammonia nitrogen, TP and total water consumption in the water intake environment of Shenzhen in recent period

    图 12  中期阶段入水环境COD、氨氮、TP及总用水量趋势

    Figure 12.  The contents of COD, ammonia nitrogen and TP and the trend of total water consumption in the middle stage of water intake environment

    图 13  远期阶段入水环境COD、氨氮、TP及总用水量变化趋势图

    Figure 13.  The trend chart of COD, ammonia nitrogen and TP and total water consumption in the long-term water intake environment

    表 1  深圳市水环境目标指标体系

    Table 1.  Water environment target index system of Shenzhen

    指标与
    目标分类
    省控及以上
    断面优良
    (Ⅲ类及以上)
    比例
    城市劣Ⅴ类和
    黑臭水体
    比例
    污水处理厂
    集中处理率
    海绵城市
    建成区比例
    再生水
    利用率
    万元工业增加
    值用水量/m3
    管网
    漏损率
    水生生物
    完整性指数
    2020年现状83.3%098%30%70%4.98.17%一般
    2025年目标90.5%098.5%60%80%4.17%中等
    2030年目标95%099%80%85%3.86.5%良好
    2035年目标100%099.5%90%90%3.56%优秀
    指标与
    目标分类
    省控及以上
    断面优良
    (Ⅲ类及以上)
    比例
    城市劣Ⅴ类和
    黑臭水体
    比例
    污水处理厂
    集中处理率
    海绵城市
    建成区比例
    再生水
    利用率
    万元工业增加
    值用水量/m3
    管网
    漏损率
    水生生物
    完整性指数
    2020年现状83.3%098%30%70%4.98.17%一般
    2025年目标90.5%098.5%60%80%4.17%中等
    2030年目标95%099%80%85%3.86.5%良好
    2035年目标100%099.5%90%90%3.56%优秀
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    表 2  深圳市历史值模型检验结果

    Table 2.  Shenzhen historical value model test results

    年份城镇人口/万人地区总GDP/亿元工业总产值/亿元
    预测值实际值RE预测值实际值RE预测值实际值RE
    20101 037.21 037.20010 069.110 069.104 430.44 441.20
    20111 057.331 046.741.01%11 317.711 922.85.1%4 866.65 255.20.000 7%
    20121 077.471 054.742.16%12 675.813 319.74.8%5 323.85 661.20.000 6%
    20131 097.601 062.893.27%14 260.314 979. 54.8%5 846.76 207.60.000 6%
    20141 117.741 077.893.70%15 900.216 449.53.3%6 413.16 754.00.000 5%
    20151 137.871 137.870.0017 569.718 014.12.5%6 969.37 189.80.000 3%
    20161 186.641 190.84−0.35%19 238.820 079.74.2%7 503.27 770.10.000 3%
    20171 235.401 249.57−1.13%21 451.322 490.14.6%8 087.18 701.20.000 7%
    20181 284.171 299.40−1.17%24 025.525 266.14.9%8 745.39 209.40.000 5%
    20191 332.931 337.43−0.34%26 980.626 927.1−0.2%9 605.19 587.90
    年份城镇人口/万人地区总GDP/亿元工业总产值/亿元
    预测值实际值RE预测值实际值RE预测值实际值RE
    20101 037.21 037.20010 069.110 069.104 430.44 441.20
    20111 057.331 046.741.01%11 317.711 922.85.1%4 866.65 255.20.000 7%
    20121 077.471 054.742.16%12 675.813 319.74.8%5 323.85 661.20.000 6%
    20131 097.601 062.893.27%14 260.314 979. 54.8%5 846.76 207.60.000 6%
    20141 117.741 077.893.70%15 900.216 449.53.3%6 413.16 754.00.000 5%
    20151 137.871 137.870.0017 569.718 014.12.5%6 969.37 189.80.000 3%
    20161 186.641 190.84−0.35%19 238.820 079.74.2%7 503.27 770.10.000 3%
    20171 235.401 249.57−1.13%21 451.322 490.14.6%8 087.18 701.20.000 7%
    20181 284.171 299.40−1.17%24 025.525 266.14.9%8 745.39 209.40.000 5%
    20191 332.931 337.43−0.34%26 980.626 927.1−0.2%9 605.19 587.90
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    表 3  深圳市近期方案参数设置

    Table 3.  Recent scheme parameter setting in Shenzhen

    方案
    编号
    人均日综合
    生活用水量/L
    再生水
    利用率
    万元工业增加值
    用水量/m3
    管网
    漏损率
    城市污水集中
    处理率
    建成区海绵
    城市建设占比
    方案127070%4.98.17%98%30%
    方案226075%4.98.17%98%50%
    方案326070%4.58.17%98%50%
    方案426070%4.97.5%98%50%
    方案526070%4.98.17%98.5%50%
    方案626070%4.97.5%98.5%50%
    方案726075%4.97.5%98.5%50%
    方案
    编号
    人均日综合
    生活用水量/L
    再生水
    利用率
    万元工业增加值
    用水量/m3
    管网
    漏损率
    城市污水集中
    处理率
    建成区海绵
    城市建设占比
    方案127070%4.98.17%98%30%
    方案226075%4.98.17%98%50%
    方案326070%4.58.17%98%50%
    方案426070%4.97.5%98%50%
    方案526070%4.98.17%98.5%50%
    方案626070%4.97.5%98.5%50%
    方案726075%4.97.5%98.5%50%
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    表 4  深圳市中期方案设置

