CN111003882B - 一种人工沙滩多层结构生物水质净化系统及其建设方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人工沙滩多层结构生物水质净化系统，包括从下到上依次铺设在自然状态滩面上厚度均为5cm以上的充水格栅、生物过滤层、粗沙层和细沙层，所述充水格栅、生物过滤层、粗沙层和细沙层形成的剖面形态构成沙滩的平衡剖面形态。本发明还公开了该系统的建设方法。本发明的多层填筑沙滩为硝化细菌提供了生存和繁衍的空间，可以有效去除沿海水体中的氮磷污染物，使其污染物浓度控制在安全范围以内；该系统能够建立在任何一个水文条件适宜的海岸，不受地形限制，结构简单，成本低；利用格栅、生物滤材、粗沙、细沙配合的措施，可以改变沙滩水体内部的水动力条件，能够有效减少外海波浪潮汐对人造沙滩的冲刷侵蚀，减少后期的修补工作。

Description

一种人工沙滩多层结构生物水质净化系统及其建设方法

技术领域

本发明涉及人工沙滩的建设，尤其涉及一种人工沙滩多层结构生物水质净化系统及其建设方法。

背景技术

随着生活水平的日益提高，海滨旅游作为人们休闲娱乐的手段，沙滩已成为人们休闲的理想地点之一。一些滨海城市由于自身地质等原因导致天然沙滩缺失或受损、沙滩侵蚀或沙滩质量不高等问题，因此，一些城市提出建造人工沙滩的想法。目前人工沙滩的填筑工程仅是采取向滩面和近海填砂的方式来修补或构件新的可供娱乐的人工沙滩，即仅完成对沙滩外观环境的改造，而忽视了对沙滩内部系统的进一步改造。尤其在夏季海水温度较高、游客增多的时候，海面漂浮大量藻类引起沙滩环境质量下降，人工沙滩附近水体更容易发生水体富营养化的状况。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种可以实现对海岸水体净化、减小沙滩水体污染的人工沙滩多层结构生物水质净化系统。本发明的另一目的是提供该系统的建设方法。

技术方案：本发明所述的人工沙滩多层结构生物水质净化系统，包括从下到上依次铺设在自然状态滩面上厚度均为5cm以上的充水格栅、生物过滤层、粗沙层和细沙层，所述充水格栅、生物过滤层、粗沙层和细沙层形成的剖面形态构成人工沙滩的平衡剖面形态。

为了保证系统具有较好的抗压性能，所述充水格栅采用带孔隙的高强度抗腐蚀材料制成，所述充水格栅的孔隙小于生物过滤层的粒径，优选为网格尺寸为12×12mm～40×40mm、幅宽为1～6m的玻璃纤维土工格栅。玻璃纤维土工格栅是以玻璃纤维为材质，采用一定的编织工艺制成的网状结构材料，为保护玻璃纤维、提高整体使用性能，经过特殊的涂复处理工艺而成的土工复合材料。玻璃纤维的主要成份是氧化硅，属于无机材料，其理化性能极具稳定，并具有强度大、模量高、很高的耐磨性和优异的对寒性、无长期蠕变、热稳定性好的优点。将充水格栅铺满滩面，并多层堆叠至设计厚度。

所述生物过滤层为培菌生物球、珊瑚骨、陶粒或呼吸环。培菌生物球由无毒塑料制成，用以大表面积培养硝化细菌类分解水中有毒生物化学元素，它具有复杂的凹道纹理，大大延长了水流穿过生物球的过程，增加硝化细菌的作用时间。呼吸环经过高温烧结处理后具有多孔表面，其培菌比表面积是一般陶瓷滤材的10倍，有效的加速了硝化环境系统的建立与再生，具有高渗透的毛细孔结构，便于水体快速涵盖饱和，提供好氧及厌氧空间，活跃好氧细菌群和厌氧细菌群，从而有效控制亚硝酸盐和硝酸盐的累积。

所述粗沙层的中值粒径大于0.5mm，细沙层的中值粒径小于0.5mm。粒径不同，渗透性能不同，由不同渗透系数的沙组合构成的沉积物体系，能改变沙滩沉积物中的渗流流场，改变沙滩内部硝化及反硝化环境，降低沙滩内部厌氧环境海水的渗流速度，从而促进沙滩的还原反应，达到提高沙滩水质净化的目的。

