CN107724330A - 一种提升河道自净能力的生态系统及其构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及河道的自身净化的技术领域，具体涉及一种提升河道自净能力的生态系统及其构建方法。该系统包括河底的表层设有石块净化层的河道，在所述河道的两侧设置的边坡，以及间隔设置在所述河道上的渗滤坝；在所述石块净化层上还设有土壤层，所述土壤层上设有水体，在所述水体的表层设有水生植物群落层；在所述边坡上设置有生态袋，所述生态袋表面设有植被层。本发明根据不同的水质情况，通过化学、生物和生态方法分阶段构建完整的河道生态系统，在净化水质的同时，提升水体的自净能力，恢复水体原有的生态系统，不会产生二次污染，而且保证修复后的河道生态系统长期稳定的运行。

Description

一种提升河道自净能力的生态系统及其构建方法

技术领域

本发明涉及河道的自身净化的技术领域，具体涉及一种提升河道自净能力的生态系统及其构建方法。

背景技术

经济的高速发展，人口的快速增长、城市化的加速以及农业和工业的集约化发展，使得用水需求量越来越大，与此同时越来越多的污水和废水流入自然水体，进而造成水体污染日益严重，水体自净能力逐渐下降；同时河道生态系统的恢复力和抵抗力也令人堪忧，严重影响了河道生态系统的结构和功能。随着人类活动加强，河道的形态结构也发生了天翻地覆的变化，主要表现为：①河道纵向的蜿蜒性降低，河道渠道化和裁弯取直工程改变了天然河流的基本形态，出现了直线或折线形态的河流；②河道断面形状多样性降低，呈现几何规则化、单一化的断面形式；③河床材料由透水性能的材料变成硬质化的不透水性材料；④水利工程的建设（如筑坝、水库、堤岸）造成了河流形态表现出不连续性。河道形态结构的变化，河道生态系统形态多样性的降低，使得河道生态系统环境异质性降低，生物多样性降低，引起河道生态系统服务功能的降低，水体自净能力的下降。据调查显示，中国七大水系低于Ⅲ类标准的水所占比例竟高达58.2%，其中淮河的80.2%、松花江的78.1%、海河的74.6%、辽河的67.7%、黄河的63.6%、长江的27.9%和珠江的21.2%。而这些水系的污染一部分就是由支流小河道的污染所引起的，小河道水体生态系统治理迫在眉睫。河道受污染之后，会严重影响人们的视觉和嗅觉，给人们的生活带来诸多不便，其水质恶化对附近居民的健康和环境生态安全构成了严重威胁。由此可见，构建河道生态系统，提升河道水体自净能力已是社会经济发展与生态环境建设的迫切需要。

如何构建河道生态系统，提升河道水体自净能力，创造一个良好的生态环境，人们开展了大量的工作。目前国内外传统河道治理主要采取物理、化学方法和生物方法，具体内容包括人工曝气、清淤、修建溢流坝、换水、引水充淤泥、机械除藻等物理方法；絮凝沉淀、药剂除藻等化学方法和投加微生物菌剂、种植水生植物等生物方法。虽然这些方法在某种程度上都能起到一定的效果，但自身局限性较大，存在弊端：①物理方法和化学方法尽管行之有效，但是无法从根本上去除污染物提升河道水体自净能力，反弹效果明显，浪费了大量的人力、财力，实用性较差；②化学方法容易对环境造成二次污染，不宜使用；③生物方法所构造的系统结构简单，抗外界干扰能力弱，当外界干扰足够大时甚至可以直接摧毁系统结构；④受污染水质复杂，菌剂选择起来难度较大，而且大部分复合菌剂对水体污染物的去除效果较差。所以到目前为止，仍然没有任何单一的物理、化学或生物方法可以在有效去除水体污染物的同时提升河道自净能力。而构建河道生态系统以生态学为核心指导思想，结合物理、化学和生物方法，提供了一种可以有效去除受污染水体中污染物质并提升河道水体自净能力的方法。

发明内容

本发明提供了一种提升小河道自净能力的生态系统构建方法，根据不同的水质情况，通过化学、生物和生态方法分阶段构建完整的河道生态系统，在净化水质的同时，提升水体的自净能力，恢复水体原有的生态系统，不会产生二次污染，而且保证修复后的河道生态系统长期稳定的运行。

为了达到上述技术目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种提升河道自净能力的生态系统，该系统包括河底的表层设有石块净化层的河道，在所述河道的两侧设置的边坡，以及间隔设置在所述河道上的渗滤坝；在所述石块净化层上还设有土壤层，所述土壤层上设有水体，在所述水体的表层设有水生植物群落层；在所述边坡上设置有生态袋，所述生态袋表面设有植被层。

