CN109252487B - 一种用于生态恢复和防护的工字坝及其生态工法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于生态恢复和防护的工字坝及其生态工法，涉及地表自然或人工水陆交错带水向缓冲区的生态恢复和防护领域，采用石笼填装石料或土壤，或筐笼填装土壤，或土工织物沙袋填装沙石料，或采用生态混凝土，或抛石，或采用预制石块来构筑工字坝，改善水陆交错带水向缓冲区恢复的生境条件，增强消浪消能，促使沉积淤积，诱导动植物恢复，提高生物多样性，捕获藻类，强化植被型岸边带的脱氮除磷等净化过程，工字坝措施促使湖泊等水体的悬浮颗粒物或沉积物由竖向沉积变成横向沉积，所携带污染物由纵向释放至上覆水体转为在水岸边缘带植被区释放，在工字坝之间坝田区形成若干个草型小湖，最终由目前的藻型水体转化为草型水体。

Description

一种用于生态恢复和防护的工字坝及其生态工法

技术领域

本发明涉及地表自然或人工水陆交错带水向缓冲区的生态恢复和防护领域，尤其适用于水体的内源、外源污染协同控制，及过流水体污染控制，具体为一种用于水陆交错带水向缓冲区生态恢复和防护及实现藻型水体向草型水体转化的工字坝及其生态工法。

背景技术

丁字坝是前人发明的较常用于水陆交错带消浪和防护的水工建筑物。然而，传统的丁字坝虽然具有一定的规模，但作用单一，普遍用于航道整治。由于传统的丁字坝仅为与沿岸成一定角度向外伸出的坝体，形态结构单一，且多采用抛石、桩体(钢桩、木桩或水泥桩)或以普通混凝土(砼)构筑，丁字坝没有全面考虑加速水陆交错带或水陆交错带水向缓冲区生态恢复、拦截和控制藻类、营造水景建设、促使生物多样性保育、水质净化以及实现藻型水体向草型水体转化等综合功能，传统不透水的坝体亦不利于水陆交错带水向缓冲区水体生物多样性的保育，在拦控和降解藻类效果以及促使藻型水体向草型水体转化方面的功能较弱。

因此，亟需开发一种全面考虑加速水陆交错带水向缓冲区生态恢复、拦截和控制藻类、营造水景建设、促使生物多样性保育、水质净化以及实现藻型水体向草型水体转化的新型坝体及坝体的生态工法。

发明内容

为了克服传统丁字坝的上述缺陷，本发明人进行了锐意研究，根据仿生学提供了一种多功能工字坝，所述工字坝包括竖坝和横坝，竖坝坝根与岸边线以设定角度连接，横坝坝身与竖坝的坝头相交，工字坝的坝顶优选与水陆交错带水向缓冲区常水位齐平。工字坝用以加速岸边带生态恢复、拦截和控制藻类、消减波浪波能并保护岸边带的结构，提升岸边区或景观水体的水质和生物多样性，逐步实现藻型水体向草型水体的转化，从而完成本发明。

本发明的目的在于提供以下技术方案：

(1)一种用于生态恢复和防护的工字坝生态工法，包括以下步骤：

步骤1)，准备固体基材或形成填装体；

步骤2)，将固体基材或填装体放入水体中，构筑竖坝100；

步骤3)，构筑坝身与竖坝100的坝头相交的横坝200，形成工字坝。

所述工字坝在水平维度上可以有N层，N为1至5，优选为1至4，更优选为2至3，优选由此形成工字坝群或工字坝场，例如，根据岸边带和水体生态恢复目标，构筑该多层工字坝组成的工字坝群或工字坝场，优选地，可以开展工字坝的分期建设，建设期数以达到生态恢复目标为准，在第一期工字坝的基础上，由岸边向水体外部延伸，构建多期工字坝，形成所述工字坝群或工字坝场；

优选地，构筑工字坝的期数为1～5期，优选为1～4期，更优选为2～3期，分别对应形成多层工字坝。

(2)一种用于生态恢复和防护的工字坝或工字坝群，优选通过上述所述的生态工法构筑，

所述工字坝包括坝根与岸边线以设定角度连接的竖坝100和坝身与竖坝100的坝头相交的横坝200，工字坝群的坝田区底部有泥沙层，优选该泥沙层在不同时期形成，其上可自然生长或人工栽种水生植物或湿生植物，优选各种挺水植物，例如芦苇；和/或

