CN116750886A - 湿地植物床-沟壕系统低温域活化净水生态工法及其系统 - Google Patents

Abstract

湿地植物床‑沟壕系统低温域活化净水生态工法及其系统。涉及人工湿地低温增强技术领域。为攻克人工湿地低温净水难题，本发明提供升级版植物床‑沟壕系统，植物床内设木质网状系统，构筑形成木质孔，植物床坡顶面搭配乔灌草苔植被组成镶嵌体进一步发育大孔隙，植物床‑沟壕系统前设前置库或培育塘，库/塘内设太阳能水循环装置或浮动湿地拦截带，将库/塘及植物床‑沟壕系统内黑泥迁移至植物床坡顶面，植物床两侧坡面覆铺活性炭，植物床顶面覆铺黑膜和倒枝，植物床与沟壕交界处放置倒木，优化水力调控，低温期湿地于冰下亚表层运行，本发明可显著提升人工湿地植物床‑沟壕系统低温域作战能力，并部分增强湿地养分物质内循环再生利用。

Description

湿地植物床-沟壕系统低温域活化净水生态工法及其系统

技术领域

本发明涉及人工湿地水质净化强化技术领域，尤其是人工湿地植物床-沟壕系统在低温域条件下其水质净化功能的简易活化增强的生态工法及其系统。

背景技术

实践证明：构筑和发育演替良好的植物床-沟壕系统(简称：沟床系统)作为一种强化的人工湿地处理单元，在地表微污染水或其它类似水体净化中发挥重要作用。大量研究实践证实：其内部孕育着丰富的关键净化区域，对各类物质或生物(比如氮磷等营养物质、有机质、重金属、农药类、多环芳烃、药物与个人护理品、其他新污染物、藻类、病毒)，其作用机制主要包括拦截、捕获、过滤、滞持、沉降、沉淀、吸附、降解、催化、氧化还原、迁移转化、再生、更替等。长期研究表明植物床-沟壕系统具有良好的水质净化、微生物活性增强、优势生物培育、生物相生相克、藻类捕获降解、清新空气、生物多样性保育改善等多重系统功能。然而，在低温域条件下，植物地上部分往往枯死停滞，系统内微生物生化活性又大幅下降，湿地水体、沉积物和湿地床地上与地下部分净化活性整体呈较低状态，特别是在湿地床或水体中发生冰冻或冷冻现象时相应状况更甚。如何有效缓解或减抑湿地水体和床体低温域作用范围、强度、时长成为人工湿地水处理领域一大焦点挑战和待破解难题。

发明内容

为了克服人工湿地植物床-沟壕系统在低温域条件下其低温域作用范围较广、作用强度较大、作用时长较长从而导致冬季冷季低温期人工湿地水质净化功能减弱的上述局限，本发明提供了一种升级版植物床-沟壕系统低温域水质净化功能简易增强活化的生态工法及其系统，提升了人工湿地植物床-沟壕系统低温域条件下的水质净化效果，较好地发挥全天候水质净化功能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：升级版植物床-沟壕系统是本发明的作用核心，在植物床-沟壕系统宜种/植地方进行乔(木)、灌(丛)、草(本)、苔(藓)等合理搭配组成植被景观镶嵌体，在植物床内部设置木质网状系统(简称：木质系统，或木网系统)，较大程度维持植物床与沟壕间较高的水力传导效率，并减抑冬季或冬春冷季低温期植物床内冰冻或冷冻程度，在纵横交错、疏密相间、犬牙交错、高低起伏、宽窄融合、深浅宜度、蜿蜒曲折、形态各异、多级复合而成的植物床-沟壕系统前端或设置前置库或增设培育塘或布置预处理河道或渠道，库/塘内可增设太阳能水循环装置(设备)或浮动湿地拦截带，强化水体垂向流转混合和复合拦截滤留功能，优化水力调控，前置库或培育塘或预处理河道或渠道里可加速培育黑色底泥，植物床-沟壕系统内部亦可滞育黑色底泥，黑色底泥可加速培育湿地系统厌氧或兼性厌氧微生物群系，在冬季低温域条件下用移动泵船或其他更新换代的现代化工具将前置库或培育塘或预处理河道或渠道或植物床间沟壕底部黑色底泥抽吸至植物床坡顶面，形成一定厚度的黑色淤泥层，在植物床两侧边坡铺设水厂用弃无毒害或低毒性的活性炭，在植物床床面植物刈割后铺设黑色地膜，在植物床已铺黑色地膜上或免铺植物床上直接覆盖刈割的芦苇或芦竹等大型水生植物或湿生植物倒枝，在植物床与沟壕交界衔接部位放置倒木，在湿地内不放置倒枝或倒木的植物床上方及沟壕邻域局部地段(预)种植或移栽或培育耐低温植物品种，最好是能够保持冬季常绿或至少是缓枯型水生、湿生、中生或陆生植物，最大程度保持冬季或冬春冷季湿地沟床系统内植物及根际微生物活性，整个系统有利于引入着床或自我培育冬季耐低温微生物，优化湿地水力调控微结构(堵头、卡口、水闸、泵站、涵洞、顶管等)，并在运行维护阶段采取适应性的水力调控方案使湿地净化效率最大化，在北方冬季低温期结冰地区，在结冻前将湿地水位抬升至安全的较高部位，待湿地床及沟壕表面结冰后，迅速降低水位，并维持湿地水位在一定的较低水平，使湿地在冰下层亚表层继续运行发挥作用。本技术方案中黑色底泥(淤泥层)、(废弃)活性炭、黑色地膜，合称：三黑；木质系统、倒枝、倒木，合称：三木。此“三黑”、“三木”均属于简易天然素材或人工素材或就地取材自湿地内生物，构成了湿地植物床-沟壕系统低温域活化净水生态工法的基本素材，对其进行合理优化组合使用，可以显著提升人工湿地植物床-沟壕系统低温域作战能力，并部分增强湿地养分物质内循环再生利用。

所述的植物床-沟壕系统内设的木质网状系统系指以任何可以形成支撑架构的木质素材构筑形成的网状或格状或片状或层状或环状或其他合理结构的骨架系统；木质素材种类可取自任何木本植物、灌丛植物、粗壮草本植物甚或人工木质材料；木质素材可取新鲜、干枯、初腐、近腐、半腐、大半腐、近全腐等不同腐烂程度或腐烂阶段的木质材料，以新鲜或初腐为佳；木质素材径级、径向、长度、形状取自然级形径，以品种嵌搭、粗细混配、长短组合、弯直相间、腐态交叉且粗者、长者、直者、易腐占优为宜；木质素材可去皮，或不去皮，木质素材在湿地植物床介质内的垂直埋深可深可浅，其埋设顶部深度层次以亚表层起始为宜，通常以不影响植物床上种植或移栽植物的生长扎盘为前提，其埋设底部深度层次以植物床植物所能深扎最大深度或湿地设计或运维所限达最低水位所能穿透植物床的有效深度范围为宜，其埋设最佳深度层次以与植物床植物(粗壮)根状茎、(不定)根系自然分布主力深度层次相交叠为宜，一般地易烂素材居浅，耐腐素材居深，具体埋深设置可以根据人工湿地工艺特点或设计和运行工艺要求而调节；木质素材的水平、竖向、斜向衔接可连续分布或间断分布，以连续分布为先；木质素材截面积在植物床截面面积占比或体积在植物床床体体积占比可大可小，但通常最低不小于5‰，因为过低比例则几乎无显性效果，最高一般不必高于75％，过高一则使得湿地构筑成本显著升高，二则反而影响人工湿地介质本身的处理效果；人工湿地植物床所植入的木质素材其主力轴向通常与湿地内水流自沟壕穿透植物床的主力流向相协同，但水平轴向、竖向轴向、斜向轴向均可单一或复合布设，可各向同性或各向异性，在立体空间上，既可水平成网、竖向成层，亦可水平、竖向呈立体网状分布，其良好的多层次空间交叉复合分布通常与湿地水力流态情势相得益彰。

