CN110106828A - 一种适用于山区小流域河道水质强化净化的生态透水坝 - Google Patents

一种适用于山区小流域河道水质强化净化的生态透水坝 Download PDF

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曹玉成
徐坚
庄倩倩
吕旭东
王志荣
王永尚
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    • Y02A10/11—Hard structures, e.g. dams, dykes or breakwaters

Abstract

本发明涉及水环境治理领域，公开一种适用于山区小流域河道水质强化净化的生态透水坝，生态透水坝位于无通航的山区小流域河道内，生态透水坝与水流方向相平行的断面为梯形，生态透水坝包括低透水性生态拦截净化层(1)和高透水性生态拦截净化层(2)，低透水性生态拦截净化层(1)位于生态透水坝的底层，低透水性生态拦截净化层(1)的顶部高程高于其低透水性生态拦截净化层(1)所建位置枯水期的水位10～30cm；高透水性生态拦截净化层(2)位于生态透水坝的上层。本发明在可快速在全部坝体表层形成水生生态系统，稳定并长期发挥作用。生态透水坝设计合理，排水通畅，建设成本低。

Description

一种适用于山区小流域河道水质强化净化的生态透水坝
技术领域
本发明涉及水环境治理领域，尤其涉及一种适用于山区小流域河道水质强化净化的生态透水坝。
背景技术
当前，我国许多地区面临着河道污染严重、水质欠佳、水生态退化、水体自净能力较差等问题，河道的供水、生态景观等功能遭受严重影响，迫切需要加强治理。国内外大量研究和工程实践表明，河道水环境的治理，除了需要从源头上削减工农业生产和居民生活所带来的污染排放，还需要在河道上采取行之有效的措施来改善或强化河道自我净化功能。不同于平源地区河道，山区小流域河道通常具有坡降陡、汇流时间短、流速水位变化大等特点，极易发生洪涝灾害，因此长期以来普通采用堤防建设、防洪护岸等渠化措施对其进行治理。然而，河道渠化处理不可避免地对河道的生境条件和水生态系统造成破坏，河道的水体自净能力和水生态承载力也因此受到严重影响。
生态透水坝是近年来得到日益重视的一种生态化污染拦截净化技术，应用于河道治理，通常是利用天然土石料(如砂土、砾石、块石、碎石等)作为构筑材料，通过人工堆筑或机械碾压形成坝体，然后在坝体上配置水生植物，利用水生植物吸收、筑坝材料吸附过滤及其附着微生物的降解转化等作用拦截净化水质，因而在建设成本、净化污染等方面相较于传统的钢筋混凝土坝具有明显的优势。
与人工湿地、生态滤池等以介质或填料为基础的生态化技术相类似，生态透水坝的污染拦截净化能力及其持续性，不仅受到构筑材料(类型、级配、构筑方式等)、所配置的水生植物(种类、配置方式、种植方式等)以及坝体构型与结构尺寸(如横剖面和纵剖面的尺寸)等内在因素的影响，还受到水文(如水位的变化、流量的变化等)、入河污染特性(如入河污染量及时空变化规律)等外部因素的影响。但工程调查发现，现行生态透水坝技术在实际应用中表现出在建成后一段时间内具有较好的污染拦截净化效果，但较长时期运行后出现植被稀少、坝体堵塞、水流短路等问题，导致污染拦截净化效果低下，并对河道行洪排涝产生不同程度的影响。
申请号201620023870.5为实用新型专利，专利公开了一种生态透水坝，该竖向结构由下到上包括基础稳定层、强化处理层、植被种植层和植被稳定层，横截面为梯形，坡度系数为1:1～1:2.5，基础稳定层采用钢筋混凝土构成，其中地下部分高度为1M,地上部分高度为200MM，强化处理层采用填充砾石或陶粒或两者石笼网格方式构筑，植被稳定层由土、沙混合物或自然土填充而成，植被稳定层采用石笼网格按“田”字形间隔构筑，石笼网格内填充砾石，并在“田”字格中种植挺水型水生植物(美人蕉、鸢尾、千屈菜等)。