CN111115835A - 一种天然河道污水防治系统和方法及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种天然河道污水防治系统和方法及设计方法，包括：构成梯级人工湿地系统的自天然河道上游至下游跨河断面设置多个漫水低堰或分隔地梁，其间设置耦合型单元系列，包括：沿天然河道的横剖面自河岸坡顶至河道近岸区设置潜流边界层单元、沿天然河道的纵剖面自上游至下游在主河道区设置梯级表流人工湿地单元、沿河道近岸区设置耦合单元，所述的各个单元系列和各个单元之间设有分隔梁。本发明针对中小天然河道涵盖沿岸面源污染、沿程点源污染、主河道紊流迁移扩散等多样性机理、又具有汛期行洪要求、水力条件和污染物运动规律复杂等特点，提出系和方法，能更为高效地达到净化河流水质、提升景观生态、确保度汛安全的目的。

Description

一种天然河道污水防治系统和方法及设计方法
技术领域
本发明涉及一种天然河道污水防治系统和方法及设计方法，是一种防治水污染的环境保护系统和治理中小天然河道水污染方法及系统的设计方法，是一种利用生物方式对中小天然河道进行污水防治的系统和方法及其结构设计的方法。
背景技术
由于降雨径流的时空分配不均衡，中国北方地区每年60％以上的降雨集中在汛期三个月左右，导致大部分中小天然河流在非汛期水量不大，环境容量小；另一方面，所述的天然河流沿岸通常是人口密集、农业生产以及乡镇企业集中地带，主汛期由于降雨稀释，污染物浓度较低，水质通常较好，但在非主汛期，低强度降雨径流沿天然河道两岸外侧大量汇入农村面源污染的问题，导致水体环境污染问题突出。随着城镇化进程的发展，所述问题将愈加突出。因此，如何在不影响汛期正常行洪的条件下，实现对污染物的生态吸附去除，从而对所述的天然河流尽快治理，对经济和社会的可持续发展具有重大意义。
处理技术中，人工湿地系统通过湿地植物、土壤/卵(砾)石和微生物在一定水力停留时间条件下的固/液分离、污染物转化等生态机理去除污染物，运行要求低，景观生态效益显著，自1990年代以来逐渐获得广泛应用。
人工湿地系统按照水体流动方式分为表流和潜流两种类型：表流型湿地在外观和功能上都接近于自然湿地，优点是除氨氮、总氮和总磷效果好，缺点是处理能力较低、负荷小、占地面积较大、冬季表面结冰、夏季容易繁殖蚊蝇；潜流型湿地主要由可种植湿地植物的卵(砾)石基质层组成，优点是可以充分利用生物膜、植物根系及基质截留等作用提高净化能力，受气候影响小、卫生条件较好，缺点是对氨氮和总氮去除效果并不理想。而通过不同类型湿地组合构建成复合人工湿地能够克服单一湿地类型的缺点，提高处理效果及其稳定性。
发明内容
为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种天然河道污水防治系统和方法及设计方法。所述的系统和方法通过一系列沿河两岸构建的处理单元将沿河污染在进入主水体之前进行处理，以期缓解污染并最终在河流中将污染程度降到最低。
本发明的目的是这样实现的：一种天然河道污水防治系统，包括：构成梯级人工湿地系统的自天然河道上游至下游跨河断面设置多个漫水低堰或分隔地梁，其间设置耦合型单元系列，包括：沿天然河道的横剖面自河岸坡顶至河道近岸区设置潜流边界层单元、沿天然河道的纵剖面自上游至下游在主河道区设置梯级表流人工湿地单元、沿河道近岸区设置耦合单元。
进一步的，所述的潜流边界层单元沿两岸并联布置，各单元从河岸到河道近岸区横向依次设置进水区、潜流区、出水区；所述的进水区布置在天然河道沿岸滨河路面及两侧堤防部位，下设粗碎石反滤层，上设植物隔离带；所述的潜流区布置在河道驳岸部位，采用下渗型生态护坡驳岸结构，下设中碎石潜流层，上设生态驳岸护砌层及生态植物；所述的出水区布置在坡脚近岸区，采用干砌块石结构。
进一步的，所述的表流人工湿地单元沿主河道从上游向下游纵向串联布置，各单元依次设置：长满植物区、敞水区、部分生长植物区，所述各区的的水底面层为种植土层，所述的种植土层下方为河床砂砾石层。
进一步的，所述的耦合单元在河道近岸区纵横耦合搭接潜流边界层单元与表流人工湿地单元，耦合区由底层向表层依次设置：连接潜流边界层单元出水区的干砌石层、相对不透水层、连接表流人工湿地单元种植土层和水生植物；所述的干砌石层用于引导潜流边界层单元渗水延伸至主河道，所述的相对不透水层主要为压实壤土或粘土结构。
一种使用上述系统的天然河道污水防治方法，所述方法的步骤如下：
步骤1，污水汇入及运动过程：沿河各种污水污染源通过多个途径汇流进入河道并随河流输移运动，主要包括：沿岸面源污染下渗汇入过程，沿程子流域点源汇流汇入过程，沿程子流域污染物沉降过程，污染物在天然河道的迁移扩散过程；
步骤2，一级处理：以潜流边界层单元为一级处理区，对沿岸外侧汇入的农村面源污染进行下渗初步处理；潜流边界层单元通过面层植物根系的沉淀和吸附、基层孔隙基质的絮凝、沉淀和过滤的拟潜流湿地机理，形成天然河道耦合型人工湿地系统的预处理区；同时，构造多样化、自然的植被固定型河流水体岸线，构造生态型水岸景观空间；
步骤3，纵横耦合：以耦合单元为一级处理出水区和二级处理进水区，潜流边界层单元与表流人工湿地单元上下纵横搭接耦合，梯级水体在潜流区、长满植物区、敞水区、部分生长植物区交替循环运行，无动力设施的天然河道系统中发生硝化过程所需的大量氧气和水力停留时间分解到各个梯级，在有效消减水体中污染物的同时，避免单级人工湿地水力停留时间过长；
