CN1851141A - 一种生态透水坝及其设计与施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生态透水坝及其设计与施工方法。生态透水坝位于非行洪河道内，其剖面为梯形复式结构，坝坡的边坡系数为1∶1～1∶2.5，包含四个部分：(A)控制层；(B)过渡层；(C)溢流层；(D)稳定层。生态透水坝的设计流程为首先勘测筑坝地址的地形条件和查询水文气象资料或其他设计资料，得到生态透水坝的几何参数和设计流量，将上述参数代入渗流力学中的杜平公式中进行试算，得到合理的渗透系数和停留时间，然后进行生态透水坝进一步的设计，选择合适的砾石级配、筑坝材料、种植植物。本发明具有以下显著的优点：无动力运行、降低了建设成本、具有很好的针对性，可以获得10％左右的COD去除率，10％～20％的TN去除率，20％～40％的TP去除率。

Description

一种生态透水坝及其设计与施工方法

一、技术领域

本发明涉及一种用于农村河网地区的面源污染控制技术，更具体地说是一种生态透水坝及其设计与施工方法。

二、背景技术

近年来，随着我国经济的飞速发展，人民生活水平逐步提高，农村地区的水体面临着越来越严重的面源污染的威胁，例如太湖流域、巢湖流域和滇池流域。面源污染一般由农业地表径流和农村生活污水组成，包括农田氮磷等营养盐的流失，农村生活垃圾、畜禽粪便、生活污水、养殖废水的随意堆放和排放等。这些面源污染的排放基本没有规律可循，一般难以预测和收集，大部分未经处理而直接排入当地水体，从而大大影响了水体水质，导致了“水华”现象的频频发生，也间接影响了当地饮用水水源的水质。

对于农村面源污染控制和治理，国内外开展了很多的研究工作。治理思路一般是本着综合整治的理念，加强面源污染源头管理(农业减排技术、生活污水和垃圾收集系统等)，采用因地制宜的面源控制技术，进行卓有成效的面源污染控制和治理。目前经常采用的面源污染控制技术有人工湿地、人工浮床、稳定塘等。这些技术的主要原理是通过种植植物及培育微生物或利用水体的自净能力来吸收和降解面源污染中的氮、磷等营养物质。通常一个面源污染控制系统由两个以上的单项技术组成，发挥不同的作用，其特点是投资省，适用范围广，管理难度低，具有一定的净化效果。

不过对于平原河网地区，其地形特点是河网密集，水力坡降小，自然条件下水流缓慢，同时该地区面源污染具有时空不均匀性和严重性等特点。应用上述面源污染控制技术时，会存在一些问题：①植物或微生物净化系统的净化效率相对较低，在去除相同量的营养物质的情况下，其占地面积大；②由于面源污染发生的不规律性，这些净化系统往往都需要特定的收集系统和动力提升才能保证系统的运行，增加了投资成本，同时也导致了系统的抗冲击负荷能力相对较低。

渗透坝是水利工程中土石坝的一种，它是利用天然土料(砾石、碎石、砂石、卵石、砂土等)作为构筑材料，通过人工堆筑或机械碾压形成的土石坝。渗透坝在水利工程中主要应用是小型河流或水库的径流拦蓄。渗透坝的建设可以就地取材、建设成本低廉，但是其渗透系数一般远远大于钢筋混凝土坝。作为水利工程的渗透坝，当坝体渗流较大的情况下，容易出现管涌现象，引起坝体的不稳定。所以以往对于渗透坝的研究主要是防渗措施和渗流稳定性，其渗流计算常见于渗流力学和土力学的相关教材中。

专利CN200410066164.0(平原河网地区面源污染强化净化前置库系统)中公开了一种生态透水坝(生态透水坝强化净化子系统)：砾石堆筑而成砾石床作为坝体，透水坝坝体沿河道方向宽度为1～15米，利用砾石构筑生态透水坝，透水坝以渗流方式过水，使坝前、坝后库区保持一定水位差，这时解决了了平原地区的径流汇集入库区的问题。砾石床位于生态透水坝后，砾石床种植的植物、砾石孔隙与植物根系周围的微生物共同作用，高效去除N、P及有机污染物。其中生态透水坝的具体结构没有描述，只是砾石堆筑而成砾石床作为坝体，其构成前置库系统的一个部分，与其它部分协同作用。相关文献检索表明，在本专利申请日前没有发现与本发明类似结构和相关设计施工方法的生态透水坝的文献。