该技术方案可在一部分植被稳定层上部(即植被稳定层石笼网格之间的间隔地带)形成植物净化系统，并可以较好地避免汛期洪水对水生植物的冲刷(若将水生植物种植在石笼网格中石料缝隙中，极易被急流冲走)，但是，该专利技术方案在构造方面存在不少缺陷：(1)植被稳定层采用土、沙混合物或自然土材料填充，这类材料极易渗入强化处理层而导致堵塞，植被稳定层也会因位于其下层的植被稳定层中填充料的流失而失去稳定性；(2)水生植物植被覆盖度低仅在植被稳定层上部无石笼网格的空隙地带形成水生植被；(3)若应用于山区型河流，低水位时特别是旱季时，由于坝体横截面坡比系数设计过高(1:1～1:2.5)，河水很可能会全部流经强化处理层而进入不了植被稳定层，植被稳定层上的水生植物面临着缺水而枯死的风险。这些构造上不足必然带来坝体安全风险大、污染拦截净化能力十分有限、生态功能微弱等问题，此外，该技术方案基础稳定层采用钢筋混凝土构成(其中地下部分高度为1M，地上部分高度为200MM)，建设成本也相对较高。
因此需要一种成本低、拦截净化效果好且效果稳定的生态透水坝。
发明内容
本发明针对现有技术中较长时期运行后污染拦截净化效果低下的缺点，提供一种适用于山区小流域河道水质强化净化的生态透水坝。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：
一种适用于山区小流域河道水质强化净化的生态透水坝，生态透水坝位于无通航的山区小流域河道内，生态透水坝与水流方向相平行的断面为梯形，生态透水坝包括低透水性生态拦截净化层和高透水性生态拦截净化层，低透水性生态拦截净化层位于生态透水坝的底层，低透水性生态拦截净化层的顶部高程高于其所建位置枯水期的水位10～30cm；高透水性生态拦截净化层位于生态透水坝的上层，高透水性生态拦截净化层的顶部与底部之间的距离为其所建位置丰水期水位与枯水期水位之间相差高度的30％～50％。生态透水坝与水流接触侧为梯形斜坡，在枯水期，河道流量较低，但由于入河污染的排放，此时河道中的污染物浓度又往往较高，低透水性生态拦截净化层的设置及其高程(高于枯水期水位10～30cm)和特定粒径构筑材料的确定，可在枯水期适度提高上游水位，一方面可以确保水流较为均匀的流经该层进行净化，另一方面又可以确保铺设在该层表面的植生层中的沉水植物始终浸没在水中正常生长并发挥持续的净化功能，而当河道流量较大、水位较高时，本发明低透水性生态拦截净化层同样发挥作用，而此时具有特定高度并采用特定粒径材料所构筑的高透水性生态拦截净化层，拦截净化越过低透水性生态拦截净化层高度的河水中的污染物。
作为优选，低透水性生态拦截净化层包括低透水性生态混凝土层和沉水植物型植生层，沉水植物型植生层铺设并固定在低透水性生态混凝土层的表面，沉水植物型植生层由土工席垫和定植在土工席垫的沉水植物构成。低透水性生态拦截净化层位于下部，高透水性生态拦截净化层位于上部。
作为优选，高透水性生态拦截净化层包括高透水性生态石笼层和挺水植物型植生层，高透水性生态石笼层是由多个生态石笼堆筑而成，生态石笼包括石笼网和填充在石笼网内的石料，石笼网由低碳镀锌钢丝拧编而成，石料为连续级配40mm～90mm的卵石、碎石或砾石，挺水植物型植生层铺设并固定在高透水性生态石笼层的表面，挺水植物型植生层由土工席垫和定植在土工席垫的挺水植物繁殖体构成。
作为优选，低透水性生态混凝土层是由连续级配10mm～40mm的卵石、碎石或砾石堆集后喷灌水泥浆液构筑而成，或者低透水性生态混凝土层通过将连续级配10mm～45mm的卵石、碎石或砾石与水泥浆液搅拌后构筑而成。生态透水坝若设计不合理，长时间运行后往往出现堵塞，导致拦截净化效果变差，本发明在生态混凝土、水泥灌浆、土工席垫和生物滤池技术基础上，采用在特定级配的石料堆体中喷灌水泥浆液或石料与水泥浆液的方式构筑低透水性生态混凝土层(位于底层)，在实现坝体稳固的同时，有效避免了石料直接堆筑因水力冲击磨损、移动而导致堵塞。
作为优选，按照质量百分数计，水泥浆液中包括水泥58％～65％、水34％～40％和氯化钙1％～2％。
作为优选，沉水植物为苦草、伊乐藻、金鱼藻中任意一种或多种，沉水植物的初植密度为20～200株/m2。