步骤4，二级处理：以梯级表流人工湿地单元为二级处理区，对一级处理区出水以及天然河道沿程各子流域汇入的点源污染污水进行深入处理：
i.湿地1区：布置在河流近岸及表流人工湿地单元上游区域，为长满植物区，在植物生长季节整个湿地深度范围都是厌氧环境，该区主要处理机理是絮凝和沉淀，对TSS、微粒BOD、有机氮和有机磷、金属及某些半挥发有机化合物发挥处理效果；
ii.湿地2区：主要布置于主河槽区域，结合汛期行洪通道的预留，为敞水区面积100％的无挺水植物湿地区域，是好氧环境，可溶性BOD的减少和硝化作用在这里进行，处理机理与兼性氧化塘类似，把含碳化合物BOD氧化到很低的水平，促进NH4-N进行硝化反应转化成NO3-N；
iii.湿地3区：布置于跨河建筑物或分隔梁控制断面附近的上游区域，为部分生长植物区，是植物强化处理区域，通过反硝化作用能够进一步减少TSS及相关污染物和氮，反硝化的产物是N2和N2O气体。
进一步的，所述的面源污染下渗汇入过程中，面源污染汇入潜流边界层单元随次降雨产流迁移到径流中并沿天然河道两岸坡面下渗汇入的面源污染物负荷的计算：
Figure BDA0002367444190000021
Figure BDA0002367444190000022
Figure BDA0002367444190000023
式中，R0为迁移到径流中的污染物负荷；
Figure BDA0002367444190000024
为降雨下渗期间混合层中污染物的平均浓度；
Figure BDA0002367444190000025
为产流期间混合层污染物的平均浓度；
Figure BDA0002367444190000026
为降雨中污染物的浓度；EXK1为反映污染物向下入渗释放系数；EXK2为反映污染物在地表径流中释放系数；Q为径流量；k1为污染物的向下释放率；k2为污染物的径流释放率；F为下渗量(mm)；d为混合层厚度，模型视其为10mm；por为土壤孔隙度。
进一步的，所述的沿程子流域汇入过程中，从天然河道沿程各子流域汇入的点源污染负荷量计算：
Figure BDA0002367444190000031
Figure BDA0002367444190000032
式中，Rj为子流域污染物j的总负荷；n为污染物或污染源总数；α为降雨影响因子，用来表征降雨对污染物输出的影响；Eij为污染物j在第i种土地利用类型中的输出系数或第i种畜禽的排泄系数或人口影响的输出系数；Ai为流域中第i种土地利用类型的面积或第i种牲畜的数量或人口数量；M为降雨产生的营养输入量；
Figure BDA0002367444190000033
为降水中污染物的浓度；P为子流域年降雨量；β为径流系数；j污染物个数，i污染源个数，j和i均为1到n的正整数。
进一步的，所述的沿程子流域沉降过程中，污染物沉降的计算：
Figure BDA0002367444190000034
式中，Msettling为沉降过程损失的污染物量；ν为污染物总表观沉降速率；AS为湿地计算单元面积；
Figure BDA0002367444190000035
为水体中初始污染物平均浓度；dt为计算时间步长。
进一步的，所述的污染物在主河道的迁移扩散过程用非恒定水深平均k-ε双方程紊流全场数学模型模拟，计算天然河道恒定工况流场与污染物浓度场。
一种设计上述系统的天然河道污水防治系统设计方法，所述方法的步骤如下：
步骤一，污染源计算包括：计算迁移到径流中的面源污染物负荷R0，计算子流域污染物j的总负荷Rj，计算沉降过程损失的污染物量Msettling；
步骤二，耦合计算：计算各项污染物负荷与浓度场
Figure BDA0002367444190000036
耦合迭代计算源汇项Q R；
步骤三，河道水体污染物迁移扩散计算：采用离散型边界拟合坐标变换数值方法求解水深平均k-ε双方程紊流全场数学模型，计算天然河道各节点水位ζ，流速Ui，浓度
Figure BDA0002367444190000037
步骤四，潜流边界层单元设计：以天然河道污染物表面负荷确定的潜流边界层单元面积，从BOD5、COD、NH3-N、TP的表面负荷计算中选定最大值：
Figure BDA0002367444190000038
式中：AS为单元设计横截面积；QS为天然河道两岸进水流量；
Figure BDA0002367444190000039
为单元进水浓度；
Figure BDA00023674441900000310
为单元出水浓度；qOS为表面负荷；
以水力负荷计算确定的潜流边界层单元面积：
Figure BDA00023674441900000311
式中：qhS为水力负荷；
以水力停留时间计算确定的潜流边界层单元面积：
Figure BDA00023674441900000312
式中：HRT为水力停留时间；H为潜流边界层平均水深；e为潜流层孔隙率；
步骤五，表流人工湿地单元设计：
按照表面负荷条件计算确定的梯级表流人工湿地单元面积：
Figure BDA00023674441900000313
