長江中下游圩垸水環(huán)境現(xiàn)狀、成因和治理

王丹陽　湯顯強　丁惠君　李艷紅　李志威

摘要：長江中下游圩垸是重要的糧食生產(chǎn)基地和人口聚集區(qū)，也是重要的濕地資源，但其水環(huán)境卻面臨氮、磷等營養(yǎng)鹽超標(biāo)的富營養(yǎng)化問題。通過歷史數(shù)據(jù)收集結(jié)合原位采樣數(shù)據(jù)，系統(tǒng)梳理現(xiàn)有圩垸水體富營養(yǎng)化的研究，分析了圩垸水環(huán)境現(xiàn)狀和成因。結(jié)果表明：圩垸水體中氮污染較磷污染更嚴(yán)重，湖泊、坑塘營養(yǎng)鹽濃度明顯高于溝渠、河道，下游太湖、巢湖圩垸富營養(yǎng)程度高于中游洞庭、鄱陽兩湖；圩垸水環(huán)境演變以20世紀(jì)80年代和1998年洪水為節(jié)點，可以分為3個階段；防洪和用水活動通過削弱圩垸內(nèi)外水文連通和內(nèi)部水體間縱、橫和垂向連通影響圩垸水環(huán)境；主動蓄洪、建設(shè)環(huán)境水庫，是協(xié)調(diào)圩垸水環(huán)境與水災(zāi)害、水資源關(guān)系的有效方法。研究成果可為促進圩垸水環(huán)境治理提供參考。

關(guān) 鍵 詞：圩垸； 水環(huán)境； 富營養(yǎng)化； 水文連通； 長江中下游

中圖法分類號： X52 文獻標(biāo)志碼： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.06.003

0 引 言

長江中下游居民沿河、湖筑堤，圈起低地肥沃淤積土墾田，通過泵站、涵閘引入外河（湖）水灌溉農(nóng)田、供給生活，形成圩垸。圩垸擁有原自然河道（湖泊）、稻田、魚塘、溝渠和季節(jié)性積水洼地等多種水體，各水體彼此連通，并由涵閘和泵站控制與外部河（湖）水交換。圩垸不僅是重要的糧食生產(chǎn)基地和人口聚集區(qū)，也是發(fā)揮重要生態(tài)服務(wù)功能的濕地資源。

圩垸誕生伊始就面臨水資源利用與水旱災(zāi)害的矛盾。圩垸汛期水量過多，受外洪內(nèi)澇威脅，堤壩建設(shè)侵占河道行洪面積，抬高洪水水位，延長洪水過程，增加潰壩、決口頻率，造成經(jīng)濟損失。為抵御洪水，圩堤不斷加高，隨河道進一步淤積，形成“水漲-堤高-水再漲-堤再高”惡性循環(huán)［1］。當(dāng)汛期外河（湖）水位超過圩垸內(nèi)水位時，內(nèi)部積水受頂托難以排出，低地農(nóng)田滯留漬水，淹死作物。與汛期相反，圩垸在枯水期往往水量短缺，秋冬季外河（湖）水位快速下降甚至斷流，澇旱急轉(zhuǎn)，涵閘難以提水，圩內(nèi)用水受限［2］。

除了水資源利用與水旱災(zāi)害的矛盾，圩垸水環(huán)境問題也逐漸凸顯。受農(nóng)田魚塘施肥和生活污水排放影響，加之圩堤阻隔內(nèi)外水體交換削弱自凈能力，氮、磷等營養(yǎng)鹽在圩垸內(nèi)各類水體中累積造成富營養(yǎng)化，是當(dāng)前圩垸最主要的水環(huán)境問題［3-5］。圩垸水環(huán)境問題與水資源利用、水旱災(zāi)害聯(lián)系密切。水質(zhì)惡化對水資源質(zhì)量的影響顯著，水旱災(zāi)害防治和不當(dāng)?shù)乃Y源利用方式也同時威脅圩垸水環(huán)境。防洪圩堤將天然河流隔斷，改變了原有水系連通狀態(tài)，通過涵閘、泵站，人為控制圩垸內(nèi)外水和溶質(zhì)交換，使內(nèi)水流速下降，停留時間延長，增加河渠、坑塘等水體中底泥營養(yǎng)鹽向上覆水的釋放［5-6］。在水災(zāi)害、水資源、水環(huán)境問題的交織下，圩垸已不僅是防洪短板，還成為經(jīng)濟洼地和環(huán)境薄弱區(qū)。

目前對于圩垸水災(zāi)害、水資源問題已有較多關(guān)注，但對水環(huán)境問題，尤其是營養(yǎng)鹽過剩導(dǎo)致的富營養(yǎng)化問題還缺少系統(tǒng)研究。已有學(xué)者在次降水事件（1～10 d）到多年（2～5 a）的時間尺度上采樣監(jiān)測，積累了一些圩垸內(nèi)水體水質(zhì)數(shù)據(jù)，并開展了模擬分析，但目前尚未全面掌握圩垸水環(huán)境狀況，也未探明圩垸水環(huán)境演變的關(guān)鍵驅(qū)動因素。重要的是，盡管水環(huán)境與水災(zāi)害、水資源密不可分，但研究卻相對孤立：防洪策略選擇（如確定最優(yōu)水面率）和水資源配置未兼顧水環(huán)境需求；水環(huán)境治理方案（如活水措施）的制定也未考慮防洪和用水背景。對圩垸水環(huán)境的研究需要從分散走向系統(tǒng)，從孤立走向整體。為此，本文針對長江中下游圩垸，以現(xiàn)場采樣監(jiān)測結(jié)合歷史數(shù)據(jù)，從單個水體到流域的空間尺度、次降水事件到多年的時間尺度上總結(jié)當(dāng)前圩垸水環(huán)境狀況，探討其與水災(zāi)害、水資源相互作用背景下的演變過程，梳理并提出圩垸水環(huán)境治理策略。