本发明采用多层填筑沙滩，合理规划沙滩的填补方式，可以有效发挥沙滩的生态价值，实现海岸水体的净化，减小沙滩的水体污染，有效避免后期对人工沙滩生态环境的维护。水质净化的具体过程为：充水格栅、生物过滤层、粗沙层、细沙层为硝化细菌提供了生存和繁衍的空间，其中生物过滤层、粗沙层、细沙层这些具有微孔的滤材更宜于硝化细菌的大量繁殖，海水在潮汐和波浪的作用下涌入该系统，水体中的污物由硝化细菌进行分解，从而完成对水质的净化处理。

本发明所述的建设上述人工沙滩多层结构生物水质净化系统的建设方法，包括以下步骤：

S1：根据国标对近海污染水体的水质环境质量进行评定；

S2：现场勘测，搜集验潮站历年的潮位资料和该海域的波浪统计资料进行水动力泥沙现场勘测；

S3：对工程进行演变数学模型预测，调整设计方案，分别建立波浪数学模型和潮流泥沙数学模型；

S4：对人工沙滩的动力地貌及稳定性进行分析；

S5：沙滩设计方案初步形成后，开展波浪潮流泥沙整体物理模型试验；

S6：对人工沙滩进行施工建造。

其中，所述S2包括以下步骤：

连续观测并逐时记录工程区域半个月的潮位数据，并在高、低潮位加密测量；

连续观测并逐时记录工程区域大潮、中潮和小潮期间的潮流流速、流向、含沙量数据，观测至少28h；

对自然状态滩面取3～4个剖面进行钻探取样，在工程湾内、湾外取海床泥沙样品不少于20个，并分析泥沙的成分，包括中值粒径、含泥量、渗透系数和孔隙率参数。

所述S3包括以下步骤：

拟建人工沙滩附近水域不同特征水位、波浪方向和波浪重现期条件下的波浪要素；

拟建人工沙滩工程附近水域的潮流场特征；

拟建人工沙滩湾内泥沙淤积速率和平面分布特征；

为波浪潮流泥沙物理模型提供模型输入边界，包括潮流流速、流向、含沙量和波高。

所述S4包括以下步骤：

分析人工滩沙的活跃度和稳定性，选择合适的泥沙粒径；

结合潮流泥沙、波浪数学模型成果，推算沙滩的平衡剖面坡度，并确定沙滩设计线型。

所述S6包括以下步骤：

测量定位，设定水准点及水文标杆；

清理自然状态滩面，在施工区内由下坡脚至上坡顶中间段设置数个用于供每个施工段面的开挖标高控制的相等边点，开挖施工；

在自然状态滩面上铺设充水格栅，交错堆叠达到设计厚度；

再铺设生物过滤层，将充水格栅完全覆盖，达到设计厚度；

再喷填粗沙层，将生物过滤层完全覆盖，最后再填入细沙层。

有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点是：(1)本发明的多层填筑沙滩为硝化细菌提供了生存和繁衍的空间，可以有效去除沿海水体中的氮磷污染物，使其污染物浓度控制在安全范围以内；(2)该系统能够建立在任何一个水文条件适宜的海岸，不受地形限制，结构简单，建设容易，成本低，只需采取分层分材质的工序建设人造沙滩，就能完成整个生态系统的建设，便于推广；(3)利用格栅、生物滤材、粗沙、细沙配合的措施，可以借助格栅和生物滤材自身的重力保持良好的稳定性，在风暴季节能够有效减少外海波浪潮汐对人造沙滩的冲刷侵蚀，减少后期的修补工作；(4)利用分层的人工沙滩系统，各层设置的厚度、剖面形态可以在设计的时候调整，也可以在长期使用而遭到侵蚀破坏后再做修正，可以满足不断变化的水文气象条件的需要。

附图说明

图1是本发明人工沙滩系统的示意图；

图2是本发明人工沙滩系统建设方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明的人工沙滩多层结构生物水质净化系统包括从下到上依次铺设在自然状态沙面1上的充水格栅3、生物过滤层4、粗沙层5和细沙层6，该系统设置在近海污染水体2附近。自然状态沙面1和近海污染水体2均为未经人工改造的自然状态系统，充水格栅3、生物过滤层4、粗沙层5和细沙层6为人工填筑物。充水格栅3、生物过滤层4、粗沙层5和细沙层6的剖面形态为该海滩的平衡剖面。