    Table 4.  Mid-term plan setting in Shenzhen

    方案
    编号
    人均日综合
    生活用水量/L
    再生水
    利用率
    万元工业增加值
    用水量/m3
    管网
    漏损率
    城市污水集中
    处理率
    建成区海绵城市
    建设占比
    方案126075%4.97.5%98.5%50%
    方案225078%4.97.5%98.5%60%
    方案325075%4.57.5%98.5%60%
    方案425075%4.97%98.5%60%
    方案525075%4.97%99%60%
    方案625075%4.57%99%60%
    方案725078%4.57%99%60%
    方案
    编号
    人均日综合
    生活用水量/L
    再生水
    利用率
    万元工业增加值
    用水量/m3
    管网
    漏损率
    城市污水集中
    处理率
    建成区海绵城市
    建设占比
    方案126075%4.97.5%98.5%50%
    方案225078%4.97.5%98.5%60%
    方案325075%4.57.5%98.5%60%
    方案425075%4.97%98.5%60%
    方案525075%4.97%99%60%
    方案625075%4.57%99%60%
    方案725078%4.57%99%60%
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    表 5  深圳市远期方案设置

    Table 5.  Long-term plan setting in Shenzhen

    方案
    编号
    人均日综合
    生活用水量/L
    再生水
    利用率
    万元工业增加值
    用水量/m3
    管网
    漏损率
    城市污水
    集中处理率
    建成区海绵城市
    建设占比
    方案125078%4.57%99%60%
    方案224080%4.57%99%70%
    方案324078%4.27%99%70%
    方案424078%4.56.5%99%70%
    方案524078%4.56.5%99.5%70%
    方案624080%4.56.5%99.5%70%
    方案724078%4.26.5%99.5%70%
    方案
    编号
    人均日综合
    生活用水量/L
    再生水
    利用率
    万元工业增加值
    用水量/m3
    管网
    漏损率
    城市污水
    集中处理率
    建成区海绵城市
    建设占比
    方案125078%4.57%99%60%
    方案224080%4.57%99%70%
    方案324078%4.27%99%70%
    方案424078%4.56.5%99%70%
    方案524078%4.56.5%99.5%70%
    方案624080%4.56.5%99.5%70%
    方案724078%4.26.5%99.5%70%
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-12-19
  • 录用日期:  2022-10-24
  • 刊出日期:  2022-11-30
张妍妍, 王振北, 朱洪涛, 孙德智. 我国南部地区城市水生态环境问题解析及综合整治对策:以深圳市为例[J]. 环境工程学报, 2022, 16(11): 3629-3643. doi: 10.12030/j.cjee.202112206
引用本文: 张妍妍, 王振北, 朱洪涛, 孙德智. 我国南部地区城市水生态环境问题解析及综合整治对策:以深圳市为例[J]. 环境工程学报, 2022, 16(11): 3629-3643. doi: 10.12030/j.cjee.202112206
ZHANG Yanyan, WANG Zhenbei, ZHU Hongtao, SUN Dezhi. Analysis of urban water ecological environment problems and comprehensive improvement measures in southern China: With Shenzhen as an example[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2022, 16(11): 3629-3643. doi: 10.12030/j.cjee.202112206
Citation: ZHANG Yanyan, WANG Zhenbei, ZHU Hongtao, SUN Dezhi. Analysis of urban water ecological environment problems and comprehensive improvement measures in southern China: With Shenzhen as an example[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2022, 16(11): 3629-3643. doi: 10.12030/j.cjee.202112206

我国南部地区城市水生态环境问题解析及综合整治对策:以深圳市为例

    通讯作者: 孙德智(1960—),男,博士,教授,sundezhi@bjfu.edu.cn
    作者简介: 张妍妍 (1997—) ,女,硕士研究生,yanyanzhang0924@163.com
  • 1. 北京林业大学水体污染源控制技术北京市重点实验室,北京 100083
  • 2. 北京林业大学污染水体源控与生态修复技术北京高校工程研究中心,北京 100083
基金项目:
国家水体污染控制与治理科技重大专项 (2017ZX07401004)

摘要: 从水环境质量、水资源和水生态 (“三水”) 的角度对我国南部地区城市水生态环境进行了现状调研与问题解析,结果表明:该区域内城市普遍存在管网建设滞后的问题,近五成的城市排水管网密度低于全国平均水平;40%的城市污水处理厂运行负荷落后于全国平均水平;工业污染源以电子、汽车制造、化工和有色金属等重污染行业为主;区域内城市季节性面源污染严重;四分之一的城市属于重度缺水,水量型与水质型缺水并存以及水生态功能脆弱等。结合国家和城市相关规划要求,以深圳市为例构建水环境目标,并采用系统动力学模型对其水环境进行了模拟预测,分析了不同方案策略下目标的可达性。以此得出具体的分阶段治理措施:近期阶段 (到2025年) 重点进行控源减排、加大管网建设力度、污水处理厂提质增效、重污染企业产业升级和清洁生产、加强海绵城市的建设、构建节水型城市,并进行水生态的治理;中期阶段 (到2030年) 在控源减排的基础上重点进行水资源合理利用、建成完整的节水型城市体系、修复水生态系统;远期阶段 (到2035年) 重点进行水生态恢复,通过增加生物多样性等措施提高城市水生态系统功能。本研究可为南部地区同类城市解决水生态环境问题提供参考。