1 圩垸水環(huán)境狀況

數(shù)據(jù)主要來自中國知網(wǎng)、Web of Science、統(tǒng)計年鑒，以及未公開發(fā)表的報告等，少量來自2021年8～12月在鄱陽湖問桂道圩、三角聯(lián)圩、中洲聯(lián)圩等圩區(qū)的內(nèi)河、溝渠、湖泊、魚塘等水體及外河水體的采樣。樣品采集、保存和測定參照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 污染物含量及組成

富營養(yǎng)化是圩垸水體的主要環(huán)境問題，氮、磷是富營養(yǎng)化的主要因素，絕大多數(shù)圩垸水體總氮（TN）、總磷（TP）濃度分別超過1.0 mg/L和0.2 mg/L［3-4，7-10］，劣于地表Ⅲ類水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（見表1），TN超標(biāo)較TP嚴(yán)重。水體氮磷主要來自農(nóng)業(yè)面源污染，圩垸農(nóng)業(yè)以稻田為主，稻田每年收割后，水稻根茬留于土壤之中腐解，又因稻-稻-肥耕作制度，每年都有綠肥翻入土中，土壤TN含量較高［11］，因此導(dǎo)致在整個長江流域圩垸中，氮的污染狀況較磷更嚴(yán)重。

TN以氨氮（NH+4-N）和硝氮（NO-3-N）為主，亞硝氮（NO-2-N）含量較少。NH4∶NO3平均約1.56，在多數(shù)圩垸中，氨氮是主要氮形態(tài)。圩垸水體存在往下游方向硝氮比重增加、氨氮比重減少的趨勢，NH4∶NO3在洞庭湖青山垸約2.86，至下游巢湖王南圩下降至1.66，在近入?？诘纳舷挛鞔ㄛ走M一步降至0.79。圩垸與長江干流水體的總氮組成差異明顯，干流宜昌至上海段NH4∶NO3平均約0.14，硝氮在絕大多數(shù)斷面占比超過80%［12］，說明長江流域因自然水系連通被阻斷，圩垸與外水交換不暢，雖然內(nèi)外僅一道圩堤之隔，但營養(yǎng)鹽組成的異質(zhì)性顯著。

對圩垸磷形態(tài)的研究較少，一般只將其區(qū)分為溶解態(tài)（DP）和顆粒態(tài)（PP）。在非降水期，DP占TP的比重一般大于60%，而降水時PP顯著增加，占比從不足40%提高至50%以上［13］。長江中下游圩垸水體磷組成特征與長江干流不同：在干流的宜昌至上海段，汛期和非汛期PP占比均穩(wěn)定在60%左右［13］，受降水影響小。這種差異一方面反映了水系連通受阻造成的圩垸內(nèi)外水環(huán)境異質(zhì)性，另一方面也可能與圩垸溝渠、河道形態(tài)有關(guān)：水淺、岸緩，兩岸無水土保持措施，底泥遇強降水易再懸浮，岸土易被沖刷進入水體。

1.2 空間分布格局

圩垸內(nèi)湖泊、坑塘營養(yǎng)鹽濃度明顯高于溝渠、河道，溝渠、河道明顯高于外部河湖（見表1）。中游洞庭湖、鄱陽湖區(qū)，外河TN、TP濃度一般可以達到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，而圩垸內(nèi)TN、TP濃度則多為劣Ⅴ類。盡管下游巢湖、太湖外河（湖）水質(zhì)下降，但總體仍優(yōu)于圩垸內(nèi)水體。這一營養(yǎng)鹽梯度與水系連通影響下的換水周期和自凈能力有關(guān)。涵閘在洪水時閉多啟少，而枯水期因外河水位急劇下降、難以提水，加之圩垸內(nèi)地勢低洼，河渠比降小，流速相對緩慢，增加了底泥氮磷向上覆水的釋放時間，同時延長了水體氮磷向圩垸外的輸出時間，造成營養(yǎng)鹽富集，含量顯著高于外河（湖）［5-6］。圩垸內(nèi)部湖泊、坑塘蓄積雨水，如果積水不威脅耕地、造成漬田，便不急于提排水，甚至?xí)藿ā鞍拥獭?，增加蓄水量，因而相比緩流河渠換水速率更慢，營養(yǎng)鹽更易累積［14］。

相同二級流域內(nèi)，各圩垸間水質(zhì)差異不大，但二級流域間差異明顯，總體呈現(xiàn)自中游至下游氮磷增加、水質(zhì)惡化的趨勢（見表1）。洞庭、鄱陽兩湖流域一些圩垸的水體中氮、磷含量甚至優(yōu)于Ⅱ類水，而巢湖、太湖流域大部分圩垸水體則為Ⅴ類或劣Ⅴ類。

