CN109836018B - 一种严重污染河道的自然恢复方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种严重污染河道的自然恢复方法，首先选择被严重污染和人工干扰河道的上游的轻污染河道作为参考，测定轻污染河道中多个急流、深潭和河滩的参数，获取轻污染河道的急流、渗潭和河滩的面积、周长、长、宽和坡降的比例关系参数。然后，根据这些参数对严重污染河道进行设计急流、深潭和河滩，在急流部分通过布设块石，增大水流的湍流过程，增加水体的溶解氧含量，同时保护洪水期冲刷河床；将原主槽断面扩大形成深潭，使污染物沉降、消化和生物降解；河滩改造成湿地，通过植被恢复，增加植物枝叶、根系吸收、挂淤、沉淀污染物的作用。通过在河流中恢复一系列急流‑深潭‑河滩系统，使污染水体流动经过这些系统时，发生一系列物理、化学、生物反应，使水体自净能力提升。

Description

一种严重污染河道的自然恢复方法

技术领域

本发明涉及河道治理技术领域，具体涉及一种严重污染河道的自然恢复方法。

背景技术

随着城市化进程的加快，城市建设挤占河道，使河道空间减小，水域缩窄，行洪排涝能力降低；而工业污水和生活污水处理的滞后，又致使大量污水进入河道，水质普遍恶化。同时，城市化也使地表径流量增加，洪涝灾害频发。为了抵御这些灾害，传统做法是加高加厚堤防护岸，修筑混凝土河床和浆砌石岸墙来加大河道过流能力并隔离污水渗透；有时还采取“裁弯取直”的办法疏浚河道，以增加河道的行洪能力。可是渠道化的河道造成了很多问题：河道的生态环境多样性丧失、生物的生存条件被破坏、地下水与地表水的交换通道被阻断、大大削弱了河道生态自然修复功能等。因此，如何治理城市河道，使其既满足城市的防洪排涝、排污要求，又保护美化环境，最大程度地发挥工程的综合效益，是现今工程设计人员面临的又一新课题。

而且随着城市化步伐加快，我国城市、乡村河流人类干扰导致退化日益严重，陆地上污染物的大量排入，使大部分河流氮、磷、COD、BOD等污染物严重超标，诱发了一系列环境问题，如河流水体富营养化、河流黑臭、河流生物多样性下降、河流底泥垃圾化、河流自净能力和水体景观功能退化等。其中，河流黑臭是一个关键的河流环境问题，河流黑臭既是其他河流环境问题产生的原因，也是其他环境问题导致的结果，是一个难于治理的环境问题。解决河流黑臭是城市河流生态系统、流域生态系统可持续发展的关键所在。

针对河流黑臭的原因，国内外已开发了不少的治理黑臭的技术。这些技术主要包括物理、化学、生物生态法。物理方法主要是人工曝气、底泥疏浚、调水冲淤等。人工曝气如鼓风曝气带曝气、水面转刷、射流增氧、船载移动曝气等。底泥疏浚主要有干床开挖、船载或岸边抓斗清挖、水力冲挖等。调水冲淤是通过输入清水，把污染物冲走并稀释。化学方法主要是强化絮泥、化学氧化、化学沉淀等，如铁盐、铝盐、改性硅藻土等混凝剂、双氧化水等氧化剂、生石灰等沉淀剂。生物生态技术包括微生物强化技术、生物膜技术、植物净化技术等。根据国内外实践，上述任何单一的技术无法根本解决河流黑臭问题，而且很多技术成本很高，有的技术还会导致二次污染问题。因此，技术本身的可持续利用性不高。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种严重污染河道的自然恢复方法，以解决现有河道工程存在的缺陷。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种严重污染河道的自然恢复方法，包括以下步骤；

步骤1、采集被污染河道上游或附近同一气候区未污染河道的急流段、深潭段和河滩的面积、周长、长、宽和坡降的比例参数；

步骤2、根据步骤1采集的未污染河道的比例关系参数，等比例确定被污染河道的急流段、深潭段和河滩的面积、周长、长、宽和坡降参数，沿被污染河道中心线交替布置急流段和深潭段，在急流段和深潭段的两侧布置河滩；

步骤3、更改被污染河道主槽的横断面结构，使其满足行洪能力，并将被污染河道的硬质驳岸改造为生态型驳岸；

步骤4、在急流段底部设置石块，用于加剧水面翻滚波动，提升水体溶解氧含量；

步骤5、在深潭段的边沿或底部种植沉水植物固定河底；

步骤6、换填河滩基质，并种植挺水植物。

优选的，所述步骤1中至少分别采集9处急流段、深潭段和河滩的面积、周长、长、宽和坡降参数，然后对采集的对应参数进行相加求平均值，对急流段、深潭段和河滩的面积、周长、长、宽和坡降的平均值进行比例计算，得到急流段、深潭段和河滩的面积、周长、长、宽和坡降的比例参数。