式中：An为第n级表流人工湿地单元设计面积，n＝1，N；N为梯级总数；Qn、
Figure BDA0002367444190000041
分别为第n级表流人工湿地单元进水流量和浓度；qOS为表面负荷；
按照水力停留时间计算确定的梯级表流人工湿地单元面积：
Figure BDA0002367444190000042
式中：Hn为第n级表流人工湿地单元平均水深，HRTn为第n级单元水力停留时间；ψ为敞水率。
本发明产生的有益效果是：本发明针对中小天然河道涵盖沿岸面源污染、沿程点源污染、主河道紊流迁移扩散等多样性机理、又具有汛期行洪要求、水力条件和污染物运动规律复杂等特点，提出一种新型的全断面耦合型梯级人工湿地系统构建方法，能更为高效地达到净化河流水质、提升景观生态、确保度汛安全的目的。其结构设计基于水深平均k-ε双方程紊流全场数学模型，克服了目前通常采用的常系数扩散模型一维圣维南方程或二维浅水环流方程模拟天然河道水力过程所带来的人为假定因素，使人工湿地系统流场和浓度场的数值模拟更加合理。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明的实施例一所述天然河道污水防治系统的河道断面结构示意图；
图2是本发明的实施例一所述天然河道污水防治系统的沿河道结构示意图；
图3是本发明的实施例四所述的表流人工湿地单元的结构示意图；
图4是本发明实施例五所述的天然河流污水方式方法的污水处理流程示意图；
图5是本发明实施例十所述的天然河道污水防治系统设计方法的流程示意图。
具体实施方式
实施例一：
本实施例是一种天然河道污水防治系统，如图1、2所示。本实施例包括：沿天然河道的横剖面自河岸坡顶至河道近岸区设置并联型潜流边界层单元、沿天然河道的纵剖面自上游至下游在主河道区设置串联型梯级表流人工湿地单元、沿河道近岸区设置耦合单元。
具体为：构成梯级人工湿地系统的自天然河道上游至下游跨河断面设置多个漫水低堰或分隔地梁，其间设置耦合型单元系列，包括：沿天然河道的横剖面自河岸坡顶至河道近岸区设置潜流边界层单元、沿天然河道的纵剖面自上游至下游在主河道区设置梯级表流人工湿地单元、沿河道近岸区设置耦合单元。
所述的梯级人工湿地系统是河道污水防治系统的子系统，这个子系统是沿一段天然河道设置的，在多段河道上设置的多个子系统构成了污水防治这个大系统。
如图1、2所示，并联潜流边界层单元与梯级串联表流人工湿地单元在天然河道沿程组合，自上而下顺序构成耦合型梯级人工湿地系统结构。非行洪期的正常运行期间，耦合型梯级人工湿地系统对天然河道污水防治的实现方式：梯级水体在潜流区、长满植物区、敞水区、部分生长植物区交替循环运行，无动力设施的天然河道系统中发生硝化过程所需的大量氧气和水力停留时间分解到各个梯级，在有效消减水体中污染物的同时，避免单级人工湿地水力停留时间过长。
本实施例充分结合表流人工湿地和潜流人工湿地处理污水的技术特点，以并联型潜流边界层单元与串联型表流湿地单元组成耦合型梯级人工湿地系统；在河道横剖面上，自驳岸潜流层——>近岸水生植物区，构建所述的并联型潜流边界层单元，在河道纵剖面上，以跨河建筑物或分隔梁为控制枢纽，构建所述的串联型梯级表流人工湿地单元，在河道近岸区纵横耦合搭接潜流边界层单元与表流人工湿地单元。所述人工湿地系统的结构设计基于水深平均k-ε双方程紊流全场数学模型，并利用离散型边界拟合坐标变换系统下基于物理意义的分步方法数值模拟求解。
本实施例所述的潜流边界层单元通过面层植物根系的沉淀和吸附、基层孔隙基质的絮凝、沉淀和过滤等拟潜流湿地机理，形成天然河道耦合型人工湿地系统的一级处理区；同时，构造多样化、自然的植被固定型河流水体岸线，构造生态型水岸景观空间。
本实施例所述的表流人工湿地单元利用顺序模型方法，沿河道纵剖面以跨河建筑物或分隔梁为控制枢纽，构建梯级表流人工湿地单元；通过絮凝、吸附、沉淀、硝化作用、反硝化作用等表流人工湿地机理，形成天然河道耦合型人工湿地系统的二级处理区；同时，构造湿地型、多样性、生态的自然河流主体。
实施例二：
本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于潜流边界层单元的细化。本实施例所述的潜流边界层单元沿两岸并联布置，各单元从河岸到河道近岸区横向依次设置进水区、潜流区、出水区；所述的进水区布置在天然河道沿岸滨河路面及两侧堤防部位，下设粗碎石反滤层，上设植物隔离带；所述的潜流区布置在河道驳岸部位，采用下渗型生态护坡驳岸结构，下设中碎石潜流层，上设生态驳岸护砌层及生态植物；所述的出水区布置在坡脚近岸区，采用干砌块石结构。
潜流边界层皆布置于河道两岸及近岸区结构层下部，有效层厚40～80cm为宜，按照水流方向分别以粗碎石——>中碎石——>干砌块石构建渐变潜流层，基本结构为：进水区为粒径40～80mm粗碎石，中间潜流区布设粒径20～30mm中碎石，出水区为粒径20cm～30cm干砌块石。每隔20～30m设置一道30～40cm宽浆砌石或混凝土格梗作为分隔梁，构成潜流边界层单元并联结构；分隔梁上部正常布置生态护坡驳岸与近岸水生植物种植区结构，不影响岸坡及近岸区生态景观。
实施例三：
