专利名称：拟自然河道水质净化系统的制作方法
技术领域：
本发明属于河流水体水质净化与生态修复技术领域，具体地涉及一种用于污染河流水质改善和河流生态修复的拟自然河道水质净化系统。
背景技术：
我国现阶段面对水资源短缺与水环境污染的双重问题，部分河流承担了工业废水、生活污水和面源污染的排污功能，使得河流污染的问题极为突出，对城市用水保障和居民的健康造成了威胁，所以河流水质改善的技术需求极为迫切。现阶段河流的主要超标污染物为COD和氨氮。
河流净化技术主要分为物理、化学、生态、生物和组合技术。其中物理、化学的方式主要有调水、投加药剂等方式，但这些处理方式存在成本高或者对环境有负面影响等方面的不足。而采用生物、生态及其组合技术措施因其具有环境友好、便于维护等特点，成为河流水质改善和生态恢复的首选技术。生物、生态技术及其组合技术措施主要包括(I)水生植物净化法，包括构建水生生物群落(挺水、沉水植物),构建生态浮床等;(2)河道接触氧化法，直接在河道内布设砾石或者其生物载体填料或者滤料，辅以曝气充氧技术强化净化作用。其中人工湿地作为一种历史悠久的生态污水处理系统，能通过滤料、微生物、植物的物理、化学、生物等作用，吸收、转化污水中的有机污染物及营养盐、细菌和重金属，在净化河水方面已得到较多的应用。日本在江户川的支流-板川上设置了古崎水净化场，利用地埋式卵石接触氧化法对河流进行处理。韩国在汉江支流良才川也开展基于卵石生物膜的接触氧化工艺处理河水的工程。但人工湿地，尤其是具有较高去除效率的潜流式人工湿地，其建设需要满足一定要求，通常建设于在河道岸边带，属于离线处理方式，即引水至独立修建的潜流湿地中。河流的水质净化模式主要分离线处理和在线处理，离线处理主要是通过河岸修建处理设施(如人工湿地、废水处理工程)，将河水引入处理设施内部，经过净化后排回河道中，使河水通过稀释作用得到净化。但是离线处理的方式具有占地大，引水消耗动力等方面的不足。工程实践证明，离线引水采用环境工程手段处理污染河流是净化河流水质的有效手段。但是该工艺因需要足够的水力停留时间，往往需要大规模的处理厂区，在城市河流中难以获得土地，这对离线处理技术的推广造成了很大的障碍。因此河流的原位在线处理得到更多的关注。在利用河床构建人工湿地的方法，已有一些实践，例如砾间接触氧化技术，但是普遍问题是河流流态未能处于最佳状态，加之填料粒径选择较小，藻类生长易造成堵塞，河水无法顺利流经填料净化区床体，河水与填料中的基质材料主要通过对流和传导作用进行污染物和代谢产物的传质交换，湿地处理效率较低。因此，开发满足投资低、占地少、处理量大、处理效果好等多方面需求的河道人工湿地净化技术具有重要的应用价值与现实意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种拟自然河道水质净化系统。为实现上述目的，本发明提供的拟自然河道水质净化系统，河道断面以梯形复式断面为基础，在主槽内两侧交错地设置有若干段填料净化区，形成平面上呈现蜿蜒曲折形态的子槽，子槽的蜿蜒度为I. 3-1. 5。填料净化区的高度高于河流的枯水位；河水旱季时均从子槽中流过，并可保留一定水深。主槽过水量大，可满足汛期行洪要求。填料净化区由底至上逐层填充有抛石、机碎石和表层填料；每两段填料净化区之间设有抛石护脚。 所述的拟自然河道水质净化系统，其中，每段填料净化区的长度为10-50m。所述的拟自然河道水质净化系统，其中，子槽侧面的填料净化区采用生态袋防护。所述的拟自然河道水质净化系统，其中，填料净化区中的抛石为直径200-500mm的圆形砾石，机碎石的直径为50-80mm，表层填料为直径10_20mm的细卵石。所述的拟自然河道水质净化系统，其中，填料净化区的表层填料上种植有湿地植物，通过表层填料上生长的生物强化河流的自净能力，改善河流水环境质量。