所述的植物床-沟壕系统可以进行加深加密设计，显著增加单位线、单位面积或单位体积内植物床-沟壕系统的线密度、面密度、体密度，成为高密(集)度沟床系统，在人工湿地单位线、单位面积或单位体积内显著增加复合系统、多介质、多界面、多层次、多维度的比表面积和有效作用范围，加之有效的湿地水力调控和优化，从而极大增强湿地水力传导效率和水质净化效果，亦可疏密相间、前中后各单元密度不同，使得不同结构单元其水力停留时间变得有弹性、可调节，呈水力梯度分布，从而适应性地梯度处理不同类别污染物，使得各类污染物在湿地内进行梯度去除或转化或降解或埋藏或固定，疏密设计可根据湿地来水特征和生态水文要素及处理达标要求进行优化；为了最大限度增加系统可调节性和各种工况湿地运维灵活性，植物床-沟壕系统的片区或内部结构单元可呈纵横有致、犬牙交错分布，可在植物床长轴方向两端交错排布互留一定宽度、深度的凹刻(浅槽状构筑)溢水口或过水口；植物床-沟壕系统在空间梯度上，则可高低起伏、深浅有度、蜿蜒曲折、形态各异，呈多级复合状；高密度沟床系统存在着广泛的水陆边界区，即生态湿地内水体与岸边带土壤相交接的边缘地带，该处存在着水体、沉积物、大型水生植物、动物、污染物等发生变化的多级梯度，多种生物和微生物在此繁衍、共存，湿地内水位周期性波动效应主要发生在水陆界面区，该区是湿地对水源水中主要污染物去除的反应活性“热区”。

所述的植物床-沟壕系统，作为生态湿地水质净化的核心和主力军，亦遵循系统控制和整体论的理念。所谓污染源头控制和前端治理以及源(头)-迁(移)-汇(终端)系统全链条控制，尤为至关重要。所述的湿地植物床-沟壕系统其净水功能最大化，离不开必要的前置生态处理单元。实践证明，前置生态处理单元是不可或缺的且发挥重要作用，良好的前置生态处理单元对于生态湿地设计和运维尤为关键。前置生态处理单元，可以通过牺牲局部来保护后续湿地，其所牺牲的部分或内容可以对后续湿地进行有益补充或形成养分物质再生循环利用，也为部分累积性物质从水生生态系统移至陆地生态系统提供了运行维护管理便利，从而最大程度地保护整个湿地系统，显著延长湿地的运行使用寿命。

所述的前置库或培育塘，又称为前置塘、滞留库、前导塘、人工内湖、湖内湖等，将湿地上游来水先蓄存滞纳在小水域内实施一系列水净化措施(预处理)，同时沉降、沉淀来水挟带的泥沙、悬浮颗粒物后，再排入河湖、水库或下游湿地(主区)。培育塘通常在尺度和规模上较前置库要小很多，可以大致认为是前置库系统的小型化、微型化、缩微版，对于小规模的植物床-沟壕系统相对更加适用一些。

本发明的前置库与传统的前置库在结构和功能本质上别无二致，正是利用传统前置库的沉降、吸附和污染拦截、处理等功能，并对底泥进行二次开发利用，来强化湿地植物床-沟壕系统低温域净水效果。

因前置库系大型水利工程，其整个系统庞大复杂，限于篇幅，本发明不详细展开，此处仅进行一般性概述其结构、功能、主要技术特点、内部作用机制和所存问题及研究展望，彰显其重要性，并对其中要点着重加以利用。

所述的前置库，其功能主要包括蓄浑放清、净化水质。通常由三部分构成，即沉降系统、导流与回用系统和强化净化系统。沉降系统是利用现有沟渠，加以适当改造，并种植芦苇等大型水生植物，对引入处理系统的地表径流中的颗粒物、泥沙等进行拦截、沉淀处理。导流与回用系统是防止暴雨期间前置库系统溢流，把初期雨水引入前置库后，后期雨水通过导流系统流出，根据需要处理出水，经回用系统进行综合利用。强化净化系统是利用营造的砾石、植物根系、微生物的处理系统，过滤、吸附和降解水体中污染物。

前置库系利用湿地上游来水至湿地内部存在的从上游到下游水质浓度变化的特点，通过一个或者若干个子库与主库或湿地核心区相连，通过延长水力停留时间，促进水中泥沙及营养盐的沉降，同时利用子库中大型水生植物、藻类等进一步吸收、吸附、拦截营养盐，从而降低进入下一级子库或者主库或者湿地水中的营养盐含量，抑制主库或湿地中藻类过度繁殖，减缓富营养化进程，改善水质。

前置库结构之沉降系统，也称“泥溜”系统。其主要机理是利用水源地的涧河入库口，加以适当改造，在引入全部或部分地表径流的同时，通过泥沙及污染物颗粒的自然伴随沉淀至底，结合系统内的水生植物有效吸收去除底部沉淀物中的营养物质，从而达到初步净化水体水质的效果。可细分为调蓄沉淀区和拦截沉降区，其中调蓄沉淀区位于系统最前端，收集地表径流或上游来水并进行调蓄，在溢流坝的作用下，减缓进水流速，促进泥沙、颗粒物质的沉降，改善水质。但该区营养盐的去除大部分只是被转移到底泥当中。合理的排泥或底泥疏浚周期是沉淀区设计必须要考虑的问题。拦截沉淀技术比较常见的有拦污网和生物格栅等技术，类似于污水处理工艺的粗格栅技术。生物格栅是拦截网的升级，通过适当改造水下地形及边坡，结合人工湿地原理构建生态河床，种植大型水生植物，建成生物格栅，对引入处理系统的地表径流中的漂浮物、泥沙等进行拦截、沉淀处理，连同调蓄沉淀区作为前置库系统的前处理部分。拦截沉降区需定期清理维护。

前置库结构之导流与回用系统，针对水库水源地保护区内河涧一般为山溪性河道及污染突发性、大流量、低浓度等特点，为防止前置库系统暴溢，超过设计暴雨强度的径流通过导流系统流出，从而不会影响水体净化处理效果，最大限度去除截留的面源污染物。处理后的出水经回用系统可进行灌溉、养殖等综合利用。

前置库结构之强化净化系统，根据地理条件、污染特征和对水质要求等不同，强化净化区的应用技术也略有不同，但一般是由生态净化塘和部分配套工程耦合而成。生态净化塘是指在原有塘库基础上人为构建具有高效净化作用的生物、固定化脱氮除磷微生物系统、水生生物系统或陆生植物带等，充分发挥自然净化作用，来强化去除水中氮、磷等污染物的类天然反应系统。配套的强化净化技术有砾石过滤床、植物滤床净化、生态透水坝、湖滨湿地建设、人工生态浮床、深水强化净化区、生物操纵技术、生态河道构建技术等。

前置库净化水体的原理可以分为：沉淀理论、自然降解、微生物降解、水生植物吸收等。具体在此不做细述，详见相关文献资料。

前置库选址，根据各主要涧河入库口的特点及污染状况，且能保证达到一定去除率的水力停留时间前提下，在涧河的入库口构建前置库。如果入库口没有足够的场地布置，根据不同水库水源地现有地貌状况，在形态适宜的情况下，可在入库口或湿地的上游布置一系列子库(水塘)，也称串塘，使涧河上游到下游沿线的水质变化呈梯度特点，从而有效降低进入下级子库或主库或湿地水中的营养盐含量。

