CN107673477B

CN107673477B - 一种利用人工浮岛构建河道人工湿地的方法

Info

Publication number: CN107673477B
Application number: CN201711026170.7A
Authority: CN
Inventors: 周立彪; 董艳兵; 方苏; 闫兴富; 宋海丽; 吴锋; 杜梦; 何磊
Original assignee: North Minzu University
Current assignee: North Minzu University
Priority date: 2017-10-27
Filing date: 2017-10-27
Publication date: 2021-07-02
Anticipated expiration: 2037-10-27
Also published as: CN107673477A

Abstract

本发明公开一种利用人工浮岛构建河道人工湿地的方法，该方法包括浮岛床体的构建与湿地植物的选择，其中浮岛床体是构建河道人工湿地的前提和基础，其构建内容主要包括浮岛床体的外形边界、深度、空间布置、基质选择及固定。本发明构建的河道人工湿地既具有一般人工湿地的特点，又具有天然湿地的特征，创造了湿地内部干湿交替的环境，可以更好的修复湿地基质的物质性状，增强了湿地系统对污染物的吸收能力，也便于对湿地植物的收割。因此，本发明的构建方法基于河道人工浮岛的设计，结构简单，管理方便，运行成本较低，同时既可以美化环境，又提供了河道中水生动物与两栖动物的栖息地，为改善河道生态环境提供了更为有利的条件。

Description

一种利用人工浮岛构建河道人工湿地的方法

技术领域：

本发明属于环境生态修复技术领域，具体涉及一种利用人工浮岛构建河道人工湿地的方法。

背景技术：

人工湿地污水处理主要是利用湿地中基质、水生植物和微生物的相互作用，通过一系列物理、化学以及生物的途径净化污水。水生植物在人工湿地污水净化中能直接吸收利用污水中可利用的营养物质、吸附和富集金属及其他有害物质。根系的生长常形成一个网络状的结构，在这个网络中根系不仅能直接吸附和沉降污水中的氮、磷等一些营养物质，而且还为微生物的吸附和代谢提供了良好的生物物化环境条件。附近的微生物通过代谢，消耗了水体中的溶解氧，使之呈现的厌氧状态有利于反硝化过程，从而能最大限度地除去污水中的N0₃ ^一。根系还能增强和维持介质的水力传输，有利于湿地系统的均匀布水，延长系统实际水力停留时间。另外，填料介质也能通过吸附、截留过滤和沉淀作用去除水中污物。因此，人工湿地实质上是一项人工构造工程，它是将污水有控制地投放到人工建造的类似于沼泽地的湿地上，并在其中填充土壤、砂子和砾石等填料混合组成的填料介质床。废水在床体的填料缝隙或床体表面流动，同时在床体表面种植芦苇、美人蕉、香蒲等水生植物形成一个独特的土壤一水生植物一微生物和基质组成的生态系统。

目前，人工湿地处理系统运用于污染河道治理时，其一般构建方法有两种：体外处理和体内处理。体外处理是在河道周边建立人工湿地，通过水泵将污水抽入人工湿地，处理后排入河道中，在暴雨时可将暴雨径流引入人工湿地中加以处理，以削减面源污染；体内处理是在河滩上构建人工湿地系统，在暴雨时可削减面源污染，在无雨天气可用水泵将污染河水抽到人工湿地中加以处理并排入河道中。以上两种人工湿地的构建方法将湿地系统与河道生态系统孤立开来，主要依靠水泵将河道内污水抽入人工湿地，处理后再排入到河道中。这样不但增加了湿地的运行成本，同时在一定程度上也限制了河道生态环境的改善。然而，虽然人工湿地技术作为一项建造和运行费用低、对富营养化水体具有较好净化效果的生态工程技术，但该项技术的应用在我国还处于起步阶段，尤其是在处理富营养化河水上的应用还不多见。基于此，申请人针对目前河流水体富营养化污染物浓度低、水量大、水位变化频繁、污染物浓度随季节变化较大等特点，提出了一种河道人工湿地的构建方法。

发明内容：

本发明的目的旨在与传统陆上湿地系统相比，提供一种具有结构简单，适合不同水深、自浮、管理方便，运行成本较低的利用人工浮岛构建河道人工湿地的方法。

为达到上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种利用人工浮岛构建河道人工湿地的方法，包括浮岛床体的构建与湿地植物的选择，具体步骤如下：

A.浮岛床体的构建

1)确定浮岛床体外形为长方形，置于河道边缘或中心；

2)确定浮岛种植单元采用流线形的外形边界；优选地，采用圆弧形轮廓结构最佳；

3)确定浮岛床体的深度：因为植物的最长根长越长，能为更深层次的基质提供氧气，所以根据植物的最长根长，确定人工湿地基质的设计厚度；

4)确定浮岛床体的空间布置：将浮岛床体中分割为多个种植单元，间隔一定的距离和角度，各种植单成交错状以提高水流滞留时间；这样河道会形成缓变与急变流交错的流态，增加水流掺气，使水体复氧增加，提高净化率；

