鄉村河流淺水型生態系統的構建原理及生態系統修復提供低碳、高效、經濟的新理念和新技術
【重慶水處理設備網http://xqccscq.com/】鄉村河流是鄉村生態系統的重要組成局部。隨著外源污染逐步得到有效控制，底泥成為鄉村河流水環境治理和水生態修復的關鍵制約因素。
受保守觀念影響，為了維持水景觀、提升水環境容量，鄉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；河道復氧能力低，底泥臨時處于厭氧狀態，易發黑發臭，污染上覆水體；水下光照強度低，沉水植物和浮游植物無法生長，難以構建完整生物鏈。
本文分析了鄉村河流高水位運行與河流生態系統構建之間的矛盾，揭示低水位運行條件下底泥污染物降解的生化機理，探討鄉村河流淺水型生態系統的構建原理，為鄉村河流生態系統修復提供低碳、高效、經濟的新理念和新技術。
1鄉村河流生態環境現狀
盛水的盆”硬化、淤積和污染
鄉村河流普遍存在盛水的盆”硬化、淤積和污染問題。
一方面，受鄉村用地緊張和河流高標準設防的約束，國鄉村河流溝渠化、硬質化程度高，局部區域已經達到70％以上，河道“兩面光”三面光”現象較為普遍，河道斷面形態單一；
另一方面，受鄉村大規模開發建設水土流失影響，鄉村河流底泥淤積嚴重，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200多條城市河流（段）底泥淤積厚度普遍在0.5m以上重慶實驗室純水設備，最大可達1.8m
此外，由于鄉村河流承載污染負荷高，進入河道的污染物在底泥中富集，導致底泥污染嚴重，廣州市26.3%河道底泥屬于重度污染（污染水平相當于我國疏浚物海洋傾倒分類評價上限）
低碳×低成本：鄉村河流低水位運行生態修復新模式
河道底泥淤積黑臭
盆中的水”水質不穩定
目前鄉村河流仍繼續受納不同來源的污染，盆中的水”水質不穩定。
一是雨污分流改造不徹底、老舊管網破損等引起的汛期溢流污染。相關研究標明，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類標準6.8倍、8.4倍、14.4倍、7.7倍，對水環境造成嚴重威脅；汛期河水倒灌排水口進入污水管網，導致污水處置廠進水水量大、濃度低，降低了鄉村污水廠處理效率，進一步加劇了汛期溢流污染強度。
二是降雨徑流沖刷發生的鄉村面源污染。暴雨初期徑流中懸浮顆粒物的濃度達到地表水Ⅴ類標準的5.0~7.8倍，瞬時高污染負荷對水質造成巨大沖擊，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”繼續向上覆水體釋放污染物。特別是水質改善后，底泥污染物的釋放能力進一步增強。以深圳河為例，底泥中氨氮和COD釋放速率可以達到每天5.0g/m2和10g/m2每天上覆水中氨氮和COD因底泥釋放導致的增加量分別為11106g和22106g
水中的生物”不健全
鄉村河流生態系統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。
一是鄉村河流“兩面光”三面光”形態破壞了河道橫向連通性，嚴重影響了生態系統物質流、物種流、能量流和信息流的傳送，破壞了河流生境的復雜性和異質性，導致生境單一，難以滿足不同生物類群對各自生境的需求，據統計，硬質襯砌后的鄉村河道水生生物數量減少50%以上。
低碳×低成本：鄉村河流低水位運行生態修復新模式
無魚無草的高水位河涌
二是鄉村河流底泥內源污染嚴重，底泥中大量有機污染物不時消耗水體溶解氧，導致水體和底泥處于缺氧、厭氧狀態，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重危害沉水植物根系生長。
三是鄉村河流外來物種增多，廣州市鄉村河流齊氏羅非魚、豹紋脂身鯰（清道夫）福壽螺等種群泛濫，擠占土著生物生態位，原有食物鏈和能量循環秩序遭到破壞。
2鄉村河流低水位運行生態修復理念的提出
保守高水位運行存在問題
投資大，能耗高，難以長效維持。鄉村河流通常采用大規模引調水、重慶實驗室純水設備閘壩調控等工程措施堅持高水位運行，需花費大量的建設和運營成本。
自凈能力低，有利于污染物擴散降解。鄉村河流通常屬于一個相對封閉的小環境水體，廣州大部分鄉村河流河口設有水閘，高水位運行下河道水動力條件弱，流速緩慢，河道復氧能力低，有利于水體污染物的輸移、擴散和降解。
泥-水界面處于臨時缺氧狀態，底泥繼續黑臭。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，還會破壞河道底質生境，有利于生態修復；曝氣技術運行和維護費用高，曝氣設備易破損老化，曝氣效果局限于局部區域，且依賴性強，曝氣一旦停止，深層底泥中厭氧微生物的作用下，表層底泥很快恢復到厭氧條件，從而導致水體返黑返臭。