本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于耦合单元的细化。本实施例所述的耦合单元结构为横向潜流边界层单元与纵向表流人工湿地单元的上下搭接耦合，包括：由底层向表层依次设置的：干砌石层、相对不透水层、种植土层和种植植物；所述的干砌石层在河心侧向上延伸至河床底面，所述的种植植物是潜水植物和近岸水生植物。
本实施例所述的耦合单元在平面上沿天然河道两岸的近岸区布置，下部为潜流边界层单元并联结构的出水区，上部为表流人工湿地串联结构的进水区；并联潜流边界层系统将外源坡面流汇入变为下渗流入河，解决正常运行期间低强度降雨径流沿天然河道两岸外侧大量汇入农村面源污染的问题；梯级串联表流人工湿地单元在天然河道沿程组合，自上而下顺序构成耦合型梯级人工湿地系统结构，形成河流梯级生态水面，在提升水体环境容量的同时，改善天然河道水体景观。
实施例四：
本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于表流人工湿地单元的细化。本实施例所述的表流人工湿地单元自上游向下游依次设置：种植漂浮和挺水植物的絮凝和沉淀区、敞水表面并在水中种植沉水植物的硝化区、种植漂浮和挺水植物的反硝化区，所述的絮凝和沉淀区、硝化区和反硝化区的水底面层为种植土层，所述的种植土层下方为河床砂砾石层，如图3所示。
本实施例所述的表流人工湿地单元利用顺序模型方法，沿河道纵剖面以跨河建筑物或分隔梁为控制枢纽，构建梯级表流人工湿地单元；通过絮凝、吸附、沉淀、硝化作用、反硝化作用等表流人工湿地机理，形成天然河道耦合型人工湿地系统的二级处理区，同时，构造湿地型、多样性、生态的自然河流主体。
表流人工湿地单元典型结构如图3所示，梯级结构如下：
1.预处理区：以并联型潜流边界层单元为表流人工湿地的预处理区，对沿岸外侧汇入的农村面源污染进行一次处理。
2.湿地1区：拟布置在近岸及上游水生植物区，设计为长满植物区，在植物生长季节整个湿地深度范围都是厌氧环境，该区主要处理机理是絮凝和沉淀，对TSS、微粒BOD、有机氮和有机磷、金属及某些半挥发有机化合物等均有效果。
3.湿地2区：拟布置于主河槽区域，结合汛期行洪通道的预留，设计为敞水区面积100％的无挺水植物湿地区域，是好氧环境，可溶性BOD的减少和硝化作用在这里进行，主要处理机理与兼性氧化塘类似，把含碳化合物(BOD)氧化到很低的水平，促进NH4-N进行硝化反应转化成NO3-N。
4.湿地3区：拟布置于跨河建筑物或分隔梁控制断面附近的上游区域，设计为部分生长植物区，是植物强化处理区域，可以进一步减少TSS及相关污染物和氮(通过反硝化作用)。反硝化的产物是N2和N2O气体，它们很容易逸出湿地，从而达到去除氮的设计目的。
实施例五：
本实施例是一种应用上述实施例所述系统的天然河流污水防治方法。所述方法基于水深平均k-ε双方程紊流全场数学模型，构建了一种适合中国北方地区中小天然河道的全断面耦合型梯级人工湿地系统。所述人工湿地系统，采用简便、经济、可行的方法，有效解决正常运行期间低强度降雨径流沿天然河道两岸外侧大量汇入农村面源污染的问题，在不影响天然河道正常行洪的条件下，实现对污染物的生态吸附去除；同时，提出了一种融合坡面下渗汇入过程、子流域汇流沉降过程和主河道迁移扩散过程的耦合型水深平均k-ε双方程紊流全场数学模型，实现天然河道中污染物主要运动过程的联解模拟，定量化设计复杂的天然河道耦合湿地系统。
所述方法的具体步骤如下，流程示意如图4所示：
步骤1，面源污染下渗汇入：天然河道沿岸各种污染源通过多个途径汇流进入河道，其中最常见的、也是最不易防治的是人类活动包括农村生活污水、畜禽养殖和农田生产造成的面源污染。这些面源污染随低强度降雨径流沿天然河道两岸外侧大量汇入，经常带来难以解决的农村面源污染的问题。本步骤通过面源污染下渗汇入过程专门细化处理，以实现污染的防治。
步骤2，一级处理：以潜流边界层单元为一级处理区，对沿岸外侧汇入的农村面源污染进行初步处理；潜流边界层单元通过面层植物根系的沉淀和吸附、基层孔隙基质的絮凝、沉淀和过滤的拟潜流湿地机理，形成天然河道耦合型人工湿地系统的预处理区，同时，构造多样化、自然的植被固定型河流水体岸线，构造生态型水岸景观空间。
本步骤的处理可以认为是天然河流污水防治的预处理，主要是沿河岸边缘的处理，位于水与岸的交界处，包括河岸的顶端，以及沿岸的护坡、护坡底部与河道衔接的部分。在沿岸顶端和护坡上种植的生态植物能够对表层下的部分污染物进行沉淀和降解。本步骤以并联型潜流边界层单元为表流人工湿地的预处理区，对沿岸外侧汇入的农村面源污染进行一次处理。
步骤3，纵横耦合：以耦合单元为一级处理出水区和二级处理进水区，潜流边界层单元与表流人工湿地单元上下纵横搭接耦合，梯级水体在潜流区、长满植物区、敞水区、部分生长植物区交替循环运行，无动力设施的天然河道系统中发生硝化过程所需的大量氧气和水力停留时间分解到各个梯级，在有效消减水体中污染物的同时，避免单级人工湿地水力停留时间过长。
本步骤所述的“横向”是指与河道水流方向垂直的方向为横向。因此，所述的纵横耦合是指与河道水流方向垂直排列的单元之间的相互关联。
步骤4，二级处理：以梯级表流人工湿地单元为二级处理区，对一级处理区出水、以及天然河道沿程各子流域汇入的点源污染污水进行深入处理。本步骤将处理区域沿河道水流方向垂直或近似垂直的分为三个：湿地1区、湿地2区和湿地3区。三个区域顺流分布。三个区域以不同的水生植物分布，承担不同的防治污染功能：
