CN109867416A - 一种用于河湖岸坡的生态树池和生物滞留池联合梯级净化系统 - Google Patents
一种用于河湖岸坡的生态树池和生物滞留池联合梯级净化系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于河湖岸坡的生态树池和生物滞留池联合梯级净化系统，包括若干级净化结构，每级净化结构自上而下呈多梯级阶梯式串联连接，各级净化结构通过底部的出水管对外输出净化水至下一级净化结构直至河湖终端水体；所述的净化结构为生态树池或生物滞留池，实现污染多重拦截、水体净化和储水功能，最终将干净的水源补给到河湖水体，解决了导致河湖水质污染的面源输入问题。本发明构建了不同景观层次的河湖堤岸梯级污染物拦截净化系统，实现了全方位拦截来自于河湖岸坡的径流污染输入，拦截和净化效果得到极大地增强，并且很好地解决了过量漫流雨水无法得到很好的拦截净化的问题。
Description
技术领域
本发明涉及水环境治理领域。具体为一种用于河湖坡岸的生态树池和生物滞留池联合梯级净化系统。
背景技术
传统河湖堤岸设计和建设中，为保证行洪安全，一般采用硬质堤岸，这种硬质堤岸一是不美观，枯燥乏味，丢失了堤岸动植物生态多样性的营造空间和亲水空间，二是割裂了土壤与水体之间的联系，水自净能力下降，三是地表径流缺少了植物根系的阻挡和吸附，夹带污染物长驱直入，最终导致河湖水体富营养化、水质变差，黑臭频发。
目前在河湖生态治理技术中，一般采用生态驳岸作为地面径流输入污染生态拦截的主要手段，该做法增加了一定的生物多样性空间，但拦截能力有限，且不具备高效的净化功能。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提出一种用于河湖岸坡的生态树池和生物滞留池联合梯级净化系统，构建了不同景观层次的具有高强度净化功能的河湖岸坡梯级污染物拦截净化系统。实现了全方位拦截来自于堤岸的径流污染输入，拦截和净化效果得到极大地增强，并且很好地解决了过量漫流雨水无法得到很好拦截的问题。
本发明的技术方案如下：
一种用于河湖岸坡的生态树池和生物滞留池联合梯级净化系统，包括若干级净化结构，每级净化结构自上而下呈多级阶梯式串联连接，各级净化结构通过底部的出水管对外输出净化水至下一级净化结构直至河湖终端水体；所述的净化结构为生态树池或生物滞留池。
上述净化结构的梯级优选为2-3级。多级结构可保证出水水质的提升，但是2-3级提升效果最明显，经过2-3级净化的出水可以达到地表三类水以上的指标，水处理效果和建设成本最优。
进一步的，所述的河湖岸坡应满足10°＜坡度＜80°。当坡度大于80°时，体积系统对于上下级净化结构的施工难度加大；若坡度小于10°时，净化结构内蓄水层高度相应降低，无法保证对于内部蓄水的处理效果。
对应地，上下级净化结构之间的垂直布置应满足一定的条件范围，相邻两级净化结构间的高度差大于等于上一级净化结构侧壁上表面至该级净化结构的出水管出水末端之间的垂直距离。以净化结构的宽度为B，上级净化结构的出水口与下级净化结构溢流口之间的高差为ΔH，高差ΔH和宽度B之比的范围优选为：而当或时，系统对总磷、总氮的去除效果会减弱。
上述各级净化结构之间以表面漫流或溢流管的连接结构建立溢流关系。具体的，当出现输入雨水量多于上一级结构的存储量时，多余的雨水通过表面漫流或者溢流管进入下一级的净化结构，最后一级的净化结构将多于整体净化系统存储量的雨水导入河湖终端水体。