所述工字坝群包括多层工字坝，优选地，所述工字坝群分多期构筑；更优选地，工字坝群中工字坝在沿岸边线方向上呈平行排列，在与岸边线垂直方向上呈交错式排列；或者工字坝群包括复合式工字坝或混合类工字坝。

(3)根据上述(2)所述的工字坝或工字坝群的用途，用于生态恢复和防护，尤其适用于水体的内源、外源污染协同控制，及过流水体污染控制，优选用于地表自然或人工水陆交错带水向缓冲区的生态恢复和防护，

更优选工字坝或工字坝群措施促使水体如湖泊、河流、水库、河口、湿地的悬浮颗粒物或沉积物由竖向沉积变成横向沉积，所携带污染物由纵向释放至上覆水体转为在水岸边缘带植被区释放，诱导水生植物或湿生植物恢复，使工字坝至岸边线之间过渡区域即坝田区形成若干个草型小湖，最终由目前的藻型水体转化为草型水体。

根据本发明提供的一种用于生态恢复和防护的工字坝及其生态工法，具有以下有益效果：

(1)在水体运用工字坝技术和人工诱导生境恢复技术，减缓水陆交错带的岸边侵蚀，促使泥沙沉积和淤积，为水生植被恢复创造条件；工字坝采用自然材料或生态混凝土材料或预制石块构筑，可依靠自然力在工字坝上或工字坝与岸边带之间坝田区恢复水生植物；

(2)工字坝技术改善了水陆交错带生态环境，为高等植物由水陆交错带向水体繁衍和演替，进行生态恢复提供了一条新的途径；

(3)通过构筑长有植物或依靠自然力恢复植物的工字坝工程，来捕获富营养化水体中的藻类，并在水陆交错带岸边缓冲区内进行消化降解，从而减少开阔水域内的藻类，改善受纳水体的水质；

(4)工字坝或工字坝群促使湖泊等水体中的悬浮颗粒物或沉积物由竖向沉积变成横向沉积，所携带污染物由纵向释放至上覆水体转为在水岸边缘带植被区释放，在工字坝与岸边线组成的坝田区内形成若干个草型小湖，最终由目前的藻型水体转化为草型水体。

附图说明

图1示出本发明中一组两个工字坝的平面布局示意图，为图3中标号3所圈定部位的放大图；

图2示出本发明中一组三个工字坝的平面布局示意图，其中的箭头方向指示水流、泥沙颗粒物及藻类等进入工字坝后的运移方向；

图3示出工字坝群的平面布局示意图；

图4示出图1中工字坝A-A’断面的示意图。

附图标号说明：

100-竖坝；

200-横坝；

300-槽口；

1-陆地；

2-水体；

3-工字坝群中的相邻两个工字坝；

4-陆地与水体相接的岸边线；

5-第一期实施的工字坝；

6-第二期实施的工字坝；

7-第三期实施的工字坝；

8-工字坝上方的水生植物；

9-工字坝与岸边带之间水域的水生植物；

10-沉积的泥沙；

11-新沉积的泥沙。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

本发明的目的是提供一种用于生态恢复和防护的生态工法，包括以下步骤：

步骤1)，准备固体基材或形成填装体；

步骤2)，将固体基材或填装体放入水体中，构筑坝根与岸边线以设定角度连接的竖坝100；

步骤3)，构筑坝身与竖坝100的坝头相交的横坝200，形成工字坝。

本发明中，所述生态工法是指基于对物种保育、生物多样性保护、及生态永续发展的认识而提出的一种新的施工技术。

本发明中，所述坝身为工字坝、横坝或竖坝的主体；所述坝头为竖坝上伸向外部水体的一端；所述坝根为第一层工字坝的竖坝上与岸边线连接的一端，或者第N(N＞1)层工字坝的竖坝上伸向岸边线方向的一端。

在本发明中，步骤1)中，所述固体基材为石料、砂石料、土壤、生态混凝土(生态砼)或预制各种形状的石块(简称：预制石块)；以石笼填装石料或土壤，或以筐笼填装土壤，或以沙石料外覆土工织物以形成填装体。即以所述石笼内装石料或土壤，或以筐笼填装土壤，或以沙石料外覆土工织物构筑，或以抛石法，或以生态混凝土块体，或以各种预制石块(如T型石)等多种方式，来构筑工字坝。

