嘉興城區河網水系水環境問題識別與治理對策

車霏霏，姜霞，王書航*，鄭朔方，李賀，邢健宇

1.湖泊水污染治理與生態修復技術國家工程實驗室, 中國環境科學研究院

2.國家環境保護湖泊污染控制重點實驗室, 中國環境科學研究院

嘉興市位于浙江省東北部、長江三角洲杭嘉湖平原腹心地帶，作為太湖流域平原河網城市之一，市域內河流密布、湖蕩眾多。嘉興境內水系以市區南湖為中心呈輻射狀向外發射，以新塍塘、杭州塘、長水塘、海鹽塘、長中港、平湖塘、嘉善塘、長纖塘、蘇州塘等9條主干河流通遍四周，各主干河流之間又有河道、湖蕩連接貫通，形成縱橫交錯的河網水系，是太湖流域杭嘉湖水網的重要組成部分[1]。平原河網區地勢低平的天然特征，使得嘉興城區河道平緩、水面坡降小、水動力差，不利于污染物的稀釋、擴散和轉移，河網水質易發生惡化[2]。加之嘉興市位于太湖流域的“盆底”，受流域人口密集、經濟高度發達的影響，一方面本地生產生活引起的入河污染負荷較高，另一方面作為太湖流域的“排水走廊”，多年承接大量GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅴ類～劣Ⅴ類上游來水[3]。上述種種自然及人為因素，導致嘉興城區水環境污染問題凸顯，特別是20世紀末起，隨著工業化、城市化進程的加快，河網水質狀況日益惡化，表現為以劣Ⅴ類水質為主[3]，因此，開展水環境治理刻不容緩。

“十二五”以來，隨著嘉興市“五水共治”工作的開展，治污減排等各項措施大力實施，使得水質惡化趨勢得到一定程度的遏制，河網水環境逐漸向好。根據已有研究，近5年城區河網內9個省/市控斷面水體的總磷、氨氮、高錳酸鹽指數、化學需氧量等指標大部分時間可達到地表水Ⅲ類水質標準[4]。然而，受水體懸浮物濃度居高不下的影響，河網水體透明度整體較低，河流仍處于中度富營養化狀態[5-7]，部分河流水系仍然不能達到功能區目標。特別是隨著水環境質量的不斷改善，水質可提升空間逐步縮小，改善難度愈發上升[8]。

為使嘉興城區河網水質得到進一步提升，筆者在歷史數據收集和水環境現狀調查的基礎上，對河網水環境主要問題進行全面的識別分析，以期統籌規劃、科學制定水環境治理對策措施，并通過系統性工程的實施，最終實現城區河網水質的全面改善。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區域概況

嘉興市（120°17′E～121°16′E，30°20′N～31°02′N）屬亞熱帶季風氣候區，四季分明、雨量充沛，多年平均降水量約1 193 mm，其中4—9月降水量占全年降水量的70%以上。市境內平均海拔為3.7 m（吳淞高程），河道密度為3.5 km/km2，河、湖、蕩總面積約311.15 km2，水面率達7.89%[9]。基于得天獨厚的水運優勢，航運在運輸體系中發揮著重要作用，全市航道密度為0.5 km/km2，航道里程近2 000 km，占浙江省內河航道總里程的20%[10]。此外，嘉興市人口密度居浙江省首位，據2020年統計數據，常住人口密度達1 279人/km2。由于市域人口密度高、建設用地面積占比大，導致污染源結構復雜，城市面源污染日益突出。

1.2 數據來源與研究方法

分別于2020年6月（豐水期）與2021年3月（枯水期）對嘉興城區河網水系展開現場調研與表層水體樣品的采集，采樣點位數分別為290和384，采樣點位示意見圖1。水體透明度、懸浮物、總磷、氨氮等水質指標參照《水和廢水監測分析方法》[11]測定，沉水植物分布量根據現場調研情況定性記錄。此外，使用2015—2020年嘉興市生態環境局對城區河網水系9個監測斷面水質的逐月監測數據，分析河網水質的歷史變化及水體榮枯對水質的影響。