前置库规模的确定，在前置库设计过程中，为使入库径流中的污染物能被有效去除，必须有足够库容以受纳绝大部分径流并保证足够的滞水时间。同时需要考虑河流入库的流速、洪水水位量等因素。另一方面，前置库库容最好能容纳设计强度的暴雨径流量，如果库址场地不允许，亦需截留全部污染物浓度大的初期径流，以控制面源污染物进入主库或湿地。通过面源污染物的洪水时程分布过程线可以看出，面源污染物的总浓度呈峰前大于峰顶，峰顶大于峰后的趋势；单项污染物中除悬浮性固体浓度与洪水流量同步外，总氮、总磷及有机物浓度峰值都较洪峰提前，因此，根据在降雨过程中洪峰前径流污水中营养物质浓度较高，洪峰后浓度逐步减小的特点，前置库设计库容时应考虑能够将浓度最大径流雨水(污水)截留在库内，即保证能够截留洪峰峰顶前的全部径流量。

根据已有的经验和文献资料，对坝前水库和湿地前置库的优化调度提出了一些建议。首先，它们应该位于水库的河流流入处或湿地主来水方向上游。它们的平均深度不应超过3米，这使初级浮游植物生产过程中能够最佳地利用光线。流量应保证水与坝前水库的植被和微生物的长时间接触，微生物吸收有助于改善水质的生物物质。此外，坝前水库应设置上溢洪道，以释放磷浓度最低的地表水。建议定期分阶段清理坝前水库。

目前存在的问题，前置库技术是一种集环境效益、经济效益与社会效益于一体的水污染生态控制技术，它应用湖泊、湿地自然净化的原理，在促进污染物良性循环的前提下，获得的污染控制、资源化与美化景观的最佳效益，是目前农业面源污染控制的有效方法之一，但从目前国内外研究来看，仍有不足。

二次污染防治问题，为防止二次污染，应对前置库内的功能植被适时适量地进行清理，为便于利用，功能植被品种的选择，应尽量选择当地有经济效益的植被，从而提高功能植被回收的可操作性。

水生植被的交替问题，由于各季节的温差及不同植被习性的差异，前置库内必然出现植被季节上衔接的重大问题，因此，必须选择陆生和水生生长期和实际应用周期长的植物优良品种；其次，从生物生命的活动规律来看，冬季气温剧烈下降，绝大多数植物均进入休眠期，基本无明显的水质净化作用。

前置库的淤积问题，在前置库区内，入流水中泥沙随水向库区的输移呈现递减的梯度变化，沉降物的中值直径也逐渐变小，泥沙的沉降将使前置库库容减少，进而影响入库径流的滞留时间；此外，前置库底泥中富含的营养物是内污染源，是库内营养物质循环的中心环节，也是水土界面物质(物理的、化学的、生物的)积极交换带。因此，前置库内必须及时清淤，在取走泥沙的同时又清除含高营养盐的表层沉积物质，具体包括沉积在淤泥表层的悬浮、半悬浮状由富营养物形成的絮状胶体，或休眠状活体藻类及动植物残骸体等，该过程既是物理工程，又属生态环境工程范畴。

关于前置库研究下一步展望，加强单元结构优化及功能协调研究，由于氮、磷等营养元素仍然是水体污染物中被严格控制的主要目标，简单结构的前置库工艺流程无法满足近年来对脱氮除磷的要求。建议通过对单元系统的结构优化及不同单元功能的协调组合来达到整体工艺结构优化的目的。例如，在经典前置库沉淀系统的设计上考虑水质缓冲和底泥清淤的问题；在净化塘库区搭配适宜不同季节的植物或添加吸附填料来抵抗季节交替问题；以及设计不同功能塘来处理相应水质等。

加强基础理论研究，目前关于前置库技术的研究国外大多集中在磷的去除机理和不同影响因素的研究，国内大多集中在对结构类型和水生植物的选择方面，而有关构建前置库系统时所涉及到的库容、水流深度、水生态系统、水力停留时间以及最佳水力负荷等方面的研究报道不多，研究工作缺乏系统性和针对性。建议进一步探究前置库的净水机理，优化设计参数，为前置库统的构建提供可靠的理论依据。

加强推广应用力度，目前，前置库技术多应用于湖库河口面源污染消减，而在其它废水治理领域的应用很少见，而且不同的地域环境所要求的前置库工艺流程也有差异。所以，建议进一步结合不同地域的环境条件和不同的应用目的开展研究和进行技术推广。

所述的太阳能水循环装置(设备)，是一种综合应用技术，兼具循环、复氧、控藻等技术特点，根据其复合功能，可称之为太阳能水循环复氧控藻(开阔水域应用型)技术，其综合功能体现在促进有机物的好氧降解，氨氮的好氧转化与氮的去除，聚磷菌对磷的好氧吸收，藻华防控，底泥消解，控制水体黑臭，生态修复等。太阳能水循环复氧技术对“流水不腐”原理充分应用，并进一步强化大气复氧过程，通过强化对表层水体大面积扰动，强化大气复氧过程；通过水体水平与垂直方向的循环流，强化水体中水生植物光合作用所产生的氧气在水体中的均匀分布与低溶解区域的强化分布，强化好氧反应条件。太阳能水循环复氧设备使水体在水平方向、垂直方向造成循环流，增加了水体的流动性，将藻类由水面循环到水底，打破了藻类在水体表层的强光照、高温度、低流速的优势生长繁殖环境，有效控制藻类生长扩增或麇集，减少水体异味或嗅味产生。太阳能水循环复氧设备使表层水体与底层水体进行交换，并将水体底层的附砂藻类与浮泥藻类(主要为硅藻)带至水体表层，将水体表层的浮游藻类(水华的优势种为蓝藻)循环至水底，在打破蓝藻在水体表层的光照、温度与低流速的优势生长环境的同时，强化硅藻与蓝藻的竞争，进一步以生物竞争机制抑制蓝藻生长与爆发。太阳能水循环复氧控藻设备良好的冬季水体控冰功能，为鱼类等水生动物在冬季生存提供充足的溶解氧，促进水生态系统安全越冬。为了使太阳能水循环装置(设备)安装运行后达到最佳效果，其安装位置、台数和规格规模等需要根据受纳水体及沉积物基本理化特征、库/塘区水文地貌特征、作用区气候特点、目标水体达标要求以及经济成本等背景情况来定，并兼顾考虑太阳能水循环装置(设备)的动水半径、垂向交换深度和谐振效果。通常，在死水区、迎风面、藻类易麇集区、易冻区或重点净化区需要适当多布设一些。太阳能水循环装置(设备)的平面造型结构和形态特征，可以自行设计多样美观，并结合区域造景需求进行景观设计。太阳能水循环装置(设备)的类型可以因地制宜来选择，既可选择全天候运行类型，亦可选择晴天工作阴天收工的休养生息类型。基本原则是太阳能水循环装置(设备)能够更好地吻合区域水生态特点，达到最佳协同作用效果。