1.3 時間變化趨勢

數(shù)小時至數(shù)天的時間尺度上，圩垸溝渠內(nèi)氮磷濃度主要受降水和農(nóng)田排水影響而呈單峰模式，營養(yǎng)鹽含量先緩慢增至峰值，后快速下降（見圖1）。這反映了溶質(zhì)以水土為載體，通過地表徑流和地下潛流，從陸地向水體的遷移過程。在很多濕地自然河道和人工溝渠的研究中，都曾觀測到營養(yǎng)鹽濃度隨徑流增大而先下降后上升的趨勢，并將其解釋為稀釋效應(yīng)［15］：初期地面以下滲為主，地表和地下徑流小，河岸帶能夠被起動的土壤顆粒少，只有土壤飽和、徑流足以攜帶溶解態(tài)和顆粒態(tài)溶質(zhì)進入河道時，河水營養(yǎng)鹽濃度才會上升。長江中下游圩垸溝渠未發(fā)現(xiàn)稀釋效應(yīng)，這與其形態(tài)和水系特征有關(guān)：土質(zhì)渠岸無護坡措施，降水濺蝕使土壤顆粒迅速進入河道；各級溝渠密布，田面近水，單位土壤或水體由陸地遷移至溝渠的距離短，所需動能少。

關(guān)于圩垸水質(zhì)的月際變化研究較少，已發(fā)表文章僅有淮河流域里下河崇鳳圩區(qū)1.5 a的逐月數(shù)據(jù)，TN、TP濃度分別在3月和7月出現(xiàn)峰值，但未見明顯規(guī)律（見圖1）［6］。圩垸多年水質(zhì)變化研究較少，僅一些垸內(nèi)的大型湖泊有零散的相關(guān)監(jiān)測。如在洞庭湖區(qū)大通湖垸，大通湖TN含量在2015，2017，2019年分別為2.38，1.03，1.18 mg/L，TP含量在2017年和2019年分別為0.29 mg/L和0.12 mg/L。由于不同研究的采樣時間、位置不同，時間序列數(shù)據(jù)可比性有限，但總體看，多年來長江中下游圩垸內(nèi)水質(zhì)并無明顯好轉(zhuǎn)跡象。

2 圩垸水環(huán)境演變

圩垸水環(huán)境的主要影響來自人類活動，包括不當(dāng)?shù)母骷笆┓史绞?、過度圍墾內(nèi)湖降低水面率、防洪筑堤切斷水體交換等，這些活動都屬于水災(zāi)害防治與水資源利用范疇。水環(huán)境與水災(zāi)害、水資源具有密切聯(lián)系，圩垸水環(huán)境演變歸根結(jié)底是由水災(zāi)害防治和水資源利用活動驅(qū)動，而水文連通是驅(qū)動媒介。水文連通分為縱向、橫向和垂向3個維度，分別表示上下游之間、河岸帶和河道之間、地表水和地下水之間水及溶質(zhì)的鄰接與交換［16］。水災(zāi)害及其防治和水資源利用活動改變3個維度的連通性，進而影響圩垸水環(huán)境演變，大致可分為3個階段，見表2。

2.1 20世紀(jì)80年代前

長江中下游圩垸建設(shè)初期選擇較高的江湖邊地修筑堤防，墾殖高田。此時圩垸規(guī)模較小，巴垸眾多，堤防雖切斷了低等級河道的縱向水文連通，但影響尚微。此后為縮短堤線、減少歲修費用，采用了敞廢巴垸、扒口放淤和堵支并流、聯(lián)圩并垸的措施［17］。這些措施有效減輕了防洪壓力，卻由于將更多高等級河道圈入圩垸，對水系縱向連通的影響加劇。高等級河道匯水面積更大，更多地表污染物無法直接進入外河，而被匯入垸內(nèi)水體；垸內(nèi)水體被堤壩切斷，失去自由換水機會，活水能力下降，并且初期圩垸設(shè)置排澇站后，大多不再設(shè)通水涵閘，非汛期和非排水時段常形成斷頭洪，進一步限制內(nèi)外水體交換（見圖2），內(nèi)河不斷接納垸內(nèi)面源污染，水質(zhì)逐漸惡化［18］。

2.2 20世紀(jì)80年代至20世紀(jì)末

該階段的長江中下游圩垸防洪和用水基于“四分開、兩控制”策略：筑堤建閘、內(nèi)外河分開；分級控制、高低片分開；溝渠配套、排灌渠分開；調(diào)整土地、水旱田分開；控制圩內(nèi)水位，春天防漬、汛期防澇；田間深埋排水暗管，控制地下潛水位［19］。該策略使湖垸農(nóng)田“灌得進、蓄得住、排得出”，改變了傳統(tǒng)大排大灌農(nóng)田水利，防洪的同時提高了水資源利用效率。

“內(nèi)外河分開”加固已有堤防工程，進一步削弱了縱向水文連通。在這一階段，盡管通水涵閘大量建設(shè)，但長時間關(guān)閉，內(nèi)水仍無法參與外循環(huán)。連通涵閘的輸水溝渠沿岸缺乏水土保持措施，近閘門附近也缺乏凈水設(shè)施（見圖3）。盡管一些閘口附近設(shè)有柵欄，但只能攔截漂浮垃圾，無法過濾溶解態(tài)和顆粒態(tài)營養(yǎng)鹽，反而易形成回水區(qū)造成更嚴(yán)重污染。

“排灌渠分開”規(guī)定了縱向水文連通方向。圩垸內(nèi)、外水體被堤壩和涵閘隔開，相比外部因地勢高差而形成的自由水流，圩垸內(nèi)有獨特的水文特征：水流方向不固定，流向、流速受人工啟閉的各級涵閘控制［20］。以往垸內(nèi)灌排不分，高田難以提水灌溉，往往灌了高田卻淹了低田［19］。排灌渠分開約束了水流方向，灌渠由外河經(jīng)涵閘引水通過各級水渠進入田面和魚塘，排水渠由田面、魚塘、洼地經(jīng)各級水渠過涵閘排向外河（見圖2）。由于外河水質(zhì)較好，而田間和魚塘排水含有大量來自化肥施用和魚類排泄物的營養(yǎng)鹽，排灌分開往往造成營養(yǎng)鹽含量沿灌-用-排路徑依次升高。