圖1 嘉興城區河網水系采樣點位分布Fig.1 Sampling sites of Jiaxing urban river network

2 水環境問題識別及成因分析

2.1 水質整體向好，但總磷和氨氮仍不穩定達標

根據2015—2020年城區河網水系9個監測斷面的水質數據（圖2），近5年間水體總磷、氨氮、高錳酸鹽指數、溶解氧指標平均值分別為0.17、0.80、4.81和6.02 mg/L，均處于地表水Ⅲ類水平，與開展水環境治理前的劣Ⅴ類水質相比有明顯改善。然而，盡管2020年主要污染指標平均值進一步降低，但從數值波動范圍來看，仍然存在總磷及氨氮濃度超標現象，溶解氧濃度部分時段仍處于Ⅳ類水平。

圖2 2015—2020年嘉興城區河網水系各監測斷面主要水質指標分布特征Fig.2 Distribution characteristics of major water quality indicators of the monitoring sections in Jiaxing urban river network during 2015-2020

為識別水體總磷、氨氮的超標時段，對2015—2020年各監測斷面的總磷與氨氮濃度月均變化進行了分析（圖3）。結果顯示，總磷與氨氮濃度分別在夏季豐水期和冬季枯水期表現出上升趨勢，且部分月份超過地表水Ⅲ類水質。該結果與嘉興南湖水體氮、磷的季節性變化[12-13]相一致。在此基礎上調查豐水期總磷及枯水期氨氮在河網水系中的空間變化（圖4），得到二者均值分別為0.36和1.45 mg/L，且高值均主要集中在河網西部區域；該區域總磷及氨氮濃度最高值分別達到2.98和10.39 mg/L，整體處于Ⅳ類～Ⅴ類水平，部分河段呈現劣Ⅴ類水質，污染形勢較為嚴峻。

圖3 2015—2020年嘉興城區河網水系各監測斷面總磷與氨氮月均值Fig.3 Monthly average values of total phosphorus and ammonia nitrogen of the monitoring sections in Jiaxing urban river network during 2015-2020

圖4 嘉興城區河網水系水體總磷與氨氮濃度空間分布特征Fig.4 Spatial distribution characteristics of total phosphorus and ammonia nitrogen concentrations in water of Jiaxing urban river network

造成上述氮、磷超標問題的原因主要包括2個方面：1）境外客水輸入。嘉興市是“水質型缺水”城市，作為太湖流域的“排水走廊”，主要承接來自境外西部的天目山地區客水、北部的太湖來水，以及來自境內南部海鹽、海寧的高地和諸山集水。已有資料顯示，嘉興市西部、北部多年平均入境水量分別為34.50億和28.30億m3，約為本地降水產流的3倍，境外客水以氮、磷污染等為主，水質常年在Ⅳ類～劣Ⅴ類波動[9,14]。婁孝飛等[4]研究發現，嘉興市區河道水質濃度與上游來水水質濃度呈極顯著正相關，表明客水對城區河網水質有直接影響。氨氮、總磷等大量外來污染物通過杭州塘、蘇州塘等入境河道匯入城區河網，對水環境質量造成較大壓力，是河網西部區域水質污染的重要外因。2）生活源及徑流面源污染。近年來，隨著嘉興市“污水零直排區”建設的推進，城鎮生活污水已基本納入污水管網，但部分老舊小區仍存在雨污合流、汛期污水倒灌、溢流入河道等現象，尤其位于河網西北部的主城區人口密集[1]，高強度人為干擾帶來的生活污染制約著該區域的水質提升。同時，隨著城市化進程的加快，嘉興城區不透水下墊面比例逐漸攀升，成為污染物輸出的“關鍵源區”[15]。降水期間，地表細顆粒物作為載體，使受人為活動影響累積在地面、屋面的大量污染物隨地表徑流通過雨水管道或漫流進入河道[16-18]。根據筆者前期研究，南湖水系中顆粒態磷在總磷中占比較高，且與懸浮物濃度呈正相關[12]，進一步證實了豐水期徑流面源對河網磷濃度升高的顯著影響。氨氮濃度在豐水期下降則與夏季浮游植物迅速增殖期間對氨氮的優先攝取，以及降水帶來的稀釋作用有關[19-20]。

