嘉兴城区河网水系水环境问题识别与治理对策

车霏霏，姜霞，王书航*，郑朔方，李贺，邢健宇

1.湖泊水污染治理与生态修复技术国家工程实验室, 中国环境科学研究院

2.国家环境保护湖泊污染控制重点实验室, 中国环境科学研究院

嘉兴市位于浙江省东北部、长江三角洲杭嘉湖平原腹心地带，作为太湖流域平原河网城市之一，市域内河流密布、湖荡众多。嘉兴境内水系以市区南湖为中心呈辐射状向外发射，以新塍塘、杭州塘、长水塘、海盐塘、长中港、平湖塘、嘉善塘、长纤塘、苏州塘等9条主干河流通遍四周，各主干河流之间又有河道、湖荡连接贯通，形成纵横交错的河网水系，是太湖流域杭嘉湖水网的重要组成部分[1]。平原河网区地势低平的天然特征，使得嘉兴城区河道平缓、水面坡降小、水动力差，不利于污染物的稀释、扩散和转移，河网水质易发生恶化[2]。加之嘉兴市位于太湖流域的“盆底”，受流域人口密集、经济高度发达的影响，一方面本地生产生活引起的入河污染负荷较高，另一方面作为太湖流域的“排水走廊”，多年承接大量GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅴ类～劣Ⅴ类上游来水[3]。上述种种自然及人为因素，导致嘉兴城区水环境污染问题凸显，特别是20世纪末起，随着工业化、城市化进程的加快，河网水质状况日益恶化，表现为以劣Ⅴ类水质为主[3]，因此，开展水环境治理刻不容缓。

“十二五”以来，随着嘉兴市“五水共治”工作的开展，治污减排等各项措施大力实施，使得水质恶化趋势得到一定程度的遏制，河网水环境逐渐向好。根据已有研究，近5年城区河网内9个省/市控断面水体的总磷、氨氮、高锰酸盐指数、化学需氧量等指标大部分时间可达到地表水Ⅲ类水质标准[4]。然而，受水体悬浮物浓度居高不下的影响，河网水体透明度整体较低，河流仍处于中度富营养化状态[5-7]，部分河流水系仍然不能达到功能区目标。特别是随着水环境质量的不断改善，水质可提升空间逐步缩小，改善难度愈发上升[8]。

为使嘉兴城区河网水质得到进一步提升，笔者在历史数据收集和水环境现状调查的基础上，对河网水环境主要问题进行全面的识别分析，以期统筹规划、科学制定水环境治理对策措施，并通过系统性工程的实施，最终实现城区河网水质的全面改善。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区域概况

嘉兴市（120°17′E～121°16′E，30°20′N～31°02′N）属亚热带季风气候区，四季分明、雨量充沛，多年平均降水量约1 193 mm，其中4—9月降水量占全年降水量的70%以上。市境内平均海拔为3.7 m（吴淞高程），河道密度为3.5 km/km2，河、湖、荡总面积约311.15 km2，水面率达7.89%[9]。基于得天独厚的水运优势，航运在运输体系中发挥着重要作用，全市航道密度为0.5 km/km2，航道里程近2 000 km，占浙江省内河航道总里程的20%[10]。此外，嘉兴市人口密度居浙江省首位，据2020年统计数据，常住人口密度达1 279人/km2。由于市域人口密度高、建设用地面积占比大，导致污染源结构复杂，城市面源污染日益突出。

1.2 数据来源与研究方法

分别于2020年6月（丰水期）与2021年3月（枯水期）对嘉兴城区河网水系展开现场调研与表层水体样品的采集，采样点位数分别为290和384，采样点位示意见图1。水体透明度、悬浮物、总磷、氨氮等水质指标参照《水和废水监测分析方法》[11]测定，沉水植物分布量根据现场调研情况定性记录。此外，使用2015—2020年嘉兴市生态环境局对城区河网水系9个监测断面水质的逐月监测数据，分析河网水质的历史变化及水体荣枯对水质的影响。