优选的，将步骤3中被污染河道的主槽的横断面结构为梯形或“U”状多边形。

优选的，所述步骤3中生态型驳岸为连锁水工砌块护坡、绿化混凝土护坡或排水生态袋护坡中的一种。

优选的，所述步骤5中沉水植物为狐尾藻、金鱼藻、黑藻、苦草和水韭中的至少一种。

优选的，所述步骤6中河滩基质自上而下分为3层，分别为砾石层、土壤层与黏土层。

优选的，所述砾石层厚度为5-10cm，土壤层厚度为20-40cm；黏土层的厚度为30±5cm。

优选的，所述土壤层为渗透系数为0.025～0.35cm/h的黏土或壤土。

优选的，所述步骤6中挺水植物为芦苇、香蒲、黄菖蒲、水生美人蕉和黄花鸢尾中的至少一种。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的一种严重污染河道的自然恢复方法，首先选择被严重污染和人工干扰河道的上游或相近地区轻污染河道作为参考，测定轻污染河道中多个急流、深潭和河滩的参数，获取轻污染河道的急流、深潭和河滩的面积、周长、长、宽和坡降的比例关系参数。然后，根据这些参数对严重污染河道进行设计急流、深潭和河滩，在急流部分通过布设块石，增大水流的湍流过程，增加水体的溶解氧含量，同时保护河床不被洪水冲刷；将原主槽断面扩大形成深潭，使污染物沉降、消化和生物降解；河滩改造成湿地，通过植被恢复，增加植物枝叶、根系吸收、挂淤、沉淀污染物的作用。通过在河流中恢复一系列急流-深潭-河滩系统，使污染水体流动经过这些系统时，发生一系列物理、化学、生物反应，使水体自净能力提升。

附图说明

图1为本发明典型空间结构系统平面布置图；

图2为本发明急流断面图；

图3为本发明急流断面图；

图4为本发明河滩湿地示意图；

图5为本发明河滩基质示意图；

图6为本发明治理段的卫星图像；

图7为本发明参照段主槽纵断面；

图8为本发明起始断面流量水位关系图；

图9为本发明护岸材料的容许流速与水流持续时间关系图；

图10为本发明抛石护脚的结构示意图；

图11为本发明设计洪水水面线成果图。

图中：1、急流段；2、深潭段；3、河滩湿地；4、河堤护岸；5、抛石护脚；11、护底大块石；12、护岸大块石；13、碎石垫层；21、河床质；22、沉水植物；23、砌石护岸24、砌石护脚；31、河滩基质；32、挺水植物；311、砾石层；312、土壤层；313、黏土层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

一种严重污染河道的自然恢复方法，其包括以下步骤；

步骤1、采集被污染河道上游或附近未污染河道的急流、深潭和河滩的参数；

对未污染河道进行平面测量，获得未污染河道的参数，参数包括该急流段、渗潭段和河滩的面积、周长、长、宽和坡降数据，分析并获取数据的急流段、渗潭段和河滩系统的面积、周长、长、宽和坡降的比例关系参数。

具体的测量方法如下，天然河道中至少测定9处重复出现的急流段、深潭段和河滩的面积、周长、长、宽和坡降的参数，然后对测定的对应参数进行相加求平均值，(例如将9处的急流段面积相加求均值)，再对急流段、深潭段和河滩的面积、周长、长、宽和坡降的平均值进行比例计算，得到急流段、深潭段和河滩的面积、周长、长、宽和坡降的比例参数，定性记录和描述急流段、深潭段和河滩形状特征。

步骤2、根据步骤1采集的未污染河道的急流段、渗潭段和河滩的面积、周长、长、宽和坡降的比例关系参数，对被污染河道进行设计，具体方法如下；

根据被污染河道的河势确定河道中心线，沿河道中心线交替布置急流段和深潭段，在急流段和深潭段的两侧布置河滩。

被污染河道的急流段、深潭段和河滩的面积、周长、长、宽和坡降参数，按照获取的未污染河道的急流段、深潭段和河滩的面积、周长、长、宽和坡降的比例关系参数确定。

步骤3、将被污染河道的主槽改为梯形或“U”状多边形，并将被污染河道的硬质驳岸改造为生态型驳岸。

该主槽尺寸满足行洪能力，主槽采用干砌石护坡，满足防冲要求。

该生态型驳岸设计为连锁水工砌块护坡、绿化混凝土护坡或排水生态袋护坡中的一种。

步骤4、在急流段底部设置石块进行保护，加剧水面翻滚波动，提升水体溶解氧含量。

步骤5、在深潭段的边沿或底部种植沉水植物固定河底。

沉水植物茎长耐深水，适宜水深100cm左右，如狐尾藻、金鱼藻、黑藻、苦草、水韭等，根据沉水植物种植的要求种植。

步骤6、对河滩换填基质，种植挺水植物。

河滩基质自上而下分为3层，分别为砾石层、土壤层与黏土层；砾石层取厚度5-10cm，土壤层取厚度20-40cm，渗透系数为0.025～0.35cm/h的黏土或壤土，优选土壤；黏土层的厚度为30±5cm，分层压实，作为基质。