i.湿地1区：布置在近岸及上游水生植物区，为长满植物区，在植物生长季节整个湿地深度范围都是厌氧环境，该区主要处理机理是絮凝和沉淀，对TSS、微粒BOD、有机氮和有机磷、金属及某些半挥发有机化合物发挥处理效果。
ii.湿地2区：布置于主河槽区域，结合汛期行洪通道的预留，为敞水区面积100％的无挺水植物湿地区域，是好氧环境，可溶性BOD的减少和硝化作用在这里进行，处理机理与兼性氧化塘类似，把含碳化合物BOD氧化到很低的水平，促进NH4-N进行硝化反应转化成NO3-N；
iii.湿地3区：布置于跨河建筑物或分隔梁控制断面附近的上游区域，为部分生长植物区，是植物强化处理区域，通过反硝化作用能够进一步减少TSS及相关污染物和氮，反硝化的产物是N2和N2O气体。
实施例六：
本实施例是实施例五的改进，是实施例五关于面源污染下渗汇入过程细化。本实施例所述的面源污染下渗汇入过程中，降雨产流中迁移到径流中并沿天然河道两岸坡面下渗汇入的面源污染物负荷的计算。
本实施例根据中国北方地区中小天然河道污染水体的产生机理及运动变化规律，按照污水流动次序，构建数学模拟：
沿岸外侧汇入的面源污染随降雨径流迁移，通过坡面下渗的物理过程汇入天然河道，可采用不完全混合模型计算坡面污染物负荷。模型认为土壤表层存在一个很薄的混合层，层间雨水、土壤溶液和下渗水能实现快速混合，同时该层以下无化学物质向本层传输。但是，上述雨水、土壤溶液和下渗水的混合是不完全的，致使层内溶液中的化学物质只有一部分能进入径流，这种释放能力通常用“释放系数(extraction coefficient)”公式表示。相应计算过程如下：
Figure BDA0002367444190000071
Figure BDA0002367444190000072
式中，
Figure BDA0002367444190000073
为降雨下渗期间混合层中污染物的平均浓度(ppm)；
Figure BDA0002367444190000074
为混合前表层土壤可交换态污染物含量(ppm)；
Figure BDA0002367444190000075
为降雨中污染物的浓度(ppm)；k1为污染物的向下释放率；F为下渗量(mm)；EXK1为反映污染物向下入渗释放系数；d为混合层厚度，模型视其为10mm；por为土壤孔隙度。
Figure BDA0002367444190000076
Figure BDA0002367444190000077
式中，
Figure BDA0002367444190000078
为产流期间混合层污染物的平均浓度(ppm)；k2为污染物的径流释放率；EXK2为反映污染物在地表径流中释放系数；Q为径流量(mm)。
从而计算出次降雨产流中迁移到径流中并沿天然河道两岸坡面下渗汇入的面源污染物负荷为：
Figure BDA0002367444190000079
式中，R0为迁移到径流中的污染物负荷(kg·hm-2)。
实施例七：
本实施例是实施例六的改进，是实施例六关于沿程子流域汇入过程的细化。本实施例所述的沿程子流域汇入过程中，从天然河道沿程各子流域汇入的点源污染负荷量计算：
子流域汇流过程主要计算从天然河道沿程各子流域汇入的点源污染负荷量，采用污染负荷输出系数模型计算各子流域输出汇入天然河道的污染物量。
Figure BDA0002367444190000081
Figure BDA0002367444190000082
式中，Rj为子流域污染物j的总负荷(kg/a)；n为污染物总数；α为降雨影响因子，用来表征降雨对污染物输出的影响；Eij为污染物j在第i种土地利用类型中的输出系数(kg/hm2·a)或第i种畜禽的排泄系数(kg/只·a、kg/头·a)或人口影响的输出系数(kg/人·a)；Ai为流域中第i种土地利用类型的面积(hm2)或第i种牲畜的数量(只、头)或人口数量(人)；降雨产生的营养输入量(kg/a)；
Figure BDA0002367444190000083
为降水中污染物的浓度(g/m3)；P为该子流域年降雨量(m3/a)；β为径流系数。
实施例八：
本实施例是实施例七的改进，是实施例七关于沿程子流域沉降过程的细化。本实施例所述的沿程子流域沉降过程中，污染物沉降的计算：
子流域沉降过程主要考虑非汛期天然河流水体在耦合型梯级人工湿地系统中，分隔梁或控制枢纽上游流速明显减缓，水体中泥沙和胶体颗粒等携带吸附的污染物易逐步沉积。采用表观沉降速率这一参数，描述污染物输移进入梯级串联表流人工湿地单元沉积物的净效果。
Figure BDA0002367444190000084
式中，Msettling为沉降过程损失的污染物量(kg)；ν为污染物总表观沉降速率(m/day)；As为湿地计算单元面积(m2)；
Figure BDA0002367444190000085
为水体中初始污染物平均浓度(kg/m3)；dt为计算时间步长(day)。
实施例九：
本实施例是实施例七的改进，是实施例七关于污染物在主河道的迁移扩散过程的细化。本实施例所述的污染物在主河道的迁移扩散过程用非恒定水深平均k-ε双方程紊流全场数学模型模拟，计算天然河道恒定工况流场与污染物浓度场：