無法構建沉水植物，導致生態系統不健全。高水位運行下水底光照強度低，沉水植物和浮游植物無法進行光合作用，難以存活，導致生態系統食物鏈斷裂。
低水位運行生態修復理念的提出
低水位運行生態修復內涵：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）不大規模引水調水，而是利用污水廠布局優勢，將污水廠尾水再生利用補給河道，促進水體流動，同時讓大自然充沛做功，實現底泥的自然凈化和修復，逐步構建完善的水生態系統。
低水位運行生態修復理論基礎：一是低水位運行將帶來水體物理、化學指標的直接變化，如光照、流速和溶解氧等指標的快速改善；二是可激發表層底泥污染物的好氧硝化，隨著硝酸鹽等產物的增加，將驅動深層底泥的厭氧反硝化，實現污染底泥的自然修復；三是底泥修復后，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”等組成的復雜生態系統。
3低水位運行自然修復機理研究
低水位運行改善泥-水界面環境因子
光照強度增加。水深10cm條件下，太陽光能夠照射至底泥表層，泥-水界面光照強度約為水深60cm下的100倍以上。光照是加速水生態系統中物質和能量轉化的重要條件，光照能促進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，為污染底泥修復發明條件。
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，促進底泥污染物的降解，另一方面水體紊動作用增強后，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。 重慶實驗室純水設備
溶解氧濃度提升。低水位運行下水體大氣復氧效率顯著提高，浮游植物光合作用的協同作用下，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、數量發生影響，提升河流生態系統的初級生產力。此外，水溫升高，魚類等動物的攝食活動增加，進一步增加物質循環強度。
好氧硝化-厭氧反硝化協同驅動機制
低水位運行使底泥表層維持好氧條件，促進表層好氧硝化功能微生物降解污染物，發生的硝酸鹽產物下滲，激活底泥深層的微生物活性，繼而促進底泥碳、氮、硫元素循環轉化，提升底泥中耗氧有機物的降解效率。
低碳×低成本：鄉村河流低水位運行生態修復新模式
低水位運行污染底泥自然修復機制
強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境；同時，泥-水界面的紊流形成高剪切流速和高湍流強度，提升了泥-水界面的接觸氧化效率，加之光照、水溫等環境因子的改善，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顯著增強了底泥表層的好氧硝化效應。
驅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散下滲至深層底泥。硝酸鹽、亞硝酸鹽的安慰下，反硝化功能微生物以有機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菌相對豐度是高水位下的5~8倍，逐漸成為深層底泥的優勢微生物，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進一步驅動和強化了底泥深層厭氧反硝化效應。
底泥由“源”轉“匯”提升河流免疫力。低水位運行下，光照、溶解氧、水溫、流速等關鍵環境因子改善和好氧硝化-厭氧反硝化協同驅動下，底泥中耗氧有機物高效分解，實現底泥的自我修復。修復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。此外，低水位運行構建了更適合底泥污染物降解的菌藻共生”系統，中試水槽試驗數據標明，產氧性光合作用的藍藻門豐度占比由60cm水深下的2.5%增加至10cm水深下的5.6%被用作生態質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”系統內部復雜的物質交換路徑和生物交互關系進一步強化了底泥對上覆水體水質凈化效率。
現場試驗標明，維持低水位運行2個月后，底泥由明顯黑臭狀態逐漸變為黃色無臭無味狀態，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，將底泥從對水質不利的污染源”轉變為有助于水體凈化的天然污水處置廠”當上覆水體受到外源污染沖擊時 重慶純水設備，能夠通過穩定、健康的底泥不時高效吸附并降解污染物，從而有效提升鄉村河流抗污染免疫力。
低碳×低成本：鄉村河流低水位運行生態修復新模式
高水位運行，底泥繼續黑臭；低水位運行，底泥逐漸變黃
構建鄉村河流淺水型健康生態系統