挺水植物适宜水深50cm左右，如芦苇、香蒲、黄菖蒲、水生美人蕉、黄花鸢尾等，针对河流主要污染物类型选取，并适地种植。

该严重污染河道的自然恢复方法，该方法可以改变过去的技术思路，使黑臭河道水体治理的工程技术可持续地长期应用，而且成本不高，该自然恢复方法能和原来的技术结合应用，发挥整体优势，而且该自然恢复方法能改善城市水体和陆地景观，外溢效应明显。

根据发明人长期研究发现，天然河流是由急流段、深潭段和河滩构成，急流段、深潭段和河滩在河流中是不断重复出现的。急流段、深潭段和河滩中的每个部分在生态功能上是不同的，急流段由于水流急，主要起输入溶解氧、输送和混合营养物质的作用；深潭段起着积累营养物质，消化和生物降解作用；河滩具有过滤、沉淀和挂淤营养物质的作用。污水在急流段、深潭段和河滩中不断流动，污水净化效率很高。而且河流上中下游急流段、深潭段和河滩的周长或面积之比为一固定的常数，也就是说，河流上中下游急流段、深潭段和河滩的周长或面积呈比例的放大或缩小。根据这一自然规律，在试验研究的基础上，提出本发明的严重污染河道的自然恢复方法。

首先选择被严重污染和人工干扰河道的上游或附近的轻污染河道作为参考，测定轻污染河道中多个急流段、深潭段和河滩的参数，获取轻污染河道的急流段、深潭段和河滩的面积、周长、长、宽和坡降的比例关系参数。然后，根据这些参数对严重污染河道进行设计急流段、深潭段和河滩，在急流段通过布设块石，增大水流的湍流过程，增加水体的溶解氧含量，同时保护洪水期冲刷河床；将原主槽断面扩大形成深潭，使污染物沉降、消化和生物降解；河滩改造成湿地，通过植被恢复，增加植物枝叶、根系吸收、挂淤、沉淀污染物的作用。通过在河流中恢复一系列的急流段、深潭段和河滩，使污染水体流动经过这些系统时，发生一系列物理、化学、生物反应，使水体自净能力提升。

与现有的方法比较所具有的有益效果。

该方法净化河水，降低污染物浓度，促进黑臭河道的治理，实现好的环境效益；其次恢复自然河道的原有风貌，同时起到景观效果，可进一步开发旅游产品；再次，工程布置因地制宜，充分利用河道内空间，工程量小投资少；另外，相对直线型、混凝土、硬质河道治理模式，后期管理运行简单高效。最后增加河流生物多样性和人-河的亲和力。

实施例1

如图1所示，一种严重污染河道的自然恢复方法，根据被严重污染河道的上游或附近未污染河道的参数，重新设计严重污染河道的结构。

严重污染河道被治理后的河道包括急流段1、深潭段2与河滩湿地3。治理河段整体顺直，治理河段主槽为蜿蜒曲折型，其主河槽包括急流段1和深潭段2，主槽两侧布置成河滩湿地3。急流段1布置在河滩湿地3的凹岸或凸岸，深潭段2常布置在相邻两个凹岸和凸岸的连接处，急流段1和深潭段2长度相同，具体长度根据实际条件确定。

请参阅图2，急流段1设置成梯形断面，两侧坡度通常为1:1.5-1:2.0，全断面铺设护底大块石11和护岸大块石12，其粒径应满足设计洪水条件下的抗冲粒径。急流段1需具有较大的坡降，使水流在急流段1形成急流，急流通过与护底大块石11和护岸大块石12的相互作用，使表面水流翻腾滚动,掺入空气,提高河水溶解氧含量。护底大块石11和护岸大块石12下设置碎石垫层13，厚度约为300mm。

如图2，急流段1一侧与河堤护岸4相连，由于急流容易造成河堤护岸4的基础冲刷，设有抛石护脚5来保护河岸。损坏后抛石护脚5修复快速简单，同时抛石间隙可成为鱼类以及其它水生生物的栖息所及避难所，兼作小型鱼草之用，从而为治理河段的生态功能修复起到一定的积极意义。

抛石护脚5的稳定坡面约为1:1.5。为防止基础土层的细粒土冲刷流失，过滤垫层可采用碎石垫层6。

进一步参阅图3，深潭段2为碗状结构，断面设计成梯形，相比急流段1，深潭段2的水深增加流速较慢，河床质21多为细沙甚至淤泥，适宜于沉水植物22的生长，为保证断面结构的稳定，在侧壁设置砌石护岸23，在底部设置砌石护脚24。

沉水植物22采用生长在水下的植物，植物种类的选择应因地制宜，根据河水中主要污染物的类型选择合适的植物类型，可选择的沉水植物22有：金鱼藻、车轮藻、黑藻、苦草等。水流中携带的污染物被沉水植物22吸收，实现水体的净化。

