【关键技术】水体底泥仿生式原位控制与底质生境重塑技术
一、技术简介
本技术针对湖泊底泥污染累积、沉积物-水界面交换活跃、内源污染持续释放及底质生境退化等问题，研发水体底泥仿生式原位控制与底质生境重塑技术。技术通过模仿刮食性螺类消解与行走模式，利用水下仿生行走装备对底泥活性层实施精准识别、低扰动调控和原位处理，并结合底质适生性改良与水下微地形重塑，重构稳定、异质且有利于生态恢复的湖底生境。该技术改变传统大规模清淤“整体挖除、异位处置”的治理模式，重点针对底泥表层污染活性层和污染物迁移界面实施精准调控，通过“活性层精准处理-污染物稳定控制-底质结构优化-湖底生境重塑”的技术路径，在降低底泥内源污染释放的同时改善底质物理结构和氧化环境，为沉水植物恢复及湖泊生态系统稳定提供基础条件。技术具有原位实施、精准调控、底泥扰动小、工程适应性强等特点，适用于浅水湖泊内源污染控制与生态修复。
二、技术内容
1. 底泥污染识别与活性层精准诊断
通过底泥污染物含量、磷赋存形态、粒径组成、氧化还原条件及沉积物-水界面释放特征调查，识别底泥污染高值区、内源释放活跃区和生态恢复受限区，明确底泥污染活性层厚度与空间分布。结合湖区水动力、生境条件和生态功能需求，开展底质适生性评价，确定不同湖区底泥精准调控深度及底质重塑方式，形成差异化治理方案。
2. 水体仿生式底泥活性层精准汲取
研发水底仿生行走与底泥原位处理装备，采用水下仿生行走系统，通过柔性裙边形成相对封闭的水下作业空间，对表层高活性底泥实施精准调控。装备集成双向螺旋滚刷、底泥原位洗脱、曝气等功能，可针对底泥表层0-10 cm污染活性层进行选择性处理，促进细颗粒、高活性有机质及易释放污染组分迁移、分离和稳定转化。通过控制设备行进速度、滚刷转速、作用深度及水动力条件，减少深层稳定底泥扰动，避免传统机械清淤造成的大范围底泥再悬浮和生态破坏，实现由“整体清除”向“污染活性层精准调控”转变。
3. 底泥污染物水下原位处理与界面稳定
针对仿生调控过程中迁移和释放的污染组分，集成原位洗脱与原位曝气生物氧化舱处理单元，在水底完成污染物分离、氧化和稳定转化。通过曝气改善底泥表层氧化还原环境，促进污染物降解，并调节活性磷向稳定态磷转化，降低底泥污染物再次释放风险。针对活性磷含量较高或界面交换强烈区域，可结合矿物基界面调控材料实施局部强化处理，进一步稳定底泥表层污染物，构建相对稳定的沉积物-水界面。
4. 底质适生性改良与水下微地形重塑
根据底泥粒径、有机质含量及水动力条件，对污染控制后的湖底实施底质结构优化。结合湖泊水深、水动力及生态恢复需求，构建浅滩、缓坡、微隆起等水下微地形，增加湖底空间异质性，降低单一平坦湖底条件下底泥持续再悬浮风险，形成不同水深、光照和水动力条件组合，为沉水植物定植和底栖生物恢复提供多样化生境。
5. 底质生境恢复与长效效果评估
在完成底泥活性层精准调控和微地形重塑后，根据底质适生性评价结果开展沉水植物恢复或自然恢复引导。持续监测底泥粒径组成、活性磷、间隙水营养盐、沉积物-水界面释放通量、溶解氧及沉水植物恢复状况，评价底泥污染控制与底质生境改善效果。建立“污染特征-底泥调控参数-底质重塑方式-生态恢复效果”关联关系，形成适用于不同湖泊和不同内源污染场景的技术参数与工程应用模式。
水体底泥仿生式原位控磷技术
微地形重塑与适生性营造技术
三、技术优势
本技术实现底泥污染精准调控、底质结构改良与地形重塑协同，具有原位实施、精准高效、扰动小和生态友好等优势，可有效解决传统清淤工程量大、底泥扰动强以及单一内源控制技术效果难以长期维持等问题。与现有技术相比，本技术重点针对底泥表层污染活性层实施精准处理，无需大规模清淤及污泥外运，可显著降低工程施工和二次污染风险；同时通过底质结构优化与水下微地形重塑，改善湖底稳定性和生境适宜性，为水生态恢复创造良好条件，实现内源污染控制与底质生态功能提升协同。
表1 主要技术指标及优势
四、应用场景
本技术主要应用于浅水湖泊、城市内湖、景观水体及生态敏感水域的内源污染控制与生态修复，重点适用于底泥污染累积、内源氮磷释放强烈及底质生境退化等场景。通过对底泥表层污染活性层实施精准调控，并协同开展底质改良与水下微地形重塑，可降低内源污染释放风险，改善湖底稳定性和生境适宜性，为沉水植物恢复及水生态系统重建提供基础条件。该技术可作为湖泊综合治理和生态修复工程的重要前端支撑措施，具有较强的工程适应性和推广应用潜力。
五、典型案例
本技术相关核心装备及底质生境重塑技术已在遗爱湖、阳澄湖等湖泊内源污染控制与生态修复研究及示范工程中开展应用验证。
在阳澄湖生态修复工程中，针对硬质基底、沉积物-水界面交换活跃及局部内源释放风险较高等问题，开展水下微地形重塑与底质适生性营造。通过底质结构优化和界面调控，底泥SRP释放水平显著下降，释放强度降低80%以上。相关技术进一步与湖区生态修复工程相结合，形成由底泥污染识别、底质适生性评价、技术匹配、工程实施到效果评估的全过程技术模式。
工程及试验验证表明，该技术能够有效降低底泥内源污染释放风险，改善底泥颗粒组成及沉积物-水界面环境，并为后续沉水植物恢复和水生态系统重建创造适宜底质条件，具有较好的工程应用和推广价值。
图 遗爱湖植被恢复前后对比图
六、科技支撑
科研项目：国家重点研发计划，“项目名称长江流域典型城市内湖水环境-水生态协同治理关键技术与示范”，项目编号2023YFC3208900
获奖：获奖名称：湖泊劣质化底质水生态立体修复的关键技术及应用，奖励类别：云南省科学技术进步奖，获奖等级：二等奖，年度：2023年度
专利：1、潘继征;杨鸿山;徐力刚;徐红玲;赵敏，一种富营养化水体底质改良与地形重塑方法，授权专利号：ZL201811305836.7
2、潘继征、李文朝、杨齐、冯慕华、古小治、柯凡，一种水体底泥仿生式原位修复装置，ZL202311554123.5
标准规范：标准名称：城市湖泊生境重构技术指南（标准编号GB/T/CQAI 490-2025）
七、联系方式
联系人：潘继征
科技处：姚老师，025-86882023，zbyao@niglas.ac.cn