进一步，所述渗滤坝包括坝体和填料砌块，所述坝体为凹槽型结构，在所述凹槽中设有所述填料砌块。

进一步，所述石块净化层的厚度为4~8cm。

进一步，所述石块净化层包括沸石。

进一步，所述土壤层的厚度为4~8cm。

一种提升小河道自净能力的生态系统的构建方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一：河岸护坡的恢复：在河道两边的边坡上堆叠生态袋形成生态边坡表面，在所述生态边坡表面设置植被层，利用堆叠的生态袋和植被层进行护坡；

步骤二：河底环境的优化：利用原位覆盖修复技术在污染底泥的表面形成石块净化层，并在所述石块净化层的表面设置土壤层；

步骤三：水生植物群落构建：在所述步骤二中的土壤层上设有水体，在所述水体的表面设置水生植物群落层；

步骤四：渗滤坝修建：在所述河道上修建砌块式渗滤坝，改善河道水质条件，所述砌块式渗滤坝包括坝体和填料砌块，所述坝体为凹槽型结构，在所述凹槽中设有所述填料砌块。

进一步，所述水生植物群落层包括挺水植物群落、沉水植物群落中的一种或者多种。

本发明所产生的有益效果如下：

1、本发明构造的河道生态系统结构简单，结合砌块式渗滤坝，根据实际地形以及水文条件适当调整和完善后即可投入使用，且可持续性强，人为维护以及修复成本低，净化水质效果显著，水体自净能力能够得到大幅度提升。

2、本发明构建的生态系统具有一定的抗外界干扰能力，根据污染情况变化可随时调整系统构造，包括水生植物种植密度和渗滤坝填料种类等。水生植物生长能够大量吸收水体中的营养盐类，而沉水植物可以通过根部吸收底质中的氮磷，二者相辅相成，能够使河道水体在污染物高效去除的同时自净能力达到最佳效果，而且不会产生任何污染物。

3、本发明所采用的砌块式渗滤坝相比较传统的坝体而言，更加灵活实用，对河道水质改善和污染物去除效果更加显著，当洪水来临前，可人工迅速搬出砌块式填料以保证洪水安全通过，可操作性强。

4、本发明的水生植物群落和渗滤坝的充分结合能够最大限度地发挥整个生态系统的优势，进一步处理受污染水体，从而提升河道自净能力。

附图说明

图1为本发明的河道生态系统俯视图；

图2为本发明的河道纵剖面图；

图3为本发明的生态护坡剖视图；

图4为本发明的生态袋护坡三角型生态袋结构；

图5为本发明的渗滤坝完整剖视图。

图中：1-挺水植物、2-边坡、3-沉水植物、4-渗滤坝、5-河道底泥、6-石块净化层、7-生态袋、8-坝体、9-填料。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例来进一步详细的说明本发明，但本发明的保护范围并不限于此。

实施例1

以某地的一条河道为实例，该河道属于自然河道，东起某水库，西至某河，全长大约3km，平均宽度和深度分别为8m和1.2m。两岸大部分为自然土坡护岸，雨水冲刷受损情况严重，河道出现轻微淤泥堆积，河床底部被抬高。河道两岸均为农田，周边以居民为主，附近仅有生活污水排放排入河道，属于面源污染，造成部分河道污染严重。

如图1~图5所示，一种提升河道自净能力的生态系统，该系统包括河底的表层设有石块净化层6的河道，在所述河道的两侧设置的边坡2，以及间隔设置在所述河道上的渗滤坝4；在所述石块净化层上还设有土壤层，土壤层上设有水体，在所述水体的表层设有植被层；在所述边坡2上设置有生态袋7，所述生态袋7的表面设有植被层。优选的，所述渗滤坝4包括坝体8和填料砌块9，所述坝体8为凹槽型结构，在所述凹槽中设有填料砌块9。

一种提升小河道自净能力的生态系统的构建方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：河岸护坡的恢复，在河道两边的边坡2上堆叠生态袋7形成生态边坡表面，在所述生态边坡表面设置植被层，利用堆叠的生态袋和植被层进行护坡。结合生态袋护坡进行完善，生态袋规格采用115cm×50cm，生态袋护坡采用力学三角结构法，通过将装满植物生长基质的生态袋7沿边坡2的表面层层堆叠的方式在边坡表面形成一层适宜植物生长的基质。同时通过连接配件将袋与袋之间，层与层之间，生态袋与边坡表面之间完全紧密的结合起来，达到牢固的护坡作用。由于采用生态袋护坡所创造的边坡表面生长环境较好，可达到30-40cm厚的基质土壤层，在该基质土壤层上面设置植被层，以株距为8-12m种植草本植物、小型灌木等，能够形成茂盛的植被效果，在堆叠好的生态袋表面采用绿化手段播种或栽植植物，达到恢复植被的目的。植被的根系在固定岸坡的同时可以吸附水体，涵养水分，截留吸收污染物，减轻降雨所形成的地表径流对河道以及护坡的冲击。

