一种河流入库消落带的生态修复及水质净化效能提升方法与流程

本发明涉及一种应用于河流入库消落带生态修复和水质净化效能提升方法，属于生态保护、治理和水污染治理技术领域。

背景技术：

水库消落带是指水库运行过程中水位消涨过程中最高水位线与最低水位线之间的影响区域。水库消落带是水库生态系统的重要组成部分也在水库水质净化中发挥重要作用。消落带作为陆岸和水库水域之间的缓冲区，植被能够拦截陆岸的入库泥沙，消落带生态系统通过物理、化学和生物作用能够吸收陆岸入库以及库区水体中的污染物，从而降低库区水体富营养化水平。在水库水位周期性涨落的影响下，消落带土壤的有机质和养分的大量流失、土壤持水能力下降、通气能力差，地表植被自然生境条件较差，地表植被稀疏，大面积土地裸露，再加上水库调度方式多呈现冬涨夏落的蓄排水方案，这与自然枯洪规律相反，也导致夏季出露的土地地表无植被覆盖，从而导致消落带多呈现出水土流失和岸坡侵蚀等生态环境问题。

河流入库消落带则特指在河流入库口区范围内的消落带，其作为河流入库前的最后一道屏障在拦截、降解河流入库污染物方面具有十分关键的作用。河流入库消落带除了存在消落带共性的生态问题之外，在河流冲淤的作用下，入库消落带地形多开阔平坦，在消落带落干时期，河流持续的冲刷作用在消落带内形成窄而深的主河槽，河流在主河槽内集中过流，而滩地地下水位低，导致入库消落带的植被条件差，也无法起到拦截、降解河流入库污染物等作用，对整体景观效果也造成了极大的破坏。受到河流洪水的影响，一般的治理技术无法在洪水的冲刷破坏和洪水携带泥沙淤积的影响下保持较好的运行效果和使用寿命，因此，河流入库消落带的生态修复和水质净化效能提升技术的研究成为了消落带治理的难点。

国内先后研发了一些消落带的生态修复技术和河流水质净化技术解决相关问题。消落带的生态修复技术多集中在通过在浮床等漂浮装置或其它能够适应水位变化的装置上种植植物或在种植槽内种植沉水植物等方面来进行植被恢复，这些方法能够在一定程度上改善消落带的植被条件，但无法从根本上改善消落带的植物生长条件，应用在河流入库消落带时很可能受到洪水的破坏，这些装置也无法适应北方冰冻条件对装置的破坏。由于受到洪水安全的影响，河流的水质净化多采用将水引入河道旁侧的人工湿地等处理装置内进行处理后再排入河道的方式对其进行净化，这类技术无法兼顾生态修复的需要，而且也存在占地面积大等不足。

综上所述，现阶段尚缺少一种针对河流入库消落带存在的生态环境问题和客观约束条件，兼顾生态修复和水质净化的双重需求的、运行寿命长、安全有效的工程技术方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，着眼于水库入库口消落带存在的冬淹夏露的反季节水位消落导致的生态条件破坏严重，支流水体停留时间短，水质净化效能受限等现实问题，在充分考虑入库口消落带水位变化大、河道集中过流问题导致的地形差异大、受洪水冲淤影响大等特殊条件，提出一种适用于河流入库消落带的生态修复及水质净化效能提升方法，从而解决水库入库口消落带存在的冬淹夏露的反季节水位消落导致的生态条件破坏严重，支流水体停留时间短，水质净化效能受限等现实问题，对于河流入库消落带的生态修复以及水库水质保障和净化具有重要意义。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现。

一种河流入库消落带的生态修复及水质净化效能提升方法，通过在河流入库消落带的适当位置设置多级截潜堰，截潜堰堰顶高程接近所在断面滩地整体高程，拦截地表径流和地下潜水渗流，抬高堰上游区域尤其是滩地的地表水位及地下潜水位，改善消落带在落干时期内的水气条件，进而改善促进区域植被生长，通过局部坝型的改变，营造堰后水深、地形的多样性从而增加区域生物多样性，在对区域植被、微生物等生物条件改善的同时，增加支流水体的水力停留时间，加强对悬浮物的沉淀作用，进一步结合其对土壤过滤、跌水复氧等物理作用及硝化、反硝化等化学作用的加强，进而强化消落带对支流水体的净化能力。截潜堰整体露出地面高度小，所以工程建设对防洪安全的影响自己工程自身受到洪水的影响都很小，能够保证工程在发生洪水时的安全。具体包括以下步骤：