所述的浮动湿地拦截带，区别于传统生态浮床/浮岛，系指复合纤维浮动湿地拦藻带(拦截带)，是来自美国的具有景观效果的新型水体净化、水生态修复技术。复合纤维浮动湿地拦藻带广泛应用于全球不同气候环境的各类水体，是目前国际上综合效益最好，应用领域最多，适用地理范围最广，延伸应用最全面的复合纤维浮动湿地拦藻带构建技术，得到国内外水环境专家的认可。复合纤维浮动湿地拦藻带在拦藻、控藻方面有较强的优势。复合纤维浮动湿地拦藻带载体填料的纤维结构在遇到风浪时，可将波浪中的能量有效缓冲释放，消减浪涌藻的动力。根据不同植物的特点，有观测记录的复合纤维浮动湿地拦藻带植物浸没在水中的植物根系长达1.5米(平均达到水下1米以上)。茂密的植物根系上附着大量微生物并形成厚厚的根系墙，拦截并吸附浅层水域藻类。因此，复合纤维浮动湿地拦藻带从空间上(水面表层及水下1.5-2米)可对爆发的蓝藻进行最有效的拦截。浮动湿地拦截带的平面结构形态可以多样化，比如条带状、波纹状、环状、各种自行设计形状或创意LOGO，可以单条、单片、间断分布，亦可成片、成簇、连续分布。除考虑区域水体和沉积物基本特征和生态水文地貌等要素外，在迎水面、藻类来源方向、污染较重区域及需要重点发挥拦截功能的区域，可以适当多布设浮动湿地拦截带。其上植物种类兼顾考虑水质净化、根系发育情况、景观美化、抗风浪、抗病虫害、抗冻、缓枯、易收割等方面，并根据管理维护需求，定期进行刈割管理，增强养分物质去除、循环功能，并有利于植物种质资源维持。浮动湿地拦截带还可以与生物调控(操控)措施相配合，优化调节前置库或培育塘系统的初级生产力水平，营造理想营养级，对上游来水污染物、营养盐、藻类、颗粒物等进行更好的控制和削减。浮动湿地拦截带上方植物发育演替良好后，可与周边水体和湿地景观浑然一体，成为自然景观的一部分，并能在限域水体空间发挥强大的立体净化功能，不额外占用土地面积。在实际应用时，基于成本控制需兼顾考虑其技术经济效益比。本发明的浮动湿地拦截带可以与太阳能水循环装置(设备)进行复合、嵌套设计，使得二者功能互补、相得益彰，更加强化前置库系统的拦截、沉降、净化、生境改善等功能。

所述的黑色底泥，系指前置库或培育塘或植物床-沟壕系统内部新沉积并厌氧发育的黑色沉积物，有时候在库塘沟壕底泥表面，即泥与水的界面上有一层棕色的膜，表明库塘沟壕底部有溶氧，这种底质处于比较好的状态。当底泥表层缺氧时，会形成亚铁化合物并产生黑色。在大多数库塘沟壕底部，表层几厘米以下的底泥会产生墨黑色的泥层，黑色泥层越厚，代表池塘老化越严重，到后期会产生大量的硫化氢。池塘底泥(底质)对于水生生态系统健康和水体养分物质循环起着非常大的作用，合理厚度的底泥，一般20-30公分，可以给池塘里的微生物、藻类以及鱼类的生长提供丰富的营养和微量元素。但是，一旦淤泥过多、发黑严重，对整个水体系统的影响也非常大。这不仅会消耗掉池塘绝大部分氧气，而且还会给池塘有害的寄生虫、细菌提供繁殖和生长的温床。所以，定期将库塘沟壕底部的黑色底泥及时清淤甚至晒塘，对维持底质系统健康是十分有益的。将库塘沟壕底部较厚的沉积淤泥，通过水泵抽掉移至植物床坡顶面，形成一定厚度的黑色淤泥层，对湿地植物床形成黑色保温层，并适当补充植物床植物来年春季生长发育的部分养分物质。而且，库塘沟壕底部黑色淤泥层孕育的厌氧或兼性厌氧微生物群系能够与植物床坡面淹水环境下好氧或厌氧或兼性厌氧微生物群系进行混合，在植物床坡面枯枝落叶层、腐殖质层的联合作用下，共同发挥着强化脱氮除磷除有机质及降解藻类等功能。这是一种变废为宝的生态循环模式。

所述的活性炭，系指城镇自来水厂(优选)或污水处理厂用弃的(生物)活性炭，在将其用于湿地之前需要进行必要的检测，检查其主要污染物特别是重金属含量水平，必要时进行生物毒性检测，需要满足一般性湿地土壤或者基本农田土壤质量标准中相应的基本要求。为防止活性炭流失，可以采用透水性土工织物或其他类似可透水材料对活性炭进行袋装，然后垒叠在植物床两侧坡面。在自来水厂臭氧活性炭深度处理中，活性炭起着去除和解决水中嗅和味、色度、有机物等问题的至关重要的作用，新的活性炭可以更有效地去除水中的有机污染物质，改善色臭味等感官指标，提高水质的生物稳定性。为了维持和激发供水“活”力，自来水厂需或常定期更换活性炭，可以考虑将这些部分失效或批量更换的废弃或弃用活性炭进行二次开发利用，变废为宝。根据《江苏省城镇供水厂生物活性炭失效判别和更换导则》(江苏省住房和城乡建设厅，2016年9月)，在总则中指出，失效生物活性炭的更换应充分考虑活性炭的再生利用，减少对环境的二次污染。将弃用生物活性炭用于湿地中，可以利用植物床-沟壕湿地生态系统强大的缓冲、再生能力，藉助湿地中植物、微生物等生物资源，对生物活性炭进行部分再生和循环利用。

所述的黑色地膜，系指黑色的地膜，工业生产中在聚乙烯树脂中加入有色物质，可以制得具有不同颜色的地膜，在实际铺设过程中，亦可以考虑间或使用白色地膜，就是无色透明的地膜，白地膜透光性好，覆盖后可使地温提高2摄氏度至4摄氏度，适用范围广，但白地膜在抑制杂草生长方面比黑地膜要差。黑色地膜透光率仅10％，能够有效抑制杂草的生长，可用于杂草多的地区，节省除草成本。黑色地膜在阳光照射下，不易下传热量、抑制土壤增温，用黑色地膜覆盖湿地植物床土壤或介质，可以保持土温或介质温度变化平稳，有机质也就处于正常循环状态中。而且，黑色地膜覆盖的土壤或介质，湿润度适中，水分流失更少。地膜覆盖技术是农业生产中提高农作物产量的重要辅助技术。本专利主要利用其对湿地土壤或介质表层进行保温。

所述的倒枝，系指收割湿地植物床水生植物、湿生植物以及部分岸坡植物地上部分放倒后的茎秆或秸秆部分，称之为倒枝。湿地床表倒枝摆放齐整、垒叠有序、疏密适宜，达到一定厚度层次，再联合植物床坡顶面覆盖黑色底泥和活性炭、黑色地膜等措施(“一木”+“三黑”)，可以起到多重保护，有效提升和稳持湿地植物床表层土壤温度。此外，将植物的茎叶留在湿地地表覆盖土壤，秸秆、茎叶和根在土中部分腐烂分解后，不但形成矿化养分供给来年植物吸收利用，更重要的是形成腐殖质维持土壤的团粒结构，使土壤水气协调，不会板结。通过土壤微生物分解作物残体释放矿物质养分，最大程度地将碳元素以腐殖质的形式保留在土壤中。在开春气温回暖土层冰冻现象基本消除(冻土层解融)后，可以采取合适措施(人力/机械)将湿地植物床表覆盖的植物秸秆茎叶部分移至陆地其他场所，进行后续资源化利用。对于非土壤的介质层湿地，倒枝同样适用并起到相应的积极作用。采用就地取材的倒枝借用这种方式也是湿地固持养分内生循环利用的生态模式。