继续参阅图4，河滩湿地3包括河滩基质31以及种植在其上的挺水植物32，河滩湿地3的表面位于常水位以下0—1.5cm，河滩湿地3与河堤护岸的连接处设置抛石护脚7与碎石垫层8。

挺水植物32需具有一定的耐污染能力，同时具有净化能力强的特点，并考虑到地域的特殊性等。可选择的植物种类有：例如香蒲和芦苇，种植密度分别为20-25株/m2和30-36株/m2。

继续参阅图5，河滩基质31自上而下分为3层：砾石层311、土壤层312和黏土层313；砾石层311的厚度5-10cm。土壤层312的厚度20-40cm，渗透系数为0.025～0.35cm/h的黏土或壤土，优选为土壤；黏土层313厚度为30cm左右，分层压实，作为基质。

实施例2：

以西安市灞河为工程实例，整治河段长度760m，平均坡降为0.567％，工程区域以上流域面积为518km²，根据《防洪标准》该河段的工程等级为设计洪水标准为20年一遇，根据《西安市实用水文手册》，设计洪峰流量Q20＝25.06F^0.465＝438m³/s。根据工程布置情况选取了30个典型复式断面，通过hecras软件进行河道水力计算，确定各断面水深，流速，以此为河道防护工程的设计根据；保持急流-深潭-河滩系统的稳定的同时，为达到良好的生态效益，采取植物护坡，抛石护脚等生态防护工程；此次自然恢复工程具有巨大的环境效益，对浐河污染物的削减效果明显,其中对总磷的去除比例为68.4％，对总氮的去除比例为37.3％，对氨氮的去除比例为61.3％。

随着近年来人们环保意识的增强，对污染河道治理力度的加大，浐河水质有所改善，但浐河仍然受水质污染问题所困扰。近几年来，西安市污废水排放使得地表水、地下水受到不同程度的影响。目前浐河城市段和灞河口下游水质长期处于劣Ⅴ类，主要污染物为总氮(平均超标9倍)、氨氮(平均超标7倍)、COD(平均超标4倍)、石油类(平均超标25倍)、总磷(平均超标3.5倍)、粪大肠菌群(平均超标4.8倍)。工程区河段位于于浐灞流域上游，河道中污染物的来源主要为农业灌溉废水，由于农业灌溉中用到肥料含有大量的含氮磷物质，导致向浐河排放的污废水中总氮、总磷以及氨氮的指标过高。

请参阅图6，通过拍摄卫星图像可知该段河槽大致顺直，边滩交错发育，属于顺直型河段主要特点，可以断定该治理河段为顺直型河段。

本实施例治理河道设计以河道原有的自然形态为依据，恢复河道急流段、深潭段-河滩的天然空间形态。选取整治区上游1.8km处人为干扰较少，平均坡降为4.8‰整治段同为4.8‰)的相似河段为参照河段，对治理河道进行布置。通过Google earth历史影像，收集河道断流时期参照段主槽河床高程数据绘制主槽断面图，如图7所示，可以发现参照段的深潭段和急流段结构发育良好。参照段从上游向下游完整包括有4个深潭段和3个急流段，各段的具体几何参数见表1。

表1参照段急流-深潭几何参数

通过参照段可以发现相邻急流长度与深潭长度具有很好的相关性，急流长度为100米左右，平均坡降为9‰，约为河道平均坡降的2倍，而深潭段平均长度为120m左右，略大于急流长度，平均的深度为1.15m。整治中轴线全长1600m，以参照河段为依据，并结合实际河道地形变化，对急流段、深潭段和河滩进行平面布置。为平顺上下游水流衔接，在整治区上下游连接处各设一衔接段，从上游向下依次设有7处深潭段和6处急流段。天然状态下急流总是在河流的凹岸发育，河滩在凸岸发育，故在河道的转弯处对应布置有6处河滩。图11为本发明设计洪水水面线成果图。

急流段常位于河流凸岸处，河床质主体多由漂石、卵石和砾石构成，弯道处水浅、流速较快，细沙、淤泥的含量较少，河床基质贫营养，没有水草等水生植物。急流段表面水流翻腾滚动,掺入空气,有利于恢复河水溶解氧含量，对提高水体自净能力，保证鱼类等水生生物正常生长具有重要意义。可见急流段是天然河流生态系统不可或缺的组成。

由参照段的急流宽度与主槽宽度相当，确定治理河道的急流段设计宽度为15m，深度略低于河滩，确定为40cm，为便于施工和结构稳定，急流横断面设计成梯形。

设计坡度为治理河道平均坡度的2倍，为0.96％，共设计有6段急流，从上游向下游各段长度如表2：

表2急流段设计长度

急流段1

急流段2

急流段3

急流段4

急流段5

急流段6

长度(m)

196

152

108

100

140

104

坡度

0.96％

0.96％

0.96％

0.96％

0.96％

0.96％

深潭段是一个类似碗状结构，在天然河流中与急流交替出现，深潭段处水深，流速较慢，底质较多，有许多细沙甚至淤泥，适宜于多种水生生物的栖息。由于流速变慢，水流中携带的污染物发生沉降，在深潭段中经过物理、化学、生化作用降解，实现水体的净化。