图1 嘉兴城区河网水系采样点位分布Fig.1 Sampling sites of Jiaxing urban river network

2 水环境问题识别及成因分析

2.1 水质整体向好，但总磷和氨氮仍不稳定达标

根据2015—2020年城区河网水系9个监测断面的水质数据（图2），近5年间水体总磷、氨氮、高锰酸盐指数、溶解氧指标平均值分别为0.17、0.80、4.81和6.02 mg/L，均处于地表水Ⅲ类水平，与开展水环境治理前的劣Ⅴ类水质相比有明显改善。然而，尽管2020年主要污染指标平均值进一步降低，但从数值波动范围来看，仍然存在总磷及氨氮浓度超标现象，溶解氧浓度部分时段仍处于Ⅳ类水平。

图2 2015—2020年嘉兴城区河网水系各监测断面主要水质指标分布特征Fig.2 Distribution characteristics of major water quality indicators of the monitoring sections in Jiaxing urban river network during 2015-2020

为识别水体总磷、氨氮的超标时段，对2015—2020年各监测断面的总磷与氨氮浓度月均变化进行了分析（图3）。结果显示，总磷与氨氮浓度分别在夏季丰水期和冬季枯水期表现出上升趋势，且部分月份超过地表水Ⅲ类水质。该结果与嘉兴南湖水体氮、磷的季节性变化[12-13]相一致。在此基础上调查丰水期总磷及枯水期氨氮在河网水系中的空间变化（图4），得到二者均值分别为0.36和1.45 mg/L，且高值均主要集中在河网西部区域；该区域总磷及氨氮浓度最高值分别达到2.98和10.39 mg/L，整体处于Ⅳ类～Ⅴ类水平，部分河段呈现劣Ⅴ类水质，污染形势较为严峻。

图3 2015—2020年嘉兴城区河网水系各监测断面总磷与氨氮月均值Fig.3 Monthly average values of total phosphorus and ammonia nitrogen of the monitoring sections in Jiaxing urban river network during 2015-2020

图4 嘉兴城区河网水系水体总磷与氨氮浓度空间分布特征Fig.4 Spatial distribution characteristics of total phosphorus and ammonia nitrogen concentrations in water of Jiaxing urban river network

造成上述氮、磷超标问题的原因主要包括2个方面：1）境外客水输入。嘉兴市是“水质型缺水”城市，作为太湖流域的“排水走廊”，主要承接来自境外西部的天目山地区客水、北部的太湖来水，以及来自境内南部海盐、海宁的高地和诸山集水。已有资料显示，嘉兴市西部、北部多年平均入境水量分别为34.50亿和28.30亿m3，约为本地降水产流的3倍，境外客水以氮、磷污染等为主，水质常年在Ⅳ类～劣Ⅴ类波动[9,14]。娄孝飞等[4]研究发现，嘉兴市区河道水质浓度与上游来水水质浓度呈极显著正相关，表明客水对城区河网水质有直接影响。氨氮、总磷等大量外来污染物通过杭州塘、苏州塘等入境河道汇入城区河网，对水环境质量造成较大压力，是河网西部区域水质污染的重要外因。2）生活源及径流面源污染。近年来，随着嘉兴市“污水零直排区”建设的推进，城镇生活污水已基本纳入污水管网，但部分老旧小区仍存在雨污合流、汛期污水倒灌、溢流入河道等现象，尤其位于河网西北部的主城区人口密集[1]，高强度人为干扰带来的生活污染制约着该区域的水质提升。同时，随着城市化进程的加快，嘉兴城区不透水下垫面比例逐渐攀升，成为污染物输出的“关键源区”[15]。降水期间，地表细颗粒物作为载体，使受人为活动影响累积在地面、屋面的大量污染物随地表径流通过雨水管道或漫流进入河道[16-18]。根据笔者前期研究，南湖水系中颗粒态磷在总磷中占比较高，且与悬浮物浓度呈正相关[12]，进一步证实了丰水期径流面源对河网磷浓度升高的显著影响。氨氮浓度在丰水期下降则与夏季浮游植物迅速增殖期间对氨氮的优先摄取，以及降水带来的稀释作用有关[19-20]。