作为优选，挺水植物繁殖体为千屈菜、常绿水生鸢尾和花叶芦竹的种子、块根、块茎、球茎、鳞茎或幼苗中的一种或多种。
作为优选，土工席垫是以塑料为基材经乱丝熔融铺网加工而成的土工材料，土工席垫的厚度为0.3～2.5cm。
作为优选，生态透水坝的坝顶宽度为丰水期时生态透水坝所处位置河道水深的1/5～1/2，生态透水坝迎水坡的坡比为1：1.5～3，生态透水坝背水坡的坡比为1：3～8。
作为优选，为确保流水尽量均匀流经生态透水坝进行净化，需要对生态透水坝的上游50m内的河段进行基质平整；为尽量减少对河道泄洪的影响，将生态透水坝建于坡降明显河段或河道相对较宽的河段；为尽量避免入河污染被河水稀释而导致拦截净化效果不理想，将生态透水坝建于农田退水、村落生活污水或雨水入河排放口相对集中的河段的下游。
本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：本发明在可快速在全部坝体表层形成包括挺水和沉水植物在内的水生生态系统，即便在水生植物种植初期和长时间急流状态也不易被水流冲走。此外，所采用的土工席垫是以塑料为基材经乱丝熔融铺网加工而成的土工材料，使用寿命可长达20年以上，可确保透水坝水生生态系统的稳定并长期发挥作用。生态透水坝设计合理，排水通畅，即便在丰水期也不会因本发明所提供的生态透水坝的建设而导致内涝。特定高度并采用特定粒径材料所构筑的高透水性生态拦截净化层，拦截净化越过低透水性生态拦截净化层高度的河水中的污染物；本发明所构筑所采用的材料廉价易得主要原材料可就地取材，生态坝的构筑作业也十分简单易行，降低了建设成本。
附图说明
图1是发明的结构示意图。
以上附图中各数字标号所指代的部位名称如下：其中，1—低透水性生态拦截净化层、2—高透水性生态拦截净化层、11—低透水性生态混凝土层、12—沉水植物型植生层、121—沉水植物、21—高透水性生态石笼层、22—挺水植物型植生层、221—挺水植物繁殖体。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
一种适用于山区小流域河道水质强化净化的生态透水坝，如图1所示，生态透水坝位于无通航的山区小流域河道内，生态透水坝与水流方向相平行的断面为梯形，生态透水坝包括低透水性生态拦截净化层1和高透水性生态拦截净化层2，低透水性生态拦截净化层1位于生态透水坝的底层，低透水性生态拦截净化层1的顶部高程高于其所建位置枯水期的水位20cm；高透水性生态拦截净化层2位于生态透水坝的上层，高透水性生态拦截净化层2的顶部与底部之间的距离为其所建位置丰水期水位与枯水期水位之间相差高度的40％。
低透水性生态拦截净化层1包括低透水性生态混凝土层11和沉水植物型植生层12，沉水植物型植生层12铺设并固定在低透水性生态混凝土层11的表面，沉水植物型植生层12由土工席垫和定植在土工席垫的沉水植物121构成。
高透水性生态拦截净化层2包括高透水性生态石笼层21和挺水植物型植生层22，高透水性生态石笼层21是由多个生态石笼堆筑而成，生态石笼包括石笼网和填充在石笼网内的石料，石笼网由低碳镀锌钢丝拧编而成，石料为连续级配65mm的卵石、碎石或砾石，挺水植物型植生层22铺设并固定在高透水性生态石笼层21的表面，挺水植物型植生层22由土工席垫和定植在土工席垫的挺水植物繁殖体221构成。
低透水性生态混凝土层11是由连续级配25mm的卵石、碎石或砾石堆集后喷灌水泥浆液构筑而成，或者低透水性生态混凝土层11通过将连续级配27mm的卵石、碎石或砾石与水泥浆液搅拌后构筑而成。
按照质量百分数计，水泥浆液中包括水泥61％、水38％和氯化钙1％。
沉水植物121为苦草、伊乐藻、金鱼藻中任意一种或多种，沉水植物121的初植密度为110株/m2。
挺水植物繁殖体221为千屈菜、常绿水生鸢尾和花叶芦竹的种子、块根、块茎、球茎、鳞茎或幼苗中的一种或多种。
土工席垫是以塑料为基材经乱丝熔融铺网加工而成的土工材料，土工席垫的厚度为1.4cm。
生态透水坝的坝顶宽度为丰水期时生态透水坝所处位置河道水深的1/3，生态透水坝迎水坡的坡比为1：2.2，生态透水坝背水坡的坡比为1：5.5。
