增强潜流交换的生态修复结构的制作方法

本发明涉及防治河岸侵蚀的生态修复结构，尤其涉及增强潜流交换的生态修复结构。

背景技术：

近年来，伴随着工农业生产水平的提高，由污染物排放造成的水体污染问题日益严重。在河流上游特别是山区，农业生产过程中产生的多余的化肥农药与畜禽粪便等污染物流入河道，在山区流域引发了一系列生态问题。河流是一个完整的连续体，河道地表水与左右河岸以及河床底质构成一个完整的体系。河道中地表水与周围地下水的连通性构成了河流生态系统的重要结构特征。地表水与地下水为一个有机整体，存在着较强的连通性，地表水与地下水相互交错的区域，即潜流带，也是物质和能量交换、生物群落生长和繁殖的区域。潜流带拥有复杂的生态功能，包括为水生动植物提供栖息地、分解河道中碳、氮等营养物质等，在维持河流生态健康方面扮演着重要角色，有“河流的肝脏”之称。大量研究表明，潜流带在促进营养物质循环、缓解水体污染、提供和维持良好的水生生物栖息地等方面具有重要意义。因此，增强河道中地表水与地下水的连通性，能够增强河流自净能力，有效保护河流生态系统。

除了农业生产造成的面源污染外，河岸侵蚀也是山区河流面临的重要问题之一。河岸被侵蚀之后面临河流生态系统退化，河水浊度加重水质恶化，甚至会引发河岸崩塌造成重大事故，因此河岸侵蚀威胁着沿岸土地、生态环境及人民生命财产安全。而传统硬化河岸等保护措施，又会割裂地表水地下水系统，引发生态系统退化等灾难。

因此，在山区河道治理过程中，亟需一种可靠的生态修复措施，此措施不仅需要能增强河道地表水地下水交换过程，加强河道自净能力，还需要能在不影响河道过流能力的前提下保护河岸防止侵蚀。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是提出一种增强潜流交换的生态修复结构，以重塑健康的河流生态系统，增强河流自净能力，缓解污染水体，改善河流水质，防止泥沙进入河流生态系统。

技术方案：增强潜流交换的生态修复结构，该结构为横跨河道的w形堆石堰，包括2段保护臂、2段内臂与两侧的坝肩，内臂布置于河道中心，保护臂布置于河道两侧与坝肩相连，两侧的坝肩垂直伸入河岸。