石料、砂石料、土壤、生态混凝土(生态砼)或预制石块，相较于普通混凝土(砼)，可改善水陆交错带水向缓冲区恢复的生境条件。石料、砂石料、土壤或生态混凝土对水体中的氨氮的吸附、交换和富集过程，可有效降低水体中氨氮的浓度，同时其还可以吸附其他污染物质，作为微生物附着的载体，为微生物对污染物质的降解提供反应场所。

其中，所述石料选自在水体中能保持稳定的任何石料，优选为砾石、沸石、方解石、火山石、鹅卵石、石灰石、蛭石等任意一种或多种，更优选为多种石料混合使用。上述石料具有一定的污染物质吸附、富集功能，增加了对水体的净化容量，提升了净化潜力。例如火山石内外平均空隙率在40％左右，对水的阻力小，同时与同类滤料相比，所需滤料量少，同样能达到过滤水体的目的；比表面积大、开孔率高且惰性，有利于微生物的接触挂膜和生长，保持较多的微生物量，有利于微生物代谢过程中所需的氧气与营养物质及代谢产生的废物的传质过程。

在一种优选的实施方式中，所述石笼为金属网箱石笼、金属格宾网笼或金属丝蛇笼，其包括多种规格但不限于如4m×1m×1m，3m×1m×1m，2m×1m×1m，2m×1m×0.5m，1m×1m×0.5m等，这些规格可进行组合使用，以满足坝体的构筑需求。

在一种优选的实施方式中，所述石笼与填料之间衬垫透水土工织物或者小孔径玻璃纤维土工格栅，避免填料泄露。

由于在有些水体其下部流速高于上部流速，且下部泥沙量多质粗，若固体基材或填装体以无规则堆积构筑工字坝，则下部水体流速受抑情况更加突出，影响工字坝内外水流交换，且泥沙难以随水流透过石笼构筑的坝体进入坝田区，降低泥沙淤积量，影响生态恢复。

考虑到上述问题，本发明一种优选的实施方式中，工字坝采取垂向上的分层、不同质建设，石料采取级配方式填装到石笼中，使用于构筑坝底的石笼内填装大粒径石料，用于构筑坝顶的石笼内填装小粒径石料；或以抛石法构筑工字坝时，先抛放较大粒径的石料于下层，再抛放较小粒径的石料于上层。

在本发明步骤2)中，将固体基材或填装体放入水体中，构筑至少两条其坝根与岸边线以设定角度连接的竖坝100；

步骤3)中，构筑至少两条其坝身与竖坝100的坝头相交的横坝200，岸边线、横坝200和竖坝100形成工字坝。

在一种优选的实施方式中，如图1和图2所示，所述竖坝100近似垂直于岸边线(正挑式竖坝)，即与岸边线夹角α为85°≤α≤95°。此时，横坝200近似平行于岸边线(即与岸边线夹角小于5°)且坝身与竖坝100的坝头相交。或者在水流方向上，横坝200与岸边线夹角β为5°＜β＜175°，且坝身与竖坝100的坝头相交，此时，横坝200与岸边线的平行性较小。

在另一种优选的实施方式中，在水流方向上，所述竖坝100与岸边线夹角α为95°＜α＜175°(上挑式竖坝)。此时，横坝200可近似平行于岸边线且坝身与竖坝100的坝头相交；或者在水流方向上，横坝200与岸边线夹角β为5°＜β＜175°，且坝身与竖坝100的坝头相交。

在另一种优选的实施方式中，在水流方向上，所述竖坝100与岸边线夹角α为5°＜α＜85°(下挑式竖坝)。此时，横坝200可近似平行于岸边线且坝身与竖坝100的坝头相交；或者在水流方向上，横坝200与岸边线夹角β为5°＜β＜175°，且坝身与竖坝100的坝头相交。

本发明中，竖坝100的方向即为竖坝主轴线方向，横坝200的方向即为横坝主轴线方向。

工字坝中竖坝100和横坝200与岸边线的角度的设定依据工字坝的使用环境确定。例如，工字坝用于湖泊中，水流速度相对慢且水流方向可变，此时，所述竖坝100近似垂直于岸边线，横坝200近似平行于岸边线且坝身与竖坝100的坝头相交。而若工字坝用于河流中，水流速度相对快且主水流方向近似确定，为更好地消浪消能，可使所述竖坝100与岸边线夹角α为95°＜α＜175°，横坝200近似平行于岸边线且坝身与竖坝100的坝头相交。上述仅为示例性说明，并不对特定环境下工字坝的结构和布设进行强制性限制。