低水位運行有利于營造洲-灘-槽多元生境，恢復生物多樣性，完整食物鏈可保證鄉村河流的物質流與能量流循環，有助于構建具備抗洪和耐污韌性的鄉村河流健康生態系統。鄉村河流在維持低水位運行一段時間后，根據流勢自然形成“深槽-淺灘-沙洲”交錯的斷面形態。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，為水生生物提供穩定的能量來源，同時結合淺水的沖刷形成了有利于濕生植物、沉水植物生長的環境，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。隨同著底泥的修復和水生植物的生長，河道開始呈現各種底棲生物，淺水型生態系統引來鳥類棲息覓食，而鳥類排出的糞便，又進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，逐步形成了由水鳥、小型魚類、螺、蝦、沉水植物、挺水植物、藻類、微生物等組成的鄉村河流完整食物鏈，構建了多層多種立體結構和多級循環轉化的生物系統，形成了一個良性生態循環圈，有效提升了鄉村河流生態系統的韌性。
低碳×低成本：鄉村河流低水位運行生態修復新模式
生境多樣性構建完整食物鏈
4低水位運行生態修復實踐
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上，采取了降水位+少清淤+不調水”做法進行水生態恢復，讓淤泥見陽光，中間走活水，形成河底濕地，促進了水質和生態雙修復，營造“深潭淺灘”生態環境。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，河流水生態環境顯著改善：河流水環境質量提升至Ⅲ～Ⅴ類地表水規范；污染底泥開始減量、泥質逐漸沙化、惡臭現象漸漸消失；河流多樣化生境得以恢復，水生物種多樣性逐步增加，實現了岸邊，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：鄉村河流低水位運行生態修復新模式
廣州市獵德涌生態修復效果
5低水位運行生態修復優勢
低水位運行是一種標本兼治的治水理念，不只可高效修復污染底泥，為河流生態系統構建提供基礎條件，而且防止了大規模清淤、建閘、引調水等工程措施，一種“低碳”低成本”治理模式，主要依靠自然力量，具有顯著的生態效益、經濟效益和社會效益。
污染底泥修復效果完全。低水位運行使鄉村河流污染底泥修復效果更徹底。中試水槽試驗數據標明，水深10cm條件下底泥氨氮、酸可揮發性硫化物的去除率較水深60cm下分別提升了66%和75%底泥修復深度增加了2.6~3.0倍。
生態系統抗洪耐污韌性提升。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起到較強的固定作用，洪水沖刷下不容易使底泥再懸浮造成水體渾濁和內源釋放加劇現象，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”適量污水進入河道可為水生生物提供穩定的能量來源，低水位運行構建了相對健全的鄉村河流多樣化生態系統，將河道變身為“天然污水處置廠”充沛發揮鄉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來提升河道水環境質量。鄉村河流普遍存在補給水源缺乏的現實背景下，采用低水位運行和污水廠尾水補水的聯合調控方式，一方面讓尾水經過河道自然生態系統進一步凈化，另一方面讓尾水中硝酸鹽、亞硝酸鹽進一步強化底泥修復機制，同時保證河道生態流量和生物能量需求，實現“以河凈污，以污養河”協同效果。
借助自然力量，綠色低碳經濟。低水位運行防止了大規模引調水、建閘、清淤、人工化生態修復、污水處置廠盲目提標、設置初雨處置設施等工程性措施，通過微干預維持適當低水位，讓大自然充沛做功，低碳低本錢可持續。以廣州市列入國家監管的100多條河涌進行整治資金匡算，采用低水位運行自然修復技術，實現治水目標的前提下，節約了工程投資匡算達400多億元，節約年運行費用約12.9億元。
其他優勢。低水位運行還可以表露沿線排口，方便工作人員進行溯源改造；減少河水倒灌，降低管道運行水位，節省污水處置費用，提升污水處置廠處理效率， 重慶純水設備減輕汛期溢流污染對河流水質沖擊；低水位運行還能增加河道調蓄空間，增強鄉村抵御洪澇的能力。
6展望
低水位運行主要適用于沒有供水和灌溉需求的鄉村內河，尤其是對于缺乏補水水源的鄉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一步考察。與傳統的河道黑臭底泥治理和生態修復技術相比，低水位運行是一種“低碳”低成本”治理新模式，具有顯著的生態效益、經濟效益和社會效益，可為鄉村河流生態修復提供借鑒經驗。
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