2.2 水体悬浮物浓度偏高，导致水体透明度低下

水体透明度是描述水体光学特征的重要参数之一，可用于评估水体感观和污染程度。根据2020年6月（丰水期）与2021年3月（枯水期）调查结果（图5），嘉兴城区河网的水体透明度分别为8～85与6～140 cm，均值分别为38与34 cm，水体透明度整体很低；不同水期水体透明度低值均主要出现在苏州塘、长水塘、海盐塘、杭州塘等主干河流以及与其相连通的外环河网及中小河道。一般而言，影响水体透明度的因素主要包括悬浮物、浮游植物、溶解性有机物等[21]。本研究中河网水体悬浮物浓度均值为34.01～37.14 mg/L，与太湖流域滆湖（41.87 mg/L）[22]相近，明显高于长江干流（19.86 mg/L）[23]。其中，杭州塘、苏州塘与外环河网交汇处的悬浮物浓度超过100 mg/L，不同水期悬浮物浓度与水体透明度之间均呈显著负相关（图6），表明悬浮物浓度居高不下显著制约着水体透明度的提升。

图5 嘉兴城区河网水系水体透明度空间分布特征Fig.5 Spatial distribution characteristics of water transparency in Jiaxing urban river network

图6 嘉兴城区河网水系悬浮物浓度与水体透明度的相关关系Fig.6 Correlations between concentrations of total suspended solid and water transparency in Jiaxing urban river network

城区河网水系水体悬浮物浓度居高不下，一方面可归因于外源输入的贡献。已有研究表明，杭嘉湖平原广泛分布有细颗粒黏土，该特征为嘉兴市河道中悬浮物提供了天然来源[24-25]；此外，经上游来水或地表径流携带入河的细颗粒泥沙难以通过重力沉降，可能是引起河网悬浮物浓度高的一个重要原因。参照赵丽等[7]的调查结果，嘉兴南湖及周边河道内粒径为0～10 µm的悬浮物占比平均值为31.57%～58.94%，而粒径大于50 µm的悬浮物占比平均值仅为20.47%～29.83%，该结果印证了上述推论。另一方面，城区河网水系水体悬浮物浓度高也与河道淤积底泥的再悬浮有关。基于平原河网地势低平的自然特征，嘉兴城区水体流速缓慢、交换能力差、污染物易聚集，加之雨水冲刷引起的表土入河、行船搅起的泥沙在附近河道沉积，以及洪水期间过境水流夹带的泥沙沉淀等长期作用，导致河床底泥淤积较为严重[26]。根据笔者调研结果，城区河网水系淤泥厚度平均达86 cm。一般来说，浅水水体中沉积物表层的黏土矿物、碎屑矿物、有机残体等由于结构疏松、密度较小，在水动力扰动下极易发生再悬浮[27]。嘉兴市自古水运发达，且京杭运河嘉兴段即位于西北部外环河网，频繁航运引起的水体扰动导致表层底泥经常处于再悬浮状态，不仅造成水体悬浮物浓度升高，还可能使吸附在悬浮物表面的氮、磷营养盐再次释放进入水体[28-29]，从而加剧水质恶化。

2.3 沉水植物缺失，河网水生态系统完整性不足

沉水植物作为水生态系统的重要组成部分，在吸收水体与沉积物中营养盐、维持清水态水体生态系统稳定性方面具有重要作用[30-31]。然而，近年来受城市化、河道硬化、污染排放增加等因素影响，城区河网水系水生态退化严重。根据现场沉水植物调研结果（图7），城区河网水系中沉水植物分布基本呈现自外环河网向内逐渐缺失的趋势。其中，沉水植物生物量极少的区域面积约占河网水系总面积的36%，且主要分布在西北部区域；沉水植物生物量相对丰富的区域面积仅占河网水系总面积的5%，且多出现在东南部靠近外环河网的部分河段。相关研究也显示，嘉兴河网水系中高等水生生物分布普遍较少，浮游动物呈小型化趋势，浮游植物以绿藻门为优势类群，占总物种数的50%左右，水体达到富营养水平[32-34]。

图7 嘉兴城区河网水系沉水植物空间分布特征Fig.7 Spatial distribution characteristics of submerged plants in Jiaxing urban river network