所述的倒木，系指倒下的树木，是死亡木的形态之一。倒木作为自然界中森林生态系统的重要组成部分，对于维持生态平衡有着非常重要的生态学意义。倒木是微生物的栖息地，森林中小树苗成长过程所需的大量营养成分，就是靠这些微生物分解提供的。一个倒木就像一个微缩版的小森林，是一个完整的生态系统。可以说，没有倒木，就没有茂盛的原始森林。倒下的树木上呈现出最多样化的栖息地，因此支撑了数量最庞大的居民群体，同时也拥有最丰富的生物多样性。倒木，是森林生态系统中能量流动和营养物质循环的重要组成部分，在倒木的众多生态功能中，最突出的是为其它生物提供生境以维持生物多样性和延续生物地球化学过程。本发明正是利用倒木的特性，将倒木放置在植物床与沟壕交界衔接部位，以发挥其保温、营造小生境系统、重构湿地平衡等功能。

所述的低水位运行，系指在北方冬季或冬春低温期结冰地区(严重的话，土壤往往伴随发育着冰冻层、冻土层)，在冬季结冰结冻前将湿地水位抬升至较高部位，可淹没植物床床顶，但不宜过多，待湿地床及沟壕表面结冰到一定厚度后，迅速下调降低水位，并维持湿地水位在一定的较低水平，使湿地在冰下层亚表层继续运行。湿地植物床床表、湿地沟壕内冰冻层能够起到一定的保温效果。在北方寒冷地区，人工湿地的冬季运行主要是应对表面结冰，季节性水位调节可以防止冬天结冰。为了预留出结冰层所需要的空间，在深秋季节应将水位升高约50公分。一旦结冰，冰层下面的水位将会降低，从而在水平面和冰层之间创造一个保温层，维持湿地水温不至于太低。表流湿地和潜流人工湿地都可用这种方法防冻。在冬季保持最高的运行水位很有必要，因为450毫米高流动的水比150毫米高的流水冻结的可能性小得多。即表流型湿地也可以在整个冬季成功运行而不完全冻结，只有表面上的150毫米会结冰。

所述的湿地植物床-沟壕系统低温域活化净水的基本理念，本发明以升级版植物床-沟壕系统(木质孔湿地)为核心，设置必备的前置库或培育塘系统，库/塘系统发挥先锋截留预处理功能，植物床-沟壕系统发挥中军主力净化功能，并充分利用湿地内生资源(黑泥、倒枝等)，进行物质综合循环再生利用，营造健康生境系统，属大道至简生态工法。特别地，利用“三黑”即黑色底泥(淤泥层)、(废弃)活性炭、黑色地膜，“三木”即木质系统、倒枝、倒木，构成湿地植物床-沟壕系统低温域活化净水生态工法的基本素材，对其进行合理优化搭配组合使用，可以显著提升人工湿地植物床-沟壕系统低温域作战能力，并部分增强湿地养分物质内循环再生利用。

上述湿地植物床-沟壕系统低温域活化净水的基本要素、相应的生态工法、所形成的系统在受污染水体(被污染的河流、湖泊、水库、黑臭河涌、农田退水、养殖水域及景观水体)及其流域的近自然生态修复中的应用。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

本发明提供了一种升级版植物床-沟壕系统(木质孔湿地)，在湿地介质层或土壤层构筑庞大的木质网状系统，能够有效改善湿地介质或土壤亚表层结构支撑，营造湿地亚表层多介质微环境复合界面系统，维持系统热能，强化(微)生物活性，改善水力性能，增强水动力，或通过耦合水力调控等措施，提升湿地系统冬季或冬春冷季水质净化能力及维持湿地系统的稳定性、弹性。营造仿自然人工湿地的多态化，(地形)有高有低，(沟床)有宽有窄，(沟塘)有深有浅，(水势)有动有静，(水流)有快有慢，(水位)有升有降，(植物)有高有矮，(植被)有疏有密

本发明基于仿生学(仿自然生态系统)原理和资源循环利用原则提供了湿地植物床-沟壕系统低温域活化净水生态工法及其系统，所用“三黑”、“三木”均属于简易天然素材或人工素材，或就地取材自湿地内生物，根据区域冬季低温域特点、处理水体污染特征、生态修复要求等，合理灵活调节“三黑”、“三木”组成和比例及构筑顺序，协同净水和活水。它们构成湿地系统立体网状防护多重复合系统，藉助植物、微生物、多孔介质、水力调控、生物调控等的复合作用机制，显著提升湿地在低温域下的净水空间和净水效果。

本发明利用“三黑”、“三木”，以及木质系统、倒枝、倒木的枯枝落叶或凋落物养分物质及其附生微生物等，可有效补充、更替、焕新、活化湿地植物床-沟壕系统的微生物群落种子库，包括部分耐低温、抗逆性强微生物(古菌、细菌、真菌等)，为湿地内许多(微)生物提供营养物质和栖息微环境，从而为湿地全天候净化水质特别是在低温域条件下继续发挥污染物净化功能奠定良好基础。

本发明提供了作为前置处理单元的前置库或培育塘，充分利用其沉降系统、导流与回用系统和强化净化系统，大幅发挥生态湿地系统前置的生态预处理功能，并培育“三黑”中的一黑(黑泥)，为后续的植物床-沟壕系统提供源源不断的淤泥质和相应的养分物质，供其循环再生利用。为体现本发明实际实施时的灵活性和应对各种工况场景的广谱性，前置库或培育塘是作为可选项存在的，特别是在处理区域内用地规模受限时。

本发明提供了高密(集)度沟床系统，简称：高密度沟床系统，可大幅增加湿地单位线、单位面积或单位体积内水力穿透、水土/介质接触、生物活性区、氧化还原交迭等系列作用的有效作用长度、宽度和深度，极大增强湿地水力传导效率和水质净化效果。

本发明提供了库/塘内可增设太阳能水循环装置或浮动湿地拦截带单体或二者有机组合，强化水体垂向流转混合和复合拦截滤留功能，优化水力调控。

本发明可在低温域条件下显著增强湿地对各类物质的净化效果，特别地，还可以有效拦截、捕获、降解湿地来水及内生藻类，在藻类富营养化控制尤其是水华蓝藻防控中发挥重要作用。

附图说明

为了更清楚地阐释本发明以及实施方式中的技术方案，下面列示若干附图并作简单地介绍，显而易见地，所列示附图仅仅是本发明的一些实施图示或示意图，并不能代表本发明精神的所有层面，也不定代表本发明最佳的实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1示出本发明的一种前端含有前置库或培育塘的湿地植物床-沟壕系统低温域活化净水生态系统的平面布局示意图；

图2示出本发明的一种湿地植物床-沟壕系统的局部剖面图和俯视图示意图，子图1为一种植物床-沟壕单体的剖面图，子图2为一种前置库或培育塘与植物床-沟壕单体相衔接的剖面图，子图3为一种植物床-沟壕系统的局部俯视图，子图4为一种多形态植物床-沟壕系统的平面布局示意图；

图3示出前置库或培育池中太阳能水循环装置(设备)和/或浮动湿地拦截带在若干场景下应用的实景图，子图1为太阳能水循环装置(设备)和浮动湿地嵌套设计的一种应用场景，子图2为太阳能水循环装置(设备)在北方冬季冰冻期的一种应用场景，子图3为太阳能水循环装置(设备)的一种应用场景(荷花型太阳能)，彩色边黑面的是太阳能板，荷花下面是叶轮，荷花里面是电机，子图4为浮动湿地拦截带的一种应用场景，子图5为一种多形态近自然造型的浮动湿地的应用场景。

附图标号说明：

100-植物床-沟壕系统；

200-前置库或培育塘；

10-植物床；

11-植物；

20-沟壕；

30-堵头；

40-太阳能水循环装置(设备)；

50-浮动湿地拦截带；

1-木质系统；

2-倒枝；

3-倒木；

4-黑色底泥；

5-活性炭；

6-黑色地膜。

具体实施方式

下面将对本发明部分实施场景中的技术方案进行清楚、详细的阐述，显然，所描述的实施方式仅是本发明的一部分实施方式，或仅为示意性实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施方式，都属于本发明保护的范围。