上述生态树池和生物滞留池内部均装有过滤介质并种植功能性植物，过滤介质从上至下依次设置为过滤层、过渡层和排水层。过滤层上方留有用于存储雨水的滞留层。过滤介质优选为粒径不同的细砂、粗砂和砾石，优选过滤层、过渡层和排水层中的过滤介质粒径依次增大。本发明将过渡层和排水层设置为淹没层，淹没层高度可以通过出水管的高度控制，提供厌氧环境的同时，供养植物生长所需水分。
每级净化结构中均设有出水管，净化结构侧壁设有进水槽；出水管的进水端平铺于排水层内，出水管的末端伸出本级净化结构，连接相邻次级净化结构侧壁的进水槽，使得净化水通入次级净化结构中，依此串联连接，最后一级净化结构的出水管末端连接出水汇集总管或输出至河道终端水体；其中，出水管位于排水层内的部分，开设若干个进水孔或者割缝。
上述净化结构中，滞留层高度为100～250mm，过滤层高度为300～600mm，过渡层高度为100～300mm，排水层高度为50～200mm。过滤层主要组成为粒径0.15～2mm细砂，过渡层主要组成为粒径2～3mm粗砂，排水层主要组成为粒径3～5mm砾石。
具体的，梯级设置与渗透系数还存在如下关系：
当坡度小于50°时，第一级净化结构的过滤介质总体渗透系数范围为250mm/hr～400mm/hr，过滤介质分层的范围如下：过滤层设置范围为300mm-500mm，过渡层范围为100mm-250mm，排水层范围为50mm-200mm。第二级净化结构的过滤介质总体渗透系数范围为200mm/hr～350mm/hr，介质分层范围如下：过滤层设置范围为300mm-400mm，过渡层范围为不小于150mm，排水层范围为不小于100mm，第三级及更下级净化结构的过滤介质总体渗透系数需不大于250mm/hr，过滤介质各层的分布范围为，过滤层不小于300mm，过渡层不小于100mm，排水层不小于50mm。由此可保证净化结构对于总悬浮物(TSS)、以及非溶解态的氮(N)、磷(P)的吸附和过滤作用。
当坡度大于50°时，各级过滤介质渗透系数存在着以下关系，第一级净化结构的介质总体渗透系数范围为300mm/hr～500mm/hr，介质分层范围如下：过滤层设置范围为400mm-600mm，过渡层设置范围为150mm-300mm，排水层范围为100mm-200mm。第二级净化结构的介质总体渗透系数范围为250mm/hr～400mm/hr，各层分布范围为，过滤层为300mm-400mm，过渡层范围为100mm-250mm，排水层范围为不小于150mm，第三级及更下级净化结构的介质的总体渗透系数需在150mm/hr～250mm/hr范围内，过滤介质各层的分布范围为，过滤层不小于300mm，过渡层不小于100mm，排水层不小于50mm。以上的设置可以保证在较大坡度的条件下，总悬浮物(TSS)、总磷(TP)、总氮(TN)的高效处理能力。
优选上述生态树池中种植的功能性植物包括刺竹属植物(如凤尾竹)或柏科(如水杉)树木；生物滞留池中种植的功能性植物包括千屈菜科(如千屈菜等)、小檗科(如南天竹等)、菖蒲科(如石菖蒲等)、天门冬科(阔叶麦冬等)或禾本科(如花叶芒、狼尾草等)植物。
不同植物对不同的污染物处理能力有所差异。对于磷含量较高的进水，可用天门冬科(如阔叶麦冬等)、灯心草科(如灯芯草等)、千屈菜科植物(如千屈菜等)、菖蒲科(如石菖蒲等)或刺竹属植物(如凤尾竹等)等进行处理，以增强处理效果；对于氮含量较高的进水，可选用小檗科(如南天竹等)或禾本科植物(如花叶芒、狼尾草)等、刺竹属植物(如凤尾竹等)，以增加处理效果。
优选生态树池中的过滤介质内设有能够引导树木根部生长方向的根部障碍结构，表面覆盖栅栏结构。一方面初步截留大型垃圾，另一方面用于稳固树木的根基。