内臂与保护臂在转折点处高度最低，在中心与两侧高度较高，水流集中从堰高较低处流过，在堰后形成2个冲刷坑。

堆石堰两侧比中间高，使河道水流集中从堆石堰较矮处流过，减小了河道两侧靠近河岸处的流速与剪切应力，可以有效保护河岸，防止泥沙被河道侵蚀。

堆石堰抬高上游水位，在堰下游形成冲刷坑，在河床上形成压力差，驱动垂向地表水地下水交换过程。

增强潜流交换的生态修复结构为多个，在河道内间隔适当距离连续布置，在大尺度上增强地表水与地下水之间的潜流交换作用，实现流域尺度的生态修复。

工作原理：本发明的结构主体为w形堆石堰，包括内臂、保护臂与坝肩。利用“w”型堆石堰高度的不同，使河水集中从堆石堰较矮处流过，在堰后形成冲刷坑，堰前后河床上压力不同，推动地表水地下水交换。堆石堰靠近河岸两侧较高，流速较缓，河岸处剪切应力较低，从而保护河岸泥沙不被河水剥蚀。堆石堰整体横跨河道，堰体由4段构成，每段占据1/4河宽，每段长度为河宽的一半，相互之间形成有角度，在河道中形成两个指向上游的尖角，整体形状类似字母w。堆石堰内侧两段为内臂，外侧靠近河岸的两侧为保护臂，保护臂与坝肩相连。内臂、保护臂均由双层块石堆叠镶嵌而成，块石之间留有缝隙。坝肩由大直径块石镶嵌堆叠而成，沿垂直方向伸入河岸，长度为河宽的1/5。堆石堰两边最高，中间相对较高，上游内臂与保护臂相连的尖角转折点处高度最低，沿着河道断面呈现高-低-次高-低-高的结构。保护臂两侧与坝肩相连处高度最高，与断面平均水位持平，内臂与保护臂的转折点堰高最低，为平均水深的1/3，堰中心内臂转折点处，堰高为平均水深的1/2，因此水流集中从堰高较低处通过，在保护臂与内臂转折点下游形成冲刷坑。堰前水位壅高，冲刷坑内水位较低，堰前后水位差会在河床上形成压力差，驱动河道水流在上游河床压力大的区域进入河床底质，同时将河道水流中的溶解氧、营养物质与其他污染带入潜流带，而后在堰后压力小的区域回归河道。大量溶解氧、营养物质与污染物进入潜流带后，在潜流带中发生大量复杂的物理化学生物过程，完成碳、氮等营养物质的迁移转化与污染物的分解，实现河道水质的净化。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：(1)利用w形堆石堰高度的不同，使河水集中从堆石堰较矮处流过，在堰后形成冲刷坑，堰前后河床上压力不同，推动地表水地下水交换，增强了河道地表水地下水系统的连通性，充分发挥潜流带的净化能力，缓解水体污染，为天然水生动植物提供栖息地，保护天然河道生态系统；(2)本发明能在不硬化河岸割裂河道生态系统的前提下保护河岸，防止泥沙被河水剥蚀，进一步防止河道水质恶化，保护河道生态系统。本发明材料仅为块石，结构经济廉价，易于施工，且能长期维持生态修复功能。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的横向剖面示意图；

图3为本发明的纵向投影示意图；

图4为本发明的流域尺度布置图。

具体实施方式

如图1所示，本发明生态修复结构主体为“w”形堆石堰。堆石堰整体沿河道中轴线对称，一共可分为四段，两段保护臂1布置在河道两侧，两段内臂2布置在河道中心，每段的直线长度为1/2河宽，占据1/4的河道断面。保护臂1与河岸的夹角在25°～35°，保护臂1与内臂2在转折点4处的夹角为60°，在内臂转折点5处，两个保护臂1之间的内臂夹角为60°。四段堆石堰均由双层块石堆叠而成，块石直径在40cm～60cm，块石间留有缝隙。坝肩3垂直伸入河岸，长度为河宽的1/5。坝肩3由直径为60cm的块石堆叠而成。

如图2与图3所示，a、e处，即保护臂1与坝肩3相连处，保护臂1的高度最高，堰高为断面年平均水位，向河岸中心方向高度逐渐降低；到b、d处，即在保护臂1与内臂2的转折点4处，堰高最低，为当地平均水深的1/4。内臂2在c处，即内臂2的转折点5处，高度为平均水深的1/2。b、d处堰高较低，水流沿路径7集中从这两处流过溢流堰，在堰后形成冲刷坑6。冲刷坑处水位较低，堰前水位较高，在河床形成压力差，驱动地表水地下水交换。

如图4所示，本发明的若干个结构在河道内间隔适当距离连续布置，可以在大尺度上增强地表水与地下水之间的潜流交换作用，实现流域尺度的生态修复。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种增强潜流交换的生态修复结构，属于防治河岸侵蚀的生态修复结构领域。该结构整体为W形块石堰，由保护臂、内臂与坝肩组成，内臂布置于河道中心，保护臂布置于河道两侧与坝肩相连，两侧的坝肩垂直伸入河岸。本发明具有增强地表水地下水交换、加强潜流带净化作用、保护河道生态系统与防治河岸侵蚀等多种功能。与传统河道整治方法相比，本发明将河道地表水与地下水系统综合考虑，发挥了河道潜流带的净化作用；且成本低廉，所需人工少，易于施工，能长期维持生态修复功能，在河道生态修复、河岸防护等领域应用前景十分广阔。

技术研发人员：袁越;陈孝兵;陈力;许晓梁;郑春阳
受保护的技术使用者：河海大学
技术研发日：2018.06.27
技术公布日：2018.12.07