本发明的一种典型实施方式是前端布设前置库或培育塘，然后衔接湿地植物床-沟壕系统，如图1所示，前置库或培育塘、植物床-沟壕系统均可以设置为多级复合布局，如前置库或培育塘可以设置成串葫芦形分布构型，植物床-沟壕系统可以纵横交错复合布设，植物床-沟壕系统亦可呈环抱形态包围着前置库或培育塘，这样可以使前置库或培育塘出水呈多点式分散进入植物床-沟壕系统，更加有利于系统的均匀布水和分散净化，大大增强系统的水力和有机负荷分配优化、水质净化能力。其中前置库或培育塘扮演生态预处理的角色，在前置库或培育塘的局部实施石灰石基底强化，石灰石缓释的钙离子能够有助于水中胶粒絮凝，从而降浊除磷，并缓冲调节水体pH值，抑制藻类的生长。对悬浮物拦截率约为10％-12％。为了实现更好的水质接触交换效果和防止石块滚落，宜将石灰石用石笼网箱(石笼格宾网)装填，放置在前置库或培育塘周围的水下缓坡处，厚度约30公分，内部的石灰石粒径可选为6-8公分。在可能的情况下，建议在前置库或培育塘的前面增加一条长条形的长度为几百米或一至二千米左右的预处理河道或渠道，该河道或渠道可以进一步很好地削减水源水中的悬浮颗粒物及其所附载的各类污染物，也为日后对湿地的局部、集中的疏浚奠定良好的基础。在前置库或培育塘中可以采取深潭、浅滩相结合的形式进行库/塘区的设计，通常深潭位于前端，浅滩位于后端。在春、夏季等温度较高的季节，可以选择性地在前置库或培育塘的局部圈囿式地引种浮水植物，发挥其季节性的营养物质去除效果。

进一步的，在前置库或培育塘可以合理组合、优化选择性地布设太阳能水循环装置(设备)和/或浮动湿地拦截带，如图1和图3所示，太阳能水循环系统主要解决水体溶解氧、流动性、水体分层、藻华、部分地区冬季水面结冰等问题。在增加水体透明度、消除水华、改善水体黑臭、减少淤泥、增加水体生物数量、改善生物生境等方面起到改善水环境、水生态的作用。在开阔的塘区、湖区引入太阳能水循环增氧除藻设备，强化循环增氧，打破水体分层，加强水体紊流，消除死角，抑制藻类爆发。选取动水范围大、作用距离广、输出功率高、性能稳定、适合大水体的产品。可以在特定水域内根据动水范围放置若干台太阳能水循环设施，以发挥其相互之间的联合联动作用，净水效果更佳。浮动湿地技术以仿生学、工程学、水体动力学原理为基础，通过构建模拟天然湿地的浮动生境平台，为动植物提供生息空间，复建水生态圈，恢复水体健康，保护水生动植物种群。在开阔的水域引入新型复合纤维浮动湿地水质改善技术，发挥浓缩的湿地效应，流动接触氧化，实现立体净化，核心是微生物膜的作用，起到降浊除磷和去除氨氮及有机污染物，景观美化和点缀功能。浮动湿地的面积和构型可以根据实际情况进行设计。在浮动湿地上方种植对营养物质吸收能力强、具有发达根系的本地物种，不宜选用易泛滥或不可控的外来或入侵物种。为了实现最大的污染物去除效益，可以季节性地对浮动湿地上的植物进行收割或移除。

进一步的，在前置库或培育塘选择性地设置潜水丁坝系统或工字坝系统，改善过水流态，延长水力停留时间，促淤沉沙，诱导沉水植物恢复，捕获和拦截藻类，在岸边带进行消解，并强化岸边带水体和沉积物的脱氮除磷等过程。潜水丁坝可以3-5个为一组，可设置多组，组成潜水丁坝群。单个潜水丁坝的坝顶长度设计为5-25米，或按水面宽度的10％-60％设计，坝顶宽度设计为2.5-8米，或按照其长度的10％-30％设计，潜水丁坝的坝顶淹没于常水位以下10-60厘米，其上可以种植水生植物或者依靠自然力来恢复繁衍植物。潜水丁坝头部迎向主水流方向的一侧可设置向外凸起的平台辅以乱石堆砌以减轻迎面来水的冲蚀。

进一步的，在湿地植物床-沟壕系统中，采用植物床与沟壕相互交替的方式进行设计，在植物床片区与片区之间可以通过大沟来疏导和传输水流，如图1和图2子图4所示。通过堵头结构、卡口结构等来调节、控制湿地的水流方向、水流速度和过流量。植物床(10)、沟壕(20)、堵头(30)均呈多级分布。植物床与沟壕的外观形态可采用直线型、流线型、蜿蜒曲折型或其它自然型设计。植物床的宽度为3-20米，长度为25-250米。植物床的边坡宜采用1:6、1:3或其他合适坡度比的复式边坡设计，在靠近植物床的上边缘处其边坡采取1:6的坡度比设计，在靠近沟壕底部中心地带其边坡采取1:3的坡度比设计，以有利于边坡稳定及水生动植物繁衍。在植物床内部介质层或土壤层均匀或相间分布布设一定比例、一定径级、一定体积的木质网状系统，通过逐步的自然腐烂过程和土木交互作用形成木质孔，或预置孔道。分散于植物床之间的小沟其宽度范围为5-15米，一般为10米左右，其长度与植物床等长，常水位时深度为0.6-1米，初始深度可深于1米，但最深一般不深于2米。植物床内的土壤介质层应优先采用当地的表层种植土，如当地原土不适宜湿地植物生长或对湿地净化不利时，则需进行置换。人工构筑的木质孔可主要分布于湿地植物床地表以下10-80厘米土壤层中。植物床内土壤的初始孔隙率宜控制在35％-40％。植物床内土壤层的厚度应大于所栽种植物的根系所能达到的最深处。植物床上种植能够形成发达植物性大孔隙、净化能力较强、具有抗冻及抗病虫害能力、有一定经济价值、容易管理的本土水生维管束植物，如芦苇、香蒲、灯心草、菖蒲、菰、水葱等。在木质孔构建技术的基础上，仿照长期稳定的自然芦苇湿地，设计构建独具特色的植物床-沟壕系统，如图1和图2子图4所示。通过植物床、高位小沟、低位小沟、大沟、湿地台埂等组成耦合系统，借助介质填埋等辅助措施进行人工强化，通过水力调控措施实现水位波动，充分发挥系统的综合水质净化功能。研究表明，植物床-沟壕系统对水体中的氨氮、有机质、重金属、持久性有机污染物、农药、抗生素、藻类等物质或生物均有较好的沉积与去除效应、拦截和捕获效应。对于非土壤介质层的植物床-沟壕系统湿地，本发明的木质孔构建技术原理和应用同样适用，在文本描述上不再赘述。

进一步的，在湿地植物床-沟壕系统的水陆交错带，适量种植挺水植物、沉水植物或适宜的浮水植物等；在宽阔的水面可适量种植浮水植物或布设生态浮岛。在生态湿地中，推荐以芦苇作为先锋优势种，其比例范围为48％-54％，并通过生境条件的改善来诱导生物多样性提升，依靠自然演替来逐步形成湿地的稳定优势物种，营造健康、安全的湿地系统。水生植物的选择尽可能以本地种优先。适量引入冬季常绿植物，如绿苇、石菖蒲、矮型苦草，提高在冬季低温期大部分植物枯萎情况下湿地的净化效率。生态湿地中植物种植的时间宜为春季，秋季仅作为补种季节考虑。植物种植密度可根据植物种类与工程的要求调整，挺水植物的种植密度宜为3-20株/平方米，浮水植物和沉水植物的种植密度宜为3-9株/平方米。