(1)确定应用范围

在河流入库消落带内确定合适的应用范围。分析地形条件，选取河流入库扩散段上游端作为应用范围的上游边界，并将边界处滩地平缓部分高程降低1m作为第一级截潜堰堰顶高程，将第一级截潜堰设置在断面滩地平缓部分各处高程在与堰顶高程相差不超过0.5m的位置。根据分析水库水位频率，根据运行保证率确定应用范围水位最低运行高程，以运行高程作为最后一级堰顶的堰顶高程，将最后一级截潜堰设置在断面滩地平缓部分各处高程在与堰顶高程相差不超过0.5m的位置，最后一级截潜堰所在位置即为应用范围下游边界。最低运行高程越低则相应的应用范围越大，但下游端的运行保证率越低。

(2)在步骤(1)确定的应用范围内设置多个截潜堰

1)确定截潜堰位置和堰顶高程

根据现场地形及地质条件等信息，在应用范围的上游边界和下游边界之间，选择各级截潜堰所在位置及堰顶高程。

当应用范围内存在满足以下条件的位置时，优先选择作为截潜堰位置：

(a)支流入汇口下游；

(b)河道收窄处；

(c)能够避开较大支流交汇处等受洪水影响大的位置；

根据截潜堰所在位置断面确定截潜堰堰顶高程，截潜堰堰顶高程应使得与其所在断面各处滩地高程高差不超过0.5m的长度最长。

在优先选择的截潜堰位置之间，等堰顶高差增加多级截潜堰，使得上下游相邻的截潜堰堰顶高差小于并接近1m，增加的截潜堰位置也需避开较大支流交汇处等受洪水影响大的位置，如无法兼顾保证以上两个条件，可适当加大相邻截潜堰的堰顶高差。

进一步的，为了水流集中和引导的作用，促进区域水体的更新，使得水流对堰后地形的冲刷程度不同营造地形差异，提高生物多样性，可设置部分堰段堰顶高程稍低于其它部分的导流段。

2)确定截潜堰结构

根据现场需要选择截潜堰的结构形式，截潜堰用于拦截主河槽内地表支流径流以及整个断面的地下潜水渗流，保证区域较高的地下潜水位和持水量，从而改善各级湿地的生境条件，因此需要截潜堰具有不透水性，同时截潜堰具有足够的埋设深度，保证最终的截潜效果。所述的截潜堰堰顶高程与所在断面各处滩地高程高差不超过0.5m，所述截潜堰的埋设深度需满足在截潜堰埋设后，其所在断面地下总渗流量不大于枯水期多年平均来水量的40％，以保证工程区域的水量供给。

3)确定截潜堰的轴线布置形式；

所述的截潜堰的轴线包括直线形式、弧线形式、在整体直线形式的基础上在局部增加折线或弧线形式。用于水流的集中和引导，使得水流对堰后地形的冲刷程度不同营造地形差异，提高生物多样性。

(3)应用范围内种植植物

随着工程的运行，植物能够完成自然的选择的和生长，为了加快工程效果的提升，可以对工程范围内植物进行适当的引导，选择当地适应性好、生存能力强的湿生植物、挺水植物和沉水植物，根据各区域水深的不同，选取适当植物进行稀植。

(4)通过在河流入库消落带设置多级截潜堰，抬高在消落带落干时期内，堰上游区域尤其是滩地的地表水位及地下潜水位，改善消落带在落干时期内的水气条件，进而改善促进区域植被生长；通过局部坝型的改变，营造堰后水深、地形的多样性从而增加区域生物多样性，在对区域植被、微生物等生物条件改善的同时，增加支流水体的水力停留时间，加强对悬浮物的沉淀作用，进一步结合其对土壤过滤、跌水复氧等物理作用及硝化、反硝化等化学作用的加强，进而强化消落带对支流水体的净化能力。由于整个工程能够从根本上改善应用区域的植被生长条件，促进植物和土壤肥力的恢复，对植被的人工干预小，即使应用区域淹没水深过大或夏季洪水过流破坏了已有植被，在水位下降后，植被也能够自然恢复，从而大大降低了洪水和水位消涨对于应用区域的影响。

本发明的有益效果为：本发明针对水库入库口消落带存在的冬淹夏露的反季节水位消落导致的生态条件破坏严重，支流水体停留时间短，水质净化效能受限等现实问题，在充分考虑入库口消落带水位变化大、河道集中过流问题导致的地形差异大、受洪水冲淤影响大等特殊条件，提出一种适用于河流入库消落带的生态修复及水质净化效能提升方法，从根本上改善了应用区域内植物的生长条件，促进植物和土壤肥力的回复，从而修复应用区域的生态环境，提高水库入库口消落带对于支流入流的净化能力，对河流入库消落带的生态修复以及水库水质保障和净化具有重要意义。

