CN109626587B - 一种饮用水调蓄水源地水库净化湿地综合系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种饮用水调蓄水源地水库净化湿地综合系统，包括旁路设在连接饮用水调蓄水源地水库的水库进水河道侧的湿地系统，所述湿地系统设有进水渠以将水库进水河道中的水引入，并设有出水渠以将净化后的水引出进入饮用水调蓄水源地水库，水库进水河道中设有湿地节制系统。本发明通过将湿地系统旁路布设在水库进水河道一侧或两侧，将来水引出河道，进入专门设置湿地系统，使原入库河道变为调蓄来水、并对来水进行预处理的区域。这样，既能满足行洪要求，又能净化水质。

Description

一种饮用水调蓄水源地水库净化湿地综合系统

技术领域

本发明涉及湿地水净化处理技术领域，特别是涉及一种饮用水调蓄水源地水库净化湿地综合系统。

背景技术

饮用水调蓄水源地水库(以下简称调水水库或水库)为具有自身汇流面积、且具备对外调水进行调蓄的水库，具有一般水库调节洪水的防洪功能，是国内大中城市供水的主要水源地形式。

作为大中型城市饮用水的水源地，其水体的水质保障是城市安全供水的重要因素。水库的水源有两个，一是自身流域降雨所产汇流，二是从上游阶梯水库或其它流域引调来的水，即外调水。目前，我国湖泊、水库普遍存在富营养化问题，水体水生植物异常生长、藻类富集、水体异味、水质恶化。调水水库水质不仅受本流域产水影响，还受外调水所控，水量、水质不稳定，运用条件复杂，更易发生富营养化，导致城市饮用水供水无法得到保障。

针对湖泊、水库富营养化问题，一般都按照在源头消减入库营养盐的控源，以及对湖泊水库内水进行生态修复的思路进行整治。控源措施范围包括点源和面源，其中面源污染涉及面广、治理和实施难度大，消减负荷的控源措施短期内很难发挥效果；对一般水体采取水草打捞、水藻拦截、投撒制剂、曝气增氧等生态修复措施，可短时减少藻类产生和聚集，但对于大型水库，特别是调水水库而言，由于水面巨大、调水影响难控制等因素，不仅投资巨大，而且其作用甚微，不能从根本上得到全面、有效治理。因此，在源头消减入库营养盐的同时，作为控源的重要措施，有必要针对调水水库的来水，在入库前进行有效净化，保证水库水质安全是非常必要的。

发明内容

为了解决调水水库需处理水量大、超大规模进出水系统和湿地单元内部水流均匀，以及处理进出水与入库洪水相协调的难题，本发明提出一种饮用水调蓄水源地水库净化湿地综合系统，是由节制系统、净化湿地系统、应急分流系统、运行管理系统等组成，以使受污染的入库水经节制引入旁路布置于水库进水河道侧的净化湿地，净化后再进入水库，以保护和改善水库水质。

其中，承担将来水节制入湿地的节制系统，同时还具有汛期控制洪水入库的功能，承担净化功能的湿地系统由一个或数个湿地地块组成，地块中布置湿地单元，水库进水河道、湿地地块、湿地单元之间的联系由进布水和出水工程控制。

为了保护湿地单元净化功能正常发挥，确保水库水质安全，设置了应急分流系统和运行管理系统，以避免污染非常严重来水进入湿地系统和水库，保障湿地、入库河道、水库的安全。

为此，本发明的具体技术方案说明如下：

一种饮用水调蓄水源地水库净化湿地综合系统，包括旁路设在连接饮用水调蓄水源地水库的水库进水河道侧的湿地系统，所述湿地系统设有进水系统以将水库进水河道中的水引入，并设有出水系统以将净化后的水引出进入所述饮用水调蓄水源地水库，所述水库进水河道中设有湿地节制工程系统以控制来水进入所述净化湿地系统，并在汛期保障洪水安全进入饮用水调蓄水源地水库，同时控制超污染来水通过应急分流系统导至饮用水调蓄水源地水库下游河道，避免入湿地系统和饮用水调蓄水源地水库。

所述净化湿地系统包括有一个或多个湿地地块，每个所述湿地地块有多个湿地单元；当为多个湿地地块时，每个所述湿地地块的出水渠与下一个湿地地块的入水渠相连接，形成串联格局，，或是每个湿地地块的进水渠与所述饮用水调蓄水源地水库进水河道连接，每个所述湿地地块的出水渠与总出水渠连接，形成并联格局。