English Abstract

  • 城市水生态环境状况体现在水环境质量、水资源和水生态的各个方面,且“三水”是相辅相成、密不可分的整体[1]。水环境质量的提升和水资源的有效供给可为水生态平衡提供基础。城市水体水质的污染使水生态环境超出水体自净能力,从而引起水体富营养化或形成黑臭水体。水资源供给结构的变化 (如生产生活用水抢占生态用水等) 会导致生态功能的退化。充足的水量和良好的水动力条件可以促进污染物的迁移和降解,从而改善水环境质量、为水生生物提供良好的生境[2]。随着城镇人口的快速增长,工业用水量急剧上升,排放了大量污废水,使得城市出现水资源量不足,呈现水质型和水量型缺水问题,进而影响到水环境质量,使得“三水”出现短板,最终会削弱城市水生态系统对经济社会可持续发展的支撑作用[3]

    “十三五”以来,我国南部地区城市水生态环境有所改善,然而城市生活源、工业源和面源污染负荷仍面临巨大压力。这期间,珠江流域部分城市仍存在水环境质量不能稳定达标、局部河段污染严重、水资源利用率不高和水生态恶化等问题[4]。其中,珠三角城市水体普遍被污染,呈现出新增的国家监控的水体水质监测断面不能稳定达标、部分月份出现劣Ⅴ类水质、污染类型多样、流域内重金属污染风险压力较大[5]、水质型缺水问题突出、水资源开发利用过度及河流碎片化严重[6]等问题。闽江流域福建段城市水环境污染问题同样突出,部分城市水体富营养化、生物多样性受到威胁[7]。武鸣河南宁城区段存在水环境质量不稳定、水资源分布不均、水旱灾害交替频发等问题[8]。桂江桂林城区段枯水期水量较少,城区内多条水体不连通、流动性差,河汊出现富营养化现象[9]。海南省南渡江流域内城市水体污染问题日益严重,出现部分河段水质出现氮磷营养盐等指标超标、局部区域水源涵养能力下降、水资源短缺与浪费及生态环境遭到破坏[10]等问题;海口市中心城区仍有部分河流、排水渠及湖库水质恶劣,部分存在黑臭现象[11]

    本研究以区域内47个城市为研究对象,从水环境质量、水资源、水生态3个方面解析城市水生态环境问题及成因,并以深圳市为例,系统提出近中远期3个阶段的整治目标,并采用系统动力学的方法进行优化模拟,最后给出相应的整治对策和路线图,从而为该地区城市水生态环境综合整治提供参考。

    • 我国南部地区包括福建省、广东省、广西壮族自治区、海南省、台湾省、香港和澳门特别行政区。由于本研究以城市为研究对象,且不涉及台湾省、香港和澳门特别行政区,以及海南省的三沙市,因此,本研究对象为该地区内47个地级市。

      这47个地级市主要处于珠江流域和闽江流域。珠江流域由西江、北江、东江及珠江三角洲诸河组成。西江作为主干流,全长约1 975 km,是珠江水系中最长的河流。西江的集水面积占珠江流域的75%,其干流河段自上而下为南盘江、红水河、黔江、浔江和西江。北江是珠江流域第二大水系,在广东省境内的干流全长为458 km,集水面积为42 930 km2,占珠江流域总面积的10.3%。东江在广东省境内河段长约为382 km。西江、北江和东江汇集后流入珠三角。闽江流域90%以上在福建省内,全长577 km,流域面积60 992 km2,占全省陆域面积的48.87%。

    • 研究区域内城市省控及以上断面水质和优Ⅲ比例等数据从各省市《生态环境状况公报》获取,时间跨度为2016—2020年。城镇人口数量、污废水排放量、管网密度、污水处理厂运行负荷率、再生水利用率等数据来自《2020年城市建设统计年鉴》。各省市工业产值、工业废水排放量等从《2019年中国城市统计年鉴》获取。水资源总量、人均水资源量、水资源开发利用程度、人均日生活用水量、万元工业增加值用水量等来自2019年各省市的《水资源公报》。文中提到的国控断面均为国家监控的水体水质监测断面 (以下简称“国控”) ,省控断面为省级监控的水体水质监测断面 (以下简称“省控”) ,省控及以上断面包括国控和省控断面。