三、发明内容

1、要解决的技术问题

针对农村平原河网地区河网密集，水力坡降小的地形特点，以及该地区面源污染的时空不均匀性，如何有效利用农村地区废置的河道、池塘、沟渠来构建面源污染控制系统。本发明提供了一种生态透水坝及其设计与施工方法，可以承受农村面源污染水质、水量的冲击负荷，对农业面源污染有一定的处理效果。

2、技术方案

本发明的基本原理如下：

本发明在人工湿地、快速渗滤系统、渗滤坝技术的基础上开发而来，使用砾石或碎石在河道中人工垒筑坝体，利用坝前河道的容积贮存一次或多次降雨的径流或间歇排放的面源污染，通过渗透坝的渗流特性，拦蓄面源污染，调节坝体的过流量。并通过在坝体上种植植物以及在坝体内培养高效脱氮除磷菌群，利用植物根系和微生物的共同作用，吸收并分解径流中以及吸附在砾石表面的营养物质。通过上述过程，透水坝达到了可控拦蓄面源污染和一定的净化效果的设计目的。

生态透水坝的设计包括水力特性和净化效果两部分。与水利工程中渗滤坝单纯防渗不同的是，生态透水坝的渗流是可控渗流，是需要将渗流控制在需要的范围之内的水力特性。净化效果是指根据处理对象的特性，选择不同的筑坝(床)材料、停留时间、坝体(床体)结构以及植物。

本发明的技术方案如下：

一种生态透水坝，位于非行洪河道内，其剖面为梯形复式结构(见图1)，坝坡的边坡系数为1∶1～1∶2.5，包含下面四个部分：

(A)控制层，位于生态透水坝的迎水坝坡，由1mm～5mm的筑坝材料构成，其体积为整个透水坝的5％～15％；

(B)过渡层，位于生态透水坝内部，由5mm～10mm的筑坝材料构成，其体积为整个透水坝的50％～65％；

(C)溢流层，位于生态透水坝的坝顶，由10mm～40mm的筑坝材料构成，占到生态透水坝体积的10％～15％；

(D)稳定层，位于生态透水坝的背水坝坡，由20mm～40mm的筑坝材料构成，占生态透水坝体积的20％～30％。

控制层的作用是控制生态透水坝的渗透系数达到设计要求。过渡层此层的作用也是控制渗透系数，同时也是植物根系生长及微生物附着的区域，是硝化反硝化作用发生的主要区域，发挥了生态透水坝主要的净化作用。溢流层的作用是防止面源污染水量冲击负荷过大时，面源污染可以从此层中溢流通过生态透水坝，而不对坝体产生不利影响，溢流层种植植物，防止阳光的曝晒。稳定层的作用是保证坝体的渗流稳定，防止控制层和过渡层中较小粒径的筑坝材料随渗流流出。

控制层体积可以为整个透水坝的5％～10％。控制层、溢流层和稳定层表面可以种植植物，植物选用根系泌氧能力较强、脱氮除磷效果好的品种。采用美人蕉、香蒲、菖蒲、芦苇或香根草时有较好地效果。

生态透水坝的设计包括渗流模型建立、设计流量选择、地形条件及选址、停留时间选择、渗透系数选择、材料与结构、渗流计算、植物筛选、平面布置等内容。其设计流程为首先勘测筑坝地址的地形条件和查询水文气象资料或其他设计资料，得到生态透水坝的几何参数和设计流量，将上述参数代入渗流力学中的杜平公式中进行试算，得到合理的渗透系数和停留时间，然后进行生态透水坝进一步的设计，选择合适的砾石级配、筑坝材料、种植植物。设计流程图见图2。