进一步的，在前置库或培育塘、湿地植物床-沟壕系统选择性地适量投放水生动物，诱导强化湿地生态的自我修复能力，营造动物多样性，特别注意避免动植物泛滥，破坏生态平衡。要严格避免外来物种入侵带来的生态失衡与破坏。对水葫芦、水花生等已存在多年且净水效果较显著的植物，宜采用圈养方式进行有限移植，并且在秋冬之交的季节要及时收割、清理，避免其腐烂释放对湿地水质造成二次污染。

进一步的，前置库或培育塘、湿地植物床-沟壕系统陆域设计要统筹兼顾地形地貌、暴雨径流、管理边界、植被、景观、环保教育等，做好微地形地貌设计。在近水区要避免枯枝落叶或植物花絮等进入湿地水体。注意合理布设有一定宽度的岸边缓冲带，使地表径流经过植被过滤带的滞留后汇入水体。开放区域流动人员的污水、杂物等不得进入湿地。兼顾水生态、水景观、水文化。结合湿地的微地形营造局域小气候。禁止培育和种植对水体、人体、周边环境有毒有害的植物，禁止引入或种植易引发泛滥、吸引动物集聚、导致失控失衡的植物。

进一步的，如图2子图1、2、3所示，于建设时期在植物床-沟壕系统(100)其植物床(10)内预埋“一木”即木质网状系统(图中标号1)后，在湿地运行维护阶段，特别是应对冬季低温期挑战时，实施“三黑”(图中标号4、5、6)和“二木”(图中标号2、3)，它们是在前述多重保障措施和尽可能源头治理、前端控制前提下，进一步保障人工湿地植物床-沟壕系统低温域条件的适应能力和战斗力，使其较好发挥全天候水质净化功能。在冬季低温期来临之前，将植物床(10)顶部植物(11)刈割后，在植物床(10)顶部或直接喷灌或预挖多道环状浅槽后浇灌来自前置库或培育塘(200)深潭或浅滩、植物床-沟壕系统(100)其沟壕(20)内的黑色底泥(4)(淤积层)，并达到一定厚度，然后覆盖黑色地膜(6)，再放置所收割的植物茎秆即倒枝(2)，而在植物床-沟壕系统(100)其植物床(10)和沟壕(20)的交界面边坡处，铺设水厂弃用活性炭(5)，然后放置倒木(3)。因为库/塘/沟底泥(沉积物)淤泥质含水率较高，往植物床床面施工难度较高，同时又要尽可能保持新鲜淤泥所孕含微生物群系的活性和最大发挥其功能，而不至于在实施过程中造成淤泥干化、失活、溢露等，所以在实际实施过程中，可以根据具体情况对淤泥的抽吸(泵吸)、暂存、转运和喷灌(浇灌)等系列操作进行适应性改进完善，相应改进内容均落于本专利保护范畴。所述“三黑”、“三木”以及前述前置库或培育塘、植物床-沟壕系统的系列强化措施可以联合显著提升和稳定维持冬季低温期植物床-沟壕系统的体系温度和生化反应活性，从而使其在低温条件下仍能发挥一定的水质净化功能。本发明中黑色底泥(4)、活性炭(5)、黑色地膜(6)、倒枝(2)、倒木(3)的覆铺厚度及其彼此之间界限并不需要截然界定区分，可以根据处理水体基本性质、区域气候水文特征、土壤/沉积物/植物特点等情况进行因地制宜灵活设计和实施，甚至其覆铺工序可以颠倒。在植物床(10)上植物(11)不收割或部分收割情况下，如能实施黑色底泥(4)、活性炭(5)、黑色地膜(6)等覆铺工序亦是可以的，无非是植物茎秆是以倒下还是挺立状态对植物床进行保温。在植物呈现冬季常绿和仍能维持较高活性的情况下，可以维持植物床-沟壕系统(100)其植物床(10)部分植物(11)免收割。

进一步的，在前置库或培育塘(200)设置太阳能水循环装置(设备)(40)，如图3子图2所示，冬季仍可稳定运行，并具有控冰效果；太阳能水循环复氧控藻设备实现将太阳能转化为机械能，产生巨大动水作用，实测在天然水体的动水范围达到水面10,000平方米。强劲的动力为水体注入活力，即便在寒冷冬季，动水效率也能满足大范围的控冰要求。

本专利的部分发明内容，在我国南方浙江省长三角平原河网地区河道型水源地生态湿地修复工程(浙江嘉兴)、西北银川黄河河套地区湿地生态保护与修复、东北辽河河漫滩旁路循环净化系统构建修复等工程中进行了示范应用。其中，在浙江嘉兴进行了近万亩示范应用，取得了良好的示范效果。本发明适用于平原河网地区饮用水水源地及与水源性质相似的其他水体保护与生态修复工程，其拓展的应用对象可涉及受污染的河水、湖水，城乡地表径流面源污染，污水处理厂尾水、农村污水，农田退水、养殖废水，部分苦咸水、矿山迹地开发尾水等水体，适合构建旁路离线净化系统的区域，或可作为生态缓冲区进行进一步拦截削减、强化或深度处理的区域，可参照本发明专利的方法，作为其生态湿地处理单元的工程设计、施工、验收及运行与维护的技术依据。

综上所述，本发明指出的湿地植物床-沟壕系统低温域活化净水生态工法及其系统，属于近自然生态修复工法，并强化湿地系统内循环、再生和自我修复，实现了冬季或冬春冷季低温期湿地低温域活化净水的多级屏障构建和多重保障，能够显著增强湿地低温域作战能力，而且所构建系统具有很强的弹性、可持续性和可调节性，适宜进行广谱推广。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的某些具体实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (18)

1.湿地植物床-沟壕系统低温域活化净水生态工法，其特征在于：在升级版植物床-沟壕系统的植物床内设有木质网状系统(简称：木质系统)，构筑形成木质孔，在植物床坡顶面搭配种植乔灌草苔植被组成镶嵌体进一步发育大孔隙，在植物床-沟壕系统前增设前置库或培育塘，库/塘内增设太阳能水循环装置或浮动湿地拦截带，将库/塘及植物床-沟壕系统内滞育的黑色底泥迁移至植物床坡顶面，在植物床两侧坡面覆铺活性炭，在植物床植物刈割后在其顶面覆铺黑色地膜，在植物床已铺黑色地膜上或免铺植物床上直接覆盖刈割的芦苇或芦竹等大型水生植物或湿生植物倒枝，植物床与沟壕交界处放置倒木，优化水力调控，低温期湿地于冰下亚表层运行，本发明中黑色底泥(淤泥层)、(废弃)活性炭、黑色地膜，合称：三黑，木质系统、倒枝、倒木，合称：三木，此“三黑”、“三木”均属于简易天然素材或人工素材或就地取材自湿地内生物，构成了湿地植物床-沟壕系统低温域活化净水生态工法的基本素材，对其进行合理优化组合使用，可以显著提升人工湿地植物床-沟壕系统低温域作战能力，并部分增强湿地养分物质内循环再生利用。

2.根据权利要求1所述的生态工法，其特征在于：植物床-沟壕系统纵横交错、疏密相间、犬牙交错、高低起伏、宽窄融合、深浅宜度、蜿蜒曲折、形态各异、多级复合而成，内设木质系统，构成升级版植物床-沟壕系统，营造仿自然人工湿地的多态化，(地形)有高有低，(沟床)有宽有窄，(沟塘)有深有浅，(水势)有动有静，(水流)有快有慢，(水位)有升有降，(植物)有高有矮，(植被)有疏有密。