在一种优选的实施方式中，将固体基材或填装体放入水体中之前，依据水体流域面积确定工字坝的构筑区域。在工字坝的构筑区域需要预先开挖一平整的地基区域，铺设土工织物作为垫层，然后将填装石料或土壤的石笼、筐笼、其他填装体或固体基材等构筑材料按秩序放入水体。铺设土工织物辅以对地基区域进行平整，使石笼或生态混凝土块体等构筑材料稳定伫立在水体中，利于工字坝在水体中的长期稳定。

在一种优选的实施方式中，工字坝坝体顶部高于、低于常水位，或与常水位齐平，优选工字坝坝体顶部与常水位齐平，以利于工字坝上水生植物或湿生植物的生长，加速岸边带生态系统恢复。

在一种优选的实施方式中，如图1和图2所示，两个相邻工字坝的横坝200之间不连接，存在设定距离，以形成槽口300。槽口300的存在，使得水浪或水流携带泥沙等悬移质和浮游植物等生物体冲击坝体时，泥沙和浮游植物等通过槽口300进入并停留在两工字坝围成的小湖即坝田区中。槽口300的半开放性使得泥沙和浮游植物等不断涌入，沉积或停留在坝体侧边或岸边线边沿，难以全部离开，降低了外部水体中浮游植物对水面的遮蔽，同时泥沙等悬移质的沉积和淤积有利于非浮游水生植物的生长，诱导和带动非浮游水生植物恢复，抑制浮游植物生长，有利于实现藻型水体向草型水体的转化，强化植被型岸边带的脱氮除磷等净化过程。

在一种优选的实施方式中，所述工字坝的竖坝100和横坝200其的坝体纵断面为下宽上窄的梯形结构或阶梯型结构，竖坝100和横坝200的坝体两侧斜边延伸至坝底，有效减缓水浪和水流对坝体的冲击。竖坝100和横坝200的坝体两侧斜边的倾斜角度为15°～60°，优选为30°～45°。

在一种优选的实施方式中，在构筑好的工字坝坝底两侧堆放碎石或鹅卵石，对工字坝坝体的主体结构起保护作用，提高抗冲击能力。

在本发明中，工字坝在水平维度上可以有N层，N为1至5，优选为1至4，更优选为2至3，优选由此形成工字坝群或工字坝场。

工字坝群或工字坝场可同期同步建设，或者根据岸边带和水体生态恢复目标，开展工字坝的分期建设，建设期数以达到生态恢复目标为准。

如图3所示，工字坝群以陆地1为基线，向水体2构筑；在第一期工字坝的基础上，向水体外部延伸，构建多期工字坝，形成工字坝群或工字坝场。在陆地与水体相接的岸边线4外围构筑第一期实施的工字坝5，在第一期实施的工字坝5基础上构筑第二期实施的工字坝6，在第二期实施的工字坝6基础上构筑第三期实施的工字坝7，以此类推。每期实施的工字坝群中不少于两个工字坝，工字坝群中的相邻两个工字坝3形成槽口300，便于泥沙等悬移质流进堆积及藻类拦截、捕获和控制。

优选地，工字坝群的构筑期数为1～5期，优选为1～4期，更优选为2～3期，分别对应形成多层工字坝。

在一种优选的实施方式中，如图3所示，所述工字坝群中的多期工字坝在沿岸边线方向上呈平行排列，即各期工字坝的横坝200相互平行，竖坝100相互平行。

所述工字坝群中的多期工字坝在与岸边线垂直方向上呈交错式排列，如第二期工字坝的竖坝100和第一期工字坝的竖坝100不共线，第三期工字坝的竖坝100和第二期工字坝的竖坝100不共线，而和第一期工字坝的竖坝100共线，实现水流路径和流场的蜿蜒曲折化，延长水力停留时间。随着工字坝实施后的自然沉降、沉积和植被诱导恢复及演替，在陆地和水体之间的坝田区会形成多个草型小湖。