2.2 水體懸浮物濃度偏高，導致水體透明度低下

水體透明度是描述水體光學特征的重要參數之一，可用于評估水體感觀和污染程度。根據2020年6月（豐水期）與2021年3月（枯水期）調查結果（圖5），嘉興城區河網的水體透明度分別為8～85與6～140 cm，均值分別為38與34 cm，水體透明度整體很低；不同水期水體透明度低值均主要出現在蘇州塘、長水塘、海鹽塘、杭州塘等主干河流以及與其相連通的外環河網及中小河道。一般而言，影響水體透明度的因素主要包括懸浮物、浮游植物、溶解性有機物等[21]。本研究中河網水體懸浮物濃度均值為34.01～37.14 mg/L，與太湖流域滆湖（41.87 mg/L）[22]相近，明顯高于長江干流（19.86 mg/L）[23]。其中，杭州塘、蘇州塘與外環河網交匯處的懸浮物濃度超過100 mg/L，不同水期懸浮物濃度與水體透明度之間均呈顯著負相關（圖6），表明懸浮物濃度居高不下顯著制約著水體透明度的提升。

圖5 嘉興城區河網水系水體透明度空間分布特征Fig.5 Spatial distribution characteristics of water transparency in Jiaxing urban river network

圖6 嘉興城區河網水系懸浮物濃度與水體透明度的相關關系Fig.6 Correlations between concentrations of total suspended solid and water transparency in Jiaxing urban river network

城區河網水系水體懸浮物濃度居高不下，一方面可歸因于外源輸入的貢獻。已有研究表明，杭嘉湖平原廣泛分布有細顆粒黏土，該特征為嘉興市河道中懸浮物提供了天然來源[24-25]；此外，經上游來水或地表徑流攜帶入河的細顆粒泥沙難以通過重力沉降，可能是引起河網懸浮物濃度高的一個重要原因。參照趙麗等[7]的調查結果，嘉興南湖及周邊河道內粒徑為0～10 μm的懸浮物占比平均值為31.57%～58.94%，而粒徑大于50 μm的懸浮物占比平均值僅為20.47%～29.83%，該結果印證了上述推論。另一方面，城區河網水系水體懸浮物濃度高也與河道淤積底泥的再懸浮有關。基于平原河網地勢低平的自然特征，嘉興城區水體流速緩慢、交換能力差、污染物易聚集，加之雨水沖刷引起的表土入河、行船攪起的泥沙在附近河道沉積，以及洪水期間過境水流夾帶的泥沙沉淀等長期作用，導致河床底泥淤積較為嚴重[26]。根據筆者調研結果，城區河網水系淤泥厚度平均達86 cm。一般來說，淺水水體中沉積物表層的黏土礦物、碎屑礦物、有機殘體等由于結構疏松、密度較小，在水動力擾動下極易發生再懸浮[27]。嘉興市自古水運發達，且京杭運河嘉興段即位于西北部外環河網，頻繁航運引起的水體擾動導致表層底泥經常處于再懸浮狀態，不僅造成水體懸浮物濃度升高，還可能使吸附在懸浮物表面的氮、磷營養鹽再次釋放進入水體[28-29]，從而加劇水質惡化。

2.3 沉水植物缺失，河網水生態系統完整性不足

沉水植物作為水生態系統的重要組成部分，在吸收水體與沉積物中營養鹽、維持清水態水體生態系統穩定性方面具有重要作用[30-31]。然而，近年來受城市化、河道硬化、污染排放增加等因素影響，城區河網水系水生態退化嚴重。根據現場沉水植物調研結果（圖7），城區河網水系中沉水植物分布基本呈現自外環河網向內逐漸缺失的趨勢。其中，沉水植物生物量極少的區域面積約占河網水系總面積的36%，且主要分布在西北部區域；沉水植物生物量相對豐富的區域面積僅占河網水系總面積的5%，且多出現在東南部靠近外環河網的部分河段。相關研究也顯示，嘉興河網水系中高等水生生物分布普遍較少，浮游動物呈小型化趨勢，浮游植物以綠藻門為優勢類群，占總物種數的50%左右，水體達到富營養水平[32-34]。

圖7 嘉興城區河網水系沉水植物空間分布特征Fig.7 Spatial distribution characteristics of submerged plants in Jiaxing urban river network

