CN103510487B - 一种具有季节性河流水质改善功能的景观跌水结构 - Google Patents

一种具有季节性河流水质改善功能的景观跌水结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有季节性河流水质改善功能的景观跌水结构，包括构筑在河道跌水处的C字形围堰，C字形围堰的顶部与河道的洪水位线平齐，其底部低于河道的旱季枯水位线以下5～10cm，其内侧设有下降坡度为15°至45°的阶梯，阶梯的中部高度上设有数个第一出水口，阶梯的下部向内延伸出一台阶状的弧形矮堰，弧形矮堰上设有数个第二出水口，弧形矮堰的顶部高出C字形围堰的底部0.5～1.0米，弧形矮堰与阶梯在C字形围堰的中间区域合围成一池塘，池塘中种植有挺水植物，池塘的底部铺置有人工湿地填料基质。本发明能灵活适应水流量的周期性和季节性的波动，使人工湿地适宜布置于河道中，节约了土地；减少泵站设施及电能消耗，能应对河道的不同水位且使水质得到净化改善。

Description

一种具有季节性河流水质改善功能的景观跌水结构
技术领域
本发明涉及河流景观生态恢复设计领域，尤其涉及一种景观跌水结构，
背景技术
季节性河流在城市中一般承担着排涝、景观和生态三个功能，河道中的水质是保障其功能的基础。由于季节性河流的水量和水体流态在枯水期和丰水期变化巨大，水质受面源污染的影响，协调防洪、景观、水质三者来规划设计季节性河道一直是个难点。近年来河流水质改善的常规设计方法有以下三种：一是采用在河道的河床周边设计人工湿地处理系统，通过设立泵站将河水引入人工湿地，净化处理后再流回到河床中。二是在复式河床断面的河漫滩上或护坡阶地上设计布置人工湿地处理系统，枯水期时用于净化河床水体，洪水期时人工湿地可能被冲毁。三是在河道中利用地形高差设计跌水坝或橡胶坝来给河流曝气增氧以改善河道水质。
这些河流水质改善的设计方法存在以下缺陷：人工湿地处理系统需要占用河道旁边的土地或洪水期时可能被冲毁，设立泵站需要消耗电能；季节性河流在枯水期由于降雨、径流水量较小，设计跌水坝或橡胶坝来给河流曝气增氧起不到改善水质的作用。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供一种用于季节性河流水质改善的一种景观跌水结构。本发明充分考虑丰水期和枯水期的水量和水体流态，将人工湿地处理系统与河床跌水坝设施进行科学地结合设计，从而可以实现季节性河流水质的改善。本发明吸收借鉴已有的河道水质净化和治理方法，与城市规划设计的知识理论相结合，使受损或退化的季节性河流的生态系统得以恢复，使景观、防洪、生态等形成最佳组合，达到水文条件与水质条件的改善、游憩价值和河流美学价值提升的综合目标。
为了解决上述技术问题，本发明一种具有季节性河流水质改善功能的景观跌水结构予以实现的技术方案是：包括构筑在河道跌水处的C字形围堰，所述C字形围堰的顶部与河道的洪水位线平齐，所述C字形围堰的底部低于河道的旱季枯水位线以下5～10cm，所述C字形围堰的内侧设有下降坡度为15°至45°的阶梯，所述阶梯的中部高度上设有数个第一出水口，出水口高度设在雨季常水位处；所述阶梯的下部向内延伸出一台阶状的弧形矮堰，所述弧形矮堰上设有数个第二出水口，出水口设在旱季枯水位处，所述弧形矮堰的顶部高出所述C字形围堰的底部0.5～1.0米，所述弧形矮堰与所述阶梯在所述C字形围堰的中间区域合围成一池塘，所述池塘中种植有挺水植物，所述池塘的底部铺置有人工湿地填料基质。