生态透水坝具体的设计及实施方法如下：

首先根据当地水文、气象资料及地形地貌资料，带入面源计算公式，估算面源污染的设计流量。

然后勘测现场，筑坝河道不能是水利上的行洪河道，河道深度为1.5m～3.5m，河道宽度为5m～30m，筑坝地址的河道底坡平缓，小于0.05，河道边坡大于2，筑坝地址前河道长度或沟唐的容积要足够容纳面源污染的设计流量。通过测量筑坝河道的深度、宽度、底坡和边坡，估算生态透水坝的几何尺寸和结构。

获得生态透水坝的几何尺寸和设计流量的范围后，将其代入生态透水坝梯形渗流计算模型中进行试算。梯形渗流计算模型示意图见图3。

图3中：透水坝截面为梯形，上下游坝面为斜面，上、下游边坡系数分别为m₁、m₂。河底为粘土层，渗透系数为(10^-2～10^-6)cm·s^-1，相对于透水坝而言，视为不透水地基。均质砾石，稳定渗流。

梯形模型渗流可以分为三块渗流区域来考虑。图中ABC为上游段，BCED为中间段，DEF为下游段。

上游段可以用图示中长度为ΔL等效矩形A′B′BC代替：

$\mathrm{\ΔL}=\frac{m_1}{2m_1+1}{H}_1---\left(1\right)$

中间段BCED根据渗流力学中杜平公式有：

$q=\frac{k(H_1^2-h_0^2)}{2(\mathrm{\ΔL}+L_0-m_2{h}_0)}---\left(2\right)$

下游段DEF包括贴坡流和一个三角区域的渗流，可以用替代法来估算，可得：

$q=\frac{k(h_0-H_2)}{m_2+0.5}[1+\frac{H_2}{h_0-H_2+\frac{m_2{H}_2}{2{(m_2+0.5)}^2}}]---\left(3\right)$

因为BCED区域与DEF区域的渗流量是相等的，所以可以通过联立公式(2)、(3)，结合迭代法，求解h₀。

式中：q——单宽流量，m²·d^-1；

      m₁、m₂——坝前、坝后边坡系数，无量纲；

      k——渗透系数，m·d^-1；

      H₁——坝前水深，m；

      H₂——坝后水深，m。

考虑到筑坝材料的渗透系数k为0.01m·d^-1～1.0m·d^-1，以及径流在坝体内的停留时间为1.0hr～4.0hr。将选定的几何尺寸、设计流量、渗透系数、停留时间等参数带入梯形渗流计算模型中，进行试算，得到生态透水坝的设计参数。

根据选定的设计渗透系数、已知的各种不同规格筑坝材料的渗透系数和渗流力学中的串联混合渗透系数计算公式，得到生态透水坝筑坝材料的级配(考虑到坝体的渗流稳定，筑坝材料的粒径不宜小于5mm)。

生态透水坝的设计过程完成后，进行施工过程。首先对选定的河道或池塘进行清淤整理(围堰施工)，河底夯实平整，然后根据生态透水坝的设计参数(几何尺寸、砾石级配)进行堆筑，梯形结构坝坡的边坡系数为1∶1～1∶2.5。坝体材料堆筑完成后，围堰内放水至一定高度，开始种植选定植物，待植物成活后，拆除围堰投入运行。

生态透水坝投入运行后，面源污染通过收集系统汇入坝前河道或沟塘。当面源污染的汇入量超过生态透水坝的渗流流量时，坝前的水位就会抬升，直到两者相等。当面源污染停止汇入时，坝前水位随着生态透水坝的渗流而逐渐下降。通过可控渗流，生态透水坝可以抬升面源污染的水位，为后续处理单元提供自流的动力，也可以利用最高最低水位之间河道容积来承受面源污染的水质、水量冲击负荷。

