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【上海純水設(shè)備行業(yè)新聞】

鄉(xiāng)村河流是鄉(xiāng)村生態(tài)系統(tǒng)的重要組成局部。隨著外源污染逐步得到有效控制，底泥成為鄉(xiāng)村河流水環(huán)境治理和水生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵制約因素。

受激進(jìn)觀念影響，為了維持水景觀、提升水環(huán)境容量，鄉(xiāng)村河流通常堅持高水位運行。然而，高水位運行也存在諸多弊端：投資高、能耗大；河道復(fù)氧能力低，底泥臨時處于厭氧狀態(tài)，易發(fā)黑發(fā)臭，污染上覆水體；水下光照強(qiáng)度低，沉水植物和浮游植物無法生長，難以構(gòu)建完整生物鏈。

本文分析了鄉(xiāng)村河流高水位運行與河流生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建之間的矛盾，揭示低水位運行條件下底泥污染物降解的生化機(jī)理，探討鄉(xiāng)村河流淺水型生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建原理，為鄉(xiāng)村河流生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)提供低碳、高效、經(jīng)濟(jì)的新理念和新技術(shù)。

1鄉(xiāng)村河流生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀

盛水的盆”硬化、淤積和污染

鄉(xiāng)村河流普遍存在盛水的盆”硬化、淤積和污染問題。

一方面，受鄉(xiāng)村用地緊張和河流高標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防的約束，國鄉(xiāng)村河流溝渠化、硬質(zhì)化程度高，局部區(qū)域已經(jīng)達(dá)到70％以上，河道“兩面光”三面光”現(xiàn)象較為普遍，河道斷面形態(tài)單一；

另一方面，受鄉(xiāng)村大規(guī)模開發(fā)建設(shè)水土流失影響，鄉(xiāng)村河流底泥淤積嚴(yán)重，河道斷面不時淤塞縮窄，河流連通性受阻，以廣州市為例，市內(nèi)200多條城市河流（段）底泥淤積厚度普遍在0.5m以上，最大可達(dá)1.8m

此外，由于鄉(xiāng)村河流承載污染負(fù)荷高，進(jìn)入河道的污染物在底泥中富集，導(dǎo)致底泥污染嚴(yán)重，廣州市26.3%河道底泥屬于重度污染（污染水平相當(dāng)于我國疏浚物海洋傾倒分類評價上限）

低碳×低成本：鄉(xiāng)村河流低水位運行生態(tài)修復(fù)新模式

河道底泥淤積黑臭

盆中的水”水質(zhì)不穩(wěn)定

目前鄉(xiāng)村河流仍繼續(xù)受納不同來源的污染，盆中的水”水質(zhì)不穩(wěn)定。

一是雨污分流改造不徹底、老舊管網(wǎng)破損等引起的汛期溢流污染。相關(guān)研究標(biāo)明，汛期溢流排口COD氨氮、總氮、總磷的平均濃度分別超地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)6.8倍、8.4倍、14.4倍、7.7倍，對水環(huán)境造成嚴(yán)重威脅；汛期河水倒灌排水口進(jìn)入污水管網(wǎng)，導(dǎo)致污水處置廠進(jìn)水水量大、濃度低，降低了鄉(xiāng)村污水廠處理效率，進(jìn)一步加劇了汛期溢流污染強(qiáng)度。

二是降雨徑流沖刷發(fā)生的鄉(xiāng)村面源污染。暴雨初期徑流中懸浮顆粒物的濃度達(dá)到地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)的5.0~7.8倍，瞬時高污染負(fù)荷對水質(zhì)造成巨大沖擊，同時懸浮顆粒物沉降后成為底泥中重要的污染來源。

三是污染底泥作為“源”繼續(xù)向上覆水體釋放污染物。特別是水質(zhì)改善后，底泥污染物的釋放能力進(jìn)一步增強(qiáng)。以深圳河為例，底泥中氨氮和COD釋放速率可以達(dá)到每天5.0g/m2和10g/m2每天上覆水中氨氮和COD因底泥釋放導(dǎo)致的增加量分別為11106g和22106g

水中的生物”不健全

鄉(xiāng)村河流生態(tài)系統(tǒng)普遍面臨生境單一和生物多樣性降低等問題，水中的生物”不健全。

一是鄉(xiāng)村河流“兩面光”三面光”形態(tài)破壞了河道橫向連通性，嚴(yán)重影響了生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)流、物種流、能量流和信息流的傳送，破壞了河流生境的復(fù)雜性和異質(zhì)性，導(dǎo)致生境單一，難以滿足不同生物類群對各自生境的需求，據(jù)統(tǒng)計，硬質(zhì)襯砌后的鄉(xiāng)村河道水生生物數(shù)量減少50%以上。