进一步讲，本发明一种具有季节性河流水质改善功能的景观跌水结构，其中，C字形围堰两端的高度低于中间段的高度，两端的高度与河道的旱季枯水位线持平，所述C字形围堰的中间段至所述C字形围堰的两端为阶梯过渡。所述第一出水口的高度位置是河道的雨季常水位，所述C字形围堰在水平面上的投影的椭圆轮廓的长短轴之比为1.3～1.5。所述C字形围堰在水平面上的投影的椭圆轮廓的长短轴之比为1.382。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明中的景观跌水结构能够灵活适应水流量的周期性和季节性的波动，使人工湿地适宜布置于河道中，节约了土地；减少泵站设施及电能消耗，能应对河道的不同水位且使水质得到净化改善。
附图说明
图1是本发明景观跌水结构示意图；
图2是图1所示景观跌水结构洪水位溢流示意图；
图3是图1所示景观跌水结构的河流应用示意图；
图4是图1所示景观跌水结构不同水位河道应用剖面图；
图5是雨季常水位1.3米，跌水下降坡度为30°的流速分布图；
图6是雨季常水位1.3米，跌水下降坡度为45°的流速分布图；
图7是洪水位2.5米，跌水下降坡度为30°的流速分布图；
图8是洪水位2.5米，跌水下降坡度为45°的流速分布图。
图中：1-C字形围堰，2-阶梯，3-第一出水口，4-弧形矮堰，5-第二出水口，6-挺水植物，7-人工湿地填料基质。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
如图1所示，本发明一种具有季节性河流水质改善功能的景观跌水结构，包括构筑在河道跌水处的C字形围堰1，所述C字形围堰1在水平面上的投影的椭圆轮廓的长短轴之比为1.3～1.5，所述C字形围堰1的顶部与河道的洪水位线平齐，所述C字形围堰1的底部低于河道的旱季枯水位线以下5～10cm，C字形围堰两端的高度低于中间段的高度，两端的高度为与河道的旱季枯水位线持平，所述C字形围堰的中间段至所述C字形围堰的两端为阶梯过渡。如图1和图2所示，所述C字形围堰1的内侧设有下降坡度为15°至45°的阶梯2，所述阶梯2的中部高度上设有数个第一出水口3，所述第一出水口3的高度位置是河道的雨季常水位，所述阶梯2的下部向内延伸出一台阶状的弧形矮堰4，所述弧形矮堰4上设有数个第二出水口5，所述弧形矮堰4的顶部高出所述C字形围堰的底部0.5～1.0米，所述弧形矮堰4与所述阶梯2在所述C字形围堰的中间区域合围成一池塘，所述池塘中种植有挺水植物6，所述池塘的底部铺置有人工湿地填料基质7。
图1中的带有箭头的波浪线表示雨季时河水流过第一出水口3经阶梯台阶减缓流速流向种植挺水植物6的池塘，河水经过池塘植物和人工湿地填料7的净化之后从第二出水口5流出进入河道；图2中带有箭头的波浪线表示河道水体超过洪水位时漫流过景观跌水结构的顶部，经阶梯台阶减缓流速流向种植挺水植物6的池塘，一部分水从弧形矮堰4上漫过流回河道。
本发明的设计思路是：对季节性河道进行水文调查，确定河道最小流量和最大流量，以及枯水季的最低水位、雨季水位、洪水期最高水位。确定本发明景观跌水结构的设计高度在雨季最高水位左右。对河床形态和河床断面竖向进行研究，依据河床地势，选择河道纵坡降的跌坎处、由缓坡向陡坡过渡及水流由水库进入陡坡渠道等地方如图3所示，确定本发明景观跌水结构的向内侧下降坡度以15°至45°为宜。以长短轴比为1.382来确定景观跌水结构的整体形状为开口的椭圆形即C字形，依据选定的跌坎处的断面的雨季最大流量，确定内侧下降坡面上的出水口的高度在雨季常水位处。采用EFDC(The EnvironmentalFluid Dynamics Code)模型进行景观跌水结构的水动力学模拟，确定不同流量情况下，种植区挺水植物存活情况。台阶数、台阶高度、台阶宽度、台阶上开水口的数量、底部矮堰内种植挺水植物的面积与植物种类均通过模拟来优化设计参数见表1。按照设计参数在选定断面处的河床内构建景观跌水结构，整个景观跌水结构的底部位置(即所述C字形围堰1的底部)应低于旱季枯水位线以下5-10cm左右如图4，以保障旱季时挺水植物种植区有一定的水量。不同季节进水设计控制见景观跌水结构剖面图4。枯水位进水从景观跌水结构的底部位置进入，雨季常水位进水设计控制在中部如图1所示第一出水口位置，河水涨到洪水位时，水流从景观跌水结构的顶部漫流通过。