本发明生态树池和生物滞留池的数量和位置根据河湖岸坡的实际应用场景和景观设计需要进行配置，不同梯级净化结构之间平面距离不受限制，平面布置灵活，能够呈现梯田式梯级景观。
本发明的有益效果：
(1)本发明构建了不同景观层次的具有高强度净化功能的河湖堤岸梯级污染物拦截净化系统。
(2)本发明联合梯级净化系统上下梯级之间形成联动，能够全方位拦截来自于河湖堤岸的径流污染输入，并且大大增加了单位面积竖向系统的净化时间和净化能力，拦截和净化效果得到极大地增强，并且能够很好地解决过量漫流雨水无法得到很好的拦截净化等问题。
(3)本发明的生态树池和多级阶梯式的生物滞留池的不同处理系统通过级配分层介质和植物种类的科学性设计，能够达到高效的污染物(悬浮物、有机污染物、氮磷化合物、重金属、致病菌体等)滞留、过滤、吸附和生化去除能力。
(4)本发明可以促进反硝化作用从而强化脱氮效果，储存的净化雨水，有利于旱期植物的生存，同时由于更充分的净化时间，该部分水质从而更加洁净，减少了经历干旱时间后过滤介质中氮的冲刷效应。
(5)本发明通过多级阶梯式的生态树池和生物滞留池不同处理系统的联合，极大地丰富了河湖堤岸的生态多样性和景观层次，赋予了河湖堤岸生态功能，对于恢复堤岸生态具有积极的作用。
(6)本发明更大程度开发了河湖堤岸竖向亲水阶梯足够的亲水空间，打造功能性亲水生态堤岸。
(7)本发明平行空间具有设计灵活性，可为景观师构建不同的绿色景观层次和结构提供足够的空间。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1生态树池和生物滞留池联合梯级净化系统结构示意图。
图2生态树池和生物滞留池联合梯级净化系统工艺流程图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。
实施例1
如图1所示，一种用于河湖岸坡的生态树池和生物滞留池联合梯级净化系统，该系统布置在10°＜坡度＜80°的河湖岸坡，包括2-3级净化结构，每级净化结构自上而下呈阶梯式串联连接，各级净化结构通过底部的出水管对外输出净化水至下一级净化结构直至河湖终端水体；所述的净化结构为生态树池1或生物滞留池2。生态树池1和生物滞留池2内部均装有过滤介质并种植功能性植物；过滤介质从上至下依次设置为过滤层3、过渡层4和排水层5，过滤层3上方留有用于存储雨水的滞留层8。滞留层高度为100～250mm，过滤层高度为300～600mm，过渡层高度为100～300mm，排水层高度为50～200mm。过滤层主要组成为粒径0.15～2mm细砂，过渡层主要组成为粒径2～3mm粗砂，排水层主要组成为粒径3～5mm砾石。每级净化结构中均设有出水管6，净化结构侧壁均设有进水槽；出水管的进水端平铺于排水层5内，出水管6的末端伸出本级净化结构，连接相邻次级净化结构的进水槽7，使得净化水通入次级净化结构中，依此串联连接，最后一级净化结构的出水管6的末端连接出水汇集总管或输出至河道终端水体；其中，出水管6位于排水层5内的部分，开设若干个进水孔或者割缝。上述第一级净化结构为生态树池，第二级及第三级为生物滞留池，自上而下呈多级高差阶梯式依次分布，各级净化结构之间以表面漫流或溢流管连接结构建立溢流关系，不同梯级净化结构之间平面距离不受限制。相邻两级净化结构间的高度差大于等于上一级净化结构侧壁上表面至出水管出水末端之间的垂直距离。有效收纳、净化处理来自于河湖水体外源输入性表面径流，各级生态树池和生物滞留池通过底部出水管对外输出净化水，最终将干净水源输出至河湖终端水体。
生态树池1中功能性植物包括刺竹属植物或柏科树木；生物滞留池2中功能性植物包括千屈菜科植物、小檗科、菖蒲科、天门冬科或禾本科植物。优选联合梯级净化系统中第一级净化结构为生态树池。对于生态树池中树种的选择，尽量采用柏科树木作为主要选择，以提高耐旱耐涝性和污染物处理性能。