所述的进水系统包括进水渠和布水渠，所述的出水系统包括收水渠和排水渠，所述的进水渠、排水渠分别连接水库进水河道和饮用水调蓄水源地水库，所述的布水渠、收水渠位于湿地单元进出端；所述的进水渠和布水渠连接，所述收水渠与排水渠连接。

所述的进水系统包括进水渠、分水渠和布水渠，所述的出水系统包括收水渠、汇水渠和排水渠，所述的进水渠、排水渠分别连接水库进水河道和饮用水调蓄水源地水库，所述的布水渠、收水渠位于湿地单元进出端；所述的进水渠和布水渠通过分水渠连接，所述收水渠与排水渠通过汇水渠连接。

所述的进水系统包括进水渠、分水渠、二级分水渠和布水渠，所述的出水系统包括收水渠、汇水渠、二级汇水渠和排水渠，所述的进水渠、排水渠分别连接水库进水河道和饮用水调蓄水源地水库，所述的布水渠、收水渠位于湿地单元进出端；所述的进水渠和布水渠通过分水渠、二级分水渠连接，所述收水渠与排水渠通过汇水渠、二级汇水渠连接。

所述湿地节制系统包括河道节制工程和湿地节制工程，分别布置在原入库河道以及新开挖河道上，所述河道节制工程控制大规模洪水入库，所述湿地节制工程控制来水入净化湿地系统和小规模洪水入库。

所述湿地单元的进出口均采用不同宽度、不同高程的堰自动调节进出水，湿地单元内部设置稳流辅助设施，进口堰兼有管理船只通航功能，出水堰采用稳定水位的管堰结构，所述稳流辅助设施包括水流调整潜堤和调整横沟。

所述管堰结构包括用于通行的湿地单元堤埝的下方的预制混凝土出水管，所述预制混凝土出水管与跌水堰池连接，所述跌水堰池的上部一侧为进水堰孔。

所述单元内部设置水流调整潜堤和调整横沟等稳流辅助设施，以确保水流均匀稳定。

所述应急分流系统，包括节制分水闸等控制建筑物，及其运行控制指标的制定。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过将湿地系统旁路布设在水库进水河道一侧或两侧，将来水引出河道，进入专门设置的湿地系统，使原入库河道变为调蓄来水、并对来水进行预处理的区域。这样，既能满足行洪要求，又能净化水质。

附图说明

图1是本发明的饮用水调蓄水源地水库净化湿地综合系统的结构示意图；

图2是本发明的净化湿地地块串联布置方式示意图；

图3是本发明的净化湿地地块并联布置方式示意图；

图4是本发明的一级渠的布置示意图；

图5是本发明的二级渠的布置示意图；

图6是本发明的三级渠的布置示意图；

图7是本发明的湿地单元内部结构示意图；

图8是本发明的湿地单元出口管堰结构图；

图9是应急分流系统的营养盐分流控制指标确定流程图；

图10是本发明的运行管理的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明一种饮用水调蓄水源地水库净化湿地综合系统，包括旁路设在连接饮用水调蓄水源地水库1的水库进水河道3侧的净化湿地系统2，所述净化湿地系统设有进水渠21以将水库进水河道中的水引入，并设置有出水渠22以将净化后的水引出进入所述饮用水调蓄水源地水库1，所述水库进水河道中设有节制系统5(即河道闸坝系统)，以控制来水进入所述净化湿地系统，并在汛期保障洪水安全进入饮用水调蓄水源地水库，同时控制超污染来水通过应急分流系统导至饮用水调蓄水源地水库下游河道，避免进入湿地系统和饮用水调蓄水源地水库。

本发明的节制系统5是在需处理的河道汇流口以下、入库口以前，以拦截来水使其通过进水渠系进入净化湿地的工程措施。为了解决在河道建节制工程复杂、投资大，以及湿地日常运行节制与低频率大规模洪水入库控制之间的协调问题，本发明将节制系统分为原河道节制工程51和湿地节制工程52，分别布置在原入库河道以及新开挖河道上。原河道节制工程51负责大规模洪水控制和入库，湿地节制工程52则负责湿地处理水体入湿地控制和小规模洪水入库的控制。

新开挖河道依靠节制工程(橡胶坝等)的启闭控制湿地进水，依靠新、老两河道的分洪堰坎相对高程自动控制分洪流量。

本发明中，所述净化湿地系统，包括湿地进布水和出水控制工程、湿地单元处理工程。所述湿地单元处理工程由一个或数个湿地地块组成，湿地地块中布置湿地单元25。其中，所述进布水系统的进水渠布置在水库来水河道节制工程前以及与湿地系统之间，以保障水进入进水渠后，再分别通过其连接的布水渠，顺利灌入相应的湿地地块；湿地地块包括多个湿地单元25，湿地单元出口出水首先进入收水渠汇集后，通过出水渠流至湿地节制工程52下游的河道然后进入水库，或者直接进入饮用水调蓄水源地水库1中。