沿岸面源污染和沿程点源污染汇入天然河道后，在主河道迁移扩散。天然河道属于天然大范围工程水域，水平向尺度通常远大于垂向尺度，因此，主河道迁移扩散过程可采用非恒定水深平均k-ε双方程紊流全场数学模型模拟，计算天然河道恒定工况流场与污染物浓度场。数学模型包括连续方程、动量方程、浓度方程、紊流动能输运方程、紊动耗散率输运方程等偏微分基本控制方程。对基于Boussinesq假定的三维标准k-ε紊流模型以Leibnitz公式作垂向平均化后可以得出基本控制方程如下(i，j＝1，2)：
Figure BDA0002367444190000086
Figure BDA0002367444190000087
Figure BDA0002367444190000088
Figure BDA0002367444190000089
Figure BDA00023674441900000810
Figure BDA00023674441900000811
模型系数表达式为：
μe＝μ+μt,μt＝ρcμk2/ε
Figure BDA0002367444190000091
Figure BDA0002367444190000092
DV＝αUHU*,DT＝(0.404/κ3)HU*,
Figure BDA0002367444190000093
变量说明：
xi为直角坐标；t为时间；ρ为水的密度；ρa为空气密度；H为水深；ζ为水位；
Ui为水深平均时均流速；
Figure BDA0002367444190000094
为水体中第m种污染物的水深平均时均浓度；
E为水深平均时均水体交换率，模拟河底地形变化带来的滩地出露，定义E＝1-(Vout-Vin)/V0；V0为水体交换水域的初始水体体积；Vout为水体交换水域中的水体流出体积；Vin为返回水体交换水域的原水体体积；
k为水深平均形式的紊动动能；ε为水深平均形式的紊动动能耗散率；
λm为水体第m种污染物在耦合型梯级人工湿地系统中的综合消减速率；
q为单位面积的流量源汇，流量源包括径流、融雪、水面降雨、沿程排水等因子，流量汇包括水面蒸发、河底渗漏、沿程取水等因子；
μe为紊流有效粘性系数；μ为分子粘性系数；μt为紊动粘性系数；
τi S为风应力；τi B为底部摩阻应力；C为谢才系数；
W为风速；θi为风向角度；γ2为无因次风应力系数；σT为紊流Prandtl数；
U*为底摩阻流速；cf为与河底糙度有关的经验系数；κ为卡门常数；
QR为单位时间内排放到系统内的单位质量流体上的污染物源汇耦合项，由坡面下渗汇入过程的R0、子流域汇流沉降过程的Rj和Msettling、以及主河道迁移扩散过程的
Figure BDA0002367444190000098
相互耦合迭代求解。
实施例十：
本实施例是一种设计上述实施例所述系统的天然河道污水防治系统设计方法，所述方法的步骤如下，所述设计方法的流程如图5所示：
步骤一，河道沿岸污染源计算：河道沿岸污染源计算包括：计算迁移到径流中的污染物负荷，也就是面源污染物负荷R0。子流域污染物j的总负荷，也就是点原污染物负荷Rj。沉降过程损失的污染物量，也就是污染物沉降负荷Msettling。R0的计算可以使用不完全混合模型计算。Rj的计算可以采用沿程子流域汇流过程污染负荷输出系数模型。Msettling的计算可以采用沿程子流域沉降过程表观沉降速率模型。
步骤二，耦合计算：计算各项污染物负荷与浓度场
Figure BDA0002367444190000099
耦合迭代计算源汇项QR。
可以通过k-ε双方程紊流全场数学模型模拟，计算出
Figure BDA00023674441900000910
QR。
步骤三，河道水体污染物迁移扩散计算：采用离散型边界拟合坐标变换数值方法求解水深平均k-ε双方程紊流全场数学模型，计算天然河道各节点水位ζ，流速Ui，浓度
Figure BDA0002367444190000095
可以通过k-ε双方程紊流全场数学模型模拟，计算出ζ、Ui、
Figure BDA0002367444190000096
步骤四，潜流边界层单元设计：
潜流边界层单元模拟潜流人工湿地结构，需要从表面负荷、水力负荷及水力停留时间三个角度进行设计计算，并取计算中的最大值作为最后的设计面积。
以天然河道污染物表面负荷确定的潜流边界层单元面积，需要从BOD5、COD、NH3-N、TP等的表面负荷计算中选定最大值：
Figure BDA0002367444190000097
式中：AS为单元设计横截面积(hm2)；QS为天然河道两岸进水流量(m3/d)；
Figure BDA0002367444190000101
为单元进水浓度(mg/L)、
Figure BDA0002367444190000102
为单元出水浓度(mg/L)，皆由模型的数值计算成果而得；qOS为表面负荷(kg/hm2·d)，宜参照潜流人工湿地结构，并根据试验资料确定或采用经验值。
以水力负荷计算确定的潜流边界层单元面积：
Figure BDA0002367444190000103
式中：qhS为水力负荷(m3/m2·d)，一般在0.1～1.0m3/m2·d之间，中国北方地区为0.2～0.5m3/m2·d。
用水力停留时间计算确定的潜流边界层单元面积：