治理河道深潭段的设计宽度与急流相同为15m，由参照段确定深潭段的深度为2m，为便于施工和结构稳定，深潭段的横断面为梯形的棱柱体，考虑到实际地形由上到下各段设计长度如表3：

表3深潭段设计长度

河滩是由砾石和泥沙构成，是河流与陆地之间的过渡带,不同流速、不同深浅的急流段和深潭段组合为水生动物创造了多样的栖息地，这有利于河流生态系统保持较高的生物多样性。考虑到浐河枯水期水质污染严重，TN、TP、氨氮浓度较大，而其余指标正常，为实现水质净化的目标，拟在河滩上种植污染物处理效果较好的挺水植物，研究表明污染物处理效果与河滩面积正相关，故为增大河滩过水面积，河滩横向坡度设计为水平，纵向坡度为整治河段平均坡降0.48％。从上到下各滩地面积(等效为矩形面积折算)如下表4：

表4河滩设计面积

	系统1	系统2	系统3	系统4	系统5	系统6	系统7
								最大长度(m)	347	258	182	229.8	215.6	170	134
最大宽度(m)	60	83.1	82.2	96	92	85	70
								面积(m<sup>2</sup>)	16330	16725	13757	21605	25093	17232	9960
坡度	0.48％	0.48％	0.48％	0.48％	0.48％	0.48％	0.48％

治理河道设计拟在河滩上种植挺水植物以达到改善浐河水质的目标，但同时也导致河滩糙率的增大，必然会引起河道过洪能力的下降，为保证工程和河道的正常运行，需进行设计洪水工况下的水面线计算，确定设计洪峰流量下的水深流速，为防护设计提供依据。

水面线计算过程

在水面线计算时采用美国工程兵团的HEC-RAS 4.0水面线计算软件进行计算，具体的计算步骤如下：

河道的分段及计算断面的划分

在划分的河段内各种水力学要素不能有大的变化，应尽量使河床平均底坡基本一致；水面坡度基本一致；流量基本一致；糙率和断面形式也基本一致。如果河道比较顺直，断面形状基本一致，水流比较平稳，计算的河段可划得长一些；如果河道变化剧烈(弯道急滩较多)，则应多布置些断面，把计算的河段划得短一些。

在治理河道1.7km范围内共取了20个断面，并且是在弯道部分把两断面之间的河道情况取成直线，方便水面线的计算，同时也提高了水面线计算的精度。断面距离见表5。

表5断面水力几何要素

河道糙率的选取

复式断面的主槽糙率与滩地糙率应分别确定。糙率根据水力计算手册提供的天然河道糙率表选定。设计河道主槽由急流段和深潭段组成，由于天然条件下急流、深潭的河床基质不同，故糙率的应分别选定。急流河床质由卵石、块石组成，间有大漂石，床面不平整，底坡尚均匀，推荐糙率范围为0.034—0.040，深潭段河床质沙质，河底不太平顺，推荐的糙率范围为0.025—0.029。河滩上下游有缓弯，纵面、横面尚平坦，种有挺水植物，有束水作用，水流不通畅，推荐糙率范围为0.060—0.090。在作防洪规划时，则糙率要选得大一些，这样做可使堤防设计得高一些。

局部水头损失系数的确定

由于横截面的变化导致的收缩或扩大导致(两个横截面之间)水头损失的常见原因。每当发生这种情况时，水头损失将由hec-ras中指定的收缩和展开系数计算得出。横截面之间的系数被指定为上游横截面数据的一部分。这些系数乘以当前横截面与下游下一个横截面之间的速度头的绝对差值，这给出由转换引起的能量损失。在河流横截面的变化很小的情况下，并且流动是缓流的，收缩和扩散系数通常分别在0.1和0.3的数量级上。当有效截面面积的变化，如桥梁，收缩和弯曲时经常使用O.3和O.5的系数。有时，桥梁和涵洞周围的收缩和展开系数可能分别高达O.6和0.8，这些值可能在任何横截面发生变化。各设计断面收缩与扩散系数见表6。

表6收缩与扩散系数表

	收缩系数	扩散系数
			断面形状不变	0.0	0.0
断面形状渐变	0.1	0.3
			典型桥墩断面	0.3	0.5
断面形状突变	0.6	0.8

边界条件

采用下游出口段末端断面71作为水面线计算得初始断面，所在河段比降0.48％，糙率主槽取0.03，河滩取0.09，起始断面流量水位关系详见表7，采用曼宁公式计算初始断面处的水位-流量关系曲线，参阅图8。

表7起始断面流量水位关系表

水力计算结果

计算结果如表8所示，水位高程图见图2

表8 20年一遇洪水河道设计水面线(Q＝438m³/s)