其中，所述的应急分流系统包括设在水库进水河道3的一侧的应急分流渠道4，在应急分流渠道4的进水口侧有分流闸41，所述应急分流渠道4用于在应急情况下，将水排入水库下游河道8排出，以实现应急排水的需要，所述的饮用水调蓄水源地水库1连接城市供水渠道9以向城市供应水，所述的水库进水河道3的上游连接调水河道6以及上游汇流河道7，调水河道6以及上游汇流河道7汇集后与所述的水库进水河道3的上游相连接，实现供水到所述的水库进水河道3中。

本发明中的应急分流渠道是净化湿地系统的保护措施，因净化湿地系统对来水水质有一定的要求，如水质恶劣到超出湿地处理能力，就会对湿地生态体系造成破坏。水库上游汇流河道或水库周边的污染物会造成头场洪水或每次引调水开始一段时间水体(水头)污染较重，甚至非常严重。对于非常严重的水头，或汇流天然河道遭遇突发污染事件等情况时，利用应急分流渠道将污染非常严重的头场洪水或水头，以及污染事件的水体导走，使其不进入净化湿地和水库。

本发明中，湿地单元的进布水以及出水渠目的，是将入库河道来水引入湿地地块，再分配湿地单元，以及将单元水导排入水库。进出水渠系包括单元进水的进水渠、分水渠和布水渠，以及出水的收水渠、汇水渠和排水渠，进水渠、排水渠分别连接进水河道和水库，布水渠、收水渠位于湿地单元进出端，分水渠和汇水渠可省略或分别再下设二级分水渠和二级汇水渠。

各地块进水渠进口、排水渠入水库口处应设置闸门(如进水渠进口的进水闸门26，其它未示出)，以便对净化湿地地块的进水及排水进行控制，进水闸还具有调整地块总流量作用；为尽量减少闸门数量，便于工程运行管理，由进水渠通往各分水渠处，一般不再设置控制闸门，布水渠、收水渠与湿地单元间采用不同宽度、不同高程的折线型堰来自动调节。

本发明中，湿地单元25是位于入库口附近，可以是鱼塘、洼地，或是农田、林地等几种类型。净化湿地任务是利用其中的植物来净化微污染水体，水污染物为N、P营养盐。其中氮在表流人工湿地中的去除过程主要有挥发、土壤吸附和离子交换、植物吸收、硝化反硝化，前两个过程的去除作用并不显著，而植物吸收的去除只占总质量的10％左右，硝化反硝化脱氮则是表流人工湿地系统中主要脱氮途径。水体中的含磷化合物主要包括颗粒磷、溶解有机磷和无机磷酸盐。人工湿地对水中磷元素的去除途径主要有底泥土壤的物理化学作用、微生物的生物转化作用、植物的吸收作用。其中最主要的是底泥土壤的物理化学作用，包括土壤过滤、吸附、共沉及离子交换，湿地土壤是进入湿地系统的磷的最终去处。

总之，净化湿地对N、P去除净化是多种过程协同作用，其中好氧硝化、厌氧反硝化是除氮主要工艺。而作为沉积、吸附的降磷工艺中，聚磷菌在好氧条件下摄取过量磷、在厌氧条件下腐殖质固定磷是重要的除磷过程，所以湿地中氧的分布对于氮磷的去除有着直接的影响。而水中氧的来源主要通过大气直接复氧，以及水生植物茎叶的传导输送，这两方面都与水深、植物生长有关，且植物群落的分布与水深密切相关。

本发明中，所述净化湿地采用“多地块布置”形式，可以是采用“单点进出水、地块串联”方式(简称串联方式)，或者“多点进出水、地块并联”方式(简称并联方式)，取决于进出水位差(水头)，以及受其影响的单元水流流速。

其中，地块的串联方式布置，为从入库河道一点进水入一湿地地块，其出水通过连接的渠道27再进入另一个湿地地块，依次至最后地块出水进库，见图2所示。串联方式布置的各地块进出水流量相同，前一地块的出水作为后一地块的进水，最后地块出水浓度为湿地系统处理浓度。

其中，地块的并联方式布置，为从入库河道多点分别取水分别通过对应的进水渠道28进入各湿地地块，其出水分别汇入总出水渠20后，再进入水库，见图3。并联方式布置的各地块进出水流量不相同，最后出水浓度为各地块出水后的混合浓度。