Figure BDA0002367444190000104
式中：HRT为水力停留时间(d)，潜流边界层单元的水力停留时间8小时满足反硝化反应要求，大于16小时处理效果较好；H为潜流边界层平均水深(m)，宜为0.4～1.6m；e为潜流层孔隙率(％)。
步骤五，表流人工湿地单元设计：
表流人工湿地单元需要从表面负荷和水力停留时间二个方面进行设计计算，并取计算中的最大值作为最后的设计面积。
按照表面负荷条件计算确定的梯级表流人工湿地单元面积：
Figure BDA0002367444190000105
式中：An为第n级表流人工湿地单元设计面积(hm2)；N为梯级总数；Qn、
Figure BDA0002367444190000106
分别为第n级表流人工湿地单元进水流量(m3/d)和浓度(mg/L)；qOS为表面负荷(kg/hm2·d)，宜参照表流人工湿地结构，并根据试验资料确定或采用经验值。
按照水力停留时间计算确定的梯级表流人工湿地单元面积：
Figure BDA0002367444190000107
式中：Hn为第n级表流人工湿地单元平均水深(m)，HRTn为第n级单元水力停留时间(d)；ψ为敞水率(％)，指水体可以在长有植物的湿地空间区域流动的部分占总体积的比例，在有植物的区域(1区和3区)中，ψ＝0.65～0.75，在敞水区域(2区)中，ψ＝1.0。
最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案(比如河道的类型、各种公式的运用、步骤的先后顺序等)进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种天然河道污水防治系统，其特征在于，包括：构成梯级人工湿地系统的自天然河道上游至下游跨河断面设置多个漫水低堰或分隔地梁，其间设置耦合型单元系列，包括：沿天然河道的横剖面自河岸坡顶至河道近岸区设置潜流边界层单元、沿天然河道的纵剖面自上游至下游在主河道区设置梯级表流人工湿地单元、沿河道近岸区设置耦合单元。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的潜流边界层单元沿两岸并联布置，各单元从河岸到河道近岸区横向依次设置进水区、潜流区、出水区；所述的进水区布置在天然河道沿岸滨河路面及两侧堤防部位，下设粗碎石反滤层，上设植物隔离带；所述的潜流区布置在河道驳岸部位，采用下渗型生态护坡驳岸结构，下设中碎石潜流层，上设生态驳岸护砌层及生态植物；所述的出水区布置在坡脚近岸区，采用干砌块石结构。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述的表流人工湿地单元沿主河道从上游向下游纵向串联布置，各单元依次设置：长满植物区、敞水区、部分生长植物区，所述各区的的水底面层为种植土层，所述的种植土层下方为河床砂砾石层。
4.根据权利要求1-3之一的系统，其特征在于，所述的耦合单元在河道近岸区纵横耦合搭接潜流边界层单元与表流人工湿地单元，耦合区由底层向表层依次设置：连接潜流边界层单元出水区的干砌石层、相对不透水层、连接表流人工湿地单元种植土层和水生植物；所述的干砌石层用于引导潜流边界层单元渗水延伸至主河道，所述的相对不透水层主要为压实壤土或粘土结构。
5.一种使用权利要求4所述的一种天然河道污水防治系统的天然河流污水防治方法，其特征在于，所述方法的步骤如下：
步骤1，污水汇入及运动过程：沿河各种污水污染源通过多个途径汇流进入河道并随河流输移运动，主要包括：沿岸面源污染下渗汇入过程，沿程子流域点源汇流汇入过程，沿程子流域污染物沉降过程，污染物在天然河道的迁移扩散过程；
步骤2，一级处理区：以潜流边界层单元为一级处理区，对沿岸外侧汇入的农村面源污染进行下渗初步处理；潜流边界层单元通过面层植物根系的沉淀和吸附、基层孔隙基质的絮凝、沉淀和过滤的拟潜流湿地机理，形成天然河道耦合型人工湿地系统的预处理区；同时，构造多样化、自然的植被固定型河流水体岸线，构造生态型水岸景观空间；
步骤3，纵横耦合区：以耦合单元为一级处理出水区和二级处理进水区，潜流边界层单元与表流人工湿地单元上下纵横搭接耦合，梯级水体在潜流区、长满植物区、敞水区、部分生长植物区交替循环运行，无动力设施的天然河道系统中发生硝化过程所需的大量氧气和水力停留时间分解到各个梯级，在有效消减水体中污染物的同时，避免单级人工湿地水力停留时间过长；
步骤4，二级处理区：以梯级表流人工湿地单元为二级处理区，对一级处理区出水以及天然河道沿程各子流域汇入的点源污染污水进行深入处理：
i.湿地1区：布置在河流近岸及表流人工湿地单元上游区域，为长满植物区，在植物生长季节整个湿地深度范围都是厌氧环境，该区主要处理机理是絮凝和沉淀，对TSS、微粒BOD、有机氮和有机磷、金属及某些半挥发有机化合物发挥处理效果；
ii.湿地2区：布置于主河槽区域，结合汛期行洪通道的预留，为敞水区面积100％的无挺水植物湿地区域，是好氧环境，可溶性BOD的减少和硝化作用在这里进行，处理机理与兼性氧化塘类似，把含碳化合物BOD氧化到很低的水平，促进NH4-N进行硝化反应转化成NO3-N；
