CN103183413B - 水质生态净化系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水质生态净化系统，包括与河流(1)相接的水质净化沉沙条渠(2)和与该水质净化沉沙条渠(2)相接的水库(3)，所述水质净化沉沙条渠(2)内设置有净化水质的植物种植区(21)。由于在传统的水质净化沉沙条渠中设置植物种植区，通过合理的泥沙沉积即可为植物提供生长基质和环境，从而使植物的品种多样化，在水质净化沉沙条渠本身的沉沙作用的同时，能够对河水中的杂质进行更有效的净化，从而使河水满足进入水库的标准，为后期水质的处理提供了有力的保障。

Description

水质生态净化系统

技术领域

本发明涉及水质净化领域，具体地，涉及一种适用于河流的水质生态净化系统。

背景技术

随着水资源的日益匮乏，尤其是为了满足日常生产生活的水资源日益短缺，近年来引用并净化河流中的水资源的方案越来越多。然而，由于河流中的水通常夹杂着大量泥沙和污染物，对处理引用水的工作带来极大困难。以黄河为例，黄河下流的山东段面临着日益严重的水资源短缺和水质恶化问题，因此各种引黄工程成为获取水资源的重要途径。然而，随着黄河下游来水量不断减少、所含泥沙量大以及上游污染物的排放的问题不断增加，为利用黄河水作为水源的水厂净化带来了巨大的压力和挑战，迫切需要一种能够从源头上改善引黄水库的水源水质的方案。目前对水源水质改善系统的研究尚少，并没有完整的技术方案形成。

在现有方案中，仍然以黄河流域为例，引黄水库是黄河下游地区为了应对黄河断流而修建的蓄水设施，而目前主要通过沉沙条渠进行水质的沉沙过滤，以保证引黄水库的入库水质，从而沉沙条渠是以黄河为供水水源的平原水库的重要建筑物。这种沉沙条渠为利用天然洼地、滩涂筑成的宽浅土渠，对黄河来水中的泥沙进行初沉，但是经过初沉的河水很难达到引黄水库的入库标准，仍然对后续河水的净化处理造成了很大困难。

因此，提供一种能够对河流的河水进行水质净化的方案具有积极意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种水质生态净化系统，该水质生态净化系统能够通过植物种植模拟湿地环境从而实现河水的水质净化。

为了实现上述目的，本发明提供一种水质生态净化系统，所述水质生态净化系统包括与河流相接的水质净化沉沙条渠和与该水质净化沉沙条渠相接的水库，所述水质净化沉沙条渠内设置有净化水质的植物种植区。

优选地，所述植物种植区为梯田结构。

优选地，所述植物种植区内的植物为能够在泥沙中生长的水生植物，并且该水生植物的根系能够适应泥沙的厚度变化。

优选地，所述水质净化沉沙条渠内设置有沉沙池，该沉沙池位于所述植物种植区的上游。

优选地，所述水质净化沉沙条渠内设置有具有泄流功能的拦水坝，该拦水坝位于所述植物种植区的下游。

优选地，所述拦水坝包括桩基础和固定在该桩基础上的坝体，该坝体的表面上覆盖有防水材料层。

优选地，所述桩基础包括梅花形布置的多根桩，该多根桩嵌入相应的地层中。

优选地，所述坝体内部设置有碎石三合土填料，并且所述坝体上设置有泄流管道。

优选地，所述水质净化沉沙条渠与所述河流的相接处形成为使水流转向的河湾结构。

优选地，所述水质净化沉沙条渠与所述河流的相接处设置有石笼。

优选地，所述水质净化沉沙条渠包括主渠和副渠，所述植物种植区设置在所述主渠上。

优选地，所述水质净化沉沙条渠内设置有原位除磷装置，该原位除磷装置包括穿孔管，该穿孔管的管壁上形成有多个穿孔，该穿孔管的下端封闭，且在该穿孔管内装填有磷吸附材料。

优选地，所述穿孔管的下端形成有固定部。

优选地，所述固定部的下端形成为环形的尖锐边缘。

优选地，在所述穿孔管的下端设置有堵头以封闭该下端。

优选地，所述穿孔管的上端设置有封盖。

通过上述技术方案，由于在传统的水质净化沉沙条渠中设置植物种植区，通过河水中的泥沙沉积即可为植物提供生长基质和环境，从而使植物的品种多样化，在沉沙条渠本身的沉沙作用的同时，能够对河水中的杂质进行更有效的净化，从而使河水满足进入水库的入库标准，为后期水质的处理提供了有力的保障。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明提供的水质生态净化系统的结构示意图；