在众多环境因子中，光照是沉水植物生长的第一环境要素，而水体中悬浮物通过散射、吸收等物理效应直接影响光照强度，是造成光衰减的主导因素[35-36]。参照Kemp等[37]对切斯皮克湾沉水植物生长所需环境因子的定量研究，嘉兴城区河网水体悬浮物浓度均值（34.01～37.14 mg/L）明显超过了沉水植物存活的阈值（<15 mg/L），由此造成的水下光照不足，可能是水体中天然水生植物普遍缺失的主要原因。同时，较高的水体营养盐浓度，以及底泥再悬浮对植物叶片表面光照强度的削减作用，同样抑制着沉水植物的生长。水体浊度及营养盐浓度增加导致沉水植物生物量迅速减少，从而使河网水生态系统长期处于浊水状态，沉水植物恢复缺乏适宜条件[38]。此外，由于城市河道两岸多以硬质护岸为主，水土连接通道被阻隔，河流生态系统整体平衡被破坏，也使得水生植物生长困难[39]。水生态系统中沉水植物的普遍缺失，使底泥再悬浮作用增强、水体自净能力下降，并进一步导致水质恶化。

3 水环境治理对策

3.1 整体治理思路

根据第2章可知，嘉兴城区河网水系水环境问题受到多方面因素的影响。在地势低平、水体流动性差的天然特征基础上，由于客水水质差、城市径流污染凸显、河道淤积污染严重以及水生植被缺失造成的水体自净能力不足等，导致河网水系水质不能稳定达标。嘉兴城区河网水系水环境治理是一项系统性工程，应从全局考虑，以恢复河网水系水生态系统的完整性和良性循环为核心目标，通过外源管控、内源削减、生境改善、水生态修复、长效管护等治理措施的统筹实施，提升水体透明度、增加沉水植物覆盖度，最终实现河网水系水质向Ⅲ类稳步提升。

3.2 具体对策措施

3.2.1 外源管控

外源管控包括点源污染管控和径流污染拦截2个方面：1）点源污染管控。根据水质调查结果，位于河网西北部的主城区中小河道是主要的氮、磷高值区域，可能仍存在生活污水入河现象。应将环城河及其周边作为重点区域，针对建设街道、新兴街道、新嘉街道等涉及的生活区及商业区实施污染管控，全面排查并整治区域内的管网错接漏接、破损、遗漏、雨污合流、水下暗管，降低生活污水通过直排、溢流、雨污混排等方式带来的入河污染负荷。2）径流污染拦截。嘉兴城区交通道路、小区大部分临河而建，河岸植被缓冲带较窄，且河道两侧以硬质驳岸为主，导致初期雨水污染拦截能力不足。据此，针对整个城区河网范围内近190条河道开展生态滞留沟、植物缓冲带、生态湿地等面源拦截设施建设及硬质护岸生态改造。其中，生态滞留沟对道路径流净化有较好效果；植物缓冲带宜建在滨水建筑及小区等潜在污染源与受纳水体之间，其对城市末端大量污染物有较好消纳能力；生态湿地宜建在公园等绿地的水陆交错带，其在削减面源污染的同时可提升蓄水能力[40-41]。考虑到航运对护岸的影响，护岸改造宜采用石材护岸和混合式护岸方式。

3.2.2 内源削减

通过污染底泥清淤和原位覆盖2项措施实现内源削减：1）污染底泥清淤。前期[12-13]及本次调研结果表明，城区河网水系底泥整体淤积严重，底泥中氮、磷浓度处于较高水平。因此，清淤工程实施范围包括整个河网水系，初步估计总清淤面积为10 km2，具体实施河道的划分需考虑底泥污染程度及是否具备清淤条件。其中，西部河网包括承接上游来水的杭州塘、苏州塘等主干河道，且水质相对较差，应优先实施工程。根据污染物累积状况确定底泥清淤深度，杭州塘等9条主干河道的清淤深度还需考虑六级航道通航需求，初步确定清淤底高程为-2.04 m[42]。主干河道及西南湖宜采用环保绞吸清淤方式，其余中小河道采用水力冲挖方式分段围堰清淤。2）底泥原位覆盖。针对城区内部分存在污染但不具备清淤实施条件的河道，采用底泥覆盖技术，通过物理隔离吸附、化学转化中和以及生物分解等作用，实现对底泥污染释放的抑制[43]。从经济性、处理效果、处理周期等方面综合考虑，建议采用改性活性覆盖材料。根据Backer等[44]的研究，沉水植物覆盖度在30%以上的湖泊可长期维持清水态，据此初步确定实施底泥原位覆盖的河道面积为待修复河道面积的30%。