在另一种优选的实施方式中，工字坝群可以因地制宜地包括复合式工字坝或混合类工字坝。

根据岸边带和水体生态恢复状况，各期或各层工字坝的规模、构筑方式、工字坝结构形式等可不同。在规模方面，第一期(层)工字坝与第二期(层)或与其他期(层)工字坝构筑的个数不同、纵坝长度不同、横坝长度不同、槽口宽度不同、栽种的水生植物的种类和数量不同等。在构筑方式方面，第一期(层)工字坝以稳定性优先计，优选采用石笼构筑，而后续多期(层)工字坝考虑水流、培养植被生长等方面可采用其它构筑方式如抛石法或土壤沙袋堆积构筑等。在工字坝结构形式方面，多期(层)工字坝在沿岸边线方向上可不平行构建或呈不规则性性构建，即各期(层)工字坝中或各期(层)工字坝之间的所有竖坝100与岸边线夹角不具有统一性，所有横坝200与岸边线夹角不具有统一性。

工字坝尤其是工字坝群的建设使得工字坝与岸边线之间的过渡区域即坝田区泥沙沉积大于泥沙冲刷；每年冬春季优选水体水位下降，坝体和坝田区沉积的泥沙裸露增加，以利晒滩养滩，使水生植物养息、生根。工字坝或工字坝群措施促使湖泊、河流、水库、河口、湿地等水体的悬浮颗粒物或沉积物由竖向沉积变成横向沉积，所携带污染物由纵向释放至上覆水体转为在水岸边缘带植被区释放，诱导水生植物或湿生植物恢复，在坝田区形成若干个草型小湖，最终由目前的藻型水体转化为草型水体。

在一种优选的实施方式中，在工字坝坝体上部设置凹槽，凹槽中撒放种植土，然后是水生植物或湿生植物的种子，再撒上种植土作为保护。或者在工字坝的坝体上层内衬土工织物或植物枝条编织的种植筐笼，再连根带土移植附近流域土著种的植物；或者在工字坝的坝体上层土工织物内或筐笼内填装石料、土壤和植物种子的混合物；或者不撒植物种子依靠自然力恢复。

在进一步优选的实施方式中，在工字坝和岸边线之间的过渡区域(坝田区)堆放碎石或鹅卵石，撒上种植土，选择性地种植景观植物、水生植物或湿生植物；或者在过渡区内域内不种植物，任其自然繁衍恢复和逐步演替水生植物。

在工字坝上种植水生植物或湿生植物的作用一方面是产生景观效果，另一方面是进一步消浪消能，再者是能够有效拦截和控制藻类，为岸边带营造一个相对静水的环境，使得在其中沉降的泥沙上能够自然繁衍和恢复其他水生植物。水生植物或湿生植物的选择要满足消浪护岸功能的、环境的、景观的和管理方面的需要，其种类为挺水植物(如芦苇、香蒲、菖蒲、菰、水葱、泽泻、慈姑、莲、雨久花、水芹)、沉水植物(如苦草、菹草、部分种类眼子菜、狐尾藻、金鱼藻、黑藻、茨藻)、浮叶植物(如睡莲、萍蓬草、荇菜)、漂浮植物(如大薸、满江红、凤眼莲、浮萍、喜旱莲子草)或湿生植物(如莎草科、蓼科和十字花科的一些种类，如藨草、红蓼、灯心草、美人蕉、再力花、梭鱼草、水生鸢尾、红树林、野大豆等)。在应用工字坝生态工法和技术过程中，要避免外来物种的入侵，带来生态破坏，对水葫芦、水花生等已存在多年且净水效果较显著的植物，宜采用圈养方式移植，冬季及时收割、清理。工字坝生态工法和技术的本质是诱导和强化岸边带湿地生态系统的自我恢复和修复能力，营造植物、动物多样性。在应用工字坝生态工法和技术过程中，要注意避免植物、动物泛滥，破坏生态平衡。工字坝生态工法和技术倡导的是自我恢复、自我演替、自我维持的生态法则，大道至简，道法自然，构建的工字坝场尽可能贴近自然，充分利用土壤、植物、微生物等介质，减少钢筋混凝土结构，减少人为干扰。以自然恢复为主，人工诱导为辅。在工字坝群生态系统恢复演替初期，必要时，需要人为干预清除一些恶性、疯长、对生态系统具有颠覆性破坏作用的动植物种类，做好特定季节的动植物刈割、打捞和管理工作。