    • 研究区域内共有省控及以上断面500余个。2016—2020年,区域内城市水环境质量逐年向好:优Ⅲ水质断面数量占比从89.2%增长到92% (见图1) ;劣Ⅴ类断面数量占比从3.28%下降至0.58%。然而,城市内水体生态环境质量问题较多,城市河道中生活、生产垃圾随处可见,水质情况明显低于国控和省控断面水质。有研究表明[12],南部地区城市水环境主要污染因子为氨氮和总磷;2018年,研究区域内城市生活污水中氨氮和总磷年排污量分别达420 474.9 t和42 047.5 t,排放量巨大。其中,珠江三角洲城市群污染最为集中,合计排污量占该地区城市总体排污量的29.39%[12]。广州市水体优Ⅲ断面比例仅为76.9%,城市内下游断面水质明显低于上游断面[13]。潮州市水体优Ⅲ断面比例仅为83.3%,市区内枫江深坑断面水质仍属于劣Ⅴ类[14]。南宁市内河八尺江、四塘江水质为Ⅳ类,良庆河和西明江水质为Ⅴ类[15]。湛江市水体优Ⅲ断面比例仅为76.9%[16]。海口市水体水质优Ⅲ断面比例也只有83.7%[17]。上述城市水质优Ⅲ断面比例均低于区域省控及以上断面优Ⅲ比例。基于以上数据,从生活源、工业源和城市面源3方面进行问题解析,梳理如下6个方面的主要问题。

      1) 城市人口密集,污废水排放量大。南部城市排放的居民生活污水是城市主要点源污染。该地区城镇化水平高、人口密集。2016—2020年,地区城镇人口从12 922万人增至14 290万人,人口密度高达366.5人·km−2,同时污水排放量也从98.13×108 m3增至116.47×108 m3图2表明,人口基数大的城市污废水排放量也高,而该地区城市人口分布悬殊,人口超过200万的城市有7个。不仅如此,广东、福建两省城镇化率也远远高于广西和海南,尤其是珠三角城市群的城镇化率已经和发达国家持平,相应的污水排放量也远高于其他城市,像广州、深圳和东莞等市已超过10×108 m3 a−1。城市人口和污水排放量的过高过快增长会给城市排水及污水处理系统带来极大的压力。

      2) 部分城市排水管网建设滞后。城市排水管网设计标准低、污水收集管网短板较突出。区域城市排水管网平均建设密度11.27 km·km−2,与全国平均管网密度 (11.11 km·km−2) 持平。图3表明,该地区城市排水管网建设不均衡,在47个城市中有22个未达到全国平均水平,管网老旧破损和混接错接广泛存在,尤其是城中村、老旧城区、城乡结合部等地区存在排水管网建设空白区,污水不能全收集,未收集的污水直接进入城市水体。2020年粤西地区城市污水收集率仅52.5%,粤东、粤北城市污水收集率更低,分别只有34.5%、32.5%。另外,区域内城市还存在合流制溢流污染、污染物消减效能不高等问题,其中,以韶关、汕头、湛江、茂名、揭阳、柳州和梧州市等为代表的一些城市老城区,合流制管道占比均在50%以上,雨污分流改造压力大,且管网老化破损严重,难以负担越来越大的污水排放量,以至于在降雨期受纳水体接收大量的合流制污水。

      3) 部分城市污水处理厂运行负荷率过低。2020年南部地区污水处理厂平均运行负荷率为79.48%,略高于全国平均水平 (77.81%) 。由于区域内城市发展不平衡,部分城市污水处理厂存在运行负荷率过低的问题。图4表明,47个城市中有21个城市未达到全国平均水平,特别是宁德、三明、梅州和崇左市的污水处理厂,未满足运行负荷率不低于60%的要求。部分污水处理厂运行负荷率低说明该城市的污水管网与污水处理厂建设不配套,使污水不能全部收集。另一方面,污水厂设计规模与实际情况不符,污水处理厂在建设规划时会考虑未来几年城市人口数量,设计规模常会超过实际处理污水量,造成“大马拉小车”的现象,从而使污水处理厂处理效能差,出水水质难以稳定达标。

      4) 工业发达且主要集中在珠江三角洲城市群。2020年南部地区工业产值超七千亿元,约占全国工业总产值的19%,工业发达,废水排放量也较大。部分城市的工业废水年排放量及主要工业类型如图5所示。该地区的工业企业主要分布在沿海城市,工业园区密集,产业结构复杂,主要以电子、汽车制造、化工和有色金属等重污染行业为主。因此,工业废水中含有大量重金属和有毒有害物质。此外,部分工业园区选址不当、入园要求低、园区内污水处理设施建设滞后,污染防治水平差。例如,珠海市随着对岸线的不断开发,特别是化工、造船、电子等产业带动沿海聚集区的开发建设,还有一些小加工厂、废品收购站、洗车场等存在偷排现象,使好氧有机污染物、营养污染物和重金属形成的有毒有害复合污染类型逐渐成为珠三角城市群水体污染的新特征,威胁区域城市水环境质量[19]