低碳×低成本：鄉(xiāng)村河流低水位運行生態(tài)修復(fù)新模式

無魚無草的高水位河涌

二是鄉(xiāng)村河流底泥內(nèi)源污染嚴(yán)重，底泥中大量有機(jī)污染物不時消耗水體溶解氧，導(dǎo)致水體和底泥處于缺氧、厭氧狀態(tài)，魚類、底棲動物、浮游植物等無法生存，同時底泥中還原性硫化物嚴(yán)重危害沉水植物根系生長。

三是鄉(xiāng)村河流外來物種增多，廣州市鄉(xiāng)村河流齊氏羅非魚、豹紋脂身鯰（清道夫）福壽螺等種群泛濫，擠占土著生物生態(tài)位，原有食物鏈和能量循環(huán)秩序遭到破壞。

2鄉(xiāng)村河流低水位運行生態(tài)修復(fù)理念的提出

激進(jìn)高水位運行存在問題

投資大，能耗高，難以長效維持。鄉(xiāng)村河流通常采用大規(guī)模引調(diào)水、閘壩調(diào)控等工程措施堅持高水位運行，需花費大量的建設(shè)和運營成本。

自凈能力低，有利于污染物擴(kuò)散降解。鄉(xiāng)村河流通常屬于一個相對封閉的小環(huán)境水體，廣州大部分鄉(xiāng)村河流河口設(shè)有水閘，高水位運行下河道水動力條件弱，流速緩慢，河道復(fù)氧能力低，有利于水體污染物的輸移、擴(kuò)散和降解。

泥-水界面處于臨時缺氧狀態(tài)，底泥繼續(xù)黑臭。高水位運行下需要借助清淤、人工曝氣增氧、外源微生物投加等手段修復(fù)污染底泥，清淤工程投資高、占地大、二次污染重，還會破壞河道底質(zhì)生境，有利于生態(tài)修復(fù)；曝氣技術(shù)運行和維護(hù)費用高，曝氣設(shè)備易破損老化，曝氣效果局限于局部區(qū)域，且依賴性強(qiáng)，曝氣一旦停止，深層底泥中厭氧微生物的作用下，表層底泥很快恢復(fù)到厭氧條件，從而導(dǎo)致水體返黑返臭。

無法構(gòu)建沉水植物，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)不健全。高水位運行下水底光照強(qiáng)度低，沉水植物和浮游植物無法進(jìn)行光合作用，難以存活，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)食物鏈斷裂。

低水位運行生態(tài)修復(fù)理念的提出

低水位運行生態(tài)修復(fù)內(nèi)涵：完成控源截污后，將河道水位降低，使其維持自然低水位運行，一般使河流上游堅持自然水位，同時確保河道最高水位不高于雨水口或者各類拍門（閘門）不大規(guī)模引水調(diào)水，而是利用污水廠布局優(yōu)勢，將污水廠尾水再生利用補(bǔ)給河道，促進(jìn)水體流動，同時讓大自然充分做功，實現(xiàn)底泥的自然凈化和修復(fù)，逐步構(gòu)建完善的水生態(tài)系統(tǒng)。

低水位運行生態(tài)修復(fù)理論基礎(chǔ)：一是低水位運行將帶來水體物理、化學(xué)指標(biāo)的直接變化，如光照、流速和溶解氧等指標(biāo)的快速改善；二是可激發(fā)表層底泥污染物的好氧硝化，隨著硝酸鹽等產(chǎn)物的增加，將驅(qū)動深層底泥的厭氧反硝化，實現(xiàn)污染底泥的自然修復(fù)；三是底泥修復(fù)后，將從“源”變成“匯”河床變成天然污水處置廠，對上覆水體具有凈化作用，大大提升了河流免疫力；四是低水位運行有助于營造洲-灘-槽多樣化生境，構(gòu)建“沉水植物、挺水植物、小型魚類、蝦、螺、藻類、微生物、水鳥”等組成的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)。

3低水位運行自然修復(fù)機(jī)理研究

低水位運行改善泥-水界面環(huán)境因子

光照強(qiáng)度增加。水深10cm條件下，太陽光能夠照射至底泥表層，泥-水界面光照強(qiáng)度約為水深60cm下的100倍以上。光照是加速水生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化的重要條件，光照能促進(jìn)浮游植物的光合作用，增加水體溶解氧量，有效改善泥-水界面的缺氧狀態(tài)，為污染底泥修復(fù)發(fā)明條件。