3、有益效果

本发明公开的技术方案具有以下显著的优点：①可以获得0.3m～1.5m的抬升高度，为后续的处理单元提供了可观的自流动力，使得整个面源污染控制系统可以无动力运行，节约了运行成本。②可以充分利用农村地区废置的河道、池塘、沟渠来构建面源污染控制系统，大大降低了建设成本。③对于农业面源污染的时空不均匀性具有很好的针对性，降低了管理难度，有利于面源污染控制技术的推广。④培育植物或微生物系统的生态透水坝具有明显的净化效果，可以获得10％左右的COD去除率，10％～20％的TN去除率，20％～40％的TP去除率。

四、附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明设计流程图；

图3为梯形渗流计算模型示意图。

五、具体实施方式

以下通过实施例进一步说明本发明

实施例

太湖流域某处农村，位于太湖西岸，为控制并处理该地区的农业面源污染，建设了包含本发明的面源污染控制系统。

本发明的设计流量为5天处理15000m³的农业面源，其中包括每天400m³的农村生活污水。筑坝河道原位该村废弃河道，杂草丛生，淤泥堆积，经清淤整理后堆筑生态透水坝。河道堤岸最低处为2.2m，生态透水坝坝后处理单元的运行水位为1.7m，所以本发明的最低运行水位为1.7m，最高运行水位为2.2m，正常运行水位为2.0m，可以为后续处理单元提供0.5m的水头差。

河道宽度为12.7m，坝宽L₂为12.7m。坝前坝后边坡系数m₁、m₂均选为2.5。坝顶高度为2.2m，坝底高度为0.0。渗透系数k为0.10m·s^-1。坝底长度15.6m，坝顶长度4.6m。

梯形模型渗流可以分为三块渗流区域来考虑。图中ABC为上游段，BCED为中间段，DEF为下游段。

上游段可以用图示中长度为ΔL等效矩形A′B′BC代替：

$\mathrm{\ΔL}=\frac{m_1}{2m_1+1}{H}_1---\left(1\right)$

中间段BCED根据渗流力学中杜平公式有：

$q=\frac{k(H_1^2-h_0^2)}{2(\mathrm{\ΔL}+L_0-m_2{h}_0)}---\left(2\right)$

下游段DEF包括贴坡流和一个三角区域的渗流，可以用替代法来估算，可得：

$q=\frac{k(h_0-H_2)}{m_2+0.5}[1+\frac{H_2}{h_0-H_2+\frac{m_2{H}_2}{2{(m_2+0.5)}^2}}]---\left(3\right)$

因为BCED区域与DEF区域的渗流量是相等的，所以可以通过联立公式(2)、(3)，结合迭代法，求解h₀。

式中：q——单宽流量，m²·d^-1；

      m₁、m₂——坝前、坝后边坡系数，无量纲；

      k——渗透系数，m·d^-1；

      H₁——坝前水深，m；

      H₂——坝后水深，m。

代入公式(2)、(3)，当坝前水位从2.2m变化为1.7m的过程中，得到不同水位差情况下的渗流量结果，见表1。表中L₁为L₀+ΔL-m₂h₀，A为不同水位条件下坝前河道总面积，T为一定容积的地表径流在坝前河道的停蓄时间。

从表1中可以看出，通过本发明的可控渗流，坝前河道水位从2.2m下降至1.7m需要5.14天，达到了预期的拦蓄面源污染、调控渗流量的设计要求。

其中控制层5厚度为50cm，由1mm～5mm的碎石构成，溢流层7厚度为50cm，由1cm～4cm的砾石构成，稳定层6厚度为1～2m，由2cm～4cm的砾石构成，坝体其余部分为过渡层9，由40％的5mm碎石和60％的10mm的砾石构成。

农业面源污染(高锰酸盐、TN、TP浓度分别为7.5mg/L～12.5mg/L、1.5mg/L～3.0mg/L、010mg/L～0.25mg/L)经过本发明的处理后，分别取得了8.4％～12.0％的高锰酸盐去除率、17.9％～25.0％的TN去除率、33％～50％的TP去除率。