实施例2
一种适用于山区小流域河道水质强化净化的生态透水坝，如图1所示，生态透水坝位于无通航的山区小流域河道内，生态透水坝与水流方向相平行的断面为梯形，生态透水坝包括低透水性生态拦截净化层1和高透水性生态拦截净化层2，低透水性生态拦截净化层1位于生态透水坝的底层，低透水性生态拦截净化层1的顶部高程高于其所建位置枯水期的水位10cm；高透水性生态拦截净化层2位于生态透水坝的上层，高透水性生态拦截净化层2的顶部与底部之间的距离为其所建位置丰水期水位与枯水期水位之间相差高度的30％。
低透水性生态拦截净化层1包括低透水性生态混凝土层11和沉水植物型植生层12，沉水植物型植生层12铺设并固定在低透水性生态混凝土层11的表面，沉水植物型植生层12由土工席垫和定植在土工席垫的沉水植物121构成。
高透水性生态拦截净化层2包括高透水性生态石笼层21和挺水植物型植生层22，高透水性生态石笼层21是由多个生态石笼堆筑而成，生态石笼包括石笼网和填充在石笼网内的石料，石笼网由低碳镀锌钢丝拧编而成，石料为连续级配40mmmm的卵石、碎石或砾石，挺水植物型植生层22铺设并固定在高透水性生态石笼层21的表面，挺水植物型植生层22由土工席垫和定植在土工席垫的挺水植物繁殖体221构成。
低透水性生态混凝土层11是由连续级配10mmmm的卵石、碎石或砾石堆集后喷灌水泥浆液构筑而成，或者低透水性生态混凝土层11通过将连续级配10mmmm的卵石、碎石或砾石与水泥浆液搅拌后构筑而成。
按照质量百分数计，水泥浆液中包括水泥58％、水40％和氯化钙2％。
沉水植物121为苦草、伊乐藻、金鱼藻中任意一种或多种，沉水植物121的初植密度为20株/m2。
挺水植物繁殖体221为千屈菜、常绿水生鸢尾和花叶芦竹的种子、块根、块茎、球茎、鳞茎或幼苗中的一种或多种。
土工席垫是以塑料为基材经乱丝熔融铺网加工而成的土工材料，土工席垫的厚度为0.3cm。
生态透水坝的坝顶宽度为丰水期时生态透水坝所处位置河道水深的1/5，生态透水坝迎水坡的坡比为1：1.5，生态透水坝背水坡的坡比为1：3。
实施例3
一种适用于山区小流域河道水质强化净化的生态透水坝，如图1所示，生态透水坝位于无通航的山区小流域河道内，生态透水坝与水流方向相平行的断面为梯形，生态透水坝包括低透水性生态拦截净化层1和高透水性生态拦截净化层2，低透水性生态拦截净化层1位于生态透水坝的底层，低透水性生态拦截净化层1的顶部高程高于其所建位置枯水期的水位30cm；高透水性生态拦截净化层2位于生态透水坝的上层，高透水性生态拦截净化层2的顶部与底部之间的距离为其所建位置丰水期水位与枯水期水位之间相差高度的50％。
低透水性生态拦截净化层1包括低透水性生态混凝土层11和沉水植物型植生层12，沉水植物型植生层12铺设并固定在低透水性生态混凝土层11的表面，沉水植物型植生层12由土工席垫和定植在土工席垫的沉水植物121构成。
高透水性生态拦截净化层2包括高透水性生态石笼层21和挺水植物型植生层22，高透水性生态石笼层21是由多个生态石笼堆筑而成，生态石笼包括石笼网和填充在石笼网内的石料，石笼网由低碳镀锌钢丝拧编而成，石料为连续级配90mm的卵石、碎石或砾石，挺水植物型植生层22铺设并固定在高透水性生态石笼层21的表面，挺水植物型植生层22由土工席垫和定植在土工席垫的挺水植物繁殖体221构成。
低透水性生态混凝土层11是由连续级配40mm的卵石、碎石或砾石堆集后喷灌水泥浆液构筑而成，或者低透水性生态混凝土层11通过将连续级配45mm的卵石、碎石或砾石与水泥浆液搅拌后构筑而成。
按照质量百分数计，水泥浆液中包括水泥65％、水34％和氯化钙1％。
沉水植物121为苦草、伊乐藻、金鱼藻中任意一种或多种，沉水植物121的初植密度为200株/m2。
挺水植物繁殖体221为千屈菜、常绿水生鸢尾和花叶芦竹的种子、块根、块茎、球茎、鳞茎或幼苗中的一种或多种。
土工席垫是以塑料为基材经乱丝熔融铺网加工而成的土工材料，土工席垫的厚度为2.5cm。