“高低片分開”改變了圩垸內(nèi)橫向水文連通。初期圩垸積水均由低地靠近外河下游的排水渠或河道排出，先排低水再排高水。然而，圩垸積水時外河往往也處在汛期，水位高漲，高水下壓頂托，低水難排，也無法騰出空間給高水泄入，使高低田均漬水。為搶排高水、減少排水時間，圩垸沿等高線修建撇洪渠，受納等高線以上本地山洪，調(diào)蓄后不再經(jīng)由低地排出，而直接撇入外河（湖），實現(xiàn)高水高排［21］。高水高排有效縮短了垸內(nèi)澇水排出時間，降低了圩垸排水遭遇外河洪水的幾率，但高低片分開排水是否有利于水環(huán)境，可能取決于地表徑流污染物侵蝕攜帶（e）、河渠水體污染物沉降（d）與底泥污染物懸浮釋放（s）的平衡。高水高排縮短了高地地表徑流泥沙遷移入河道的距離，減少了水沙對陸面污染物的裹挾，與先匯入低地再排出的方式相比，其總體使進入水體的污染物減少（e1s0），同時減少本身攜帶污染物的沉降（d1

“水旱田分開”和“控制圩內(nèi)水位”、“控制地下潛水位”一并調(diào)整了圩垸內(nèi)垂向水文連通。圩垸建設(shè)初期無地下水導(dǎo)排措施，雨季積水自表土下滲，抬高地下水位，出現(xiàn)漬田。水旱分開在控制圩內(nèi)河渠水位的基礎(chǔ)上，田間深埋排水暗管，控制地下水位（見圖2）。水田（稻作）控制水位低于田面0.8 m，旱田（麥作）低于潛水位0.2 m。一塊田對應(yīng)一條暗管，田無多管、管不串田，以免各田塊水層通過暗管互相串聯(lián)［19］。水旱田分開和地表、地下水位控制的方式有效防止了漬田，并使土壤營養(yǎng)得以恢復(fù)，同時削弱了田塊之間的污染物隨地下水橫向交換，而增強了田塊內(nèi)溶質(zhì)從地表水向地下水的遷移。

隨著圩垸內(nèi)人口聚居和農(nóng)業(yè)發(fā)展，水資源利用問題也逐漸凸顯并威脅水環(huán)境：① 過度圍墾內(nèi)湖，水面率快速下降；② 農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)失調(diào)，有糧少魚。前者削弱水體自凈能力，后者增加污染來源。15%左右的水面率有助于調(diào)蓄洪水和降解污染物［22］；對長江下游溧陽市圩區(qū)的研究進一步發(fā)現(xiàn)，30%的農(nóng)田面積轉(zhuǎn)變?yōu)樗鏁r，可分別降低TN、TP濃度6%和35%［23］。然而到20世紀(jì)末，大多數(shù)圩垸湖泊干涸消亡，水面率已不足10%。污染物源（農(nóng)田）多而匯（水面）少，必然造成匯的污染累積。農(nóng)田徑流產(chǎn)生的氮磷最多可達垸內(nèi)排放總量的70%［24］，因而種植業(yè)發(fā)展導(dǎo)致化肥施用量快速增加，極大加重了圩垸水體的營養(yǎng)負(fù)荷。與此同時，沿江經(jīng)濟社會快速發(fā)展，用水量迅速上升，大量生產(chǎn)生活廢水未經(jīng)處理直接排入圩內(nèi)河道，也加劇了水體污染。

2.3 21世紀(jì)以來

1998年洪水后，在“平垸行洪、退耕還湖；加固干堤、疏浚河湖”指導(dǎo)下，長江中下游圩垸防洪改變傳統(tǒng)策略，同時生態(tài)農(nóng)業(yè)、避洪農(nóng)業(yè)等新型水資源利用方式逐漸興起，水環(huán)境演變進入新階段。

平退政策拆除閘壩，將一部分圩內(nèi)水體還于外河（湖），恢復(fù)縱向水文連通，改善了原先圩垸水環(huán)境。單退圩在一般年份仍開展生產(chǎn)活動，但遇較大洪水時需進水分洪，雙退圩平毀現(xiàn)有圩堤，圩內(nèi)土地不再耕作，還為天然水面［25］。1999～2001年，對洞庭湖青山垸平退前后的水質(zhì)監(jiān)測顯示：在還湖后的前2 a，原圍墾區(qū)水體中氮、磷含量雖仍高于天然河湖，但低于未還湖區(qū)。隨退耕還湖后的多次淹水、退水過程，各項水質(zhì)指標(biāo)逐步接近天然水體［3］。