流速增大。相比60cm水深，水深10cm條件下水流垂向紊動強(qiáng)度增大約1.5~2.0倍。低水位引起的流速變化一方面可以提升底泥對溶解氧的利用速率，促進(jìn)底泥污染物的降解，另一方面水體紊動作用增強(qiáng)后，泥-水的接觸氧化效率增大，有助于提升底泥對上覆水體的凈化效率。

溶解氧濃度提升。低水位運行下水體大氣復(fù)氧效率顯著提高，浮游植物光合作用的協(xié)同作用下，泥-水界面的溶解氧從水深60cm條件下約2~3mg/L提升至水深10cm條件下的6~8mg/L提高了污染河流水體和底泥中好氧微生物活性，也改善了底棲動物的生存環(huán)境。

溫度提升。自然氣溫條件下，水深10cm下河道泥-水界面水溫比水深60cm下提升4~6℃，從而對微生物和水生生物的活性、數(shù)量發(fā)生影響，提升河流生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)力。此外，水溫升高，魚類等動物的攝食活動增加，進(jìn)一步增加物質(zhì)循環(huán)強(qiáng)度。

好氧硝化-厭氧反硝化協(xié)同驅(qū)動機(jī)制

低水位運行使底泥表層維持好氧條件，促進(jìn)表層好氧硝化功能微生物降解污染物，發(fā)生的硝酸鹽產(chǎn)物下滲，激活底泥深層的微生物活性，繼而促進(jìn)底泥碳、氮、硫元素循環(huán)轉(zhuǎn)化，提升底泥中耗氧有機(jī)物的降解效率。

低碳×低成本：鄉(xiāng)村河流低水位運行生態(tài)修復(fù)新模式

低水位運行污染底泥自然修復(fù)機(jī)制

強(qiáng)化底泥表層好氧硝化作用。低水位運行下，泥-水界面溶解氧濃度顯著提升，底泥表層維持長效好氧環(huán)境；同時，泥-水界面的紊流形成高剪切流速和高湍流強(qiáng)度，提升了泥-水界面的接觸氧化效率，加之光照、水溫等環(huán)境因子的改善，高活性的硝化功能微生物顯著提升了好氧硝化速率。相比于通過引調(diào)水方式維持高水位運行，低水位運行時0~6cm底泥表層的硝化功能微生物相對豐度提升了2~13倍，硝化功能微生物在泥-水界面逐漸成為優(yōu)勢微生物，底泥表層硝化速率由高水位下的0.2~0.5mg-N/kg/d提升至低水位運行下的1.2~5.0mg-N/kg/d顯著增強(qiáng)了底泥表層的好氧硝化效應(yīng)。

驅(qū)動底泥深層厭氧反硝化作用。低水位下表層底泥好氧硝化作用不時發(fā)生硝酸鹽、亞硝酸鹽等，沒有大量水體稀釋影響時，更有利于硝酸鹽在泥-水界面富集和濃縮，并通過濃度梯度不時擴(kuò)散下滲至深層底泥。硝酸鹽、亞硝酸鹽的撫慰下，反硝化功能微生物以有機(jī)物為碳源快速增殖與代謝，低水位下6~10cm深層底泥的反硝化細(xì)菌相對豐度是高水位下的5~8倍，逐漸成為深層底泥的優(yōu)勢微生物，深層底泥厭氧反硝化速率由高水位下的10~15mg-N/kg/d提升至低水位運行下的45~70mg-N/kg/d進(jìn)一步驅(qū)動和強(qiáng)化了底泥深層厭氧反硝化效應(yīng)。

底泥由“源”轉(zhuǎn)“匯”提升河流免疫力。低水位運行下，光照、溶解氧、水溫、流速等關(guān)鍵環(huán)境因子改善和好氧硝化-厭氧反硝化協(xié)同驅(qū)動下，底泥中耗氧有機(jī)物高效分解，實現(xiàn)底泥的自我修復(fù)。修復(fù)后的底泥對上覆水中污染物的外表吸附、離子交換吸附和化學(xué)吸附等吸附能力得到提升，形成“吸附（水體污染物）-降解（底泥污染物）-吸附（水體污染物）污染物處置閉環(huán)。此外，低水位運行構(gòu)建了更適合底泥污染物降解的菌藻共生”系統(tǒng)，中試水槽試驗數(shù)據(jù)標(biāo)明，產(chǎn)氧性光合作用的藍(lán)藻門豐度占比由60cm水深下的2.5%增加至10cm水深下的5.6%被用作生態(tài)質(zhì)量評價的真核輪蟲豐度相對比例由60cm水深下的10%增加至10cm水深下的32%菌藻共生”系統(tǒng)內(nèi)部復(fù)雜的物質(zhì)交換路徑和生物交互關(guān)系進(jìn)一步強(qiáng)化了底泥對上覆水體水質(zhì)凈化效率。