充水格栅3处于自然状态滩面1和生物过滤层4之间，具有5cm以上厚度，将生物过滤层4、粗沙层5、细沙层6和自然状态滩面1隔开一定距离，使其充水。为了保证该系统具有较好的抗压性，充水格栅3采用带孔隙的高强度抗腐蚀材料制成。优选为网格尺寸为12×12mm～40×40mm、幅宽为1～6m的玻璃纤维土工格栅，玻璃纤维土工格栅是以玻璃纤维为材质，采用一定的编织工艺制成的网状结构材料，为保护玻璃纤维、提高整体使用性能，经过特殊的涂复处理工艺而成的土工复合材料。玻璃纤维的主要成份是氧化硅，属于无机材料，其理化性能极具稳定，并具有强度大、模量高、很高的耐磨性和优异的对寒性、无长期蠕变、热稳定性好的优点。将其铺满滩面，并多层堆叠至设计厚度。充水格栅的孔径小于生物过滤层的粒径。

生物过滤层4处于充水格栅3和粗沙层5之间，具有5cm以上厚度，其材质可以选用培菌生物球、珊瑚骨、陶粒等生化过滤材料。一般选用人造材料为佳，如培菌生物球、呼吸环等。培菌生物球由无毒塑料制成，以大表面积培养硝化细菌类分解水中有毒生物化学元素。它具有复杂的凹道纹理，大大延长了水流穿过生化球的过程，增加硝化细菌的作用时间。呼吸环经过高温烧结处理后的多孔表面，培菌比表面积是一般陶瓷滤材的10倍，有效的加速了硝化环境系统的建立与再生，具有高渗透的毛细孔结构，便于水体快速涵盖饱和，提供好氧及厌氧空间，活跃好氧细菌群和厌氧细菌群，有效控制亚硝酸盐和硝酸盐的累积。

粗沙层5处于生物过滤层4和细沙层6之间，具有5cm以上厚度，其材质选用中值粒径大于0.5mm粒径的粗沙。

细沙层6覆盖在粗沙层5之上，直接与大气和水接触，具有5cm以上厚度，其材质选用中值粒径小于0.5mm粒径的细沙。细沙层6直接受到水文条件和气象条件的影响，容易发生破坏，需要定期修补。条件越恶劣，细沙层6的设置高程应尽量避开波浪作用的区域。在波浪和潮汐作用下，人工沙滩内部的水动力条件过强和过弱都对沙滩内部的水动力条件不利，通过调节各层的厚度，可以营造良好的生物化学反应的环境，增强除污效果，达到人工沙滩的最大利用。

该人工沙滩系统的施工过程为：

步骤一：按照《GB 17378.5-2007海洋监测规范》对近海污染水体的水质环境质量进行评定。

步骤二：现场勘测，搜集验潮站历年的潮位资料和该海域的波浪统计资料进行水动力泥沙现场勘测。获取准确的工程区域水沙基本条件，包括以下内容：

(1)在工程口门处设置1个测站，连续观测半个月的潮位数据，潮位测量应保证逐时记录，并在高、低潮位适当加密测量；

(2)在口门、外海近区南北两侧设置3个水文泥沙测站，观测大潮、中潮和小潮期间的潮流流速、流向、含沙量数据，数据采取应保证逐时记录，并连续观测至少28h；

(3)对自然滩面取3～4个剖面进行钻探取样，在工程湾内、湾外取海床泥沙样品不少于20个，并分析泥沙的成分，包括中值粒径、含泥量、渗透系数和孔隙率等参数。

步骤三：对工程进行演变数学模型预测，对设计方案进行调整。分别建立波浪数学模型、潮流泥沙数学模型，开展以下研究内容：

(1)拟建人工沙滩附近水域不同特征水位、波浪方向和波浪重现期条件下的波浪要素；

(2)拟建人工沙滩工程附近水域的潮流场特征；

(3)湾内泥沙淤积速率和平面分布特征；

以上研究成果需为后续的波浪潮流泥沙物理模型提供模型输入边界，如潮流流速、流向、含沙量、波高等。本发明使用MIKE 21进行模拟处理，MIKE 21是一个专业的工程软件包，用于模拟河流、湖泊、河口、海湾、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及环境。MIKE 21为工程应用、海岸管理及规划提供了完备、有效的设计环境。高级图形用户界面与高效的计算引擎的结合使得MIKE21在世界范围内成为了一个专业河口海岸工程技术人员不可缺少的工具。使用MIKE21进行数学模型的计算，在软件中导入地形并输入边界，在计算前，需要用实测资料对数学模型的参数进行率定。