加固堤防通過削弱地下水之間的連通，減少了圩垸內(nèi)外的污染物交換。圩堤滲漏是防洪的主要問題之一，以往堤身防滲使用黃泥漿，無法根本杜絕滲漏［26］，圩堤內(nèi)外水位差7～8 m時，單寬滲漏量約0.2～0.3 cm3/（s·m）［27］。1998年洪水后，防滲技術(shù)升級，射水造墻、高壓噴射灌漿等取得了較好的防滲效果，但也帶來了新環(huán)境問題。堤基垂直防滲阻斷圩垸內(nèi)地下水與外河（湖）水的交換過程：① 地下水累積營養(yǎng)鹽難以排出，向上釋放進入地表水；② 地下水位上升，低田漬水，又大量吸收田間營養(yǎng)鹽［28］。對鄱陽湖贛撫圩區(qū)大堤的模擬結(jié)果顯示：截滲墻封閉率從0.75提高至0.90后，地下水總氮濃度由4.95 mg/L上升到6.28 mg/L［29］。由于外水水質(zhì)優(yōu)于內(nèi)水，圩堤加固封閉導(dǎo)致內(nèi)外滲流減少，使外水難以進入稀釋、內(nèi)水難以排出，加劇了內(nèi)水污染狀況。

平垸還湖和加固堤防的同時，各地紛紛調(diào)整圩垸農(nóng)業(yè)布局和種植制度，協(xié)調(diào)水資源利用方式：① 改制避洪，使作物的重要生育階段和成熟收獲期避開7～8月洪水季；② 降低種植業(yè)比重，增大經(jīng)濟作物面積［30］。此外，圩垸還嘗試發(fā)展立體、精細種養(yǎng)模式，如內(nèi)湖植蓮養(yǎng)菱、分層養(yǎng)魚、育珠［31］。農(nóng)業(yè)模式的調(diào)整極大提高了水資源利用效率，但對水環(huán)境的影響尚不明確。改制避洪或因調(diào)整施肥時間而影響年內(nèi)圩垸水體營養(yǎng)鹽濃度變化模式，湖塘高時空密度的種養(yǎng)則可能增加單位水體的營養(yǎng)負(fù)荷。

2.4 水災(zāi)害-水資源-水環(huán)境耦合

圩垸水環(huán)境與水災(zāi)害防治、水資源利用關(guān)聯(lián)，水資源利用創(chuàng)造污染物聚集熱點，水災(zāi)害防治控制熱點區(qū)域的污染物隨水沙遷移。如圖4所示，當(dāng)長江中下游圩堤涵閘開啟或扒口平圩還湖時，水體沿圖中1-2-3路徑完成內(nèi)外水循環(huán)，外河補給內(nèi)水，垸內(nèi)周期換水，排泄來自5，8，11路徑的污染物。一旦涵閘關(guān)閉，內(nèi)外水循環(huán)路徑被切斷、無法閉環(huán)，而降水時垸內(nèi)河道、溝渠、湖面仍源源不斷地通過地表和地下徑流匯集來自農(nóng)田、魚塘等的面源污染，造成污染物在垸內(nèi)水體富集。若只針對水質(zhì)改善控制涵閘啟閉時機、時長和過水量，則難以顧全防洪需求；若完全以防洪為目標(biāo)控制涵閘，則難以調(diào)節(jié)垸內(nèi)水質(zhì)。若壓縮生產(chǎn)生活用水及污染排放，則造成經(jīng)濟社會損失；若放任化肥施用和污廢流出，則增加水體污染負(fù)荷?？梢娝h(huán)境與水災(zāi)害防治、水資源利用之間存在對立關(guān)系。此外，水災(zāi)害、水資源之間也存在對立關(guān)系，如洪水期水量過多、農(nóng)田漬水，而枯水期卻用水不足。因此，三者互為因果，防洪抗?jié)?、利用水資源和保護水環(huán)境的目標(biāo)互相掣肘，往往難以兼顧。

水文連通不僅是圩垸水環(huán)境與水災(zāi)害、水資源相互作用的紐帶，還可能放大垸內(nèi)水環(huán)境的影響范圍：高污染負(fù)荷的垸內(nèi)水體在開閘時向外河和下游輸送，影響其水質(zhì)。圩垸水體的污染源匯角色并非一成不變，涵閘關(guān)閉時，垸內(nèi)河渠、湖塘等水體是污染物匯，受納并累積生產(chǎn)生活污水，而涵閘開啟后，垸內(nèi)水體相對垸內(nèi)陸面仍是匯，但相對外河和下游圩垸則是源，污染物沿圖4中路徑3向外河遷移，增加外河污染負(fù)荷。由于圩垸沿江分布，各垸內(nèi)污染物的排放很有可能造成外河污染疊加，影響下游圩垸引水水質(zhì)。

3 圩垸水環(huán)境治理

3.1 已開展的工作

在長期面臨長江干支流洪水威脅的背景下，圩垸水環(huán)境治理活動應(yīng)堅持防洪優(yōu)先的原則。這一原則帶來了圩垸水環(huán)境治理的第一個困難：為了應(yīng)對外洪內(nèi)澇，有時不得不將涵閘關(guān)閉而使內(nèi)水封閉，污染物難以排出；有時則為了盡快排干田間漬水而開閘泄高渾水，減少了污染物沉降機會。第二個困難來自水資源利用：圩垸已是居住、生產(chǎn)和消費聚集的社會經(jīng)濟綜合體，有用水需求并產(chǎn)生排污的產(chǎn)業(yè)和人口聚集區(qū)多且分散，控制污染源及陸-水遷移途徑的難度相當(dāng)大。第三個困難：當(dāng)?shù)鼐用竦乃h(huán)境治理意愿不足，圩垸一旦被淹，排澇防漬、盡可能降低經(jīng)濟損失是農(nóng)戶最迫切的需求，田間污染物的釋放易受忽視，且污染釋放的負(fù)面影響在短期難以察覺，對受納地的影響大于排出地，難以被重視。