图2是本发明提供的拦水坝的截面示意图。

图3是根据本发明一种具体实施方式的原位除磷装置的纵断面图；

图4是图3中原位除磷装置的横断面图。

附图标记说明

1河流            2水质净化沉沙条渠

3水库            4原生态植物区

5毛石和混凝土层  6原位除磷装置

11主渠            12副渠

21植物种植区      22沉沙池

23拦水坝          24桩基础

25坝体            26防水材料层

27泄流管道        28桩

29碎石三合土填料

61穿孔管          62磷吸附材料

63固定部          64堵头

65封盖            611穿孔

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是以图2为基础定义的，这些方位词只用于本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，为了克服现有沉沙条渠不能使河水，尤其是黄河的水质符合进入水库的标准的问题，需要对重新构建一种能够在沉沙的基础上进行进一步水质净化的系统。为此，申请人发现现有方案中另一种通过湿地技术进行河水的水质生态净化的方案，能够对河水进行进一步净化。然而，一般的自然湿地则存在难以利用，处理效果不佳的问题。而针对湿地技术本身，目前主要存在人工湿地系统和自然湿地两种形式，其中，人工湿地系统需要通过人工修建蓄水和导流设施，人工装填填料和构建复杂的进水、布水及出水收集设施等复杂施工，而自然湿地则为利用自然地形和自然植被的形式。前者由于造价较高，对于大流量的进水难以负荷，而另一种自然湿地则存在难以利用，处理效果不佳的问题。因此，如何在沉沙的基础上进行构建具有较高的水质生态净化效果的近自然湿地，是本发明的主要研究方向，该近自然湿地可以对河流、例如黄河进行水质净化，以使河水符合入库标准。为此，本发明提供一种能够净化水质的水质净化沉沙条渠和一种使用该水质净化沉沙条渠的水质生态净化系统。

因此，如图1所示，本发明提供一种水质生态净化系统，其中，该水质生态净化系统包括与河流1相接的水质净化沉沙条渠2和与该水质净化沉沙条渠2相接的水库3，水质净化沉沙条渠2内设置有净化水质的植物种植区21。

在上述技术方案中，不同于现有技术中的水质净化沉沙条渠和湿地技术，本发明将二者进行了有机结合，即在水质净化沉沙条渠2内设置植物种植区21。因此，河流1中的河水进入与之相接的水质净化沉沙条渠2后，河水中的泥沙会进行沉淀，而这些沉积的泥沙恰恰可以作为植物种植区的植物生产基质，从而为植物的生长提供生长环境，因此植物种植区21的植物能够多样化，结合水质净化沉沙条渠2内的原有植被，能够在水质净化沉沙条渠2内构建由多种植物构成的近自然湿地，从而使得种植的多种植物能够对河水进行更进一步的净化，使之完全能够符合进入水库3的入库标准，为后期的水质处理提供有力保障。尤其是在黄河中下游缺水的区域更加适用，实用性强。

需要说明的是，能够完成上述技术方案的实施方式有多种，例如水质净化沉沙条渠的设置方式、植物种植区的结构以及植物的种类选择等，因此为了方便说明本发明，在此只介绍其中的优选实施方式，该优选实施方式只用于说明本发明，并不用于限制本发明。