3.根据权利要求1所述的生态工法，其特征在于：植物床内设木质网状系统为以任何可以形成支撑架构的木质素材构筑形成的网状或格状或片状或层状或环状或其他合理结构的骨架系统；木质素材种类可取自任何木本植物、灌丛植物、粗壮草本植物甚或人工木质材料；木质素材可取新鲜、干枯、初腐、近腐、半腐、大半腐、近全腐等不同腐烂程度或腐烂阶段的木质材料；木质素材径级、径向、长度、形状取自然级形径；木质素材可去皮，或不去皮，木质素材在湿地植物床介质内的垂直埋深可深可浅；木质素材的水平、竖向、斜向衔接可连续分布或间断分布；木质素材截面积在植物床截面面积占比或体积在植物床床体体积占比可大可小；人工湿地植物床所植入的木质素材其主力轴向通常与湿地内水流自沟壕穿透植物床的主力流向相协同，但水平轴向、竖向轴向、斜向轴向均可单一或复合布设，可各向同性或各向异性，在立体空间上，既可水平成网、竖向成层，亦可水平、竖向呈立体网状分布，其良好的多层次空间交叉复合分布通常与湿地水力流态情势相得益彰。

4.根据权利要求1所述的生态工法，其特征在于：植物床-沟壕系统可以进行加深加密设计，可疏密相间、前中后各单元密度不同，植物床-沟壕系统的片区或内部结构单元可呈纵横有致、犬牙交错分布，可在植物床长轴方向两端交错排布互留一定宽度、深度的凹刻(浅槽状构筑)溢水口或过水口，高密度沟床系统发育更广泛的水陆边界区，存在着水体、沉积物、大型水生植物、动物、污染物等发生变化的多级梯度，多种生物和微生物在此繁衍、共存，湿地内水位周期性波动效应主要发生在水陆界面区，该区是湿地对水源水中主要污染物去除的反应活性“热区”。

5.根据权利要求1所述的生态工法，其特征在于：前置库或培育塘、植物床-沟壕系统均可以设置为多级复合布局，在前置库或培育塘的局部实施石灰石基底强化，宜将石灰石用石笼网箱(石笼格宾网)装填，放置在前置库或培育塘周围的水下缓坡处，厚度约30公分，内部的石灰石粒径可选为6-8公分，在前置库或培育塘中可以采取深潭、浅滩相结合的形式进行库/塘区的设计，在春、夏季等温度较高的季节，可以选择性地在前置库或培育塘的局部圈囿式地引种浮水植物，发挥其季节性的营养物质去除效果。

6.根据权利要求1所述的生态工法，其特征在于：在植物床-沟壕系统前增设的前置库或培育塘可以为预处理河道或渠道或者以不同排列组合形式进行空间衔接，为日后对湿地的局部、集中的疏浚奠定良好的基础。

7.根据权利要求1所述的生态工法，其特征在于：在前置库或培育塘选择性地设置潜水丁坝系统或工字坝系统，改善过水流态，延长水力停留时间，促淤沉沙，诱导沉水植物恢复，捕获和拦截藻类，在岸边带进行消解，并强化岸边带水体和沉积物的脱氮除磷等过程。

8.根据权利要求1所述的生态工法，其特征在于：太阳能水循环装置在死水区、迎风面、藻类易麇集区、易冻区或重点净化区需要适当多布设一些，平面造型结构和形态特征，可以自行设计多样美观，并结合区域造景需求进行景观设计，其类型既可选择全天候运行类型，亦可选择晴天工作阴天收工的休养生息类型。

9.根据权利要求1所述的生态工法，其特征在于：浮动湿地拦截带为复合纤维浮动湿地拦藻带，平面结构形态可以多样化，在迎水面、藻类来源方向、污染较重区域及需要重点发挥拦截功能的区域，可以适当多布设浮动湿地拦截带，其上植物种类兼顾考虑水质净化、根系发育情况、景观美化、抗风浪、抗病虫害、抗冻、缓枯、易收割等方面，并根据管理维护需求，定期进行刈割管理，浮动湿地拦截带还可以与生物调控(操控)措施相配合，浮动湿地拦截带可以与太阳能水循环装置(设备)进行复合、嵌套设计。

10.根据权利要求1所述的生态工法，其特征在于：在冬季低温域条件下用移动泵船或其他更新换代的现代化工具将前置库或培育塘或预处理河道或渠道或植物床间沟壕底部黑色底泥抽吸至植物床坡顶面，形成一定厚度的黑色淤泥层。

11.根据权利要求1所述的生态工法，其特征在于：在植物床两侧边坡铺设的活性炭为水厂用弃无毒害或低毒性的活性炭，城镇自来水厂(优选)或污水处理厂用弃的(生物)活性炭，在将其用于湿地之前需要进行必要的检测，检查其主要污染物特别是重金属含量水平，必要时进行生物毒性检测，需要满足一般性湿地土壤或者基本农田土壤质量标准中相应的基本要求，为防止活性炭流失，可以采用透水性土工织物或其他类似可透水材料对活性炭进行袋装，然后垒叠在植物床两侧坡面。

12.根据权利要求1所述的生态工法，其特征在于：在实际铺设黑色地膜过程中，亦可以考虑间或使用白色地膜，覆盖后可使地温提高2摄氏度至4摄氏度。

13.根据权利要求1所述的生态工法，其特征在于：在湿地内不放置倒枝或倒木的植物床上方及沟壕邻域局部地段(预)种植或移栽或培育耐低温植物品种，最好是能够保持冬季常绿或至少是缓枯型水生、湿生、中生或陆生植物。

14.根据权利要求1所述的生态工法，其特征在于：黑色底泥、活性炭、黑色地膜、倒枝、倒木的覆铺厚度及其彼此之间界限并不需要截然界定区分，可以因地制宜灵活设计和实施，甚至其覆铺工序可以颠倒，在植物床上植物不收割或部分收割情况下，如能实施黑色底泥、活性炭、黑色地膜等覆铺工序亦是可以的。

15.根据权利要求1所述的生态工法，其特征在于：在湿地植物床-沟壕系统的水陆交错带，适量种植挺水植物、沉水植物或适宜的浮水植物等，在宽阔的水面可适量种植浮水植物或布设生态浮岛，适量引入冬季常绿植物，在前置库或培育塘、湿地植物床-沟壕系统选择性地适量投放水生动物。

16.根据权利要求1所述的生态工法，其特征在于：优化湿地水力调控微结构(堵头、卡口、水闸、泵站、涵洞、顶管等)，并在运行维护阶段采取适应性的水力调控方案使湿地净化效率最大化。

17.根据权利要求1所述的生态工法，其特征在于：在北方冬季低温期结冰地区，在结冻前将湿地水位抬升至安全的较高部位，待湿地床及沟壕表面结冰后，迅速降低水位，并维持湿地水位在一定的较低水平，使湿地在冰下层亚表层继续运行发挥作用。

18.湿地植物床-沟壕系统低温域活化净水系统，所述系统包括采用权利要求1-17中任一项所述的生态工法构建的系统，本发明的湿地植物床-沟壕系统低温域活化净水生态工法及其系统，属于近自然生态修复工法，并强化湿地系统内循环、再生和自我修复，实现了冬季或冬春冷季低温期湿地低温域活化净水的多级屏障构建和多重保障，能够显著增强湿地低温域作战能力，而且所构建系统具有很强的弹性、可持续性和可调节性，适宜进行广谱推广。