附图说明

图1为本发明应用前后潜水位抬升的纵剖面示意图；其中，横纵比例1:15。

图2为实施例第一级截潜堰位置横断面图；

图中，1截潜堰，a代表高程数值68.1m，b代表高程数值68.0m，a代表高程数值65.0m，b代表高程数值70.0m，c代表高程数值75.0m。

具体实施方式

下面结合实例对本发明作进一步的详细说明，但并不以此来限定本发明

实施例

1、工程区域

选择应用区域中的水库正常高水位69.0m，防洪限制水位68.1m。近几年水库来水较少，河流入库口消落带长时间落干，径流冲刷造成主河槽与两侧滩地高差普遍在1.5m以上，最大高差甚至超过3m，水流集中过流，河流水体总氮超标问题较为严重，但消落带对水质基本没有净化作用。而且该区域土壤肥力较差，地表植株低矮、分布稀疏，生态环境问题突出。

2、确定应用范围

河流入库扩散段上游端滩地平缓部分高程确定为69.1m，即第一级截潜堰堰顶高程与防洪限制水位相同为68.1m，工程设计要求最低运行保证率不低于55％，分析水库水位频率，55％运行保证率对应水位为64.41m，将高程取整至一位小数，最低运行高程即最后一级截潜堰堰顶高程选择为64.5m，根据以上堰顶高程确定第一级和最后一级截潜堰位置。

3、确定截潜堰位置和堰顶高程

应用区域内有三条支流入流，一处河道收窄处且位于一条支流汇流处下游，令两条支流位置相对且位于最后一级溢流堰上游，因此，选定一处优先选择的截潜堰位置即河道收窄处，并确定此处截潜堰堰顶高程67.1m。在已经确定的三级截潜堰中，一、二级截潜堰堰顶高差1m，满足要求，第二级和最后一级截潜堰堰顶高差2.6m，需在中间增设截潜堰。由于最后一级截潜堰上游为两个较大支流的汇流处，在临近汇流处上游断面设置一截潜堰，确定此处截潜堰堰顶高程为65.6m，可满足与最后一级截潜堰堰顶高差不超过一米的要求。此截潜堰与第二级截潜堰堰顶高差1.5m，再在中间增设一级截潜堰，堰顶高程66.3m，并据此选定截潜堰位置。为了水流集中和引导的作用，促进区域水体的更新，使得水流对堰后地形的冲刷程度不同营造地形差异，提高生物多样性，在每级坝均设置了50m长导流段，导流段堰顶高程比正常部分低0.1m，为了保证工程运行保证率满足设计要求，最后一级截潜堰导流段堰顶高程取64.5m，正常段堰顶高程为64.6m，其它各级导流段堰顶高程均在以上堰顶高程基础上减少0.1m。

4、确定截潜堰结构

截潜堰采用上文所述的优选结构，即上层格宾网箱与下层土工膜的组合结构，即上层设置两侧为阶梯形布置的格宾网箱保证整体的稳定性和耐久性，其中第一、第二层网箱高度0.5m，第三层及以下网箱高度1m，第二层和第三层网箱分别比上一层网箱在两端长出0.5m，以下各级网箱比上一层网箱在两端长出1m，网箱结构总高度根据截潜堰露出地面高度不同而不同，最大高度5m。格宾网箱结构中自上而下的第二层及以下的格宾网箱中间断开，纵向设置土工膜，土工膜上端固定在第二层格宾网箱顶部，土工膜下端折回焊接，在折回的空隙内填充碎石，下端下垂至需要截潜的深度，本工程中设计截潜深度5m(自堰顶)，最后一级截潜堰所在断面地下总渗流量最大，约占枯水期多年平均来水量的30％，土工膜两侧填土固定，截潜堰上游填土至导流段堰顶高程并压实，下游铺设格宾网垫护底，根据格宾网箱结构的不同，网垫纵向长度5-8m变化。

5、确定截潜堰的轴线布置形式

各级截潜堰均设有导流坝段能够起到水流集中和引导的作用，因此本实例中截潜堰轴线采用直线形式。

6、应用范围内种植植物

随着工程的运行，植物能够完成自然的选择的和生长，本实例中不对工程范围内植物进行人工干预。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。