防护工程设计

在急流段、深潭段和河滩的系统中，急流往往流速较大，河床中的块石加剧了水面起伏波动，当水流经过一个急流之后，相比平稳缓慢的水流，急流中的溶解氧含量会显著地提高，当水流进深潭后溶解氧提高会更有利于水中污染物的降解。急流相当于一个天然的“曝气池”，为了保持整个深潭段、急流段和河滩的系统稳定运行，必须考虑急流河床的防冲刷能力，如若在洪水期河床中铺设的石块被水流推移向下游，将会导致急流曝气功能下降，下游深潭淤积，水体自净能力衰退，故石块稳定的重要性不言而喻。

对于河床中石块的稳定主要取决于水流的冲刷能力和自身的抗冲能力两个方面。通过分析石块在水流作用下的受力情况，根据《水力计算手册》中提出保持石块稳定的折算直径公式计算，在20年一遇设计洪水作用下，抗冲粒径计算结果见表9：

表9设计洪水抗冲稳定粒径计算结果

急流断面号	主槽流速(m/s)	计算粒径(mm)	急流断面号	主槽流速(m/s)	计算粒径(mm)
						96	3.51	265	84	3.71	296
95	2.66	152	83	2.49	133
						92	3.47	259	80	3.46	257
91	2.25	109	79	2.12	97
						88	3.60	279	76	2.78	166
87	3.19	219	75	2.56	141

由计算结果可以选定急流河床的抗冲粒径在100mm—300mm之间，在急流段的入口流速较大，需要粒径较大的石块来保持稳定，而消耗了部分水头后，在急流段出口处水流流速减缓，抗冲粒径也相对较小。

挡土墙设计

与入口段下游相连位于凹岸的原河段河堤坡度较陡，考虑到在该河段设计有两个深潭，深潭开挖深度为2m，必然会引发河堤失稳，同时现有堤岸基础冲刷严重，拟对该段河堤重新进行设计，堤防临水侧无滩易受水流冲刷，在考虑不改变原有河势的情况下宜采用挡土墙以保证堤岸稳定。首先进行该河段设计洪水条件下的冲刷深度计算，冲刷深度计算按《河道整治设计规范》中给出的水流平行冲刷岸坡冲刷深度公式计算，计算结果见表10；

表10设计洪水条件下冲刷深度计算结果(单位：m)

断面号	Hp	V<sub>CP</sub>	R	V<sub>允</sub>	h<sub>B</sub>	冲刷深度
							99	3.84	3.23	3.69	1.39	4.07	0.23
98	5.03	4.29	4.21	1.43	5.35	0.32
							97	4.01	5.85	3.21	1.34	4.46	0.45
96	2.98	3.51	2.85	1.30	3.26	0.28
							95	4.33	2.66	4.18	1.43	4.50	0.17
94	4.7	4.64	3.9	1.41	5.05	0.35
							93	4.4	4.65	3.62	1.38	4.75	0.35
92	3.02	3.47	2.88	1.30	3.30	0.28

根据计算结果显示河床的的最大冲刷深度为0.45m，确定挡墙基础埋深为1.5m，加抛填大块石防冲，可满足基础防冲要求。

挡墙型式选择

根据挡土墙材料不同分为浆砌石挡墙、混凝土挡墙及轻型预制混凝土块挡墙(自嵌挡墙)等型式。由于混凝土挡墙需要绑扎钢筋、立模现浇，施工不易，并且施工要求高、造价相对较高，结合本工程实际，不宜采用。根据水面线计算工程治理河段设计洪水标准下深潭平均流速为2.66～5.85m/s。浆砌料石挡墙抗冲流速为4～6m/s，能抵抗水流冲涮，挡墙材料首选浆砌石。根据地质资料，挡墙基础为砂卵石层，堤基范围内无不良堤基土分布，堤基抗滑稳定条件较好。同时，堤防地基承载力不小于300KPa，比较容易满足衡重式墙基地应力的设计要求。

挡墙尺寸设计

挡墙顶部拟设计成亲水平台，设计高程高程高于常水位1m，枯水期水力计算结果和挡墙高度计算结果见表11。根据计算结果，综合施工条件考虑，急流1段挡墙高度设计为4.15m，急流1段挡墙高度为3.8m，深潭2段挡墙高度设计为4.8m。顶部宽为0.5m，临水侧坡比为1：0.25，背水侧垂直，墙趾宽1m、高1.2m，墙身排水管梅花形布置，沿纵向每隔10m设1条沉降缝。

表11挡墙高度计算

护岸设计

河道护岸建筑物是保护河道边坡稳定、防止水土流失、减少河道淤积的重要工程措施。对于护坡材料的选择，可以采用容许流速进行判断。浐河洪水为暴雨洪水，洪峰持续时间为6小时左右，边滩流速在2m以下，根据图9可选择植被护坡。