現(xiàn)場試驗標(biāo)明，維持低水位運行2個月后，底泥由明顯黑臭狀態(tài)逐漸變?yōu)辄S色無臭無味狀態(tài)，自上至下呈黃色（0~10cm-灰色（10~15cm-黑色（15cm以下）分布，底泥表層（0~10cm氧化還原電位由-180mV提升至40~60mV有效去除了底泥中致黑致臭污染物，將底泥從對水質(zhì)不利的污染源”轉(zhuǎn)變?yōu)橛兄谒w凈化的天然污水處置廠”當(dāng)上覆水體受到外源污染沖擊時，能夠通過穩(wěn)定、健康的底泥不時高效吸附并降解污染物，從而有效提升鄉(xiāng)村河流抗污染免疫力。

低碳×低成本：鄉(xiāng)村河流低水位運行生態(tài)修復(fù)新模式

高水位運行，底泥繼續(xù)黑臭；低水位運行，底泥逐漸變黃

構(gòu)建鄉(xiāng)村河流淺水型健康生態(tài)系統(tǒng)

低水位運行有利于營造洲-灘-槽多元生境，恢復(fù)生物多樣性，完整食物鏈可保證鄉(xiāng)村河流的物質(zhì)流與能量流循環(huán)，有助于構(gòu)建具備抗洪和耐污韌性的鄉(xiāng)村河流健康生態(tài)系統(tǒng)。鄉(xiāng)村河流在維持低水位運行一段時間后，根據(jù)流勢自然形成“深槽-淺灘-沙洲”交錯的斷面形態(tài)。太陽光直射河床和淺灘的條件下，底泥表層形成豐富的藻類群落，為水生生物提供穩(wěn)定的能量來源，同時結(jié)合淺水的沖刷形成了有利于濕生植物、沉水植物生長的環(huán)境，諸如水八角、睡菜、毛莨類等濕生植物開始在裸露的河床和淺灘上生長，苦草、金魚藻等沉水植物逐漸在河道底部呈現(xiàn)。隨同著底泥的修復(fù)和水生植物的生長，河道開始出現(xiàn)各種底棲生物，淺水型生態(tài)系統(tǒng)引來鳥類棲息覓食，而鳥類排出的糞便，又進(jìn)一步肥沃了沙洲和淺灘，為菌、藻、底棲生物、水生植物提供豐富的營養(yǎng)，逐步形成了由水鳥、小型魚類、螺、蝦、沉水植物、挺水植物、藻類、微生物等組成的鄉(xiāng)村河流完整食物鏈，構(gòu)建了多層多種立體結(jié)構(gòu)和多級循環(huán)轉(zhuǎn)化的生物系統(tǒng)，形成了一個良性生態(tài)循環(huán)圈，有效提升了鄉(xiāng)村河流生態(tài)系統(tǒng)的韌性。

低碳×低成本：鄉(xiāng)村河流低水位運行生態(tài)修復(fù)新模式

生境多樣性構(gòu)建完整食物鏈

4低水位運行生態(tài)修復(fù)實踐

廣州市率先在獵德涌、沙河涌、車陂涌、南崗河等100多條鄉(xiāng)村河流開展了低水位運行實踐，控源截污、清污分流等源頭治理的基礎(chǔ)上，采取了降水位+少清淤+不調(diào)水”做法進(jìn)行水生態(tài)恢復(fù)，讓淤泥見陽光，中間走活水，形成河底濕地，促進(jìn)了水質(zhì)和生態(tài)雙修復(fù)，營造“深潭淺灘”生態(tài)環(huán)境。實踐證明，控源截污的前提下，降低水位運行短短幾個月的時間內(nèi)，河流水生態(tài)環(huán)境顯著改善：河流水環(huán)境質(zhì)量提升至Ⅲ～Ⅴ類地表水規(guī)范；污染底泥開始減量、泥質(zhì)逐漸沙化、惡臭現(xiàn)象漸漸消失；河流多樣化生境得以恢復(fù)，水生物種多樣性逐步增加，實現(xiàn)了岸邊，花紅柳綠，飛鳥翩翩；水中，涓涓清流，魚翔淺底”美麗景象，顯著提升了居民的幸福感、獲得感。