在眾多環境因子中，光照是沉水植物生長的第一環境要素，而水體中懸浮物通過散射、吸收等物理效應直接影響光照強度，是造成光衰減的主導因素[35-36]。參照Kemp等[37]對切斯皮克灣沉水植物生長所需環境因子的定量研究，嘉興城區河網水體懸浮物濃度均值（34.01～37.14 mg/L）明顯超過了沉水植物存活的閾值（<15 mg/L），由此造成的水下光照不足，可能是水體中天然水生植物普遍缺失的主要原因。同時，較高的水體營養鹽濃度，以及底泥再懸浮對植物葉片表面光照強度的削減作用，同樣抑制著沉水植物的生長。水體濁度及營養鹽濃度增加導致沉水植物生物量迅速減少，從而使河網水生態系統長期處于濁水狀態，沉水植物恢復缺乏適宜條件[38]。此外，由于城市河道兩岸多以硬質護岸為主，水土連接通道被阻隔，河流生態系統整體平衡被破壞，也使得水生植物生長困難[39]。水生態系統中沉水植物的普遍缺失，使底泥再懸浮作用增強、水體自凈能力下降，并進一步導致水質惡化。

3 水環境治理對策

3.1 整體治理思路

根據第2章可知，嘉興城區河網水系水環境問題受到多方面因素的影響。在地勢低平、水體流動性差的天然特征基礎上，由于客水水質差、城市徑流污染凸顯、河道淤積污染嚴重以及水生植被缺失造成的水體自凈能力不足等，導致河網水系水質不能穩定達標。嘉興城區河網水系水環境治理是一項系統性工程，應從全局考慮，以恢復河網水系水生態系統的完整性和良性循環為核心目標，通過外源管控、內源削減、生境改善、水生態修復、長效管護等治理措施的統籌實施，提升水體透明度、增加沉水植物覆蓋度，最終實現河網水系水質向Ⅲ類穩步提升。

3.2 具體對策措施

3.2.1 外源管控

外源管控包括點源污染管控和徑流污染攔截2個方面：1）點源污染管控。根據水質調查結果，位于河網西北部的主城區中小河道是主要的氮、磷高值區域，可能仍存在生活污水入河現象。應將環城河及其周邊作為重點區域，針對建設街道、新興街道、新嘉街道等涉及的生活區及商業區實施污染管控，全面排查并整治區域內的管網錯接漏接、破損、遺漏、雨污合流、水下暗管，降低生活污水通過直排、溢流、雨污混排等方式帶來的入河污染負荷。2）徑流污染攔截。嘉興城區交通道路、小區大部分臨河而建，河岸植被緩沖帶較窄，且河道兩側以硬質駁岸為主，導致初期雨水污染攔截能力不足。據此，針對整個城區河網范圍內近190條河道開展生態滯留溝、植物緩沖帶、生態濕地等面源攔截設施建設及硬質護岸生態改造。其中，生態滯留溝對道路徑流凈化有較好效果；植物緩沖帶宜建在濱水建筑及小區等潛在污染源與受納水體之間，其對城市末端大量污染物有較好消納能力；生態濕地宜建在公園等綠地的水陸交錯帶，其在削減面源污染的同時可提升蓄水能力[40-41]。考慮到航運對護岸的影響，護岸改造宜采用石材護岸和混合式護岸方式。

3.2.2 內源削減

通過污染底泥清淤和原位覆蓋2項措施實現內源削減：1）污染底泥清淤。前期[12-13]及本次調研結果表明，城區河網水系底泥整體淤積嚴重，底泥中氮、磷濃度處于較高水平。因此，清淤工程實施范圍包括整個河網水系，初步估計總清淤面積為10 km2，具體實施河道的劃分需考慮底泥污染程度及是否具備清淤條件。其中，西部河網包括承接上游來水的杭州塘、蘇州塘等主干河道，且水質相對較差，應優先實施工程。根據污染物累積狀況確定底泥清淤深度，杭州塘等9條主干河道的清淤深度還需考慮六級航道通航需求，初步確定清淤底高程為-2.04 m[42]。主干河道及西南湖宜采用環保絞吸清淤方式，其余中小河道采用水力沖挖方式分段圍堰清淤。2）底泥原位覆蓋。針對城區內部分存在污染但不具備清淤實施條件的河道，采用底泥覆蓋技術，通過物理隔離吸附、化學轉化中和以及生物分解等作用，實現對底泥污染釋放的抑制[43]。從經濟性、處理效果、處理周期等方面綜合考慮，建議采用改性活性覆蓋材料。根據Backer等[44]的研究，沉水植物覆蓋度在30%以上的湖泊可長期維持清水態，據此初步確定實施底泥原位覆蓋的河道面積為待修復河道面積的30%。