步骤二：河底环境的优化，利用原位覆盖修复技术在污染底泥的表面形成石块净化层6，并在所述石块净化层的表面设置土壤层。将河底的淤泥清除，在所述河底表层覆盖一层清洁的沸石作为石块清洁层6，通过在河底添加石块的方式构造复杂化的河道微环境。在污染河道底泥5的表层铺一层5cm厚度的清洁沸石使底泥物水体隔绝，抑制底泥污染物向水体释放，可以吸附水体中的絮凝物，提高水体透明度，同时可以降解水体中营养物，有效去除难降解的污染物。在沸石表面根据水生植物的种植密度均匀铺设厚度约为5cm的干净土壤，为水生植物提供一定的营养基质和适宜的生活环境。

步骤三：水生植物群落构建，在所述步骤二中的土壤层上设有水体，在所述水体的表面设置水生植物群落层。种植挺水植物1、沉水植物3，在河底环境优化后的河道内均匀种植挺水植物1和沉水植物3。挺水植物1在河道进行片植或丛植，荷花、睡莲和水葱可适当进行搭配，株行距控制在8-10cm左右。沉水植物3面积达到河道面积的40%-60%，轮叶黑藻、穗花狐尾藻和金鱼藻按照1:1:1制成复合式草皮，直接铺于河道底部并固定；对于软底泥在10cm以上，水深0.5至2.0m甚至更深的水系，可用叉子种植法；对于不适宜沉水植物存活的区域，可用长竹竿悬挂沉水植物生长网箱，借助其作用在水中生长。

步骤四：渗滤坝修建，在所述河道上修建砌块式渗滤坝4，改善河道水质条件，所述砌块式渗滤坝4包括坝体8和填料砌块9，所述坝体8为凹槽型结构，在所述凹槽中间嵌入所述填料砌块9。在一段河道上每隔200-300m修建一座渗滤坝4，控制水流速度，增加水体滞留各段的时间，提高处理效率。渗滤坝4根据河道具体地质条件修建，坝宽与河道宽等同，坝长8-12m，坝高1.0-1.5m，可根据实际情况调整。渗滤坝填料采用无机陶粒和石英砂组合而成的粒状填料，填料包络结构为长方体，规格采用20×30×40cm，便于拆卸和维护。通过渗滤坝填料中无机陶粒和石英砂组成的过滤层截留悬浮物，坝体内附着微生物分解、去除水中污染物。

后期的系统维护，对整个生态系统及时更新维护，其中包括河岸护坡的维护、水生植物群落的完善、填料的更换和渗滤坝的后期修缮工作。分区域检查河岸护坡情况，发现护坡损坏、雨水冲刷严重或生态袋破损等情况及时进行维修处理，避免情况加剧。对水生植物进行日常杂草清除、修剪和清理，通常每年的11月份霜降以后进行水生植物收割；定期打捞水面浮叶以及水生植物残体，对枯死的水生植物实施更新补种；待沉水植物生物量增加到一定数量时，在其死亡之前将其收割移除，以防止其残体腐烂后对水质的影响。当填料砌块被严重损坏或填料有流失现象时更换填料砌块，严格按照操作规程进行操作，发现问题及时处理；当洪水来临时，及时抽掉填料，做好排洪准备，控制水位在适合水生植物生存的深度。在维护期内按时巡查渗滤坝的状况，包括坝体结构、地基情况，发现问题及时采取措施以增加坝体稳定性和安全性，实现河道生态系统可持续性。

