低碳×低成本：城市河流低水位运行生态修复新模式
城市河流是城市生态系统的重要组成部分。随着外源污染逐步得到有效控制，底泥成为城市河流水环境治理和水生态修复的关键制约因素。
受传统观念影响，为了维持水景观、提升水环境容量，城市河流通常保持高水位运行。然而，高水位运行也存在诸多弊端：投资高、能耗大；河道复氧能力低，底泥长期处于厌氧状态，易发黑发臭，污染上覆水体；水下光照强度低，沉水植物和浮游植物无法生长，难以构建完整生物链。
本文分析了城市河流高水位运行与河流生态系统构建之间的矛盾，揭示低水位运行条件下底泥污染物降解的生化机理，探讨城市河流浅水型生态系统的构建原理，为城市河流生态系统修复提供低碳、高效、经济的新理念和新技术。
1、城市河流生态环境现状
“盛水的盆”硬化、淤积和污染
城市河流普遍存在“盛水的盆”硬化、淤积和污染问题。
一方面，受城市用地紧张和河流高标准设防的约束，我国城市河流沟渠化、硬质化程度高，部分区域已经达到70％以上，河道“两面光”“三面光”现象较为普遍，河道断面形态单一；
另一方面，受城市大规模开发建设水土流失影响，城市河流底泥淤积严重，河道断面不断淤塞缩窄，河流连通性受阻，以广州市为例，市内200多条城市河流（段）底泥淤积厚度普遍在0.5m以上，最大可达1.8m；
此外，由于城市河流承载污染负荷高，进入河道的污染物在底泥中富集，导致底泥污染严重，广州市26.3%的河道底泥属于重度污染（污染水平相当于我国疏浚物海洋倾倒分类评价上限）。
▲河道底泥淤积黑臭
“盆中的水”水质不稳定
目前城市河流仍持续受纳不同来源的污染，“盆中的水”水质不稳定。
一是雨污分流改造不彻底、老旧管网破损等引起的汛期溢流污染。相关研究表明，汛期溢流排口COD、氨氮、总氮、总磷的平均浓度分别超地表水Ⅴ类标准6.8倍、8.4倍、14.4倍、7.7倍，对水环境造成严重威胁；汛期河水倒灌排水口进入污水管网，导致污水处理厂进水水量大、浓度低，降低了城市污水厂处理效率，进一步加剧了汛期溢流污染强度。
二是降雨径流冲刷产生的城市面源污染。暴雨初期径流中悬浮颗粒物的浓度达到地表水Ⅴ类标准的5.0~7.8倍，瞬时高污染负荷对水质造成巨大冲击，同时悬浮颗粒物沉降后成为底泥中重要的污染来源。
三是污染底泥作为“源”持续向上覆水体释放污染物。特别是在水质改善后，底泥污染物的释放能力进一步增强。以深圳河为例，底泥中氨氮和COD的释放速率可以达到每天5.0g/m2和10g/m2，每天上覆水中氨氮和COD因底泥释放导致的增加量分别为11×106g和22×106g。
“水中的生物”不健全
城市河流生态系统普遍面临生境单一和生物多样性降低等问题，“水中的生物”不健全。
一是城市河流“两面光”“三面光”形态破坏了河道横向连通性，严重影响了生态系统物质流、物种流、能量流和信息流的传递，破坏了河流生境的复杂性和异质性，导致生境单一，难以满足不同生物类群对各自生境的需求，据统计，硬质衬砌后的城市河道水生生物数量减少50%以上。
▲无鱼无草的高水位河涌
二是城市河流底泥内源污染严重，底泥中大量有机污染物不断消耗水体溶解氧，导致水体和底泥处于缺氧、厌氧状态，鱼类、底栖动物、浮游植物等无法生存，同时底泥中还原性硫化物严重危害沉水植物根系生长。
三是城市河流外来物种增多，广州市城市河流齐氏罗非鱼、豹纹脂身鲶（清道夫）、福寿螺等种群泛滥，挤占土著生物生态位，原有食物链和能量循环秩序遭到破坏。
2、城市河流低水位运行生态修复理念的提出
传统高水位运行存在的问题
投资大，能耗高，难以长效维持。城市河流通常采用大规模引调水、闸坝调控等工程措施保持高水位运行，需花费大量的建设和运营成本。