3.2.3 生境改善

主要从水动力优化调控和局部强化净化2个方面实现生境改善：1）水动力优化调控。客水水质差、水体交换能力不足、水体透明度偏低，是影响嘉兴城区河网水系水质提升及沉水植物恢复的重要因素。根据上游来水方向，拟在长水塘、杭州塘、新塍塘及穆湖溪与外环河网的交汇处实施降浊清水工程，来水经降浊净化处理后进入河网；并通过对外环河网东北部的三店塘枢纽的泵闸优化调度，增加清水在整个河网内的有序流动，短期内降低河网悬浮物等污染物浓度，为沉水植物生长创造适宜生境。2）局部强化净化。在水动力优化调控基础上，针对西北部主城区受点源污染影响较大的部分河道，采用生物膜、曝气增氧、微生物修复等原位处理技术快速提高水质及水体透明度，达到改善河道生境的目的。

3.2.4 水生态修复

水生态修复包括沉水植物恢复和底栖动物配置：1）沉水植物恢复。针对河网沉水植物普遍缺失问题，在污染源得到控制、水体透明度达到适宜条件的基础上，根据水深划分浅水区及深水区，通过先期种植适宜的沉水植物，促进沉水植物群落构建。其中，苦草幼苗存活及生长仅需9%的表面光照[45]，适宜种植在浅水区；眼子菜对高水位胁迫和风浪扰动有较高的适应性[46]，可种植在深水区。此外，根据湖泊、主干通航河道及中小河道等不同水体类型的环境特征，辅以污染拦截、消浪、排口净化等种植辅助措施。参照已有研究[44]，为实现水生态系统向“清水态”的转变，将沉水植物种植面积占比确定为水域面积的30%，西部水质较差的河网优先实施相关恢复工程。2）底栖动物配置。根据Domozych等[47]的研究，沉水植物表面的附着生物可削减80%的光合有效辐射，同时阻碍沉水植物对水中营养盐的吸收。因此，应在沉水植物恢复同时，向水体投放螺类等底栖动物，借助其牧食活动去除植物表面的附生生物覆盖层，以促进植物生长，通过螺-草共生关系辅助维持水生态系统的良性循环。底栖动物可选用长江中下游常见的铜锈环梭螺。

3.2.5 长效管护

尽管近年来嘉兴城区河网水系水质整体有所改善，但由于水生态系统退化和恢复过程的变化轨迹不重合，要使水体恢复到清水稳态，外部环境压力需长期维持在低于稳态转换前的水平[48]。据此，应在上述各项工程实施后辅以长效管护措施，在对水生植物定期打捞收割、补植的同时，对工程实施后河网水质、底质、水生态指标的变化进行定点长期跟踪监测，便于及时发现并减轻因突发事件引起的水质下降，促进河网水生态逐渐恢复至清水稳态。

4 结语

近年来，嘉兴城区河网水质整体有所改善，但受上游客水及本地污染输入影响，河网西部区域的总磷及氨氮浓度分别在丰水期与枯水期达到Ⅳ类～Ⅴ类，个别河段甚至超过Ⅴ类；受外源细颗粒物输入及频繁航运引起的底泥再悬浮影响，河网水体悬浮物浓度均值为34.01～37.14 mg/L，持续处于较高水平，显著限制了水体透明度的提升，导致不同水期河网水系水体透明度均值仅为34～38 cm。由于高悬浮物浓度造成的水下光照不足以及硬质护岸引起的水土连接通道阻隔等，导致河网中沉水植物缺乏适宜生长条件，沉水植物生物量丰富的水域面积仅占河网水系总面积的5%，沉水植物的普遍缺失导致水生态系统长期处于浊水态，水质改善困难。针对主要水环境问题，以恢复河网水系水生态系统的完整性和良性循环为核心目标，制定了外源管控、内源削减、生境改善、水生态修复、长效管护5类治理工程，以期通过各类工程统筹实施，实现河网水系水质的稳步提升。此外，目前城市径流污染还存在陆域消纳能力不足的问题，建议持续推进海绵城市建设，提升污染源头和输移过程的拦截净化能力，减轻城区水系的面源入河负荷；同时，针对船舶扰动造成的底泥再悬浮问题，建议开展内河航运船舶改造，减少船行波对水生态恢复造成的不利影响。