在本发明的优选实施方式中，为了在河流的河水进入水质净化沉沙条渠时对植物种植区进行冲击，而对植物造成不利。优选地，水质净化沉沙条渠2与河流1的相接处(即入口处)形成为使水流转向的河湾结构13。即河流1中的水流在进入水质净化沉沙条渠2时通过设置的河湾结构13而进行转向，因此可以有效消减水流的流动能量。另外还优选地，在水质净化沉沙条渠2与河流1的相接处(即入口处)设置有石笼。通过该石笼也可以进一步缓解水流的流动能量，其中石笼为本领域中常见的消能物体，可由线材包裹石材等方式得到。此外，在本发明的优选实施方式中，为了充分利用水质净化沉沙条渠2内的原有生态植物，并且方便为植物种植区21布水，优选地，本发明提供水质净化沉沙条渠2包括主渠11和副渠12，植物种植区设置在主渠11上。即进入水质净化沉沙条渠2的河水被分成两股，进入主渠11的河水将进入植物种植区21进行净化，而副渠12内则主要为原生态植物区4，河水通过原有生态植物区4净化，河水经过主渠11和12的分别净化后汇合并进入水库3中。其中主渠11和副渠12可根据原生态植物的实际分布情况而通过土坝等方式进行分隔，因此，不仅可以充分利用原有生态植物而且能够通过为主渠11和副渠12布水，实现植物种植区21的优化布水，使植物种植区的植物生长环境更接近于自然湿地，以保证水流的净化。同时，副渠12可在水质恶化或冬季冰冻条件下作为进水的溢流通道，避免恶劣水质对主渠11内的种植植物造成损害。因此通过上述或其他本领域技术人员能够想到的消能和布水方式，能够有效降低河流对植物种植区的植物的冲击，使得植物种植区21内的植物净化水质的效果更佳。

另外，在本发明的优选实施方式中，为了有效利用水质净化沉沙条渠2所在的地形和空间，首先需要进行对水质净化沉沙条渠2所在的地区进行勘测和分区，即对水质净化沉沙条渠2的现状高程进行勘察测量，并确定适宜生长植物的植物种植区21，并且优选地，将植物种植区21设置为梯田结构。通过设置植物种植区21为梯田结构，能够充分利用水质净化沉沙条渠的有限空间种植尽量多样的植物，并且利于地形整理和根除茅草，还能充分利用现存植被增强景观效果。具体地，该梯田结构可以根据具体的地势进行布局，具体的布局方式为本领域技术人员所公知，在此不做过多赘述。

回到植物种植区中，为了最大程度地通过植物进行水质净化，需要对水质净化沉沙条渠的植物群种进行重新构建。首先需要进行根除茅草的工作。这是由于，茅草是除芦苇以外，在水质净化沉沙条渠2中生长数量最多的原有植物，但是其不仅对水质净化作用不大，而且还将掠夺其他水生植物的营养物质，对其他植物的生长造成不利。在茅草的根除过程中，由于生命力极度旺盛，对茅草的去除处理必须处理直至其根部。其中优选地，先将茅草的地上部分用机械打碎，再深度翻耕，晾晒后旋耕两遍以上，并且进行人工捡除草根的工作，以此进行茅草的最大程度根除。

在根除茅草的工作后，需要利用好水质净化沉沙条渠2中原有的原生状态的大面积的芦苇、香蒲，并且在植物种植区21，利用生态学原理，进行重新规划和调整，实现植物种类的强化。其中，需要种植适宜的水生植物种类，以实现多样性生物群落的组成，从而带来对污染水质的净化功能和生态缓冲带功能。综合考虑植物的水质净化效果、生态习性、生长境域以及观赏特性，在植物种植区选择引进多种具有水质净化优势的植物，例如：挺香蒲、芦苇、水菖蒲、花叶芦竹、再力花、水葱、海寿花、慈菇、千屈菜、茭白、黄菖蒲、荷花、睡莲、水芹菜、芒草等，其中优选地，这些植物布置需要遵循不同植物所需的生长水深、现状地形以及景观美化的原则，并且维持适宜的种植密度。