本发明充分运用了生态学理论，能够最大限度地利用所构建的生态系统，净化水质，提升自净能力。运用生态袋进行生态护坡建设，一方面可以在原有的护坡基础上改良固化河床，另一方面生态袋护坡稳定，具有透水不透土的渗透功能，在一定程度上可以缓解污染物富集现象，利于生态系统的快速恢复。河底环境的优化通过河底添加石块构造复杂化的河道微环境；利用原位覆盖修复技术处理污染底泥等方法实现，可以基本完成河道水体污染物的预处理过程。选择挺水植物是因为其生长过程除吸收大量营养盐、重金属等污染物外，在光照方面与沉水植物形成竞争关系，抑制沉水植物的生长，保证生态系统平衡；同时沉水植物可以通过根部吸收底质中的氮磷，具有很强的富集能力，而且还有着巨大的生物量，与环境进行着大量的物质和能量交换，形成了庞大的环境容量和强有力的自净能力，所以采用挺水植物与沉水植物相结合的形式构建水生植物群落系统。选择新型砌块式渗滤坝是因为它作为一种水平流的快速渗滤系统，对河道水质改善，特别是对颗粒物去除具有显著的效果，而且填料能够快速更换和维护，方便快捷，可操作性强。坝体上下形成两种不同流态的生态环境，上游水流缓慢，水力停留时间增加，能够增加上游水生植物对水质的要求；同时水体流经渗滤坝后产生跌水曝气效果，对水体进行复氧。渗滤坝的修建进一步改善了水质情况，提升了水体自净能力。

实施例2

以某地的一条河道为实例，该河道属于城镇河道，东起某水库，西至某河，全长大约5km，平均宽度和深度分别为10m和1.5m。两岸除部分河段为浆砌石护岸外，大部分为自然土坡护岸，浆砌石护岸严重阻碍了河道水体与地下水体的交换，自然土坡护岸部分出现坍塌现象。河道出现淤泥堆积现象严重，河床底部被明显抬高。河道西侧为居民，东侧为鱼塘，生活污水和鱼塘用水排入河道，造成河道水体污染严重，水体富营养化现象明显，伴随着黑臭现象。

如图1~图5所示，一种提升河道自净能力的生态系统，该系统包括河底的表层设有石块净化层的河道，在所述河道的两侧设置的边坡，以及间隔设置在所述河道上的渗滤坝；在所述石块净化层上还设有土壤层，所述土壤层上设有水体，在所述水体的表层设有水生植物群落层；在所述边坡上设置有生态袋，所述生态袋表面设有植被层。优选的，所述渗滤坝包括坝体和填料砌块，所述坝体为凹槽型结构，在所述凹槽中设有所述填料砌块。

一种提升小河道自净能力的生态系统的构建方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：河岸护坡的恢复：在河道两边的自然边坡2上堆叠生态袋7结合浆砌石护坡形成生态边坡表面，在所述生态边坡表面设置植被层，利用堆叠的生态袋和植被层进行护坡。同时把浆砌石护岸部分全部去除，用生态袋护坡进行完善，生态袋规格采用115cm×50cm，生态袋护坡采用力学三角结构法，通过将装满植物生长基质的生态袋沿边坡表面层层堆叠的方式在边坡表面形成一层适宜植物生长的基质。同时通过连接配件将袋与袋之间，层与层之间，生态袋与边坡表面之间完全紧密的结合起来，达到牢固的护坡作用。由于采用生态袋护坡所创造的边坡表面生长环境较好，可达到30-40cm厚的基质土壤层，在该基质土壤层上面设置植被层，以株距为8-12m种植草本植物、小型灌木等，能够形成茂盛的植被效果，在堆叠好的生态袋表面采用绿化手段播种或栽植植物，达到恢复植被的目的。植被的根系在固定岸坡的同时可以吸附水体，涵养水分，截留吸收污染物，减轻降雨所形成的地表径流对河道以及护坡的冲击。

步骤二：河底环境的优化：利用原位覆盖修复技术在污染底泥的表面形成石块净化层6，并在所述石块净化层6的表面设置土壤层。将河底的淤泥清除，在所述河底表层覆盖一层清洁的沸石作为石块清洁层6，通过在河底添加石块的方式构造复杂化的河道微环境。在污染河道底泥5的表层铺一层8cm左右厚度的清洁沸石使底泥物水体隔绝，抑制底泥污染物向水体释放，可以吸附水体中的絮凝物，提高水体透明度，同时可以降解水体中营养物，有效去除难降解的污染物。在沸石表面根据水生植物的种植密度均匀铺设厚度约为8cm的干净土壤，为水生植物提供一定的营养基质和适宜的生活环境。

步骤三：水生植物群落构建：在所述步骤二中的土壤层上设有水体，在所述水体的表面设置水生植物群落层。种植挺水植物、沉水植物，在河底环境优化后的河道内均匀种植挺水植物1和沉水植物3。挺水植物1在河道进行片植或丛植，荷花、睡莲和水葱可适当进行搭配，株行距控制在6-8cm左右。沉水植物3面积达到河道面积的50%-60%，轮叶黑藻、穗花狐尾藻和金鱼藻按照3:1:1制成复合式草皮，直接铺于河道底部并固定；对于软底泥在10cm以上，水深0.5至2.0m甚至更深的水系，可用叉子种植法；对于不适宜沉水植物存活的区域，可用长竹竿悬挂沉水植物生长网箱，借助其作用在水中生长。