植物护坡技术是利用植物具有固土、防止水土流失和绿化环境的功能，直接在坡面上栽种树木、植物、草皮等植物。其通常用于河道护岸和堤防迎水侧的保护，它主要利用植物地上部分形成堤防迎水面软覆盖，减少坡面的裸露以及外部力与坡面土壤的直接接触面积，起消能护坡的作用；利用植物根系与坡面土壤的结合(深根锚固和浅根加筋)，改善土壤结构，增加坡面表层土壤团粒体，提高坡面表层的抗剪强度，有效提高迎水坡面的抗冲性，减少坡面土壤流失，从而保护岸坡稳定。在满足生态环境需要的同时，还增添了景观效果。

护脚设计

抛石护脚是将石块或卵石抛到护脚上，当河道遭受大洪水时，拋石利用所具有的天然石抵抗力来防止洪水冲刷堤岸、保护河岸，损坏后抛石护岸修复快速简单。块石之间还含有很多间隙，可成为鱼类以及其他水生生物的栖息所及避难所，兼作小型鱼草之用，从而为河道的生态功能修复起到一一定的积极意义。抛石防护主要适用于巾、低流速，冲蚀小、水深浅的河岸。

水下抛石的稳定坡面约为1:1.5，护岸坡面坡度应缓于此坡比。抛石底层根据现状河岸的土质条件铺设过滤垫层，以防止基础土层的细粒土冲刷流失，过滤垫层可采用砂石垫层，厚度为0.1m。抛石的尺寸需满足抗起动流速的要求。根据设计洪水条件下水力计算成果，河滩水流流速在0.85-1.92m/s之间，计算抛石稳定粒径大于75mm，确定抛石粒径范围在75-100mm之间。护岸趾部应嵌入预期的冲蚀线下，抛石埋深按水深及预计冲刷深度确定，根据设计洪水条件下水力计算结果，计算岸坡最大冲刷深度为0.1m，抛石埋深确定为0.3m。根据实际工程经验，一般将厚度设计成抛石粒径的2—3倍，设计厚度确定为0.25m。最大抛石高度为设常水位水深的0.4m，如图10所示。

枯水平台设计

护坡工程可根据岸坡的地形、地质条件、岸坡稳定及管理要求，设置枯水平台，枯水平台顶部高程应高于设计枯水位O.5m-1.Om，宽度可为1m-2m。

墙式护坡细部设计

墙式护岸在墙后与岸坡之间宜回填砂砾石。墙体应设置排水孔，排水孔处应设置反滤层。在水流冲刷严重的河岸，墙后回填体的顶面应采取防冲措施。为避免由于地基沉陷引起的堤防护坡坡面、防洪墙身裂缝，沿工程长度方向每10m设置一道沉陷缝，缝宽2cm。在地基条件改变处应增设变形缝，墙基压缩变形量较大时应适当减小分缝间距。为降低挡土墙后地下水位，减少静水压力，在工程临水面上设置排水孔。排水孔竖向和水平向间距为2m，排水孔为D50PVC管，管端包裹土工布反滤。

植物类型选择

湿地植物的选择应根据西安浐河地区的生态环境背景，考虑地域的特殊性等，这是在河滩湿地生态系统设计的植物选择中需要考虑的重要因素。必须做到因地制宜，植物适当地的地理条件。同时河滩植物主要用来处理浐河污染水质，故选取的植物需具有一定的耐污染能力，同时具有净化能力强的特点，浐河上游水质主要污染物来源于农田污废水的面源污染，总氮，氨氮，总磷超标严重，植物的选择应根据主要污染物的类型相应选择。同时考虑湿地的经济效益和社会效益，湿地植物应具有一定的经济价值和较高的较高的观赏价值。根据平水期的水力计算成果，河滩的水深在20-60cm，适宜种植挺水植物。综合考虑以上因素，选择种植以下植物：

香蒲：陕西地区广泛分布的，除氮磷能力强，香蒲经济价值较高，花粉即蒲黄入药；叶片用于编织、造纸等；幼叶基部和根状茎先端可作蔬食；雌花序可作枕芯和坐垫的填充物，该种叶片挺拔，花序粗壮，常用于花卉观赏，具有较好的观赏价值。

芦苇：多年水生或湿生的高大禾草，生长在灌溉沟渠旁、河堤沼泽地等，世界各地均有生长，芦叶、芦花、芦茎、芦根、芦笋均可入药。芦茎、芦根还可以用于造纸行业，以及生物制剂。经过加工的芦茎还可以做成工艺品。古时古人用芦苇制扫把。

香蒲：种植密度20-25株/m²；芦苇：种植密度30-36株/m²。

基质设计

基质自上而下分为3层：砾石层、土壤层与黏土层。砾石层取厚度10cm，粒径为16mm细砾石。土壤层取厚度30cm，渗透系数为0.025～0.35cm/h的黏土或壤土，宜选择当地松软土质土壤。黏土层厚度取60cm，并分层压实，作为基质。