iii.湿地3区：布置于跨河建筑物或分隔梁控制断面附近的上游区域，为部分生长植物区，是植物强化处理区域，通过反硝化作用能够进一步减少TSS及相关污染物和氮，反硝化的产物是N2和N2O气体。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的面源污染下渗汇入过程中，面源污染下渗汇入潜流边界层单元随次降雨产流迁移到径流中并沿天然河道两岸坡面下渗汇入的面源污染物负荷的计算：
Figure FDA0002367444180000021
Figure FDA0002367444180000022
Figure FDA0002367444180000023
式中，R0为迁移到径流中的污染物负荷；
Figure FDA0002367444180000024
为降雨下渗期间混合层中污染物的平均浓度；
Figure FDA0002367444180000025
为产流期间混合层污染物的平均浓度；
Figure FDA0002367444180000026
为降雨中污染物的浓度；EXK1为反映污染物向下入渗释放系数；EXK2为反映污染物在地表径流中释放系数；Q为径流量；k1为污染物的向下释放率；k2为污染物的径流释放率；F为下渗量(mm)；d为混合层厚度，模型视其为10mm；por为土壤孔隙度。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的沿程子流域汇入过程中，从天然河道沿程各子流域汇入的点源污染负荷量计算：
Figure FDA0002367444180000027
Figure FDA0002367444180000028
式中，Rj为子流域污染物j的总负荷；n为污染物或污染源总数；α为降雨影响因子，用来表征降雨对污染物输出的影响；Eij为污染物j在第i种土地利用类型中的输出系数或第i种畜禽的排泄系数或人口影响的输出系数；Ai为流域中第i种土地利用类型的面积或第i种牲畜的数量或人口数量；M为降雨产生的营养输入量；
Figure FDA0002367444180000029
为降水中污染物的浓度；P为子流域年降雨量；β为径流系数；j污染物个数，i污染源个数，j和i均为1到n的正整数。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的沿程子流域沉降过程中，污染物沉降的计算：
Figure FDA00023674441800000210
式中，Msettling为沉降过程损失的污染物量；ν为污染物总表观沉降速率；AS为湿地计算单元面积；
Figure FDA00023674441800000211
为水体中初始污染物平均浓度；dt为计算时间步长。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的污染物在主河道的迁移扩散过程用非恒定水深平均k-ε双方程紊流全场数学模型模拟，计算天然河道恒定工况流场与污染物浓度场。
10.一种设计权利要求5所述系统的天然河道污水防治系统设计方法，其特征在于，所述方法的步骤如下：
步骤一，污染源计算包括：计算迁移到径流中的污染物负荷R0，计算子流域污染物j的总负荷Rj，计算沉降过程损失的污染物量Msettling；
步骤二，耦合计算：计算各项污染物负荷与浓度场
Figure FDA00023674441800000212
耦合迭代计算源汇项QR；
步骤三，河道水体污染物迁移扩散计算：采用离散型边界拟合坐标变换数值方法求解水深平均k-ε双方程紊流全场数学模型，计算天然河道各节点水位ζ，流速Ui，浓度
Figure FDA00023674441800000213
步骤四，潜流边界层单元设计：以天然河道污染物表面负荷确定的潜流边界层单元面积，从BOD5、COD、NH3-N、TP的表面负荷计算中选定最大值：
Figure FDA0002367444180000031
式中：AS为单元设计横截面积；QS为天然河道两岸进水流量；
Figure FDA0002367444180000032
为单元进水浓度；
Figure FDA0002367444180000033
为单元出水浓度；qOS为表面负荷；
以水力负荷计算确定的潜流边界层单元面积：
Figure FDA0002367444180000034
式中：qhS为水力负荷；
用水力停留时间计算确定的潜流边界层单元面积：
Figure FDA0002367444180000035
式中：HRT为水力停留时间；H为潜流边界层平均水深；e为潜流层孔隙率；
步骤五，表流人工湿地单元设计：
按照表面负荷条件计算确定的梯级表流人工湿地单元面积：
Figure FDA0002367444180000036
式中：An为第n级表流人工湿地单元设计面积，n＝1，N；N为梯级总数；Qn、
Figure FDA0002367444180000037
分别为第n级表流人工湿地单元进水流量和浓度；qOS为表面负荷；
按照水力停留时间计算确定的梯级表流人工湿地单元面积：
Figure FDA0002367444180000038
式中：Hn为第n级表流人工湿地单元平均水深，HRTn为第n级单元水力停留时间；ψ为敞水率。
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