高等植物的水区占水体面积的比例随着恢复和演替年限的增加而逐步增加，但在开阔水域自然水深和生境控制或人为设定恢复界限控制下不会无限制增加，不会加速拟恢复大水域的沼泽化或消亡。工字坝生态工法和技术是通过系统调控、优化并因势利导水流(自然流、风成流、重力流等)、物质流(泥沙、悬浮物等悬移质，氮、磷等营养盐，重金属、多环芳烃、农药、药品和个人护理品等痕量持久性物质等等)和生物流(浮游植物、浮游动物、鱼类等)在开阔水域与岸边带水体之间的半开放式循环，来实现生态恢复或生态拯救的目标。通过改善水体的物理环境和适当引入水陆交错带植物、动物，使水陆交错带成为稳定的泥沙沉积区和多种生物的繁育区，从而逐渐带动整个湖体由藻型向草型良性发展。

由多个、多层、多组或多期构筑的工字坝组成的工字坝群或工字坝场位于水陆交错带水向缓冲区，亦即位于水体和陆地相互交接的缓冲区地带，在该区域构筑多重的、复合的工字坝群或工字坝场，使之形成半天然生态屏障，不仅可以有效地拦截、过滤、净化受污染的或富营养化的水体的内源污染，而且可以有效地拦截、过滤、净化来自陆源或外源的污染(包括地表径流、亚表层潜流等形式)，从而起到双向的拦截和净化污染的功效，因此，本发明所提供的生态型工字坝生态工法和技术尤其适用于受纳水体的内源、外源污染协同控制，及过流水体污染控制。

在一种优选的实施方式中，工字坝和岸边线之间的区域(坝田区)为鱼类、底栖生物等水生生物提供巢穴和掩蔽场所、及天然的优良牧食场所。如图4所示，在工字坝与岸边线之间的过渡区域放养或自然生长鲢、鳙等滤食性鱼类，或螺蛳、河蚌等底栖生物，通过生物操控来起到进一步有效控制藻类的目的。

同时，由图4可以看出，工字坝上方、以及工字坝与岸边线之间水域完全可生长水生植物(8和9)，且在工字坝坝体斜坡底部和岸边线之间可不断沉积泥沙(10和11)，带动水生植物或湿生植物的生长。在特殊极端情况下，如拟恢复水域存在超复合污染负荷或严重超复合污染负荷的情况，或针对特定水域，如某类污染物严重超标或超过水体生态恢复的警戒阈值，此时工字坝场内坝田区沉积泥沙的物理行为仍会自然发生，但会显著抑制各类生物的活动，包括水生动植物的生长恢复，对于此类水体的恢复在恢复的初期，需要定期对工字坝场内坝田区实施沉积物(底泥)疏浚和清淤工作，待拟恢复水域能够满足基本的生态恢复条件时，而逐步减少坝田区沉积物疏浚和清淤工作，人工诱导或依靠自然力恢复水生动植物。对于污染负荷相对较轻的拟恢复水域，若工字坝场内坝田区不断沉积的难降解、持久性、或毒性强的物质超过或严重超过生态风险阈值时，工字坝场内坝田区水生生态系统(含沉积物系统)难以进一步应对大开阔水域源源不断地输送进来的物质、或生态系统出现明显衰退时，此时需要尽早和及时考虑定期对工字坝场内坝田区实施沉积物(底泥)疏浚和清淤工作，亦包括采取必要的水生动植物的刈割和打捞操作，待工字坝场内坝田区水生生态系统(含沉积物系统)的生态风险显著解除后，兼顾考虑人工诱导水生动植物恢复的补救性措施。上述陈述说明指出了工字坝生态工法和技术应用的极端场景和保障措施，由此看出，工字坝生态工法和技术应用的范围非常广，甚至适用于严重污染水体的生态恢复和防护。对于多数的富营养化或超富营养化水体，采用工字坝生态工法和技术能够通过生态系统的自我维持来实现水陆交错带水向缓冲区的健康永续发展。

综合起来，依靠工字坝本身或其上、工字坝与岸边线之间区域或其间生长的植物能够起到较好的拦截、控制水中的藻类的目的，使工字坝群或工字坝场的岸边区(坝田区)逐步成为生物多样、相生相克并趋向和谐共生的环境，也对水质起到了净化作用。通过在岸边区域或景观水体构筑工字坝群，实现消浪固岸和强化水景建设的目的。

本发明的另一目的是提供上述生态工法构筑的工字坝，所述工字坝包括坝根与岸边线以设定角度连接的竖坝100和坝身与竖坝100的坝头相交的横坝200。工字坝群或工字坝场坝田区底部有泥沙层，优选该泥沙层在不同时期形成，其上可自然生长或人工栽种水生植物，优选各种挺水植物，例如芦苇。