      5) 季节性面源污染严重。图6为2019年地区平均月降雨量与优Ⅲ水质断面占比。该地区年均降雨量高达1 812.95 mm,约为全国年均降雨量的2倍,降雨主要集中在每年的4—9月,并在6月达到峰值。在降雨初期 (1—4月份) 随着雨量的不断增大,优Ⅲ类水质断面数量占比下降,这与区域内城市土地利用强度大,不透水路面比例较高,排水体系不完善,存在错接混接和管道沉积等问题有关,降雨径流将沉积在地表和排水管道中的沉积物冲入受纳水体,使得初期降雨携带的污染物浓度很高;夏季降雨丰沛时 (5—8月份) ,优Ⅲ水质断面占比上下浮动,没有明显变化;在9—10月份,降雨明显减少,但优Ⅲ比例并没有升高,主要是地区种植的甘蔗、茶树和水果等在这一时期成熟,制糖、制茶和罐头等行业大量生产加工,由此产生了大量季节性生产废水,以广州、东莞、汕头、揭阳和莆田等为代表的一些城市,其水体污染存在显著的季节性污染特征;冬季时 (11—12月份) 降雨较少,优Ⅲ类水质断面占比有了明显的提高,说明降水径流导致的面源污染不容忽视。以深圳市的深圳河为例,以降雨量>5 mm的天数 (共65 d) 来统计深圳河流域降雨期间的污染负荷,其中COD、氨氮、总氮和总磷的入河总量为16 630、961、1 978和262 t,分别占全年入河负荷的54.6%、48.4%、38.7%和55.4%,降雨径流污染是深圳河的主要污染来源之一[20]

    • 南部地区水资源较为丰富,2019年地区水资源总量约为5 474·108 m3,占全国水资源总量的18.85%,但各城市水资源分布严重不均。其中,部分城市水资源总量均超过200·108 m3,而厦门、莆田、深圳、珠海、汕头、东莞和中山等市水资源总量仅为20·108 m3左右,加之部分城市水环境质量差,特别是珠江三角洲城市群,出现水质型和水量型缺水并存的问题。造成地区城市水资源紧张的既有天然因素,也有人为因素。

      1) 人均水资源量分配不均。2019年地区城市人均水资源量为3 494.4 m3,远高于全国人均水资源量 (2 077.7 m3) ,但是城市间水资源分配严重不均。图7是各城市人均水资源量、水资源开发利用程度及水资源总量的情况,其中龙岩、三明、南平和河池市人均水资源量已超过8 000 m3,而区域内47个城市中还有23个城市未达到全国平均水平;有10个城市人均水资源量低于1 000 m3,属于重度缺水城市;厦门、深圳、东莞、汕头和佛山等市人均水资源量甚至还不足500 m3,处于极度缺水状态,且水资源开发利用程度高达60%以上,远远高于全国平均值 (20.73%)。

      2) 城市水资源浪费严重。区域内城市存在不同程度的水资源浪费现象。图8 (a) 列出了区域内人均日生活用水量高于用水定额的城市,即在47个城市中有24个城市居民生活用水量超过了用水定额,且主要集中在珠三角地区和广西的城市中,特别是广西南宁、桂林、梧州和北海市人均日生活用水量达到了350 L以上,远远超过了全国平均水平 (179.97 L) 。区域内有23个城市万元工业增加值用水量高于全国平均值 (38.4 m3) ,见图8 (b) 。广西多数城市万元工业用水量已超过80 m3,这与当地冶金、有色金属、石化和钢材等重工业发达有关,长期形成了工业企业高耗水的传统用水方式。

      3) 部分城市再生水利用率不高。2020年全国平均再生水利用率为24.29%,福建、广西和海南城市整体水平都未达到全国平均值。从图9部分城市再生水利用情况来看,城市间差异明显。还有部分城市再生水利用率不足10%。缺水严重的城市应提高再生水利用率,缓解水资源不足的问题。

    • 南部地区城市水生态系统破坏严重,存在河湖富营养化、水域面积萎缩、河湖岸线乱占滥用、水生生物群落结构改变、生物多样性减少等诸多问题。例如,西江流域肇庆段水体浑浊,氮、磷等营养元素超标,出现不同程度富营养化[21];桂林城区段河汊存在富营养化问题,漓江鱼类数量减少了47.1%,大型经济鱼类种类数量明显减少[22];珠海市内水体湿地面积减少,港口湾内生境退化,存在污染富集等生态风险。造成区域内城市河流和湖泊水生态不佳的主要原因有4点。

      1) 水质污染给水生态带来危害。南方河流以生活污水、工业废水、初期雨水污染为主。随着城市化和工业化的发展,生活污水和工业废水排放量剧增,大量污水直排入河,对城市水环境造成极大负荷,超出水体自净能力,使生态系统遭到破坏。此外,生活污水和工业废水中含有的大量氮和磷直排入河也会引起水体富营养化。

      2) 工程的修建忽略了水生态平衡。南方城市降雨量丰富、汛期多,为了防洪排涝,对河道进行截弯取直加固河岸、修筑堤坝等,破坏了河流的连续性,阻断了生态系统的物质循环。另外,人类活动的干扰使湿地面积萎缩,城市河湖岸带和生态用水被挤占,河流自净能力和自我调节能力严重受损。例如,福州市城区光明港水系由于内河沿岸用地紧张,截污难度大,水系水动力差,常年水质污染严重,使内河水体丧失自净能力,从而引发水体富营养问题[23]

      3) 水产养殖业发达。南方水系发达,河流众多且温度适宜,有利于水产养殖业的发展。在养殖过程中常出现过量投喂饲料和水产品日常代谢产物沉入水底,水中有机物随着时间推移不断增多,水中溶解氧大量消耗,导致水中生物死亡,水体出现黑臭。同时,为了防治病害,促进养殖生物生长,会向水体投加化学农药、添加剂、抗生素等,氮磷元素不断累积导致水体富营养化。