进一步地，生态树池1中的过滤介质内设有能够引导树木根部生长方向的根部障碍结构，表面覆盖栅栏结构。一方面初步截留大型垃圾，另一方面用于稳固树木的根基。
试验例1植物处理效果对比
选择15种生长地域范围广的、具有较厚根系、导水性良好的乔木和灌木、爬藤和草本植物。以植物种类为变量，分别进行降雨模拟实验，并对主要污染物开展进出水监测。每组植物设置3个对照组；并设置无功能性植物的过滤系统。研究的指标主要包括TSS、TN、TP、NH3-N、COD、重金属(Cu、Zn、Pb、Cd)、和大肠杆菌。
实验结果得到：有功能性植物系统对污染物处理的总体效果较无功能性植物系统有明显的提高，尤其在TN、TP、NH3-N、重金属(Cu、Zn、Pb)、大肠杆菌效果较为明显。对比不同植物处理系统的结果，在前述过滤介质条件下，得出不同植物具备特有的污染物去除能力的结论：小檗科南天竹、刺竹属凤尾竹、禾本科花叶芒和狼尾草除氮能力大于71％；千屈菜科千屈菜、禾本科狼尾草、海桐科海桐、灯心草科灯芯草、大戟科乌桕除氨氮能力大于94％；美人蕉科美人蕉、千屈菜科千屈菜、菖蒲科石菖蒲、海桐科海桐、天门冬科阔叶麦冬、灯心草科灯芯草、刺竹属凤尾竹、杉科水杉的除磷能力大于80％。各种植物去除重金属能力也存在不同的效果，例如刺竹属凤尾竹和禾本科狼尾草对Cu去除能力大于91％，禾本科花叶芒和刺竹属凤尾竹对Zn去除能力大于90％。因此，针对不同污染物去除要求，可以选取相应种类的植物对污染物进行高效去除。
试验例2串联系统处理效果
取阔叶麦冬和南天竹作为实验植物，采用本发明实施例1结构分别组成单种和组合的一层、二层、三层、四层串联式实验系统(坡度均为40°)，每组设置3组对照，主要针对TSS、TN、TP三项指标进行监测。
实验一组、实验二组、实验三组、实验四组、实验五组、实验六组、实验七组中过滤介质的过滤层主要组成为粒径0.15～2mm细砂，过渡层主要组成为粒径2～3mm粗砂，排水层主要组成为粒径3～5mm砾石。
指标去除率见下表1：
表1单层和多层不同植物组合实验结果
从实验结果可以看出，处理系统层数的增加，可以增加污染物去除率；不同植物组合的多层系统也可以实现明显的叠加增强的效果，但是梯级设置最优设计不超过3级。
应用实施例1
在江苏省某市区环城河流主干道岸坡进行生态化改造，沿道路走向设计一层处理型水杉生态树池呈直线拦截状排布，生态树池下方铺种生态岸坡草皮，区域内设计生态树池总面积为25m2，接受汇水面积约800m2，建设成本30万元，单位面积造价1200元/m2。在一次一小时内降雨量15mm的降雨事件中取水样检测，结果见表2：
表2
应用实施例2
在江苏省某市区居民区附近某下沉式纳污营塘岸坡进行生态化改造，沿岸坡建设三级净化结构(坡度35°～40°)，一级为生态树池，水杉为主要处理植物，生态树池中的过滤介质分层如下：过滤层400mm，过渡层200mm，排水层100mm。二级和三级分别为种植有南天竹和阔叶麦冬的生物滞留池，第二级生物滞留池的过滤层为350mm，过渡层为200mm，排水层为200mm，第三级生物滞留池的过滤层300mm，过渡层100mm，排水层100mm。生态树池和生物滞留池的过滤介质中过滤层主要组成为粒径0.15～2mm细砂，过渡层主要组成为粒径2～3mm粗砂，排水层主要组成为粒径3～5mm砾石。其余结构同实施例1所述，总计滞留面积150m2，汇集处理周边5000m2汇水，建设成本75万元，单位面积造价1450元/m2。