3.2.3 生境改善

主要從水動力優化調控和局部強化凈化2個方面實現生境改善：1）水動力優化調控。客水水質差、水體交換能力不足、水體透明度偏低，是影響嘉興城區河網水系水質提升及沉水植物恢復的重要因素。根據上游來水方向，擬在長水塘、杭州塘、新塍塘及穆湖溪與外環河網的交匯處實施降濁清水工程，來水經降濁凈化處理后進入河網；并通過對外環河網東北部的三店塘樞紐的泵閘優化調度，增加清水在整個河網內的有序流動，短期內降低河網懸浮物等污染物濃度，為沉水植物生長創造適宜生境。2）局部強化凈化。在水動力優化調控基礎上，針對西北部主城區受點源污染影響較大的部分河道，采用生物膜、曝氣增氧、微生物修復等原位處理技術快速提高水質及水體透明度，達到改善河道生境的目的。

3.2.4 水生態修復

水生態修復包括沉水植物恢復和底棲動物配置：1）沉水植物恢復。針對河網沉水植物普遍缺失問題，在污染源得到控制、水體透明度達到適宜條件的基礎上，根據水深劃分淺水區及深水區，通過先期種植適宜的沉水植物，促進沉水植物群落構建。其中，苦草幼苗存活及生長僅需9%的表面光照[45]，適宜種植在淺水區；眼子菜對高水位脅迫和風浪擾動有較高的適應性[46]，可種植在深水區。此外，根據湖泊、主干通航河道及中小河道等不同水體類型的環境特征，輔以污染攔截、消浪、排口凈化等種植輔助措施。參照已有研究[44]，為實現水生態系統向“清水態”的轉變，將沉水植物種植面積占比確定為水域面積的30%，西部水質較差的河網優先實施相關恢復工程。2）底棲動物配置。根據Domozych等[47]的研究，沉水植物表面的附著生物可削減80%的光合有效輻射，同時阻礙沉水植物對水中營養鹽的吸收。因此，應在沉水植物恢復同時，向水體投放螺類等底棲動物，借助其牧食活動去除植物表面的附生生物覆蓋層，以促進植物生長，通過螺-草共生關系輔助維持水生態系統的良性循環。底棲動物可選用長江中下游常見的銅銹環梭螺。

3.2.5 長效管護

盡管近年來嘉興城區河網水系水質整體有所改善，但由于水生態系統退化和恢復過程的變化軌跡不重合，要使水體恢復到清水穩態，外部環境壓力需長期維持在低于穩態轉換前的水平[48]。據此，應在上述各項工程實施后輔以長效管護措施，在對水生植物定期打撈收割、補植的同時，對工程實施后河網水質、底質、水生態指標的變化進行定點長期跟蹤監測，便于及時發現并減輕因突發事件引起的水質下降，促進河網水生態逐漸恢復至清水穩態。

4 結語

近年來，嘉興城區河網水質整體有所改善，但受上游客水及本地污染輸入影響，河網西部區域的總磷及氨氮濃度分別在豐水期與枯水期達到Ⅳ類～Ⅴ類，個別河段甚至超過Ⅴ類；受外源細顆粒物輸入及頻繁航運引起的底泥再懸浮影響，河網水體懸浮物濃度均值為34.01～37.14 mg/L，持續處于較高水平，顯著限制了水體透明度的提升，導致不同水期河網水系水體透明度均值僅為34～38 cm。由于高懸浮物濃度造成的水下光照不足以及硬質護岸引起的水土連接通道阻隔等，導致河網中沉水植物缺乏適宜生長條件，沉水植物生物量豐富的水域面積僅占河網水系總面積的5%，沉水植物的普遍缺失導致水生態系統長期處于濁水態，水質改善困難。針對主要水環境問題，以恢復河網水系水生態系統的完整性和良性循環為核心目標，制定了外源管控、內源削減、生境改善、水生態修復、長效管護5類治理工程，以期通過各類工程統籌實施，實現河網水系水質的穩步提升。此外，目前城市徑流污染還存在陸域消納能力不足的問題，建議持續推進海綿城市建設，提升污染源頭和輸移過程的攔截凈化能力，減輕城區水系的面源入河負荷；同時，針對船舶擾動造成的底泥再懸浮問題，建議開展內河航運船舶改造，減少船行波對水生態恢復造成的不利影響。