    • 在对区域城市水生态环境现状及问题解析的基础上,以深圳市为例,利用系统动力学构建城市水生态环境系统模型。根据相关规划文件确定深圳市水环境指标的目标值,并以此为依据设置多种策略方案,利用模型模拟预测值来反映城市水生态环境状况的相关指标在未来近、中、远期各阶段的发展趋势,进而实现目标的优化。

    • 广东省在《广东省碧水保卫战五年行动计划 (2021—2025年) 》明确:到2025年,国家考核断面水质优良 (达到或优于Ⅲ类) 比例力争达到90.5%,劣Ⅴ类水体比例为0%,县级城市建成区基本消除黑臭水体。《深圳市污水系统布局规划修编环境影响评价》指出到2030年污水集中处理率达到95%以上,深圳市污水集中处理率已经达到98%,因此在保持现状的基础上进行小幅度提升。《深圳市海绵城市建设管理暂行办法》指出,到2025年城市建成区60%以上的面积达到海绵城市建设目标要求,到2030年80%以上达到目标要求。《深圳市水务发展“十四五”规划》中指出,到2025年再生水利用率达到80%以上,供水管网漏损率下降到7%。“十四五”节水型社会建设规划中主要目标为2025年万元工业增加值用水量较2020年下降率为16%,深圳市2020年万元工业增加值为4.9 m3,到2025年降低为4.1 m3。具体指标及目标值如表1 所示。

    • 根据国家和地方规划文件确定出整体目标体系后,针对上述目标要求和达标时限,采用系统动力学的方法进行模拟优化,通过设计方案对策,分析目标的可达性。其中水体水质目标利用水质Ⅲ类及以上水体和劣Ⅴ类水体的比例推算排入水环境的COD、氨氮和TP,根据未来水质目标得到污染物减排比例,利用优化模型中排入水环境COD、氨氮和TP来分析水体水质目标的可达性。

      1) 模型假设。假设深圳市流经城市建成区的地表水总量为Q,2020年水质为Ⅲ类及以上的水体占83.3%,无劣Ⅴ类水体,剩下的16.7%水体为Ⅳ类/Ⅴ类。由于城市内水体水质Ⅱ类及以上占比较小,大多为Ⅲ类水体,因此Ⅲ类及以上水体COD取20 mg·L−1,氨氮取1.0 mg·L−1,TP取0.2 mg·L−1,Ⅳ类/Ⅴ类浓度值取Ⅳ类、Ⅴ类水体平均值,即Ⅳ类水体标准下限值,COD取30 mg·L−1,氨氮取1.5 mg·L−1,TP取0.3 mg·L−1。经计算得深圳市2020年现状城市水体内接纳污染物为COD21.67Q,氨氮1.084Q,TP0.2167Q;按照目标设定,2025年入深圳市城市水体内COD、氨氮和TP分别为21Q、1.05Q和0.21Q,均应较2020年现状削减3.19%、3.24%和3.19%;同理计算得2030年入深圳市城市水体内COD、氨氮和TP分别为20.26Q、Q和0.2Q,应分别再削减3.52%、4.76%和4.76%;2035年入深圳市城市水体内COD、氨氮和TP分别为19.25Q、0.925Q和0.185Q,应分别再削减4.99%、7.5%和7.5%。城市水生态环境系统动力学流程图如图10所示。

      模型中再生水利用率、建成区海绵城市建设占比和万元工业产值用水量与目标体系相对应,并利用模型中总用水量分析城市未来水资源状况;水生态目标难以在模型中进行量化,依托水环境质量和水资源状况进行分析。后续考虑区域城市特点确定区域未来城市水体综合整治过程的重点方向,通过不同的措施及技术实现人均日生活用水量、万元工业产值用水量、城市污水集中处理率、再生水利用率、管网漏损率、海绵措施占比的阶段性提升,进而达到城市水生态环境的治理目标。

      2) 模型检验。本模型历史检验时间段为2010—2019年,由于模型参数较多,因此选取城镇人口、地区总GDP和工业总产值作为检验变量。模型状态变量初值选取2010年数据。深圳市历史值检验结果如表2 所示。结果表明,所构建的深圳市城市水环境系统动力学模型对城镇人口、地区GDP和工业总产值的模拟值与历史值相对误差均小于10%,可认为该模型能够较好地模拟所要研究的城市水环境系统。

    • 模型选用人均日生活用水量、再生水利用率、万元工业增加值用水量、管网漏损率、污水集中处理率和建成区海绵城市建设占比为系统调控参数,根据水环境目标设置近期、中期、远期3个阶段,并基于各阶段初始值设计不同发展方案,即对调控参数赋值时采用不同的策略。