其中，植物种植区21的上述植物均为能够在泥沙生长的水生植物，并且重要地，这些水生植物的根系能够适应由于河水不断沉沙而造成的泥沙厚度变化，因此能够保证这些植物的可持续生长。上述的植物种植过程了解决了在淤泥地上如何根除茅草，并且克服沉沙地面起伏不平，土层结构松软等的问题。

在本发明的优选实施方式中，为了进一步优化水质净化工作，优选地，水质净化沉沙条渠2内设置有沉沙池22，该沉沙池22位于植物种植区21的上游。该沉沙池22通常设置在水质净化沉沙条渠2的入口段，以防止河水中，尤其是黄河中的泥沙超量淤积植物种植区21内，即通过沉沙池22，河水的水流在流入植物种植区21之前，先在沉沙池22处进行降速和泥沙的初沉，使得河水对植物种植区21的影响降至最低。另外，在枯水季节，沉沙池中的蓄积的水量还能够作为储备用水，以维持水生植物的基本生长。其中本领域技术人员能够根据水质净化沉沙条渠2的具体地势等情况对沉沙池22进行各种设计和构建，只要能够实现本发明，本发明对其具体位置、结构和数量等不做限制。

除沉沙池22外，为了进一步使植物种植区21的环境接近自然湿地，优选地，水质净化沉沙条渠2内设置有具有泄流功能的拦水坝23，该拦水坝23位于植物种植区21的下游。通过该拦水坝23的泄流功能，能够调节位于其上游的植物种植区21的水位，从而通过调整水位增加水流与植物的接触，并在季节变换时，调整获得植物的最适水位。使植物的生长得到最有效的保证。其中，该拦水坝23可通过沙袋、泄流孔等方式进行水位调节。其中，本发明提供的拦水坝23具有多种实施方式，只要能够完成本发明的目的，本发明对该拦水坝23的结构和形式不做限制。

在本发明的优选实施方式中，根据地形条件，优选地，拦水坝23设置在水流断面的收束口处，即河流端面较小的区域，以使拦水坝23的设置最方便，成本最低。另外，为了使拦水坝23能够承受水流的冲击，如图2所示，优选地，该拦水坝23包括桩基础24和固定在该桩基础24上的坝体25，其中为了解决在水质净化沉沙条渠2的软基内进行水坝的施工，并且保证坝体25的牢固，更优选地，桩基础24包括梅花形布置的多根桩28，该多根桩28嵌入相应的地层中。其中多根桩28的材质可以为本领域技术人员所公知的任意材质，例如木桩、钢桩或混凝土桩等，而在本发明的优选实施方式中，为了节约成本可选择木桩。另外虽然图2中没有展示出多根桩8为梅花形布置，但是本领域技术人员能够想到其他实施方式，在此不做过多赘述。由于跟多根桩8嵌入相应的地层中，能够有效解决坝体25在水质净化沉沙条渠2中的湿陷问题，使得拦水坝23的实用性更强。

另外，由于拦水坝23主要起到水位调节的作用，需要有效降低坝体25的渗漏问题，因此优选地，拦水坝23的坝体25的表面上覆盖有防水材料层26。例如土工布等本领域内常见的防水材料。通过在坝体25的表面上设置防水材料26，有效解决了坝体25的渗漏问题。另外，为了保证坝体的稳固和泄流工作，优选地，坝体25内部设置有碎石三合土填料29，并且坝体25上设置有泄流管道27。

具体地，在拦水坝23的实际施工中，考虑到在水质净化沉沙条渠2的土层结构松软的沙土上构筑的拦水坝23的牢固性，可采用在基槽开挖后用一定直径的多根木桩等桩以梅花形布置压嵌进地层一定深度(例如4m)以上，以保证基层的承载力；并在其上逐层铺砌毛石和混凝土层5，并选用碎石三合土作为坝体25的填料。并且为了保证坝体的挡水性能，防止来水冲刷至坝体垮塌，可采用铺设防水性土工布等材料并在表面铺设一定厚度的厚片石。另外，调节植物种植区21的水位的工作则通过设在坝体中部，并且具有一定的直径的两根波汶管(泄流通道27)的开闭来实现。上述坝体的具体施工方法均有多种变形，只要能够实现本发明的目的，本领域技术人员对拦水坝23的多种变形设计均落在本发明的保护范围中。