在建成后某次一小时降雨量达16.5mm的持续降雨事件中取水样检测，结果见表3：
表3
对比应用实施例1、应用实施例2，相似的降雨强度事件下，多层梯级生态净化系统在增加较少建设成本的情况下，达到了更理想的处理效果。检测指标出水水质可达地表水Ⅲ类水以上，对污染物处理能力有很大提升；但是，梯级过多，对污染物处理效果不明显，且成本过高。
因此，本发明多级阶梯式的生态树池和生物滞留池的联合系统通过介质和植物的科学设计，能够达到高效的污染物(悬浮物、有机污染物、氨氮、总磷、重金属、致病菌体等)滞留、过滤、吸附和生化去除能力。尤其适用于项目区域汇水量大、降雨持续时间长的情况，可保持高效的污染去除能力和滞留能力。同时，对于污染物输入较为严重的区域，可考虑多层不同植物的组合，对于单种或特定污染物浓度较高的情况，可对植物的种类做出定向选择，从一定程度上可以保证对于污染物的去除效果。
Claims (10)
1.一种用于河湖岸坡的生态树池和生物滞留池联合梯级净化系统，其特征在于，包括若干级净化结构，每级净化结构自上而下呈多梯级阶梯式串联连接，各级净化结构通过底部的出水管对外输出净化水至下一级净化结构直至河湖终端水体；所述的净化结构为生态树池(1)或生物滞留池(2)。
2.根据权利要求1所述的用于河湖岸坡的生态树池和生物滞留池联合梯级净化系统，其特征在于，所述的梯级为2-3级。
3.根据权利要求1所述的用于河湖岸坡的生态树池和生物滞留池联合梯级净化系统，其特征在于，所述的河湖岸坡10°＜坡度＜80°。
4.根据权利要求1所述的用于河湖岸坡的生态树池和生物滞留池联合梯级净化系统，其特征在于，所述的生态树池(1)和生物滞留池(2)内部均装有过滤介质并种植植物；过滤介质从上至下依次设置为过滤层(3)、过渡层(4)和排水层(5)，过滤层(3)上方留有用于存储雨水的滞留层(8)。
5.根据权利要求4所述的用于河湖岸坡的生态树池和生物滞留池联合梯级净化系统，其特征在于，所述的滞留层高度为100～250mm，过滤层高度为300～600mm，过渡层高度为100～300mm，排水层高度为50～200mm。
6.根据权利要求5所述的用于河湖岸坡的生态树池和生物滞留池联合梯级净化系统，其特征在于，过滤层主要组成为粒径0.15～2mm细砂，过渡层主要组成为粒径2～3mm粗砂，排水层主要组成为粒径3～5mm砾石。
7.根据权利要求1所述的用于河湖岸坡的生态树池和生物滞留池联合梯级净化系统，其特征在于，每级净化结构中均设有出水管(6)；出水管的进水端平铺于排水层(5)内，出水管(6)的末端伸出本级净化结构，连接相邻次级净化结构侧壁的进水槽(7)，依此串联连接，最后一级净化结构的出水管(6)的末端连接出水汇集总管或输出至河道终端水体；其中，出水管位于排水层(5)内的部分，开设若干个进水孔或者割缝。
8.根据权利要求5所述的用于河湖岸坡的生态树池和生物滞留池联合梯级净化系统，其特征在于，所述的生态树池(1)中种植的功能性植物包括刺竹属植物或柏科树木；所述生物滞留池(2)中种植的功能性植物包括千屈菜科植物、小檗科、菖蒲科、天门冬科或禾本科植物。
9.根据权利要求1所述的用于河湖岸坡的生态树池和生物滞留池联合梯级净化系统，其特征在于，相邻两级净化结构间的高度差大于等于上一级净化结构侧壁上表面至出水管出水末端之间的垂直距离。
10.根据权利要求1所述的用于河湖岸坡的生态树池和生物滞留池联合梯级净化系统，其特征在于，生态树池(1)中的过滤介质内设有能够引导树木根部生长方向的根部障碍结构，表面覆盖栅栏结构。
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