植物选取原则主要考虑易于管理、美学价值高、生长周期长、生命力强的本土植物，主要是芦苇、菖蒲、慈姑等湿地植物。本发明的水质净化效果不依赖于植物的作用，所以植物衰败期间也可保持运行稳定。所述的拟自然河道水质净化系统，其中，每段填料净化区的两端分别填充有无烟煤和沸石，以强化对磷、氨氮的去除效率。所述的拟自然河道水质净化系统，其中，每段填料净化区的首部，采用生态袋堆放形成横跨子槽的导流堰，防止填料净化区被短流而影响污染物去除效率。本发明通过在河流纵向上蜿蜒交错布设的河床湿地系统，实现污染河流的水质改善和生态恢复。与现有的河道人工湿地水质净化处理技术相比，本发明的优势在于(I)不影响汛期干流泄洪、保证泄洪安全，(2)子槽边缘采用生态袋取代了传统砼结构施工，生态袋是由聚丙烯(PP)为原材料制成的双面熨烫针刺无纺布加工而成的袋子，只透水不透土、对植物友善又可植被绿化，本发明将其用于蜿蜒复式断面的边坡防护，以及子槽中成堰导流之用。(3)拟自然河道被动式无动力运行，并且采用潜流湿地结构运行，保障了冬季植物衰败期间也能保持运行稳定。(4)拟自然河道通过在复式断面的基础上构建浅滩和深槽，形成了深-浅、缓-急，掩体等多种生境的组合，这非常利用河流生物多样性和生态系统的恢复。
图I为本发明的拟自然河道系统的横断面图。图2为本发明的拟自然河道系统的横断面图。图3为本发明的拟自然河道系统实施工程照片。
图4为本发明的拟自然河道系统实施工程照片。附图中标记符号说明I河岸，2湿地植物，3洪水位，4枯水位，5填料净化区-表层填料，6填料净化区-机碎石，7填料净化区-抛石，8生态袋，9抛石护脚，10无烟煤，11沸石，12主槽，13子槽。
具体实施例方式针对污染城市河流的水质改善和河流生态修复目标，以及保障城市河流行洪安全等多方面需求，本发明借助于复式断面的构型，通过生态工程和环境工程等组合技术构建拟自然河道系统，实现污染河流的水质改善和生态恢复。本发明的技术方案主要包括如下内容拟自然河道断面上为梯形复式断面结构，复式断面中的子槽13在平面上呈现蜿蜓曲折状，其蜿蜓度为I. 3-1. 5。
在河岸I的河床复式断面的主槽12两侧，人工设置了若干段填料净化区，每个填料净化区的长度为10-50m。填料净化区由不同粒径的填料构成，由底至上逐层填充有抛石7(直径为200 500mm的圆形砾石)、机碎石6 (直径为50_80mm)和表层填料5 (直径为10-20mm的细卵石)。填料净化区顶部位于河流的枯水位4之上，在每段填料净化区的前后两端设置有无烟煤10和沸石11。每两段填料净化区之间设有抛石护脚9，以防止河水冲击河床。子槽13的侧面采用生态袋8防护，将填料净化区与子槽13分隔开。填料净化区顶部的表层填料5上种植芦苇、菖蒲、慈姑等湿地植物2。每段填料净化区的首部采用生态袋8堆放形成横跨子槽的导流堰。本发明的填料净化区的高度高于河流的枯水位4，河水旱季时均从子槽13中流过，并可保留一定水深。主槽12过水量大，在洪水位3时可满足汛期行洪要求。通过将河床断面形态改造成浅滩与深槽并存的复式河床结构，以及在河流纵向上蜿蜒交错布设河床湿地系统，通过类似人工湿地的物理、化学、生物作用，吸收、转化河水中的悬浮物、有机污染物、营养盐、重金属和微生物污染物，利用生态技术与生物技术的协同作用实现了河道型人工潜流湿地系统中的水质净化作用。拟自然河道河流水质净化系统在强化河流的自净能力、改善河流水环境质量的同时，还提供了丰富的栖息地，对修复河段的生物多样性恢复具有积极作用。本发明具有以下显著的优点，被动式无动力运行，改善流态短流，不影响汛期干流泄洪、水质净化和生态恢复效果好等多方面优势，尤其适用于泥沙量小，流速缓慢的小型河流或者景观河流。实施例北京顺义区龙道河水质净化工程龙道河位于北京市区东北部顺义区空港新城后沙峪镇，龙道河起源于温榆河，向东约1400m后转向东南向流入罗马湖，继续向东约370m后再折向南，穿过火沙路，在西白辛庄南侧汇入温榆河。龙道河的流域总面积为21. 0km2。龙道河主要承担了后沙峪中心地区及两侧地区的雨水排除任务，其中龙道河上段除了为引温榆河水入龙道河，还要满足行洪要求；龙道河下段沿线有二杨排水沟、后马沟、大明沟汇入，主要承担了后沙峪中心及两侧地区的雨水排除。
