一种岸边式梯级二维表面流滤水河床原位生态修复方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种岸边式梯级二维表面流滤水河床原位生态修复方法，用于季节性河流、污染(微污染)河流以及中小流量河流的河床原位生态修复、水质强化净化、增加河道三维绿量以及营造水体景观的环境保护技术。
【背景技术】
[0002]我国水环境污染形势十分严峻，污染控制技术需求迫切，尤其是季节性的城市河道，河道岸边及缓冲带空间被严重侵占，往往被塑造成为占用空间较小的矩形断面，平水期或枯水期水流仅局限于部分河床空间，造成大面积的河床裸露，景观性差，环境承载力弱。同时岸边与河床作为水生生态系统中水一土界面物质、能量交换最强烈的区域由于传统硬化防护的措施而被剥夺，水流在河床上往往呈一股或多股细小水流向下游流动，断面水力半径较小，流速较快，河床中水一土界面物质交换功能和交互作用受到限制，水体自净能力弱，水质一旦受到污染得不到快速有效地恢复。
[0003]对于季节性污染河道，或者是由于城市排水接管率升高导致流量降低且污染严重的城市中小水体，传统的水质改善措施通常是引水冲洗、异位处理以及原位性植物措施(如生态浮岛)等。一方面由于河流水文的随机性特点，上述工艺运行复杂、受限因素多、管理难度较大、运行费用高。另一方面，河水水位季节性变化剧烈，传统的原位性修复措施中植物的立地条件较差，单一的植物修复和异位处理的水质净化技术不能有效抵御频发的洪水侵扰与淘刷，生态修复和水质净化效果难以持久。
[0004]因此，本发明基于河流水文随机性的特点，充分挖掘现有受损河床空间，通过构建一种岸边式梯级二维表面流生态滤水河床，实施河床原位性的生态修复，强化河床水土界面的物质交换功能，提高水质净化能力，增加河道三维绿量，改善生态修复效应，营造水体景观。
【发明内容】
[0005]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种岸边式梯级二维表面流滤水河床原位生态修复方法，在保留和强化河流过水、生态、景观、游乐等功能的前提下，能够挖掘并充分利用受挤压的河床生态空间，对污染(微污染)河流以及城市中小水体原位性生态修复，强化净化水质，还可以增加河道三维绿量，营造水体景观。
[0006]技术方案:为实现上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0007]一种岸边式梯级二维表面流滤水河床原位生态修复方法，沿河道纵向设置若干修复单元；每个修复单元中将河床断面设计为岸边配水渠、梯级表面流滤水基床和中心主河槽等三个功能分区，岸边配水渠设置在岸边坡脚，岸边配水渠和中心主河槽之间通过梯级表面流滤水基床过渡；岸边配水渠、梯级表面流滤水基床和中心主河槽的水位高度梯度降低，纵向坡降与河道的纵向坡降保持一致；在梯级表面流滤水基床内填充基质并种植水生植物；利用河流上游、下游的纵向水力坡降，通过上游进口端的分水短坝等设施，将河流上游的河水按比例分配至岸边配水渠与中心主河槽，岸边配水渠再将河水配置至梯级表面流滤水基床，梯级表面流滤水基床的出水汇入中心主河槽，与河水的纵向流动共同形成二维表面流。
[0008]所述修复单元的长度按照如下方式确定:该修复单元的上游进口断面和下游出口断面的竖向高度落差为1.0?1.5m ;当河道纵向坡降小于5%。时，为保证梯级表面流滤水基床床面水力均勾，设计修复单元的长度不宜超过200m。
[0009]在每个修复单元，横向水流由岸边配水渠流向中心主河槽方向，纵向是平行于河流纵向的流动；梯级表面流滤水基床以横向水流流线为主，中心主河槽在沿线除了接受梯级表面流滤水基床的出水外，主要流态是由上游至下游的纵向水流。
[0010]所述梯级表面流滤水基床的总宽度越大，水一土界面物质交换作用越强烈，河道三维绿量越大，生态修复和水质净化效益越显著；梯级表面流滤水基床由岸边配水渠向中心主河槽的横向方向设计为水位依次降低的台阶结构(一般不小于2个台阶)，每层台阶的横向宽度为2?5m，台阶的数目和横向宽度根据河床宽度设定，相邻台阶的水位相差0.2?