      1) 近期阶段 (2020—2025年) 。近期阶段通过对6种参数值调控形成7种不同的方案,各指标具体数值如表3 所示。

      将上述方案参数设置值输入模型,即方案1输入 (2025,270) , (2025,0.7) , (2025,4.9) , (2025,0.0817) , (2025,0.98) , (2025,0.3) 利用计算机模型进行模拟;方案2输入 (2025,260) , (2025,0.75) , (2025,4.9) , (2025,0.0817) , (2025,0.98) , (2025,0.5) 利用计算机模型进行模拟;方案3~方案7用同样的方法输入计算机模拟,7种方案下排入水环境的COD、氨氮、TP和总用水量的模拟结果如图11所示。

      方案1不采取任何改进措施的情况下入水环境污染负荷和总用水量一直增加,且增加的速度最快。方案2将人均日生活用水量降低到260 L,再生水利用率提高到75%,海绵城市建设占比提高到50%,到2025年只有COD可满足目标要求;方案3调控了人均日生活用水量、万元工业增加值用水量和海绵城市建设占比,并不能达到要求,通过方案2和方案3的对比看出,再生水利用率的提高比万元工业增加值的下降对污染负荷削减更大;方案4调控了人均日生活用水量、管网漏损率和海绵城市建设占比,依旧不能满足2025年的目标要求,从方案3和4可看出降低管网漏损率对污染物负荷的削减效果小于降低万元工业增加值用水量,但是对总用水量的影响更大;综合来看,只有方案7可在2025年同时满足对入水环境COD、氨氮、TP的目标要求,且总用水量的增长趋势最为平缓。因此,方案7可作为近期阶段各项指标的下限值,此时人均日生活用水量为260 L,再生水利用率提高到75%,管网漏损率降至7.5%,城市污水集中处理率增加到98.5%,海绵城市建设占比提高到50%,到2025年较方案1来说,入水环境COD、氨氮、TP和总用水量可分别削减22.95%、22.43%、23.09%和10%。

      2) 中期阶段 (2025—2030年) 。在近期阶段最优方案7的基础上进行中期阶段方案的设置,各方案参数设置值如表4 所示。将中期阶段方案参数设置值输入模型进行模拟,7种方案下排入水环境的COD、氨氮、TP和总用水量的模拟结果如图12所示。

      与近期阶段相似,方案1是在2025年的基础上没有采取任何改进措施,因此污染负荷量及总用水量处于持续增长状态,方案2—方案7因为采取了一系列改进策略使入水环境污染负荷都有了一定程度的削减。从模拟结果看出,到2030年同时满足入水环境COD、氨氮、TP目标要求的只有方案7,因此方案7可以作为各措施的目标下限值,此时人均日生活用水量为250 L,再生水利用率提高到78%,万元工业增加值用水量降至4.5 m3,管网漏损率降至7%,城市污水集中处理率增加到99%,海绵城市建设占比提高到60%。到2030年方案7较方案1入水环境COD、氨氮、TP及总用水量可分别削减17.55%、20.91%、22.36%和9.90%。

      3) 远期阶段 (2030—2035年) 。在中期阶段最优方案7的基础上进行远期阶段方案的设置。各方案设置参数值如表5 所示。将远期阶段方案参数设置值输入模型进行模拟,7种方案下排入水环境的COD、氨氮、TP和总用水量的模拟结果见图13

      从模拟结果可以看出,与近中期一样,方案1仍然是处于持续增长的状态。方案2可满足COD的削减目标,但对氨氮和TP的削减效果并不理想;方案5和方案7可以满足COD和TP的目标要求,但却达不到氨氮的目标值,在方案5的基础上增加了对再生水利用率的提升使得氨氮满足目标。因此,方案6可以作为各措施的目标下限值,此时人均日生活用水量为240 L,再生水利用率提高到80%,万元工业增加值用水量降至4.5 m3,管网漏损率降至7%,城市污水集中处理率增加到99%,海绵城市建设占比提高到60%。到2035年较方案1的入水环境COD、氨氮、TP和总用水量可分别削减17.38%、20.43%、23.08%和6.09%。

      综上所述,通过降低人均日生活用水量、提高城市污水集中处理率、提高海绵城市建设占比对排入城市水环境污染负荷的削减效果显著;提高再生水利用率、降低万元工业增加值用水量、降低管网漏损率等措施对用水量的影响较大。虽然总用水量的趋势一直处于增长,但是通过采取各项措施使总用水量的增长趋势更加平缓,因此,在后续整治对策中要加大水资源的保护。

    • 1) 近期阶段 (到2025年)。在生活点源方面,从污水处理厂和管网两方面进行。市政污水处理厂提质增效。上述通过提高深圳市污水集中处理率,使入水环境污染负荷明显降低,因此,针对因污水处理厂与污水收集管网不配套而导致的运行负荷率低的城市,特别是宁德、三明、梅州和崇左等,新增污水集中处理设施须同步配套建设污水收集管网,加快接管进度和管网建设,扩大纳污范围,保障污水处理设施全面、稳定运行,争取到2025年实现市政污水全处理;提高管网覆盖率,补齐污水收集管网短板。对于污水管网密度偏低的城市,特别是清远、茂名、潮州、龙岩、泉州和桂林等,加大管网设施建设力度,消除城中村、老旧城区、城乡结合部等收集管网的空白区,完善广州、深圳等人口聚集区生活污水毛细管网建设;对于以韶关、湛江、茂名、揭阳、柳州和梧州等为代表的合流制管道占比高的城市,实施混错接、漏接、老旧破损管网更新修复,推进雨污分流、清污分流等,降低合流制溢流污染,力争到2025年实现区域内城市生活污水管网全覆盖、全收集。