另外，为了进一步解决水体中的磷含量高的问题，如图3和图4所示，根据本发明的一种实施方式，优选地，水质净化沉沙条渠2内设置有原位除磷装置6，该原位除磷装置包括穿孔管61，该穿孔管61的管壁上形成有多个穿孔611，该穿孔管61的下端封闭，且在该穿孔管61内装填有磷吸附材料62。另外，该原位除磷装置6优选设置在出口处，以降河水中的其他杂质对原位除磷装置6的干扰。

上述原位除磷装置6主要包括穿孔管61和装填到穿孔管61内的磷吸附材料62，其可以应用于例如人工湿地、河道沟渠等环境。以水质净化沉沙条渠2为例，在使用时，将原位除磷装置6布置在水质净化沉沙条渠2的出口处，水可以通过穿孔管61上的穿孔611进入穿孔管61中与磷吸附材料62接触，使得水中的磷元素由磷吸附材料62吸附，从而实现除磷的目的。由于将磷吸附材料62集中到穿孔管61中，磷吸附材料62不会进入沉沙条渠的基质中，从而避免了磷吸附材料62对湿地中的植物根系造成的不利影响。另外，使用一段时间之后，当穿孔管61中的磷吸附材料62的磷吸附量达到饱和时，可以通过更换新的原位除磷装置，重新恢复水体的除磷功能，并且在更换过程中，不会对水质净化沉沙条渠2产生不利影响。此外，对于更换下来的原位除磷装置6，还可以通过对磷吸附材料62进行适当的处理，重新恢复其除磷功能，以便重复利用。因此，本发明提供的原位除磷装置结构简单、施工方便、成本低廉、除磷效果好且不会对环境造成不利影响。

优选地，所述穿孔管61的下端形成有固定部63，便于固定到水体中，例如在水质净化沉沙条渠2的湿地基质中。作为一种实施例，所述固定部63的下端形成为环形的尖锐边缘，从而可以容易地插入并固定到基质中。

穿孔管61的下端封闭，以便将磷吸附材料62保持在穿孔管61中。穿孔管61的下端可以一体形成为封闭端，或者通过其他构件予以封闭。为了便于制造和加工，优选地，在所述穿孔管61的下端设置有堵头64以封闭该下端。

另外，根据需要，还可以再所述穿孔管61的上端设置封盖65。即，在将磷吸附材料62装填到穿孔管61中之后，通过封盖65封闭穿孔管61的上端，从而在穿孔管61的输送及使用过程中，磷吸附材料62不会从穿孔管61中洒出。

磷吸附材料62可以采用现有的具有磷吸附功能的材料，这对于本领域技术人员来说是已知的。例如，磷吸附材料可以采用铁矿石与石英砂混合而成，主要技术指标如下：碳(C)1-1.4％(重量百分比)、锰(Mn)0.05-0.1％(重量百分比)、硅(Si)0.05-0.1％(重量百分比)、硫(S)≤1.2％(重量百分比)、磷(P)≤0.6％(重量百分比)、粒径≥5mm，堆重≥5吨/立方米、含铁量≥93％。

穿孔管61上的穿孔611的孔径优选为2-5毫米，从而可以防止磷吸附材料2从穿孔11中泄露，同时水可以顺利进出穿孔611，并且相对不容易堵塞。另外，穿孔管61上穿孔611的开孔率优选为20％～50％。开孔率是指穿孔611的面积之和与穿孔管61外周表面的面积之间的比例。穿孔管61可以采用任何适当的材料制得，例如不锈钢或者PVC(主要成份为聚氯乙烯)等。根据需要，穿孔管1可以为圆形管、方形管等，优选为圆形管。