本发明中，净化湿地地块内部的单元分级布置，连接的渠系，包括湿地进布水和出水渠系布置，可分为一级渠系和多级渠系布置。

一级渠系布置方案：进水渠直接经布水渠23进入湿地单元，单元出水经收水渠24直接汇入排水渠，见图4。

多级渠系布置方案：包括二、三级渠系方案。其中，由进水渠分水进分水渠230后再经多个布水渠23后，进入湿地单元25，单元出水经多个收水渠24后，汇入汇水渠240再排入排水渠的为二级渠系方案，见图5。

以此类推，由分水渠232分水进多个二级分水渠231后再经布水渠23进入湿地单元25，湿地单元25出水经收水渠24汇入二级汇水渠241后再汇入一级汇水渠242后，再排入排水渠的为三级渠系方案,见图6。

湿地单元的进水端控制流量，出水端控制水位，靠出水端不同的堰顶高程自动调节渠系单元水位，达到自动调节、自动平衡的目的。

考虑到水草收割、水流自流入库的因素，单元进、出水控制设施采用“低进高出”的原则进行设置，即进水口堰顶高程低些，以便船只通行，出水口堰顶高程高些，以便水流自流入库，便于水流控制。

为了确保单元水流均匀，应结合地形安排稳流辅助设施。深水单元的水平面上设置垂直水流方向的截面为梯形状的水流调整潜堤258，浅水单元开挖有截面为梯形状的水流调整横沟257，以使水流流态均匀，见图7所示，稳流辅助设施分别布置在布水渠一侧的入水堰孔259，以及收水渠一侧的出水堰孔252的附近，或者单元水流不均匀的其他区域。

本发明中，湿地单元的出水口所在的湿地单元堤埝250，应满足车辆通行、人员巡视、维护的通行要求，为此，湿地单元出水口采用“管堰”结构，即在进水侧设置跌水堰池256，现浇钢筋混凝土结构，池顶与堤顶齐平，顶部有格栅254；迎水侧边墙设有出水堰孔252，孔内设有门槽以便于调控单元流量及水位，水从水位控制堰顶255进入跌水堰池256中。每联跌水堰池256设一排预制混凝出水管253将水排入收水渠24，管顶覆土一定厚度，为防止管道因不均匀沉降发生破坏，下设混凝土底座，堰体上下游堤坡采用雷诺护垫护砌251；上下游渠底采用雷诺护垫护砌，见图8。

本发明中，应急分流系统包括分流控制设施、分流渠道。根据来水水质指标，判别是否进行应急分流，当来水水质较差，超出湿地系统处理能力，则启动分流系统。分流控制指标按水体营养盐和有机物两部分双重指标进行控制，营养盐指标包括叶绿素a、TN、TP等，营养盐分流控制指标确定流程见图9，首先以水库富营养化的限定性因子作为计算的首项，按湿地处理效率，推求入库浓度并核定其入库削减量，再以营养盐吸收比推求出另一营养盐入库削减量，以及其来水分流控制浓度。

为了尽快建立湿地生态系统，湿地单元湿地植物栽植按照“乡土品种、控制水深，、适宜密度、留有余地”原则，在工程初期进行植物栽植。为了获得较高的生存性，具体品种优先选择水库中的水生植物优势种类。种植密度，考虑自然生长，可按水库相应高生长密度的1/3～1/2进行布置。

本发明的运行管理系统包括交通道路及交通工具、水质监测设备、水位观测设备、水草打捞设备等，以及针对输水处理和洪水入库两种工况、各控制节点，分别制定的运行管理方案和洪水调度方案，见图10。

本发明通过将湿地系统旁路布设在河道一侧或两侧，将来水引出河道，进入专门设置的湿地系统，使原入库河道变为调蓄来水、并对来水进行预处理的区域。这样，既能满足行洪要求，又能净化水质。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种饮用水调蓄水源地水库净化湿地综合系统的水净化方法，其特征在于，包括旁路设在连接饮用水调蓄水源地水库的水库进水河道侧的净化湿地系统，所述净化湿地系统设有进水系统以将水库进水河道中的水引入，并设有出水系统以将净化后的水引出进入所述饮用水调蓄水源地水库，所述水库进水河道中设有湿地节制系统以控制来水进入所述净化湿地系统，并在汛期保障洪水安全进入饮用水调蓄水源地水库，同时控制超污染来水通过应急分流系统导至饮用水调蓄水源地水库下游河道，避免进入净化湿地系统和饮用水调蓄水源地水库；