盡管面臨諸多困難，對于圩垸水環(huán)境仍開展了一些治理工作。

（1） 河道溝渠疏浚清淤。例如，2017年11月，在洞庭湖南漢垸玉成電排渠等4條溝渠中，采用干挖法清淤，明顯改善了溝渠水質(zhì)［9］。清淤后，沉積物-水界面NH4-N和NO3-N通量均有所下降，削減了上覆水中TN和TP濃度。

（2） 恢復(fù)水文連通。目前為止對于此治理方式多限于理論分析和模擬研究，實踐較少。李悅等［32］在大通湖垸構(gòu)建二維水動力-水質(zhì)模型，模擬了連通條件下湖內(nèi)TN、TP的濃度變化，發(fā)現(xiàn)當(dāng)引水流量為30 m3/s時，對氮、磷的削減效果最好。許曉林等［33］針對下游常熟蘇白圩，應(yīng)用一維河網(wǎng)水動力學(xué)模型模擬發(fā)現(xiàn)圩內(nèi)水系結(jié)構(gòu)優(yōu)化后水體營養(yǎng)鹽濃度變化有所下降。

（3） 以防洪為初衷的退耕還湖、平垸行洪。這種治理方式附帶改善了圩垸水環(huán)境，如洞庭湖青山垸。

然而以上3種措施各有不足。清淤能夠迅速降低河渠污染負(fù)荷，但長期效果不佳，且只對沉積物-水界面有效，不能阻斷外部污染源輸入［34］?；钏胧┥形船F(xiàn)于實踐，且諸多模擬研究中，水系連通結(jié)構(gòu)和引水時機、時長及引水量等各種工況設(shè)置時均未考慮防洪和用水的實際需求。平退圩垸的水環(huán)境效應(yīng)明顯而長效，但大量重點垸和蓄洪垸不能退，且這一方式對防洪治標(biāo)不治本：退田還湖區(qū)域處于未圍墾的天然狀態(tài)，洪峰出現(xiàn)以前就有部分容積被占據(jù)，使洪峰時蓄洪有效容積減少，而同樣面積分洪區(qū)的有效蓄洪容積更大。

3.2 主動蓄洪

現(xiàn)有應(yīng)對圩垸水環(huán)境的措施各有缺陷，均難以協(xié)調(diào)水環(huán)境改善與水災(zāi)害防治、水資源利用的關(guān)系。建議采用主動蓄洪、建設(shè)環(huán)境水庫的方式：在近外河堤的低洼處，圍洼筑堤，建設(shè)環(huán)境水庫，水庫背倚外河堤壩，內(nèi)設(shè)兩處閘門，分別連通引水河渠和排水河渠。環(huán)境水庫在汛前騰空，汛時開閘分洪，汛末蓄水，其優(yōu)勢包括：① 恢復(fù)圩垸水面率，汛期既發(fā)揮蓄洪作用，又有序引導(dǎo)洪水入垸，避免淹沒生產(chǎn)生活設(shè)施；② 枯水期或外河涵閘關(guān)閉時，由于水庫連通引、排水渠，圩垸內(nèi)仍可完成水循環(huán)閉環(huán)，保持水體自凈能力，在削減污染的同時為經(jīng)濟社會活動提供水資源；③ 可以借水庫建設(shè)調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，發(fā)展?jié)O業(yè)和濱水旅游業(yè)。

與主動蓄洪相近的概念和實踐已有很多。20世紀(jì)80年代，鄱陽湖圩區(qū)已開展圍洼滯蓄，將圩內(nèi)高地來水導(dǎo)入低地筑矮堤圈成的滯蓄區(qū)臨時儲存，實現(xiàn)枯水期抗旱并發(fā)展多種經(jīng)營［14］。2010年，湖南省水利廳提出通過擴內(nèi)湖、建低壩和綜合樞紐工程等方式，利用蓄洪區(qū)低洼地，根據(jù)垸內(nèi)生產(chǎn)和環(huán)境用水需求有計劃地進水和吐水，蓄水深1.0～1.5 m，每年蓄洪10～15億m3［35］。2020年長江流域洪水后，江西省水科院和長江水利委員會先后提出洪水資源化，探索濱湖蓄洪水庫建設(shè)的思路，利用鄱陽湖蓄滯洪區(qū)及圩垸約86億m3的容積，主動納蓄洪水，構(gòu)建季節(jié)性平原型水庫，從而達到汛期調(diào)節(jié)洪水，非汛期補給湖水的目的［24，36-37］。

可見，主動蓄洪、建設(shè)環(huán)境水庫是在已有方案和實踐基礎(chǔ)上，將水庫作為圩垸內(nèi)長期水利設(shè)施，不僅使之發(fā)揮蓄洪和供水功能，還利用水庫連通圩垸內(nèi)各水體，使外河涵閘關(guān)閉時內(nèi)水仍保持一定流速和凈化能力。如果能夠?qū)h(huán)境水庫建設(shè)與圩垸內(nèi)各級河道、溝渠的護岸水土保持措施和水體生物凈化措施結(jié)合，則可能實現(xiàn)水環(huán)境保護與水災(zāi)害防治、水資源利用的相互協(xié)調(diào)。