5)选择浮岛床体的基质：选取吸附性强，有利于悬浮物吸附，价格便宜的原材料，其空隙适合植物根系的生长，渗透系数较大，不易在人工湿地中形成表面流(或短流)，因此，优选炉渣、珍珠岩作为浮岛床体的基质，能保证基质与污染物有效的接触，从而提高人工湿地的净化能力；

6)固定浮岛床体：采用框架式结构将人工浮岛运用打桩方法进行固定，优选PVC管作为框架，其中，PVC管较钢管耐磨性优，摩擦寿命可达钢管的2-4倍；PVC管的增强网复合在塑料内，管内外具有同等防腐性；PVC管具有良好的抗冲击强度和柔韧性；PVC管的重量轻，安装运输便捷经济；

B.湿地植物的选择

1)从优选本土植物、营养物吸收能力强、耐受水位变化能力强、抗寒能力强、根系发达、茎叶茂盛和生物量大、有经济价值、具有一定的景观美化功能的物种中确定湿地植物体系；

2)从湿地植物体系中选择一种或几种主要湿地植物，搭配栽种于人工浮岛的装置中，即构建成河道人工湿地的优化组合湿地植物，使整个生态系统高效运行，最终形成稳定可持续利用的生态系统。

本发明的方法构建的河道人工湿地是对现状河道进行局部整治改造，在河道中，构建人工湿地浮岛，利用河道自然水位变化和水流流经人工湿地达到对污水治理的目的。通过改变浮岛的外形边界，使表层水流沿着设计的流路和运动方式进行最优的水流交换，属于自由表面流湿地系统。为此，本发明构建的河道人工湿地既具有一般人工湿地的特点，又具有天然湿地的特征。同时由于天然河道水位季节的变化，创造了湿地内部干湿交替的环境，可以更好的修复湿地基质的物质性状，增强了湿地系统对污染物的吸收能力，也便于对湿地植物的收割。

与现有技术中人工湿地的构建方法相比，本发明的构建方法基于河道人工浮岛的设计，将浮岛床体的构建作为河道人工湿地的前提和基础，构建的类似于天然河流湿地的河道人工湿地，其结构简单，管理方便，运行成本较低，同时既可以美化环境，又提供了河道中水生动物与两栖动物的栖息地，为改善河道生态环境提供了更为有利的条件。

附图说明：

图1是本发明实施例中浮岛床体的空间布置示意图；

图2是本发明实施例中种植区中心浮岛的剖面示意图；

图3是本发明实施例中浮岛床体构建的框架结构图；

图中：1-移栽的芦苇，2-HPDE(聚乙烯)塑料网，3-PVC管组成的框架，4-底部托盘。

具体实施方式：

下面结合具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

以宁夏艾依河为实例，构建河道人工湿地的方法，具体步骤如下：

A.浮岛床体的构建：浮岛床体是构建河道人工湿地的前提和基础，其构建内容主要包括浮岛床体的外形边界、深度、空间布置、基质选择及固定。

1)模仿自然湿地的外形，浮岛床体的外形边界采用圆弧形轮廓结构进行布局设计；

2)根据植物的最长根长，确定人工湿地基质的设计深度，所选主要湿地植物为芦苇与凤眼莲：芦苇的根长在30cm左右，须根离水面50cm左右，且槎尖要高出水面5～10cm，于是在设计1.2m深的水中浮岛时，基质厚度就要达到20cm；在凤眼莲移栽中，由于其特殊的移栽方式，根部离水面要达到40cm，设计土壤厚度要达到40cm，所以基质厚度也要达到20cm；

3)如图1所示，确定浮岛床体的空间布置：将湿地床体位于河道两侧的滩地上，间隔一定的距离，浮岛床体扩展段整体呈半圆形，布置于样方两侧成犬牙交错状；

4)由于艾依河研究样地的地理生态特点以及富营养程度，其基质的配置会影响人工湿地植物的生长，最终影响人工湿地的净化能力，为此，选用炉渣、页岩作为浮岛床体的基质，如图2所示，为种植区中心浮岛的剖面示意图，浮岛床体中土壤的下层为基质；

5)如图3所示，采用框架式结构将人工浮岛运用打桩方法进行固定，选用PVC管作为框架，图中：移栽的芦苇1置于人工浮岛的装置中，人工浮岛通过打桩方式被固定在由PVC管组成的框架3内，沿着PVC管组成的框架3四周外围裹着HPDE(聚乙烯)塑料网2，浮岛床体以PVC板作为底部托盘4；

B.湿地植物的选择

a.湿地植物的选择原则

1)优先选用本土植物(尤其在气候适宜而植物物种丰富的地区)，要因地制宜，使所选植物能在该地区正常生长，适应当地的立地条件。此外，应慎重引入外来植物，尤其在临近湖泊水库的湖滨湿地中，避免引起生物安全性同题；