低碳×低成本：鄉(xiāng)村河流低水位運行生態(tài)修復(fù)新模式

廣州市獵德涌生態(tài)修復(fù)效果

5低水位運行生態(tài)修復(fù)優(yōu)勢

低水位運行是一種標(biāo)本兼治的治水理念，不只可高效修復(fù)污染底泥，為河流生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建提供基礎(chǔ)條件，而且防止了大規(guī)模清淤、建閘、引調(diào)水等工程措施，一種“低碳”低成本”治理模式，主要依靠自然力量，具有顯著的生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

污染底泥修復(fù)效果完全。低水位運行使鄉(xiāng)村河流污染底泥修復(fù)效果更徹底。中試水槽試驗數(shù)據(jù)標(biāo)明，水深10cm條件下底泥氨氮、酸可揮發(fā)性硫化物的去除率較水深60cm下分別提升了66%和75%底泥修復(fù)深度增加了2.6~3.0倍。

生態(tài)系統(tǒng)抗洪耐污韌性提升。低水位運行下沉水植物和濕生植物豐茂，植物根系對河床底質(zhì)起到較強(qiáng)的固定作用，洪水沖刷下不容易使底泥再懸浮造成水體渾濁和內(nèi)源釋放加劇現(xiàn)象，同時為魚類和底棲動物提供了洪水期的避難場所。俗話說“水至清則無魚”適量污水進(jìn)入河道可為水生生物提供穩(wěn)定的能量來源，低水位運行構(gòu)建了相對健全的鄉(xiāng)村河流多樣化生態(tài)系統(tǒng)，將河道變身為“天然污水處置廠”充分發(fā)揮鄉(xiāng)村河流的納污功能和自我凈化能力，防止了通過污水處置廠尾水盲目提標(biāo)來提升河道水環(huán)境質(zhì)量。鄉(xiāng)村河流普遍存在補(bǔ)給水源缺乏的現(xiàn)實背景下，采用低水位運行和污水廠尾水補(bǔ)水的聯(lián)合調(diào)控方式，一方面讓尾水經(jīng)過河道自然生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)一步凈化，另一方面讓尾水中硝酸鹽、亞硝酸鹽進(jìn)一步強(qiáng)化底泥修復(fù)機(jī)制，同時保證河道生態(tài)流量和生物能量需求，實現(xiàn)“以河凈污，以污養(yǎng)河”協(xié)同效果。

借助自然力量，綠色低碳經(jīng)濟(jì)。低水位運行防止了大規(guī)模引調(diào)水、建閘、清淤、人工化生態(tài)修復(fù)、污水處置廠盲目提標(biāo)、設(shè)置初雨處置設(shè)施等工程性措施，通過微干預(yù)維持適當(dāng)?shù)退?，讓大自然充分做功，低碳低利息可持續(xù)。以廣州市列入國家監(jiān)管的100多條河涌進(jìn)行整治資金匡算，采用低水位運行自然修復(fù)技術(shù)，實現(xiàn)治水目標(biāo)的前提下，節(jié)約了工程投資匡算達(dá)400多億元，節(jié)約年運行費用約12.9億元。

其他優(yōu)勢。低水位運行還可以流露沿線排口，方便工作人員進(jìn)行溯源改造；減少河水倒灌，降低管道運行水位，節(jié)省污水處置費用，提升污水處置廠處理效率，減輕汛期溢流污染對河流水質(zhì)沖擊；低水位運行還能增加河道調(diào)蓄空間，增強(qiáng)鄉(xiāng)村抵御洪澇的能力。

6展望

低水位運行主要適用于沒有供水和灌溉需求的鄉(xiāng)村內(nèi)河，尤其是對于缺乏補(bǔ)水水源的鄉(xiāng)村徑流型河道效果更為顯著。低水位運行依靠自然力量，實現(xiàn)底泥碳氮硫污染物同步去除，有效解決了底泥黑臭問題，但對于底泥中磷、重金屬、新型污染物等的治理效果仍有待進(jìn)一步考察。與傳統(tǒng)的河道黑臭底泥治理和生態(tài)修復(fù)技術(shù)相比，低水位運行是一種“低碳”低成本”治理新模式，具有顯著的生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，可為鄉(xiāng)村河流生態(tài)修復(fù)提供借鑒經(jīng)驗。