4 結(jié) 語

長江中下游圩垸水體的主要環(huán)境問題是氮、磷富集造成的富營養(yǎng)化，尤以氮含量超標(biāo)最為嚴(yán)重。圩垸內(nèi)營養(yǎng)鹽濃度存在湖泊、坑塘>溝渠、河道>外部河湖的梯度分布規(guī)律；中游洞庭、鄱陽兩湖圩垸營養(yǎng)鹽濃度總體低于下游巢湖、太湖圩區(qū)。水災(zāi)害防治和水資源利用活動以水文連通為媒介驅(qū)動圩垸水環(huán)境演變。圩垸建設(shè)初期的扒口放淤、聯(lián)圩并垸首先切斷圩垸內(nèi)外水文連通，20世紀(jì)80年代“四分開、兩控制”進一步削弱圩垸內(nèi)部各類水體間的縱、橫和垂向連通，降低流速，削弱了水體自凈能力和營養(yǎng)鹽外排機會。與此同時，水面率隨內(nèi)湖過度圍墾快速下降，農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)失調(diào)導(dǎo)致有糧少魚，化肥中氮磷大量進入水體，加劇水環(huán)境惡化。1998年洪水后實行平垸行洪、退耕還湖，同時生態(tài)農(nóng)業(yè)、避洪農(nóng)業(yè)等新型水資源利用方式逐漸興起，疏浚清淤、恢復(fù)水文連通等水環(huán)境治理措施在一些圩垸也得到運用，部分圩垸的局部水體中營養(yǎng)鹽含量得到了削減，但效果有限。圩垸根本的防洪目標(biāo)和水資源利用、水環(huán)境保護目標(biāo)之間仍然互相掣肘，難以兼顧。因此，亟需開展水利工程、水文水資源與水環(huán)境的跨學(xué)科研究，應(yīng)視水災(zāi)害、水資源和水環(huán)境三者為系統(tǒng)整體，在開展防洪、用水或水質(zhì)模擬分析時，應(yīng)同時考慮另外兩者的約束條件和預(yù)期效果，以實現(xiàn)綜合效益最大化。

參考文獻：

［1］王克林，章春華，易愛軍.洞庭湖區(qū)洪澇災(zāi)害形成機理與生態(tài)減災(zāi)和流域管理對策［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，1998，9（6）：561-568.

［2］袁曉峰，雷聲，張秀平，等.江西省平退圩堤防洪運用現(xiàn)狀及建議［J］.中國防汛抗旱，2021，31（2）：11-16，69.

［3］吳甫成，鄧學(xué)建，呂煥哲，等.洞庭湖退耕還湖區(qū)水質(zhì)監(jiān)測與分析［J］.水土保持學(xué)報，2003，17（1）：134-136，140.

［4］儲茵，汪麗婷，馬友華，等.巢湖沿岸典型圩區(qū)夏季水稻生長期營養(yǎng)鹽輸出特征研究［J］.水土保持學(xué)報，2010，24（5）：135-140.

［5］龔麗玲，王丹陽，瞿畏，等.干挖法清淤對南漢垸內(nèi)溝渠沉積物中氮形態(tài)和氨氮擴散通量的影響［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2019，38（12）：2826-2834.

［6］陸海明，陳曉燕，趙海濤，等.蘇北平原河網(wǎng)區(qū)典型農(nóng)村中小河流水體氮磷賦存特征［J］.水資源保護，2012，28（5）：1-6.

［7］劉默蕾，俞芳琴，劉俊.城市圩區(qū)水環(huán)境多因素影響研究［J］.中國農(nóng)村水利水電，2020（2）：44-47.

［8］李慧玲，陳菁，金秋，等.水閘規(guī)模對河道水動力水環(huán)境的影響研究［J］.人民長江，2019，50（2）：181-185，196.

［9］瞿畏，龔麗玲，鄧征宇，等.2017年南漢垸水渠清淤前后水中沉積物與其上覆水界面氮擴散通量估算［J］.濕地科學(xué)，2020，18（4）：468-474.

［10］沈青云.平原河網(wǎng)區(qū)圩區(qū)的非點源污染產(chǎn)排特征分析［D］.南京：南京師范大學(xué)，2016.

［11］劉卓璟.鄱陽湖湖灘草洲和圩區(qū)在不同利用方式下的土壤養(yǎng)分狀況［J］.江西科學(xué)，1986，4（4）：64-66.

［12］婁保鋒，卓海華，周正，等.近18年長江干流水質(zhì)和污染物通量變化趨勢分析［J］.環(huán)境科學(xué)研究，2020，33（5）：1150-1162.

［13］曾德付.基于GIS下太湖流域典型圩區(qū)農(nóng)業(yè)非點源污染研究［D］.南京：河海大學(xué)，2005.

［14］龔力謙.圩田地區(qū)洼地的排水方法-建閘圍湖，排蓄兼施［J］.中國水利，1958，4：9-15.

［15］WANG D，LI Z，LI Z，et al.Response of organic carbon in drainage ditch water to rainfall events in Zoige Basin in the Qinghai-Tibet Plateau［J］.Journal of Hydrology，2019，579：124187.

［16］AMOROS C，BORNETTE G.Connectivity and biocomplexity in waterbodies of riverine floodplains［J］.Freshwater Biology，2002，47：761-776.

［17］白端生.洞庭湖區(qū)堤防的加固［J］.中國水利，1984，3：13.

［18］焦?jié)?圩區(qū)建設(shè)對城市水環(huán)境的影響及對策［J］.江蘇環(huán)境科技，2006，19（2）：121-123.

［19］陳世儉，蔡述明，羅志強.生態(tài)工程在湖垸濕地農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展中的應(yīng)用［J］.長江流域資源與環(huán)境，1997，6（3）：253-259.

［20］HUANG J，ARHONDITSIS G B，GAO J，et al.Towards the development of a modeling framework to track nitrogen export from lowland artificial watersheds（polders）［J］.Water Research，2018，133：319-337.