自净能力低，不利于污染物扩散降解。城市河流通常属于一个相对封闭的小环境水体，广州大部分城市河流河口设有水闸，高水位运行下河道水动力条件弱，流速缓慢，河道复氧能力低，不利于水体污染物的输移、扩散和降解。
泥-水界面处于长期缺氧状态，底泥持续黑臭。高水位运行下需要借助清淤、人工曝气增氧、外源微生物投加等手段修复污染底泥，清淤工程投资高、占地大、二次污染重，还会破坏河道底质生境，不利于生态修复；曝气技术运行和维护费用高，曝气设备易破损老化，曝气效果局限于局部区域，且依赖性强，曝气一旦停止，在深层底泥中厌氧微生物的作用下，表层底泥很快恢复到厌氧条件，从而导致水体返黑返臭。
无法构建沉水植物，导致生态系统不健全。高水位运行下水底光照强度低，沉水植物和浮游植物无法进行光合作用，难以存活，导致生态系统食物链断裂。
低水位运行生态修复理念的提出
低水位运行生态修复内涵：在完成控源截污后，将河道水位降低，使其维持自然低水位运行，一般使河流上游保持自然水位，同时确保河道最高水位不高于雨水口或者各类拍门（闸门）；不大规模引水调水，而是利用污水厂布局优势，将污水厂尾水再生利用补给河道，促进水体流动，同时让大自然充分做功，实现底泥的自然净化和修复，逐步构建完善的水生态系统。
低水位运行生态修复理论基础：一是低水位运行将带来水体物理、化学指标的直接变化，如光照、流速和溶解氧等指标的快速改善；二是可激发表层底泥污染物的好氧硝化，随着硝酸盐等产物的增加，将驱动深层底泥的厌氧反硝化，实现污染底泥的自然修复；三是底泥修复后，将从“源”变成“汇”，河床变成天然污水处理厂，对上覆水体具有净化作用，大大提升了河流免疫力；四是低水位运行有助于营造洲-滩-槽多样化生境，构建“沉水植物、挺水植物、小型鱼类、虾、螺、藻类、微生物、水鸟”等组成的复杂生态系统。
3、低水位运行自然修复机理研究
低水位运行改善泥-水界面环境因子
光照强度增加。水深10cm条件下，太阳光能够照射至底泥表层，泥-水界面光照强度约为水深60cm下的100倍以上。光照是加速水生态系统中物质和能量转化的重要条件，光照能促进浮游植物的光合作用，增加水体溶解氧量，有效改善泥-水界面的缺氧状态，为污染底泥修复创造条件。
流速增大。相比60cm水深，在水深10cm的条件下水流垂向紊动强度增大约1.5~2.0倍。低水位引起的流速变化一方面可以提升底泥对溶解氧的利用速率，促进底泥污染物的降解，另一方面水体紊动作用增强后，泥-水的接触氧化效率增大，有助于提升底泥对上覆水体的净化效率。
溶解氧浓度提升。低水位运行下水体大气复氧效率显著提高，在浮游植物光合作用的协同作用下，泥-水界面的溶解氧从水深60cm条件下约2~3mg/L提升至水深10cm条件下的6~8mg/L，提高了污染河流水体和底泥中好氧微生物活性，也改善了底栖动物的生存环境。
温度提升。在自然气温条件下，水深10cm下河道泥-水界面水温比水深60cm下提升4~6℃，从而对微生物和水生生物的活性、数量产生影响，提升河流生态系统的初级生产力。此外，水温升高，鱼类等动物的摄食活动增加，进一步增加物质循环强度。
好氧硝化-厌氧反硝化协同驱动机制
低水位运行使底泥表层维持好氧条件，促进表层好氧硝化功能微生物降解污染物，产生的硝酸盐产物下渗，激活底泥深层的微生物活性，继而促进底泥碳、氮、硫元素循环转化，提升底泥中耗氧有机物的降解效率。
▲低水位运行污染底泥自然修复机制