经研究发现天然河流具有较好的水体自净能力，这与天然河流的空间结构有紧密联系，此次设计在治理河道的天然急流-深潭-河滩空间结构的基础上，对天然河滩部分进行了进一步设计，采取挖除换填河滩河床基质，种植具有强去污能力的挺水植物的工程措施，强化了治理河道的急流段、深潭段和河滩的水体净化能力，它的建成不仅叫以去除河道中的一般性行染物原如BOD、COD等，还能够面对浐河污染现状，针对性地去除氮、磷等营养物质。

浐河自然恢复工程河段的污水处理能力按照整治河段的年平均流量进行计算，污染物的去除分为两个部分计算：第一部分为急流段和深潭段对污染污的削减，此部分计算参考具有与此次设计具有相似河道结构的都柳江水质研究资料进行比对确定,一个急流段和深潭段对总氮的去除效果为0.1mg/L,总磷的去除效果为0.05mg/L，对氨氮的去除效果为0.15mg/L；第二部分为河滩植物对污染物吸附降解，设计的河滩结构与面流湿地类似，污染物去除计算按表面流湿地处理能力计算。

基于近年来国内外对湿地污染物去除数学模型的研究，目前人工湿地的主要数学模型有三种，其中基于环境背景值的一级反应动力学模型应用最为广泛，能够较好地反应污染物在湿地中的降解趋势。根据浐河水质污染物实测资料，主要为总氮、氨氮、总磷超标，故主要计算以上三类物质的处理效果，具体的计算公式如下：

式中：

C_e——目标出水浓度(mg/L)

C_i———进水浓度(mg/L)；

C^*———目标物水质指标的环境背景值(mg/L)；

k———一级反应速率常数(m/a)

Q——流经湿地的水流流量(m³/s)

A——河滩湿地面积(m²)

各种污染物的进水浓度，一级反应面积速率常数和对应物质的环境背景值选取如表12所示。

表12计算参数选取

但根据正交试验发现数学模型预测值与实测值有较大误差，实测总磷的去除量约为计算值的1,62倍，总氮的去除量为计算值的4.41倍，总磷的去除量为计算值的4.20倍，据此对计算结果进行修正，计算(假设污染物在经过一个急流段、深潭段和河滩后充分混合)成果如表13：

表13污染物净化效果计算表

根据以上初步计算，自然恢复工程对浐河污染物的削减效果明显,其中对总磷的去除比例为68.4％，对总氮的去除比例为37.3％，对氨氮的去除比例为61.3％。工程建成运行后，可有效改善浐河下游的水质，减少向灞河的污染物排放量，有利于打造优美的水环境，增强浐河水体自净能力，同时使浐河沿岸水生态系统得以恢复。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种严重污染河道的自然恢复方法，其特征在于，包括以下步骤；

步骤1、采集被污染河道上游或附近同一气候区未污染河道的急流段、深潭段和河滩的面积、周长、长、宽和坡降的比例参数；

至少分别采集9处急流段、深潭段和河滩的面积、周长、长、宽和坡降参数，然后对采集的对应参数进行相加求平均值，对急流段、深潭段和河滩的面积、周长、长、宽和坡降的平均值进行比例计算，得到急流段、深潭段和河滩的面积、周长、长、宽和坡降的比例参数；

步骤2、根据步骤1采集的未污染河道的比例关系参数，等比例确定被污染河道的急流段、深潭段和河滩的面积、周长、长、宽和坡降参数，沿被污染河道中心线交替布置急流段和深潭段，在急流段和深潭段的两侧布置河滩；

步骤3、更改被污染河道主槽的横断面结构，使其满足行洪能力，并将被污染河道的硬质驳岸改造为生态型驳岸；

步骤4、在急流段底部设置石块，用于加剧水面翻滚波动，提升水体溶解氧含量；

步骤5、在深潭段的边沿或底部种植沉水植物固定河底；

步骤6、换填河滩基质，并种植挺水植物；

所述河滩基质自上而下分为3层，分别为砾石层、土壤层与黏土层。

2.根据权利要求1所述严重污染河道的自然恢复方法，其特征在于，所述步骤3中将被污染河道的主槽横断面结构为梯形或“U”状多边形。

3.根据权利要求1所述严重污染河道的自然恢复方法，其特征在于，所述步骤3中生态型驳岸为连锁水工砌块护坡、绿化混凝土护坡或排水生态袋护坡中的一种。

4.根据权利要求1所述严重污染河道的自然恢复方法，其特征在于，所述步骤5中沉水植物为狐尾藻、金鱼藻、黑藻、苦草和水韭中的至少一种。

5.根据权利要求1所述严重污染河道的自然恢复方法，其特征在于，所述砾石层厚度为5-10cm，土壤层厚度为20-40cm；黏土层的厚度为30±5cm。

6.根据权利要求5所述严重污染河道的自然恢复方法，其特征在于，所述土壤层为渗透系数为0.025～0.35cm/h的黏土或壤土。

7.根据权利要求1所述严重污染河道的自然恢复方法，其特征在于，所述步骤6中挺水植物为芦苇、香蒲、黄菖蒲、水生美人蕉和黄花鸢尾中的至少一种。

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