生态透水坝的坝顶宽度为丰水期时生态透水坝所处位置河道水深的1/2，生态透水坝迎水坡的坡比为1：3，生态透水坝背水坡的坡比为1：8。
实施例4
一种适用于山区小流域河道水质强化净化的生态透水坝，经中试规模的效果测试，采用本发明实施例1的生态透水坝连续循环处理模拟入河污水，20天实验期间COD、氨氮、总氮和总磷的平均去除负荷分别达到135.3、26.5、19.8和5.2kg/(hm2·d)。说明本发明所提供的生态透水坝具有明显的污染拦截净化效果。
实施例5
效果说明：应用于台州市天台县某河道治理，应用本发明实施例2的生态透水坝技术筑坝，两个月后经现场坝前和坝后水质监测数据分析，对COD、氨氮、总氮和总磷的去除负荷分别达到87.9、10.6、8.7和2.3kg/(hm2·d)。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种适用于山区小流域河道水质强化净化的生态透水坝，其特征在于：生态透水坝位于无通航的山区小流域河道内，生态透水坝与水流方向相平行的断面为梯形，生态透水坝包括低透水性生态拦截净化层(1)和高透水性生态拦截净化层(2)，低透水性生态拦截净化层(1)位于生态透水坝的底层，低透水性生态拦截净化层(1)的顶部高程高于其所建位置枯水期的水位10～30cm；高透水性生态拦截净化层(2)位于生态透水坝的上层，高透水性生态拦截净化层(2)的顶部与底部之间的距离为其所建位置丰水期水位与枯水期水位之间相差高度的30％～50％。
2.根据权利要求1所述的一种适用于山区小流域河道水质强化净化的生态透水坝，其特征在于：低透水性生态拦截净化层(1)包括低透水性生态混凝土层(11)和沉水植物型植生层(12)，沉水植物型植生层(12)铺设并固定在低透水性生态混凝土层(11)的表面，沉水植物型植生层(12)由土工席垫和定植在土工席垫的沉水植物(121)构成。
3.根据权利要求2所述的一种适用于山区小流域河道水质强化净化的生态透水坝，其特征在于：高透水性生态拦截净化层(2)包括高透水性生态石笼层(21)和挺水植物型植生层(22)，高透水性生态石笼层(21)是由多个生态石笼堆筑而成，生态石笼包括石笼网和填充在石笼网内的石料，石笼网由低碳镀锌钢丝拧编而成，石料为连续级配40mm～90mm的卵石、碎石或砾石，挺水植物型植生层(22)铺设并固定在高透水性生态石笼层(21)的表面，挺水植物型植生层(22)由土工席垫和定植在土工席垫的挺水植物繁殖体(221)构成。
4.根据权利要求2所述的一种适用于山区小流域河道水质强化净化的生态透水坝，其特征在于：低透水性生态混凝土层(11)是由连续级配10mm～40mm的卵石、碎石或砾石堆集后喷灌水泥浆液构筑而成，或者低透水性生态混凝土层(11)通过将连续级配10mm～45mm的卵石、碎石或砾石与水泥浆液搅拌后构筑而成。
5.根据权利要求4所述的一种适用于山区小流域河道水质强化净化的生态透水坝，其特征在于：按照质量百分数计，水泥浆液中包括水泥58％～65％、水34％～40％和氯化钙1％～2％。
6.根据权利要求2所述的一种适用于山区小流域河道水质强化净化的生态透水坝，其特征在于：沉水植物(121)为苦草、伊乐藻、金鱼藻中任意一种或多种，沉水植物(121)的初植密度为20～200株/m2。
7.根据权利要求3所述的一种适用于山区小流域河道水质强化净化的生态透水坝，其特征在于：挺水植物繁殖体(221)为千屈菜、常绿水生鸢尾和花叶芦竹的种子、块根、块茎、球茎、鳞茎或幼苗中的一种或多种。
8.根据权利要求3所述的一种适用于山区小流域河道水质强化净化的生态透水坝，其特征在于：土工席垫是以塑料为基材经乱丝熔融铺网加工而成的土工材料，土工席垫的厚度为0.3～2.5cm。
9.根据权利要求1所述的一种适用于山区小流域河道水质强化净化的生态透水坝，其特征在于：生态透水坝的坝顶宽度为丰水期时生态透水坝所处位置河道水深的1/5～1/2，生态透水坝迎水坡的坡比为1：1.5～3，生态透水坝背水坡的坡比为1：3～8。
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