强化底泥表层好氧硝化作用。低水位运行下，泥-水界面溶解氧浓度显著提升，底泥表层维持长效好氧环境；同时，泥-水界面的紊流形成高剪切流速和高湍流强度，提升了泥-水界面的接触氧化效率，加之光照、水温等环境因子的改善，高活性的硝化功能微生物显著提升了好氧硝化速率。相比于通过引调水方式维持高水位运行，低水位运行时0~6cm底泥表层的硝化功能微生物相对丰度提升了2~13倍，硝化功能微生物在泥-水界面逐渐成为优势微生物，底泥表层硝化速率由高水位下的 0.2~0.5mg-N/kg/d提升至低水位运行下的1.2~5.0mg-N/kg/d，显著增强了底泥表层的好氧硝化效应。
驱动底泥深层厌氧反硝化作用。低水位下表层底泥好氧硝化作用不断产生硝酸盐、亚硝酸盐等，在没有大量水体稀释影响时，更有利于硝酸盐在泥-水界面富集和浓缩，并通过浓度梯度不断扩散下渗至深层底泥。在硝酸盐、亚硝酸盐的刺激下，反硝化功能微生物以有机物为碳源快速增殖与代谢，低水位下6~10cm深层底泥的反硝化细菌相对丰度是高水位下的5~8倍，逐渐成为深层底泥的优势微生物，深层底泥厌氧反硝化速率由高水位下的10~15mg-N/kg/d提升至低水位运行下的45~70mg-N/kg/d，进一步驱动和强化了底泥深层厌氧反硝化效应。
底泥由“源”转“汇”提升河流免疫力。低水位运行下，在光照、溶解氧、水温、流速等关键环境因子改善和好氧硝化-厌氧反硝化协同驱动下，底泥中耗氧有机物高效分解，实现底泥的自我修复。修复后的底泥对上覆水中污染物的表面吸附、离子交换吸附和化学吸附等吸附能力得到提升，形成“吸附（水体污染物）-降解（底泥污染物）-吸附（水体污染物）”的污染物处理闭环。此外，低水位运行构建了更适合底泥污染物降解的“菌藻共生”系统，中试水槽试验数据表明，产氧性光合作用的蓝藻门丰度占比由60cm水深下的2.5%增加至10cm水深下的5.6%，被用作生态质量评价的真核轮虫丰度相对比例由60cm水深下的10%增加至10cm水深下的32%，“菌藻共生”系统内部复杂的物质交换路径和生物交互关系进一步强化了底泥对上覆水体水质净化效率。
现场试验表明，在维持低水位运行2个月后，底泥由明显黑臭状态逐渐变为黄色无臭无味状态，自上至下呈黄色（0~10cm）-灰色（10~15cm）-黑色（15cm以下）分布，底泥表层（0~10cm）氧化还原电位由-180mV提升至40~60mV，有效去除了底泥中致黑致臭污染物，将底泥从对水质不利的“污染源”转变为有助于水体净化的“天然污水处理厂”，当上覆水体受到外源污染冲击时，能够通过稳定、健康的底泥不断高效吸附并降解污染物，从而有效提升城市河流抗污染免疫力。
▲高水位运行，底泥持续黑臭；低水位运行，底泥逐渐变黄
构建城市河流浅水型健康生态系统
低水位运行有利于营造洲-滩-槽多元生境，恢复生物多样性，完整食物链可保障城市河流的物质流与能量流循环，有助于构建具备抗洪和耐污韧性的城市河流健康生态系统。城市河流在维持低水位运行一段时间后，根据流势自然形成“深槽-浅滩-沙洲”交错的断面形态。在太阳光直射河床和浅滩的条件下，底泥表层形成丰富的藻类群落，为水生生物提供稳定的能量来源，同时结合浅水的冲刷形成了有利于湿生植物、沉水植物生长的环境，诸如水八角、睡菜、毛莨类等湿生植物开始在裸露的河床和浅滩上生长，苦草、金鱼藻等沉水植物逐渐在河道底部出现。伴随着底泥的修复和水生植物的生长，河道开始出现各种底栖生物，浅水型生态系统引来鸟类栖息觅食，而鸟类排出的粪便，又进一步肥沃了沙洲和浅滩，为菌、藻、底栖生物、水生植物提供丰富的营养，逐步形成了由水鸟、小型鱼类、螺、虾、沉水植物、挺水植物、藻类、微生物等组成的城市河流完整食物链，构建了多层多种立体结构和多级循环转化的生物系统，形成了一个良性生态循环圈，有效提升了城市河流生态系统的韧性。