步骤四：人工沙滩动力地貌及稳定性分析，包括以下研究内容：

(1)分析人工滩沙的活跃度和稳定性，推荐合适的设计泥沙粒径；选择中值粒径小于0.5mm且符合养滩要求的取沙区的泥沙为细沙层，选择中值粒径大于0.5mm的取沙区的泥沙为粗沙层作为吹填材料。

(2)结合潮流泥沙、波浪数学模型成果，推算沙滩的平衡剖面坡度；

(3)结合潮流泥沙、波浪数学模型成果，给出沙滩设计线型的建议。

步骤五：波浪潮流泥沙整体物理模型试验

沙滩设计方案初步形成后，开展波浪潮流泥沙整体物理模型试验，在模型中同时考虑波浪和潮流泥沙作用，研究以下内容：

(1)给出人工滩沙的年损失量和极端风浪下的损失量，为沙滩维护提供依据；

(2)给出人工滩沙的泥化速率和泥化高程，为沙滩维护提供依据。

步骤六：制定进度计划，在具体执行过程中，应根据委托方和设计方的需求适时提供各阶段性的研究中间成果，保障设计、建设工作的顺利推进。提交现场勘测及模型试验研究报告，并提交送审稿报告。

步骤七：进行施工，具体为：

(1)测量定位，设定水准点及水文标杆，以便施工时随时监控测量；

(2)清理自然滩面。在施工区内由下坡脚至上坡顶中间段设置数个相等边点，供每个施工段面的开挖标高控制，高水位时可往上坡方向开挖施工，低水时视实际情况而定，是否可往下坡方向开挖施工，靠近水平挡墙段采用陆上挖机甩运至清淤船能施工的地段；

(3)清理工作完成后，在自然状态滩面上铺设充水格栅，交错堆叠达设计厚度。

(4)再铺设生物过滤层，将充水格栅完全覆盖，达设计厚度；

(5)采用喷沙船按照设计要求将沙滩沙喷填到位，将生物过滤层完全覆盖，最后再填入细沙层。

步骤八：进行工程回访。

实施例1

本发明的人工沙滩系统：百年一遇极端高水位为5.90m，设计高水位为4.83m，设计低水位为0.57m，百年一遇极端低水位为-0.63m。在自然状态沙面从下到上依次铺设8cm厚的充水格栅、8cm厚的生物过滤层。再铺设粗沙和细沙，高滩段坡度1:60，中间段坡度为1:29，水下坡脚段为1:40，断面为0～60m、60～350m、350m～泥面连接。高滩段达到6.0m设计标高，中间段达到5.0m设计标高，水下坡脚段达到-5.0m设计标高。所铺细沙中值粒径微0.4～0.45mm，所铺粗沙中值粒径为2.0～2.5mm。其中充水格栅为网格尺寸为12×12mm、幅宽为6m的玻璃纤维土工格栅，堆叠8层；生物过滤层为培菌生物球。

实施例2

本发明的人工沙滩系统：百年一遇极端高水位为6.30m，设计高水位为5.33m，设计低水位为1.37m，百年一遇极端低水位为0.63m。在自然状态沙面从下到上依次铺设20cm厚的充水格栅、15cm厚的生物过滤层。再铺设粗沙和细沙，高滩段坡度1:50，中间段坡度为1:40，水下坡脚段为1:30，断面为0～100m、100～300m、300m～泥面连接。高滩段达到6.5m设计标高，中间段达到5.7m设计标高，水下坡脚段达到-4.0m设计标高。所铺细沙中值粒径微0.3～0.35mm，所铺粗沙中值粒径为1.0～1.5mm。其中充水格栅为网格尺寸为20×20mm、幅宽为6m的玻璃纤维土工格栅，堆叠15层；生物过滤层为培菌生物球。