本发明的再一目的是提供上述生态工法构筑的工字坝群，所述工字坝群包括多期工字坝，所述工字坝群分多期构筑；实现水流路径和流场的蜿蜒曲折化，延长水力停留时间。

优选地，工字坝群中工字坝在沿岸边线方向上呈平行排列，即各期工字坝的横坝200相互平行，且竖坝100相互平行；

多期工字坝在与岸边线垂直方向上呈交错式排列，如第二期工字坝的竖坝100和第一期工字坝的竖坝100不共线；第三期工字坝的竖坝100和第二期工字坝的竖坝100不共线，而和第一期工字坝的竖坝100共线，

优选地，工字坝群包括复合式工字坝或混合类工字坝。根据岸边带和水体生态恢复状况，各期或各层工字坝的规模、构筑方式、工字坝结构形式可不同。

本发明的再一目的是提供工字坝或工字坝群的用途，用于生态恢复和防护，尤其适用于水体的内源、外源污染协同控制，及过流水体污染控制，优选用于地表自然或人工水陆交错带水向缓冲区的生态恢复和防护；更优选适用于但不仅限于湖泊、水库、河流、河口、湿地、景观水体等多类地表自然或人工水体。工字坝或工字坝群构筑在水体中，替代岸边带承受水力冲击，在工字坝或工字坝群坝体的附近或其防护区域内，生态恢复速度较工字坝或工字坝群构筑前明显加快。

工字坝或工字坝群措施促使水体如湖泊、湿地的悬浮颗粒物或沉积物由竖向沉积变成横向沉积，所携带污染物由纵向释放至上覆水体转为在水岸边缘带植被区释放，使工字坝至岸边线之间过渡区域即坝田区形成若干个草型小湖，最终由目前的藻型湖转化为草型湖。

湖泊、水库、河流、河口、湿地、景观水体等多类地表自然或人工水体中可构建一组或多组工字坝群，各组工字坝群按设定位置分布在水体中，共同/协调进行生态恢复和防护。

实施例

实施例1

在我国南方河网地区某湿地内约450m长的沟通引流渠道，采取用石笼填装石料构筑的工字坝来营造多样化的景观，疏通水流，形成蜿蜒曲折流态，延长水力停留时间，促淤沉沙，强化对过流中污染物的去除。

工字坝由石笼网箱填装石料构筑，所采用的石笼网箱的规格包括4m×1m×1m，3m×1m×1m，2m×1m×1m，2m×1m×0.5m，1m×1m×0.5m等，这些规格进行组合搭配使用。网箱网格为80mm×100mm，内装80～100mm方解石及50～80mm砾石，方解石及砾石与网箱之间衬垫两层350g/m²透水土工布。

沟通引流渠道水面面宽30m，工字坝的垂直于岸边线方向的竖坝长度为15m，坝体顶宽为4m，坝头部平行于岸边线的横坝长度为12m，坝体顶宽为4m，工字坝在离岸边线最远处距离渠底的深度(高度)为3.5m，常水位下水深约为3.7m。在常水位下，工字坝呈淹没状态。工字坝以交互排列于沟通引流渠道两岸的3个为一组，共3组。在渠岸同一侧一组内相邻工字坝之间距离为25～30m，组与组之间距离约为200m。每日有约15～20万m³的微污染源水流经此工字坝区。

在工字坝建成运行10个月后，于冷季(11月至翌年3月，水温平均为12℃)对工字坝区前后的过流水体进行周期性检测，结果显示在水力停留时间约为0.24d的情况下，3组共9个工字坝组成的工字坝群对过流水中主要污染物的平均去除率为悬浮颗粒物16.4％，化学需氧量3.3％，五日生化需氧量2.1％，总磷6.2％，氨氮6.2％，亚硝酸盐氮3.9％；溶解氧增加1.5％。

以上结合具体实施方式和/或范例性实例以及附图对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种用于生态恢复和防护的生态工法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1），准备固体基材或形成填装体，所述固体基材为石料、砂石料、土壤或生态混凝土；