施工时，可以使用当地的土壤和沙子修建台C字形围堰1内侧的阶梯，用当地的沙子和土壤混合一定量防渗水泥，依次叠放在阶梯表面上，将混合物滚压在阶梯表面以阻挡水流对台阶的侵蚀。
实施例：
调查目标河流的水文条件，确定景观跌水结构的设计高度。一条季节性自然河道，河流生态景观修复河段长4.4公里，河道上口宽14-32米，河床断面为V型和U型，河道枯水季的最低水位0.3米、雨季水位1.2-2.1米左右、雨季常水位约在1.3米左右，洪水期最高水位2.5-3.5米。景观跌水结构设计高度约在2.1-2.5米左右。如图4。
对河床形态和河床断面竖向进行研究，依据河床地势，选择河道纵坡降的跌坎处、由缓坡向陡坡过渡及水流由水库进入陡坡渠道等地方，确定景观跌水结构中C字形围堰1向内侧下降坡度范围。如图3，目标修复河段长4.4公里，河道纵向上有两处跌坎，其中，一处纵坡降约28°左右；另一处纵坡降约46°左右，因此，确定景观跌水结构的C字形围堰1向内侧下降坡度有两处，一处为30°，另一处为45°，下降的阶梯2的台阶高度为0.2米，景观跌水结构的C字形围堰1长短轴比为1.382，阶梯2上设有的第一出水口3有七个，第一出水口3的高度位置设计在雨季常水位处1.3米，弧形矮堰4的高度为0.7米，弧形矮堰4上的第二出水口5的高度0.5米，人工湿地填料基质7选择河道粗砾石加自然沙土，挺水植物6为芦苇植物，如图4。
依据跌坎处的断面的最大流速2.0m/s，采用EFDC模型进行景观跌水结构的水动力学模拟，使水流速度通过台阶跌水到达湿地种植区域的流速小于0.6m/s，来优化阶梯数、阶梯高度、阶梯宽度、阶梯上开水口的位置与数量、底部矮堰内种植挺水植物的面积与植物种类见表1。
表1景观跌水结构的两种下降坡度的结构优化设计参数
模拟结果显示见图5、图6、图7和图8：在雨季常水位情况下，两个跌坎处(见图3)的景观跌水结构的各设计参数满足湿地种植区的芦苇存活流速。在洪水位期，水流速度对两个跌坎处的景观跌水结构内湿地种植区的芦苇存活有一定影响。
尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种具有季节性河流水质改善功能的景观跌水结构，其特征在于，包括构筑在河道跌水处的C字形围堰，所述C字形围堰的顶部与河道的洪水位线平齐，所述C字形围堰的底部低于河道的旱季枯水位线以下5～10cm，所述C字形围堰的内侧设有下降坡度为15°至45°的阶梯，所述阶梯的中部高度上设有数个第一出水口，所述阶梯的下部向内延伸出一台阶状的弧形矮堰，所述弧形矮堰上设有数个第二出水口，所述弧形矮堰的顶部高出所述C字形围堰的底部0.5～1.0米，所述弧形矮堰与所述阶梯在所述C字形围堰的中间区域合围成一池塘，所述池塘中种植有挺水植物，所述池塘的底部铺置有人工湿地填料基质。
2.根据权利要求1所述具有季节性河流水质改善功能的景观跌水结构，其特征在于，C字形围堰两端的高度低于中间段的高度，两端的高度与河道的旱季枯水位线持平，所述C字形围堰的中间段至所述C字形围堰的两端为阶梯过渡。
3.根据权利要求1所述具有季节性河流水质改善功能的景观跌水结构，其特征在于，所述第一出水口的高度位置是河道的雨季常水位。
4.根据权利要求1所述具有季节性河流水质改善功能的景观跌水结构，其特征在于，所述C字形围堰在水平面上的投影的椭圆轮廓的长短轴之比为1.3～1.5。
5.根据权利要求1所述具有季节性河流水质改善功能的景观跌水结构，其特征在于，所述C字形围堰在水平面上的投影的椭圆轮廓的长短轴之比为1.382。
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