实施例3

本发明的人工沙滩系统：百年一遇极端高水位为4.90m，设计高水位为3.72m，设计低水位为-0.57m，百年一遇极端低水位为-1.63m。在自然状态沙面从下到上依次铺设10cm厚的充水格栅、10cm厚的生物过滤层。再铺设粗沙和细沙，高滩段坡度1:80，中间段坡度为1:30，水下坡脚段为1:40，断面为0～80m、80～400m、400m～泥面连接。高滩段达到6.0m设计标高，中间段达到4.0m设计标高，水下坡脚段达到-6.0m设计标高。所铺细沙中值粒径微0.4～0.45mm，所铺粗沙中值粒径为3.0～4.0mm。其中充水格栅为网格尺寸为12×12mm、幅宽为6m的玻璃纤维土工格栅，堆叠10层；生物过滤层为培菌生物球。

Claims (7)

1.一种人工沙滩多层结构生物水质净化系统的建设方法，所述系统包括从下到上依次铺设在自然状态滩面(1)上厚度均为5cm以上的充水格栅(3)、生物过滤层(4)、粗沙层(5)和细沙层(6)，所述充水格栅(3)、生物过滤层(4)、粗沙层(5)和细沙层(6)形成的剖面形态构成人工沙滩的平衡剖面形态，其特征在于，所述建设方法包括以下步骤：

S1：根据国标对近海污染水体的水质环境质量进行评定；

S2：现场勘测，搜集验潮站历年的潮位资料和该海域的波浪统计资料进行水动力泥沙现场勘测；

S3：对工程进行演变数学模型预测，调整设计方案，分别建立波浪数学模型和潮流泥沙数学模型；

S4：对人工沙滩的动力地貌及稳定性进行分析；

S5：沙滩设计方案初步形成后，开展波浪潮流泥沙整体物理模型试验；

S6：对人工沙滩进行施工建造；

所述S2包括以下步骤：

连续观测并逐时记录工程区域半个月的潮位数据，并在高、低潮位加密测量；

连续观测并逐时记录工程区域大潮、中潮和小潮期间的潮流流速、流向、含沙量数据，观测至少28h；

对自然状态滩面取3～4个剖面进行钻探取样，在工程湾内、湾外取海床泥沙样品不少于20个，并分析泥沙的成分，包括中值粒径、含泥量、渗透系数和孔隙率参数；

所述S3包括以下步骤：

拟建人工沙滩附近水域不同特征水位、波浪方向和波浪重现期条件下的波浪要素；

拟建人工沙滩工程附近水域的潮流场特征；

拟建人工沙滩湾内泥沙淤积速率和平面分布特征；

为波浪潮流泥沙物理模型提供模型输入边界，包括潮流流速、流向、含沙量和波高。

2.根据权利要求1所述的建设方法，其特征在于，所述S4包括以下步骤：

分析人工滩沙的活跃度和稳定性，选择合适的泥沙粒径；

结合潮流泥沙、波浪数学模型成果，推算沙滩的平衡剖面坡度，并确定沙滩设计线型。

3.根据权利要求1所述的建设方法，其特征在于，所述S6包括以下步骤：

测量定位，设定水准点及水文标杆；

清理自然状态滩面，在施工区内由下坡脚至上坡顶中间段设置数个用于供每个施工段面的开挖标高控制的相等边点，开挖施工；

在自然状态滩面上铺设充水格栅，交错堆叠达到设计厚度；

再铺设生物过滤层，将充水格栅完全覆盖，达到设计厚度；

再喷填粗沙层，将生物过滤层完全覆盖，最后再填入细沙层。

4.根据权利要求1所述的建设方法，其特征在于，所述充水格栅(3)为网格尺寸为12×12mm～40×40mm、幅宽为1～6m的玻璃纤维土工格栅。

5.根据权利要求1所述的建设方法，其特征在于，所述充水格栅(3)通过上下层堆叠、交错连续的方式布置在整个自然状态滩面(1)的表面，所述充水格栅(3)的孔隙小于所述生物过滤层(4)的粒径。

6.根据权利要求1所述的建设方法，其特征在于，所述生物过滤层(4)为培菌生物球、珊瑚骨、陶粒或呼吸环。

7.根据权利要求1所述的建设方法，其特征在于，所述粗沙层(5)的中值粒径大于0.5mm，所述细沙层(6)的中值粒径小于0.5mm。

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