步骤2），将固体基材或填装体放入水体中，以构筑至少两条其坝根与岸边线以设定角度连接的竖坝（100）；

步骤3），以构筑至少两条其坝身与竖坝（100）的坝头相交的横坝（200），岸边线、横坝（200）和竖坝（100）形成工字坝；

两个相邻工字坝的横坝（200）之间不连接，存在设定距离，以形成槽口（300），

所述工字坝的竖坝（100）和横坝（200）的坝体纵断面为下宽上窄的梯形结构或阶梯型结构，竖坝（100）和横坝（200）的坝体两侧斜边延伸至坝底，

所述竖坝（100）一类情况是近似垂直于岸边线，即与岸边线夹角α为85°≤α≤95°，横坝（200）近似平行于岸边线且坝身与竖坝（100）的坝头相交，或者在水流方向上，横坝（200）与岸边线夹角β为5°＜β＜175°，且坝身与竖坝（100）的坝头相交，

所述竖坝（100）另一类情况是与岸边线夹角α为95°＜α＜175°，横坝（200）近似平行于岸边线且坝身与竖坝（100）的坝头相交，或者在水流方向上，横坝（200）与岸边线夹角β为5°＜β＜175°，且坝身与竖坝（100）的坝头相交，

所述竖坝（100）再一类情况是与岸边线夹角α为5°＜α＜85°，横坝（200）近似平行于岸边线且坝身与竖坝（100）的坝头相交，或者在水流方向上，横坝（200）与岸边线夹角β为5°＜β＜175°，且坝身与竖坝（100）的坝头相交，

工字坝中竖坝（100）和横坝（200）与岸边线的角度的设定依据工字坝的使用环境确定，工字坝用于湖泊中，水流速度相对慢且水流方向可变，此时，所述竖坝（100）近似垂直于岸边线，横坝（200）近似平行于岸边线且坝身与竖坝（100）的坝头相交，工字坝用于河流中，水流速度相对快且主水流方向近似确定，为更好地消浪消能，使所述竖坝（100）与岸边线夹角α为95°＜α＜175°，横坝（200）近似平行于岸边线且坝身与竖坝（100）的坝头相交，

竖坝（100）和横坝（200）的坝体两侧斜边的倾斜角度为15°~60°，

所述工字坝在水平维度上有N层，N为1至5，由此形成工字坝群或工字坝场，

将固体基材或填装体放入水体中之前，依据水体流域面积确定工字坝的构筑区域；

在工字坝的构筑区域预先开挖一平整的地基区域，铺设土工织物作为垫层，然后将石笼、筐笼、其他填装体或固体基材按秩序放入水体中；

在工字坝的坝体上层内衬土工织物或植物枝条编织的种植筐笼，再连根带土移植附近流域土著种的植物，进行植被恢复；

在工字坝的坝体上层土工织物内或种植筐笼内填装石料、土壤和植物种子的混合物；

在工字坝和岸边线之间的过渡区域即坝田区堆放碎石或鹅卵石，撒上种植土，选择性地种植景观植物或湿生植物；

在过渡区域内不种植物，任其自然繁衍水生植物。

2.根据权利要求1所述的生态工法，其特征在于，步骤1）中，以石笼填装石料或土壤，或以筐笼填装土壤，或以沙石料外覆土工织物形成填装体；

其中，所述石料为砾石、沸石、方解石、火山石、鹅卵石、石灰石、蛭石任意一种或多种。

3.根据权利要求1所述的生态工法，其特征在于，竖坝（100）和横坝（200）的坝体两侧斜边的倾斜角度为30°~45°。

4.根据权利要求1所述的生态工法，其特征在于，所述工字坝在水平维度上有N层，N为2至4，根据岸边带和水体生态恢复目标，构筑该N层工字坝组成的工字坝群或工字坝场，开展工字坝的分期建设，建设期数以达到生态恢复目标为准，在第一期工字坝的基础上，向水体外部延伸，构建多期工字坝，形成所述工字坝群或工字坝场；

构筑工字坝的期数为2~4期，分别对应形成多层工字坝。

5.根据权利要求4所述的生态工法，其特征在于，N为2至3，构筑工字坝的期数2~3期。

6.根据权利要求1至5之一所述的生态工法，其特征在于，所述工字坝群中工字坝在沿岸边线方向上呈平行排列，在与岸边线垂直方向上呈交错式排列。

7.根据权利要求1至5之一所述的生态工法，其特征在于，用于地表自然或人工水陆交错带水向缓冲区的生态恢复和防护。

8.根据权利要求7所述的生态工法，其特征在于，所述地表自然或人工水陆交错带为湖泊、水库、河流、河口、湿地、景观水体。

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