因此，在河水在经过植物种植区21的净化后，还能经过原位除磷装置6的净化，使得河水在进入水库3前，其水质能够进一步提升。

综上，本发明实现了在例如引黄作业的沉沙条渠内进行的近自然湿地强化沉沙、水位调节和植物配置方法的突破，通过地形、水位控制，依据条渠环境适应性合理布置沉水、挺水、湿生等多样性生物群落，在水质净化沉沙条渠高效率的沉沙基础上，例如植物的生态净化作业，强化其水质改善的功能。本发明具有可操作性强，维护成本低，水质净化效果好的特点，并且能够充分利用例如引黄水库的沉沙条渠等现有构筑物的特点，为改善入库前水源水质探索出了一条切实可行的道路。经过本发明提供的水质生态净化系统所净化的水质完全能够达到水库入库的总磷去除率、总氮去除率等要求，并且浊度有效降低。完全适用于例如黄河等河流的水质净化，具有较强实用性和推广价值。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (15)

1.一种水质生态净化系统，其特征在于，所述水质生态净化系统包括与河流(1)相接的水质净化沉沙条渠(2)和与该水质净化沉沙条渠(2)相接的水库(3)，所述水质净化沉沙条渠(2)内设置有净化水质的植物种植区(21)，所述水质净化沉沙条渠(2)内还设置有原位除磷装置(6)，该原位除磷装置(6)包括穿孔管(61)，该穿孔管(61)的管壁上形成有多个穿孔(611)，该穿孔管(61)的下端封闭，且在该穿孔管(61)内装填有磷吸附材料(62)。

2.根据权利要求2所述的水质生态净化系统，其特征在于，所述植物种植区(21)为梯田结构。

3.根据权利要求1或2所述的水质生态净化系统，其特征在于，所述植物种植区内(21)的植物为能够在泥沙中生长的水生植物，并且该水生植物的根系能够适应泥沙的厚度变化。

4.根据权利要求1所述的水质生态净化系统，其特征在于，所述水质净化沉沙条渠(2)内设置有沉沙池(22)，该沉沙池(22)位于所述植物种植区(21)的上游。

5.根据权利要求1或4所述的水质生态净化系统，其特征在于，所述水质净化沉沙条渠(2)内设置有具有泄流功能的拦水坝(23)，该拦水坝(23)位于所述植物种植区(21)的下游。

6.根据权利要求5所述的水质生态净化系统，其特征在于，所述拦水坝包括桩基础(24)和固定在该桩基础(24)上的坝体(25)，该坝体(25)的表面上覆盖有防水材料层(26)。

7.根据权利要求6所述的水质生态净化系统，其特征在于，所述桩基础(24)包括梅花形布置的多根桩(28)，该多根桩(28)嵌入相应的地层中。

8.根据权利要求6所述的水质生态净化系统，其特征在于，所述坝体(25)内部设置有碎石三合土填料(29)，并且所述坝体(25)上设置有泄流管道(27)。

9.根据权利要求1所述的水质生态净化系统，其特征在于，所述水质净化沉沙条渠(2)与所述河流(1)的相接处形成为使水流转向的河湾结构(13)。

10.根据权利要求1或9所述的水质生态净化系统，其特征在于，所述水质净化沉沙条渠(2)与所述河流(1)的相接处设置有石笼。

11.根据权利要求1所述的水质生态净化系统，其特征在于，所述水质净化沉沙条渠(2)包括主渠(11)和副渠(12)，所述植物种植区(21)设置在所述主渠(11)上。

12.根据权利要求1所述的水质生态净化系统，其特征在于，所述穿孔管(61)的下端形成有固定部(63)。

13.根据权利要求12所述的水质生态净化系统，其特征在于，所述固定部(63)的下端形成为环形的尖锐边缘。

14.根据权利要求1所述的水质生态净化系统，其特征在于，在所述穿孔管(61)的下端设置有堵头(64)以封闭该下端。

15.根据权利要求1所述的水质生态净化系统，其特征在于，所述穿孔管(61)的上端设置有封盖(65)。