                                     表1生态透水坝计算表

H1(m)	h0(m)	H2(m)	k(m/s)	L1(m)	L2(m)	Q(m3/s)	A(m2)	T(hr)
									2.20	1.88	1.70	0.100	6.74	12.7	0.123	33400
2.15	1.85	1.70	0.100	6.85	127	0.111	33250	8.15
									2.10	1.81	1.70	0.100	6.95	12.7	0.104	33100
2.05	1.79	1.70	0.100	7.05	12.7	0.090	32950	10.14
									2.00	1.77	1.70	0.100	7.16	12.7	0.077	32800
1.95	1.75	1.70	0.100	7.26	12.7	0.065	32650	14.27
									1.90	1.74	1.70	0.100	7.37	12.7	0.050	32500
1.85	1.72	1.70	0.100	7.47	12.7	0.039	32350	23.45
									1.80	1.71	1.70	0.100	7.58	12.7	0.026	32200
1.75	1.70	1.70	0.100	7.68	12.7	0.014	32050	67.28
									1.70	1.70	1.70	0.100	7.78	12.7	0	31900
								总计5.14天

Claims (9)

1.一种生态透水坝，位于非行洪河道内，其特征在于其剖面为梯形复式结构，坝坡的边坡系数为1∶1～1∶2.5，包含下面四个部分：

(A)控制层(5)，位于生态透水坝的迎水坝坡，由1mm～5mm的筑坝材料构成，其体积为整个透水坝的5％～15％；

(B)过渡层(6)，位于生态透水坝内部，由5mm～10mm的筑坝材料构成，其体积为整个透水坝的50％～65％；

(C)溢流层(7)，位于生态透水坝的坝顶，由10mm～40mm的筑坝材料构成，占到生态透水坝体积的10％～15％；

(D)稳定层(8)，位于生态透水坝的背水坝坡，由20mm～40mm的筑坝材料构成，占生态透水坝体积的20％～30％。

2.根据权利要求1所述的一种生态透水坝，其特征在于筑坝河道深度为1.5m～3.5m，河道宽度为5m～30m，筑坝地址的河道底坡平缓，坡度小于0.05，河道边坡大于2。

3.根据权利要求2所述的一种生态透水坝，其特征在于控制层体积为整个透水坝的5％～10％。

4.根据权利要求3所述的一种生态透水坝，其特征在于控制层、溢流层和稳定层表面可以种植植物。

5.根据权利要求4所述的一种生态透水坝，其特征在于植物为根系泌氧能力较强、脱氮除磷效果好的品种。

6.根据权利要求5所述的一种生态透水坝，其特征在于所述的植物为美人蕉、香蒲、菖蒲、芦苇或香根草。

7.一种生态透水坝的设计与施工方法，其步骤为：

(a)根据当地水文、气象资料及地形地貌资料，带入面源计算公式，估算面源污染的设计流量；

(b)勘测现场，筑坝地址前河道长度或沟唐的容积要足够容纳面源污染的设计流量，通过测量筑坝河道的深度、宽度、底坡和边坡，估算生态透水坝的几何尺寸和结构；

(c)获得生态透水坝的几何尺寸和设计流量的范围后，将其代入生态透水坝梯形渗流计算模型中进行试算，得到生态透水坝的设计参数；

(d)根据选定的设计渗透系数、已知的各种不同规格筑坝材料的渗透系数和渗流力学中的串联混合渗透系数计算公式，得到生态透水坝筑坝材料的级配；

(e)生态透水坝的设计过程完成后，进行施工过程，首先对选定的河道或池塘进行清淤整理，河底夯实平整，然后根据生态透水坝的设计参数进行堆筑。

8.根据权利要求7所述的一种生态透水坝的设计与施工方法，其特征在于步骤

(c)中筑坝材料的渗透系数为0.01m·d^-1～1.0m·d^-1，以及径流在坝体内的停留时间为1.0hr～4.0hr。

9.根据权利要求7或8所述的一种生态透水坝的设计与施工方法，其特征在于步骤(e)中坝体材料堆筑完成后，往围堰内放水，开始种植选定植物，待植物成活后，拆除围堰投入运行。

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