步骤四：渗滤坝修建：在所述河道上修建砌块式渗滤坝4，改善河道水质条件，所述砌块式渗滤坝4包括坝体8和填料砌块9，所述坝体8为凹槽型结构，在所述凹槽中设有所述填料砌块9。在一段河道上每隔200-300m修建一座渗滤坝4，控制水流速度，增加水体滞留各段的时间，提高处理效率。渗滤坝4根据河道具体地质条件修建，坝宽与河道宽等同，坝长8-12m，坝高1.0-1.5m，可根据实际情况调整。渗滤坝填料采用由陶瓷、石墨金刚砂、塑料或金属制成的不规则多孔填料，填料包络结构为长方体，规格采用20×30×40cm，便于拆卸和维护。通过渗滤坝填料由不规则多空填料组成的过滤层截留悬浮物，坝体内附着微生物分解、去除水中污染物。

实施例1和实施例2在不同情况下的系统结构调整及实施效果如表1所示：

表1为不同情况下的系统结构调整及实施效果

实施例	污染情况	水生植物密度调整	填料调整	实施效果
					实施例1	生活污水面源污染，河道淤泥轻微堆积。	挺水植物株行距控制在8-10cm左右。沉水植物面积达到河道面积的40%-60%，轮叶黑藻、穗花狐尾藻和金鱼藻按照1:1:1。	渗滤坝填料采用无机陶粒和石英砂组合而成的粒状填料。	形成完整的河道生态系统，能基本去除河道污染物质，提高水体透明度，水体自净能力得到提高。
实施例2	生活污水和鱼塘废水污染，河道淤泥堆积严重，水体富营养化并伴随黑臭现象。	挺水植物株行距控制在6-8cm左右。沉水植物达到河道面积的50%-60%，轮叶黑藻、穗花狐尾藻和金鱼藻按照3:1:1。	渗滤坝填料采用由陶瓷、石墨金刚砂、塑料或金属制成的不规则多孔填料。	形成完整的河道生态系统，能有效解决水体富营养化现象，黑臭现象得到抑制，水体自净能力得到提高。

要说明的是，上述实施例是对本发明技术方案的说明而非限制，所属技术领域普通技术人员的等同替换或者根据现有技术而做的其它修改，只要没超出本发明技术方案的思路和范围，均应包含在本发明所要求的权利范围之内。

Claims (7)

1.一种提升河道自净能力的生态系统，其特征在于，该系统包括河底的表层设有石块净化层的河道，在所述河道的两侧设置的边坡，以及间隔设置在所述河道上的渗滤坝；在所述石块净化层上还设有土壤层，所述土壤层上设有水体，在所述水体的表层设有水生植物群落层；在所述边坡上设置有生态袋，所述生态袋表面设有植被层。

2.根据权利要求1所述的一种提升河道自净能力的生态系统，其特征在于，所述渗滤坝包括坝体和填料砌块，所述坝体为凹槽型结构，在所述凹槽中设有所述填料砌块。

3.根据权利要求1所述的一种提升河道自净能力的生态系统，其特征在于，所述石块净化层的厚度为4~8cm。

4.根据权利要求1所述的一种提升河道自净能力的生态系统，其特征在于，所述石块净化层包括沸石。

5.根据权利要求1所述的一种提升河道自净能力的生态系统，其特征在于，所述土壤层的厚度为4~8cm。

6.基于权利要求1所述的一种提升小河道自净能力的生态系统的构建方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一：河岸护坡的恢复：在河道两边的边坡上堆叠生态袋形成生态边坡表面，在所述生态边坡表面设置植被层，利用堆叠的生态袋和植被层进行护坡；

步骤二：河底环境的优化：利用原位覆盖修复技术在污染底泥的表面形成石块净化层，并在所述石块净化层的表面设置土壤层；

步骤三：水生植物群落构建：在所述步骤二中的土壤层上设有水体，在所述水体的表面设置水生植物群落层；

步骤四：渗滤坝修建：在所述河道上修建砌块式渗滤坝，改善河道水质条件，所述砌块式渗滤坝包括坝体和填料砌块，所述坝体为凹槽型结构，在所述凹槽中设有所述填料砌块。

7.根据权利要求6所述的一种提升小河道自净能力的生态系统的构建方法，所述水生植物群落层包括挺水植物群落、沉水植物群落中的一种或者多种。