设置所述应急分流系统和运行管理系统，以避免污染严重来水进入净化湿地系统和水库，保障湿地、入库河道和水库的安全；对于严重污染的水头或汇流天然河道遭遇突发污染事件时，利用应急分流渠道将污染严重的头场洪水或水头以及污染事件的水体导走，使其不进入净化湿地和水库；

所述应急分流系统包括分流控制设施、分流渠道；根据来水水质指标，判别是否进行应急分流，当来水水质较差，超出湿地系统处理能力，则启动应急分流系统；分流控制指标按水体营养盐和有机物两部分双重指标进行控制，营养盐指标包括叶绿素a、TN、TP；营养盐分流控制指标确定流程是，首先以水库富营养化的限定性因子作为计算的首项，按湿地处理效率，推求入库浓度并核定其入库削减量，再以营养盐吸收比推求出另一营养盐入库削减量以及其来水分流控制浓度；

所述净化湿地系统包括有一个或多个湿地地块；每个所述湿地地块有多个湿地单元；所述湿地单元为鱼塘、洼地，或是农田、林地；净化湿地用其中的植物来净化微污染水体，水污染物为N、P营养盐；所述净化湿地采用多地块布置形式，采用单点进出水、地块串联方式，或者多点进出水、地块并联方式布置；

所述湿地单元的进水端控制流量，出水端控制水位，靠出水端不同的堰顶高程自动调节渠系单元水位，达到自动调节、自动平衡的目的；考虑到水草收割、水流自流入库的因素，湿地单元进、出水控制设施采用“低进高出”的原则进行设置，即进水口堰顶高程低，以便船只通行，出水口堰顶高程高，以便水流自流入库，便于水流控制；

所述湿地单元的进出口均采用不同宽度、不同高程的堰自动调节进出水，湿地单元内部设置稳流辅助设施，进口堰兼有管理船只通航功能，出水堰采用稳定水位的管堰结构，所述稳流辅助设施包括在湿地单元的深水单元的水平面上设置的垂直水流方向的截面为梯形状的水流调整潜堤和在浅水单元开挖的截面为梯形状的调整横沟；

所述管堰结构包括设置在用于通行的湿地单元堤埝的下方的预制混凝土出水管，设置跌水堰池，池顶与堤顶齐平，顶部有格栅，迎水侧边墙设有进水堰孔，孔内设有门槽便于调控单元流量及水位，水从水位控制堰顶进入跌水堰池中；每联跌水堰池设一排预制混凝出水管将水排入收水渠；

所述湿地节制系统包括河道节制工程和湿地节制工程，分别布置在原入库河道以及新开挖河道上，所述河道节制工程控制大规模洪水入库，所述湿地节制工程控制来水入净化湿地系统和小规模洪水入库；新开挖河道依靠橡胶坝的启闭控制湿地进水，依靠新、老两河道的分洪堰坎相对高程自动控制分洪流量。

2.如权利要求1所述饮用水调蓄水源地水库净化湿地综合系统的水净化方法，其特征在于，当为多个湿地地块时，每个所述湿地地块的出水渠与下一个湿地地块的入水渠相连接，或是每个湿地地块的进水渠与所述饮用水调蓄水源地水库进水河道连接，每个所述湿地地块的出水渠与总出水渠连接。

3.如权利要求2所述饮用水调蓄水源地水库净化湿地综合系统的水净化方法，其特征在于，所述的进水系统包括进水渠和布水渠，所述的出水系统包括收水渠和排水渠，所述的进水渠、排水渠分别连接水库进水河道和饮用水调蓄水源地水库，所述的布水渠、收水渠位于湿地单元进出端；所述的进水渠和布水渠连接，所述收水渠与排水渠连接。

4.如权利要求2所述饮用水调蓄水源地水库净化湿地综合系统的水净化方法，其特征在于，所述的进水系统包括进水渠、分水渠和布水渠，所述的出水系统包括收水渠、汇水渠和排水渠，所述的进水渠、排水渠分别连接水库进水河道和饮用水调蓄水源地水库，所述的布水渠、收水渠位于湿地单元进出端；所述的进水渠和布水渠通过分水渠连接，所述收水渠与排水渠通过汇水渠连接。

5.如权利要求2所述饮用水调蓄水源地水库净化湿地综合系统的水净化方法，其特征在于，所述的进水系统包括进水渠、分水渠、二级分水渠和布水渠，所述的出水系统包括收水渠、汇水渠、二级汇水渠和排水渠，所述的进水渠、排水渠分别连接水库进水河道和饮用水调蓄水源地水库，所述的布水渠、收水渠位于湿地单元进出端；所述的进水渠和布水渠通过分水渠、二级分水渠连接，所述收水渠与排水渠通过汇水渠、二级汇水渠连接。