      在水资源方面。坚持以水定城、量水发展,构建节水型城市,加快推动城镇生活污水和工业废水的资源化利用。对于人口密集、生活用水量大的城市主要推进生活节水,形成城市节水体系;解决广西城市长期形成的高耗水行业结构,提高工业用水重复率和再生水利用率,降低万元工业产值用水量。到2025年使地区城市再生水利用率达到30%以上,万元工业增加值用水量下降至32 m3以下。在水生态修复上。近期阶段针对区域部分城市存在黑臭水体及水体富营养化等问题,进行控源截污,内源清淤,初步改善水体水质,阻断水生态污染源,避免持续恶化等。

      2) 中期阶段 (到2030年) 。中期阶段的任务是在持续推进控源减排的基础上,强化水资源合理利用,完成节水型城市的建设,形成完整的城市节水体系,并且进行水体生态修复。

      在水环境质量方面,从生活点源、工业点源和城市面源等方面继续整治完善,巩固近期阶段水环境质量的治理成效,到2030年使区域城市水质断面优Ⅲ比例达到95%以上,全面消除城市建成区劣Ⅴ类及黑臭水体,海绵城市占比达到60%;在水生态方面进行生态治理和修复,结合河道整治工程,恢复河流自然属性;加强河湖缓冲带的建设,改造河岸的植物生态环境,在水质改善的基础上综合提高水体自净能力,到2030年水生生物完整性达到“良好”的水平。

      在水资源方面,坚持以水定城,量水发展,对于地区内水量型缺水严重的城市,如厦门、汕头、佛山和东莞等,应根据其水资源量,协调城市经济发展,制定水资源优化配置方案,完善水量分配和用水调度制度,推进火电、石化、钢铁、有色、造纸、印染等高耗水和高污染项目的技改或有序退出,从整体上优化区域工业产业结构;对于地区内水质型缺水严重的城市,如珠江三角洲城市群,注重水资源的合理利用,加大执行用水总量控制和污染物总量排放约束控制,实现城市水资源消耗总量和强度双控,从而改善水环境质量。形成完整的节水型城市,主要从生活、工业、市政节水和再生水回用来进行,对珠三角和南宁、桂林、柳州等生活用水量高的城市着重推广节水器具的应用;对三明、南平、南宁、贵港等高耗水行业发达的城市,推行强制性节水,完善构筑节水技术推广服务体系,推动工业高效冷却与循环利用;对龙岩、厦门、汕头、肇庆、湛江等再生水利用率不高的城市,加大建设再生水利用设施。到2030年使再生水利用率达到40%以上,万元工业产值用水量下降至26 m3以下。

      3) 远期阶段 (到2035年) 。远期阶段的重点任务是在近期和中期水环境质量稳中有升,形成完整节水型城市的基础上进行水生态恢复,使水生态系统得到全面提升。到2035年南部地区城市水质断面优Ⅲ比例达到98%以上,城市建成区劣Ⅴ类及黑臭水体彻底消除,且不再返黑臭,建成区海绵城市占比达到70%;再生水利用率达到50%以上,万元工业产值用水量下降至23 m3以下。

      水生态方面,在前两个阶段控源截污、河湖缓冲带的基础上进行生态恢复,即进一步恢复河道生物种群,增加水生植物种类,提高水生生物多样性,恢复河道生态系统的物质循环与能量流动,实现水生态的动态平衡与自我修复。到2035年,水生生物完整性达到“优秀”水平。

    • 1) 南部地区城市内仍然存在Ⅴ类及劣Ⅴ类水体,水质断面不能稳定达标;地区城市间水资源量分布不均,有水量型和水质型缺水并存的问题;城市河湖富营养化严重、水生态系统遭到破坏。

      2) 解析影响该地区城市水生态环境的主要因素有:区域内城镇人口密集,生活污水排放量大,城市间发展不平衡导致管网密度差异大以及部分城市管网建设滞后,污水处理厂运行负荷率普遍较低,重污染企业密集、航运发达,降雨径流带来的面源污染大;部分城市人均水资源量不足且开发利用程度大、水资源浪费严重;城市化进程和人类活动干扰使河湖岸带被挤占等。

      3) 区域城市水生态环境目标的提出以深圳市为例,结合国家及地方相关规划制定出城市目标体系,采用系统动力学模型进行优化模拟,分析不同策略下目标的可达性,为后续水环境整治对策的提出提供方法策略。

      4) 为提升该地区城市水生态环境质量,分阶段提出综合整治对策:即近期阶段重点进行控源减排,提高污水收集管网覆盖率、污水处理厂提质增效,加快工业企业入园、全面进行清洁生产、加强船舶污染防治,加大海绵城市的建设力度,构建节水型城市并进行生态修复;中期阶段在减排的基础上,形成完整的节水型城市体系,持续推进生态修复;远期阶段在减排和节水的基础上进行水生态恢复,使城市水生态系统得到全面提升。

    参考文献 (23)

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