0.5m，上层台阶中的河水通过景观跌落的方式进入下层台阶，直至汇入中心主河槽。通过景观配水堰的高度控制不同台阶的水位；梯级表面流滤水基床接受岸边配水渠配水，在梯级表面流滤水基床表面形成横向流线为主、兼有纵向流线的二维水流运动。
[0011]所述梯级表面流滤水基床中，紧邻岸边配水渠的台阶有效水深为0.3?0.5m ?’每个台阶的下层填充中粗砂与土的混合基质，上层填充单粒径10?30mm的饱满烁石作为植物生长载体。梯级表面流滤水基床是本系统中水土界面物质交换最为强烈的区域，在梯级表面流滤水基床内填充有流水耐冲刷并适合植物生长的砾石、中粗砂与土的混合物作为植物生长载体，同时也可有效富集微生物，并为鱼类、两栖类等水生动物提供生息繁衍空间。梯级表面流滤水基床清淤后首先填充不小于200mm厚中粗砂与土的混合层(其中，中粗砂的级配为2?5mm，与土的配比约为2:1)，然后填充200?400mm厚饱满烁石层(为单粒径10?30mm的颗粒饱满砾石)；另外，基质层的填充厚度与梯级表面流滤水基床清淤厚度也有关系，一般基质层的填充总厚度不小于400_。
[0012]所述梯级表面流滤水基床的各台阶之间设隔墙及景观出水堰口，以起到隔水和导流作用，为减少占地面积和非生态硬化材料的占用空间和工程量，隔墙可采用PVC隔板，景观出水堰口可以采用塑石景观跌水堰，在隔墙上每5m设一个景观出水堰口，景观出水堰口的宽度约为0.5m，高度约为0.2m。梯级表面流滤水基床自外而内，上一台阶通过景观出水堰口向下一台阶配水，最后一台阶的水流汇入中心主河槽。各级台阶的景观出水堰口连同岸边配水渠的导流堰口在整个修复单元的平面上以“十字”交叉或交错的方式设置，以延长梯级表面流滤水基床的流水路径，强化梯级表面流滤水基床内水一土界面物质交换功能，强化净化水质。
[0013]在梯级表面流滤水基床的床面可以种植美人蕉、花叶芦竹、菖蒲、千屈菜、风车草、水葱等湿生景观型植物，种植密度约8?10丛/m2，2?5芽/丛；根据河道景观需求和植物的生理周期，定期收割与植物换茬予以管养和维护，也可模拟沼泽湿地的自然运行模式。
[0014]所述岸边配水渠可采用明渠或上覆盖板的暗渠，上覆盖板可构建为人行漫步道，岸边配水渠内侧出水堰口的潺潺跌水和人行漫道都是人们亲水观水的平台。岸边配水渠有效水深约为0.5m，有效宽度约为1.0m,也可根据人行步道宽度适当变化。上游分配的河水一方面顺着岸边配水渠向下游流动，同时通过渠内侧的出水堰口向梯级表面流滤水基床配水。紧邻梯级表面流滤水基床的一侧设置导流堰口，导流堰口沿河流纵向均匀布置(一般5m左右设置一个导流堰口)；每个导流堰口的宽度约0.5m，高度约为0.2m。
[0015]所述梯级表面流滤水基床与中心主河槽的之间的岸坡铺设有多孔混凝土砌块进行生态护坡，多孔混凝土生态护坡砌块是由多孔混凝土材料通过模具压制而成的球形或矩形砌块，多孔混凝土材料的抗压强度不小于lOMPa，空隙率为15?30%，孔隙水环境pH值小于10。多孔混凝土生态护坡砌块构成的多孔混凝土生态护坡可以抵御中心主河槽水流量的侵蚀与淘刷，同时又可作为生态鱼礁，为水生动物和微型生物提供生息繁衍空间。
[0016]一般来说，在上游进口端，岸边配水渠与中心主河槽接受上游端的来水时，分配比例约为1:1。利用河流上游、下游的纵向水力坡降，通过上游进口端的分水短坝设施，将河流上游的河水按比例分配至岸边配水渠与中心主河槽，梯级表面流滤水基床的台阶级数越多，则岸边配水渠来水所占比例越大。上游来水的分配是利用河道上游的剩余位置水头经过配水短坝或导流等设施实现的，设定上游分水短坝向配水渠和中心主河槽的配水长度即可控制分水比例。
[0017]在每一个修复单元的下游出口端设置排泥管和阀门井，排泥管径约DN200为宜，采用岸边配水渠增加水力强度的定期冲洗方法可防止泥沙在岸边配水渠中沉积，以减少对梯级表面流滤水基床配水均匀性的影响。排泥管上设控制阀门，仅在排泥、清淤等需要维护时才打开阀门。
[0018]本发明构建的岸边式梯级二维表面流生态滤水河床尤其适用于受污染的季节性河流或小流量城市水体的水质强化净化和生态修复，这类型河流的岸线或缓冲带空间一般被城市建设严重侵占，且平