作为排污河道，龙道河水质黑臭。待进行修复的河道旱季流量为860m3/d，处理段河道宽5m,流速为O. lm/s,常水位高程29. 32m。为改善龙道河的水质,在龙道河下段建设拟自然河道水质净化系统，工程布设见图2。工程将原有河道进行清淤，在淤泥层垫由底至上逐层填充圆形碌石(直径200 500mm)、机碎石(直径50_80mm)、细卵石(直径10_20mm),填料净化区顶部位于河流的枯水位之上，在每个蜿蜒单元的碎石床前后两段设置生物陶粒和沸石填料区域。所建设二 级河道复式断面的河床为4m宽，边坡I : 2. 5，复式平滩宽度3m，在长度仅为300米长的拟自然河道,可将龙道河的氨氮浓度从5. 5mg/L降低至3. Img/L。同时，拟自然河道在栖息地修复方面取得较好效果，生境质量指数从修复前的“一般”(94分)等级提高到“好”等级(151分)，改善了底栖动物群落，Hilsenhoff生物指数从9. 68降至8. 06,表示水质已得到初步改善。
权利要求
1.ー种拟自然河道水质净化系统，河道断面以梯形复式断面为基础，在主槽内两侧交错地设置有若干段填料浄化区，形成平面上呈现蜿蜒曲折的子槽，填料浄化区的高度高于河流的枯水位； 填料浄化区由底至上逐层填充有抛石、机碎石和表层填料； 每两段填料浄化区之间设有抛石护脚。
2.根据权利要求I所述的拟自然河道水质净化系统，其中，每段填料浄化区的长度为10_50mo
3.根据权利要求I所述的拟自然河道水质净化系统，其中，子槽的蜿蜒度为I.3-1. 5。
4.根据权利要求I所述的拟自然河道水质净化系统，其中，子槽侧面的填料浄化区采用生态袋防护。
5.根据权利要求I所述的拟自然河道水质净化系统，其中，填料浄化区中的抛石为直径200-500mm的圆形砾石，机碎石的直径为50_80mm，表层填料为直径10_20mm的细卵石。
6.根据权利要求I或5所述的拟自然河道水质净化系统，其中，填料浄化区的表层填料上种植有湿地植物。
7.根据权利要求6所述的拟自然河道水质净化系统，其中，每段填料浄化区的两端分别填充有无烟煤和沸石，以强化对磷、氨氮的去除效率。
8.根据权利要求I所述的拟自然河道水质净化系统，其中，每段填料浄化区的首部，采用生态袋堆放形成横跨子槽的导流堰，防止填料浄化区被短流而影响污染物去除效率。
全文摘要
一种拟自然河道水质净化系统，河道断面以梯形复式断面为基础，在主槽内两侧交错地设置有若干段填料净化区，形成平面上呈现蜿蜒曲折的子槽，填料净化区的高度高于河流的枯水位；填料净化区由底至上逐层填充有抛石、机碎石和表层填料；每两段填料净化区之间设有抛石护脚。本发明在强化河流的自净能力、改善河流水环境质量的同时，还提供了多样化的栖息地环境，对修复河段的生物多样性恢复具有积极作用。本发明具有以下显著的优点，被动式无动力运行，可改善流态，不影响汛期干流泄洪，具有水质净化和生态恢复效果好等多方面优势，尤其适用于泥沙量小，流速缓慢的小型河流或者景观河流。
文档编号C02F3/10GK102730823SQ201210237690
公开日2012年10月17日 申请日期2012年7月10日 优先权日2012年7月10日
发明者王亚炜, 魏源送 申请人:中国科学院生态环境研究中心