▲生境多样性构建完整食物链
4、低水位运行生态修复实践
广州市率先在猎德涌、沙河涌、车陂涌、南岗河等100多条城市河流开展了低水位运行实践，在控源截污、清污分流等源头治理的基础上，采取了“降水位+少清淤+不调水”的做法进行水生态恢复，让淤泥见阳光，中间走活水，形成河底湿地，促进了水质和生态双修复，营造“深潭浅滩”生态环境。实践证明，在控源截污的前提下，降低水位运行短短几个月的时间内，河流水生态环境显著改善：河流水环境质量提升至Ⅲ～Ⅴ类地表水标准；污染底泥开始减量、泥质逐渐沙化、恶臭现象渐渐消失；河流多样化生境得以恢复，水生物种多样性逐步增加，实现了“岸边，花红柳绿，飞鸟翩翩；水中，涓涓清流，鱼翔浅底”的美丽景象，显著提升了居民的幸福感、获得感。
▲广州市猎德涌生态修复效果
5、低水位运行生态修复优势
低水位运行是一种标本兼治的治水理念，不仅可高效修复污染底泥，为河流生态系统构建提供基础条件，而且避免了大规模清淤、建闸、引调水等工程措施，是一种“低碳”“低成本”治理模式，主要依靠自然力量，具有显著的生态效益、经济效益和社会效益。
污染底泥修复效果彻底。低水位运行使城市河流污染底泥修复效果更彻底。中试水槽试验数据表明，水深10cm条件下底泥氨氮、酸可挥发性硫化物的去除率较水深60cm下分别提升了66%和75%，底泥修复深度增加了2.6~3.0倍。
生态系统抗洪耐污韧性提升。低水位运行下沉水植物和湿生植物丰茂，植物根系对河床底质起到较强的固定作用，在洪水冲刷下不容易使底泥再悬浮造成水体浑浊和内源释放加剧现象，同时为鱼类和底栖动物提供了洪水期的避难场所。俗话说“水至清则无鱼”，适量污水进入河道可为水生生物提供稳定的能量来源，低水位运行构建了相对健全的城市河流多样化生态系统，将河道变身为“天然污水处理厂”，充分发挥城市河流的纳污功能和自我净化能力，避免了通过污水处理厂尾水盲目提标来提升河道水环境质量。在城市河流普遍存在补给水源不足的现实背景下，采用低水位运行和污水厂尾水补水的联合调控方式，一方面让尾水经过河道自然生态系统进一步净化，另一方面让尾水中硝酸盐、亚硝酸盐进一步强化底泥修复机制，同时保障河道生态流量和生物能量需求，实现“以河净污，以污养河”的协同效果。
借助自然力量，绿色低碳经济。低水位运行避免了大规模引调水、建闸、清淤、人工化生态修复、污水处理厂盲目提标、设置初雨处理设施等工程性措施，通过微干预维持适当低水位，让大自然充分做功，低碳低成本可持续。以广州市列入国家监管的100多条河涌进行整治资金匡算，采用低水位运行自然修复技术，在实现治水目标的前提下，节约了工程投资匡算达400多亿元，节约年运行费用约12.9亿元。
其他优势。低水位运行还可以暴露沿线排口，方便工作人员进行溯源改造；减少河水倒灌，降低管道运行水位，节省污水处理费用，提升污水处理厂处理效率，减轻汛期溢流污染对河流水质冲击；低水位运行还能增加河道调蓄空间，增强城市抵御洪涝的能力。
6、展望
低水位运行主要适用于没有供水和灌溉需求的城市内河，尤其是对于缺乏补水水源的城市径流型河道效果更为显著。低水位运行依靠自然力量，实现底泥碳氮硫污染物同步去除，有效解决了底泥黑臭问题，但对于底泥中磷、重金属、新型污染物等的治理效果仍有待进一步考察。与传统的河道黑臭底泥治理和生态修复技术相比，低水位运行是一种“低碳”“低成本”的治理新模式，具有显著的生态效益、经济效益和社会效益，可为城市河流生态修复提供借鉴经验。