［21］秦伯玄.洞庭湖區(qū)防洪建設(shè)決策中幾個問題的商討［J］.湖南水利，1998，1：36-38.

［22］郭元裕，白憲臺，雷聲隆.南方圩（湖）區(qū)最優(yōu)水面率研究［J］.水利學(xué)報，1982，7：8-17.

［23］CUI Z，HUANG J，TIAN F，et al.Modeling the response of river nutrient conditions to land use changes in lowland artificial watersheds（polders）［J］.Ecological Engineering，2019，135：98-107.

［24］王婷婷，唐莉華，劉軍.洞庭湖平原堤垸區(qū)非點源污染模擬與分析［J］.水力發(fā)電學(xué)報，2011，30（5）：27-34.

［25］雷聲，張秀平，袁曉峰，等.鄱陽湖單退圩實踐與思考［J］.水利學(xué)報，2021，52（5）：546-555.

［26］孟熊，方孝彬.湖南省洞庭湖區(qū)重點垸堤防存在問題及整治思路研究［J］.湖南水利水電，2019（2）：49-51.

［27］莫祚年.圩區(qū)水文特性分析及其水位預(yù)報［J］.水文，2001（4）：35-37.

［28］熊沖瑋，李建鋒，劉亮.江西省圩堤（區(qū)）現(xiàn)狀及其治理的思考［J］.水利建設(shè)與管理，2003，126（2）：57-58.

［29］劉建成，孔莉莉.堤防截滲墻加固對圩區(qū)地下水水質(zhì)的影響［J］.河海大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2008，36（6）：748-752.

［30］李景保，段正梁，周躍云，等.洞庭湖垸內(nèi)災(zāi)害風(fēng)險區(qū)湖垸高效生態(tài)農(nóng)業(yè)模式研究［J］.自然資源學(xué)報，2009，24（11）：1861-1869.

［31］余鐵橋，嚴(yán)斧，賀漢林.洞庭湖區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)建設(shè)協(xié)調(diào)發(fā)展的初步探討［J］.湖南農(nóng)學(xué)院學(xué)報，1985，4：1-8.

［32］李悅，李志威，胡旭躍，等.大通湖區(qū)水系連通工程改善水環(huán)境的效果評估［J］.水資源與水工程學(xué)報，2021，32（4）：116-123.

［33］許曉林，陳星，向龍，等.基于健康河流理念的蘇白圩水系規(guī)劃研究［J］.中國農(nóng)村水利水電，2015，4：55-60.

［34］瞿畏，龔麗玲，范慶元，等.干挖法清淤對湖區(qū)垸內(nèi)溝渠地表水環(huán)境質(zhì)量的影響［J］.江西水利科技，2020，46（3）：162-167.

［35］聶芳容.洞庭湖是長江水質(zhì)和生態(tài)安全的保障［C］∥湖南省洞庭湖區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展研究會.2010洞庭湖發(fā)展論壇.岳陽：湖南省洞庭湖區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展研究會，2010：386-389.

［36］許繼軍，吳志廣.新時代鄱陽湖區(qū)生態(tài)防洪若干問題思考［J］.水利水電快報，2021，42（1）：43-48.

［37］雷聲.2020年鄱陽湖洪水回顧與思考［J］.水資源保護，2021，37（6）：7-12.

（編輯：高小雲(yún)）

Status，causes，and management of water environment in polders of middle-lower Yangtze River

WANG Danyang1，2，3，TANG Xianqiang2，3，DING Huijun1，LI Yanhong1，LI Zhiwei4

（1.Jiangxi Province Key Laboratory of Water Resources and Environment of Poyang Lake，Jiangxi Institute of Water Science，Nanchang 330029，China； 2.Basin Water Environmental Department，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China； 3.Key Laboratory of Basin Water Resource and Eco-Environmental Science in Hubei Province，Wuhan 430010，China； 4.State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science，Wuhan University，Wuhan 430072，China）

Abstract：Polders in middle-lower Yangtze River are important food production bases and population gathering areas，as well as important wetlands.However，they are now facing severe eutrophication caused by excessive nitrogen and phosphorus.Through historical data collection and in-situ monitoring，as well as a systematically review of researches on the eutrophication of polder waterbodies，the paper discussed the current status and possible reasons of the water environment in polders.Results show that nitrogen pollution was more severe than phosphorus.Lakes and ponds had higher nutrient concentrations than ditches and rivers.Polders in Taihu and Chaohu Lake had higher eutrophication level than Dongting and Poyang Lake.1980s and 1998 The evolution of water environment was divided into 3 phrases：before 1980s，1980s-1998，after 1998.Flood control and water use activities weakened the hydrological connectivity between waters in and out polders，as well as lateral，longitudinal，and horizontal connectivity between the internal water bodies.Storing floodwater and building environmental reservoirs could coordinate the relationship between water environment，water disasters，and water resources.The research can provide basis for water environment management in polders.

Key words：polder；water environment；eutrophication；hydrological connectivity；middle-lower Yangtze River

收稿日期：2022-04-01

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（51979006，41907401）；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費項目（CKSF2021443/SH）；江西省水利科學(xué)院開放研究基金項目（2021SKSH06）

作者簡介：王丹陽，男，工程師，博士，主要從事水沙-環(huán)境耦合方面的研究。E-mail： danyang144@163.com

通信作者：湯顯強，男，正高級工程師，博士，主要從事水沙生態(tài)環(huán)境效應(yīng)方面的研究。E-mail： ckyshj@126.com