2)优先选用营养物吸收能力强的物种。主要考察植物对污水和土壤中氮和磷的吸收能力，吸收能力体现在其生物量与组织营养物含量两个方面；

3)优先选用耐受水位变化能力强的物种。这在雨季和旱季明显的地区，以及湖滨地区的人工湿地的全年稳定运行尤为重要；

4)优先选用抗寒能力强的物种。抗寒能力强的物种有助于保持寒冷季节和寒冷地区植物的活性和湿地在此期间和在此地区的去除效果；

5)优先选用根系发达、茎叶茂盛和生物量大的物种。植物吸收营养物的量增加，湿地内部的水流改善，透气性增强；

6)优先选择有经济价值的物种。通过收获这些植物的能产生经济价值的组织，如花卉、茎叶和果实等，可为湿地的运行和管理提供经费支持；

7)所选植物应具有一定的景观美化功能。这可改善湿地所在区域的小环境，而且可以提升湿地所在区域的旅游和教育价值。

由此，依据湿地植物的选择原则，从优选本土植物、营养物吸收能力强、耐受水位变化能力强、抗寒能力强、根系发达、茎叶茂盛和生物量大、有经济价值、具有一定的景观美化功能的物种中确定湿地植物体系；

b.为了增强河道人工湿地的污染物净化能力和景观效果，有利于湿地植物的快速生长，一般依据湿地植物的选择原则，从湿地植物体系中选择一种或几种作为主要湿地植物搭配栽种，使整个生态系统高效运行，最终形成稳定可持续利用的生态系统。但不同种类的湿地植物组合在一起，其污染物的吸收能力和景观效应等均存在着较大的差异。所以，在构建河道人工湿地选择湿地植物时一定要重视合理组合，使其具有较高的污染物净化能力、观赏价值以及经济价值等。

综合湿地植物的选择原则，艾依河研究样地植物主要选择芦苇和凤眼莲，即采用漂浮芦苇移栽和凤眼莲种植的手段，进行施工。

由于施工时，材料的密度与理论数据存在一定差异，对以艾依河研究样地的浮岛设计进行浮力验算，验算过程和结果如下：

由《工业设计手册》得到：

炉渣的密度ρ1＝0.9(g/cm3)

pvc板的密度ρ2＝1.6(g/cm3)

土壤的密度ρ3＝1.5(g/cm3)。

参照天然湿地芦苇群落生长情况，芦苇在湿地的空间密度ρ₄＝0.48

F_浮＝G_总

ρ_水gv_排＝ρ₁gv₁+ρ₂gv₂+ρ₃gv₃+ρ₄gv₄

v＝S×h

ρ_水gS×h_水＝ρ₁gh₁S+ρ₂gh₂S+ρ₃gh₃S+ρ₄gh₄S

ρ_水h_水＝ρ₁h₁+ρ₂h₂+ρ₃h₃+ρ₄h₄

h_水＝1.008≈1m

由上可知，通过浮力验算的结果显示，本发明的方法设计的浮岛符合设计要求。

Claims

1.一种利用人工浮岛构建河道人工湿地的方法，其特征在于：包括浮岛床体的构建与湿地植物的选择，具体步骤如下：

A.浮岛床体的构建

1)确定浮岛床体外形为长方形，置于河道边缘或中心；

2)确定浮岛种植单元采用圆弧形轮廓结构；

3)确定浮岛床体的深度：根据植物的最长根长，确定人工湿地基质的设计厚度；

4)确定浮岛床体的空间布置：将浮岛床体中分割为多个种植单元，间隔一定的距离和角度，各种植单元成交错状，使河道形成缓变与急变流交错的流态，增加水流掺气，使水体复氧增加，以提高水流滞留时间；

5)选择浮岛床体的基质：选用炉渣、珍珠岩作为浮岛床体的基质；

6)固定浮岛床体：采用框架式结构将人工浮岛运用打桩方法进行固定；浮岛床体采用PVC管作为框架；

B.湿地植物的选择

1)从本土植物、营养物吸收能力强、耐受水位变化能力强、抗寒能力强、根系发达、茎叶茂盛和生物量大、有经济价值、具有一定的景观美化功能的物种中确定浮岛种植的植物体系；

2)从本地湿地植物中选择一种或几种主要湿地植物，搭配栽种于人工浮岛的装置中，构建成河道人工湿地的优化组合湿地植物，使整个生态系统高效运行，最终形成稳定可持续利用的生态系统。

2.根据权利要求1所述的利用人工浮岛构建河道人工湿地的方法，其特征在于：所述从湿地植物体系中选择的主要湿地植物选自芦苇、香蒲、美人蕉、凤眼莲中的一种或两种以上。

3.根据权利要求2所述的利用人工浮岛构建河道人工湿地的方法，其特征在于：所述从湿地植物体系中选择的主要湿地植物选自芦苇与凤眼莲的搭配组合。