双层弧形河床生态修复结构的制作方法

本发明涉及河道水土保持与河流生态治理领域，尤其涉及双层弧形河床生态修复结构及设计方法。

背景技术：

水土保持是山区发展的生命线，是国土整治、江河治理的根本，是国民经济和社会发展的基础。河岸侵蚀几乎存在于所有江河沿岸，被侵蚀的河岸往往会造成严重的环境问题，强度大的河岸崩塌甚至会酿成重大险情，严重威胁沿岸人民的生命财产安全。被剥离河岸的泥沙在进入江河之后，会进一步破坏水质、影响水生生物的生长发育，甚至在下游淤积河道，影响通航。而传统的裁弯取直、河道硬化等河道整治措施，会割裂河道底质中地下水体与河道中地表水体的连通关系，隔断了河道水域中的动植物物、微生物与河道底质的接触，并引起其生存环境恶化，降低河流的天然自净能力。此外，近年来随着经济社会的快速发展，人为要素的破坏，河流污染日益严重，水体出现季节性或终年黑臭，成为我国河流生态治理中亟待解决的水环境问题。

目前，我国在防止河岸侵蚀、维护河流生态、治理河道污染等领域采用的技术基本还停留在单独治理地表水层面，而未考虑到地表水与地下水作为一个有机整体，存在着较强的连通性，从而忽视了地表水与地下水的相互交换对河流生态系统的意义。河流水与地表水交错的区域，即潜流带，是物质和能量交换、生物群落生长和繁殖的区域，在维持河流生态健康方面扮演着“河流肝脏”这一重要角色。大量研究表明，潜流带在促进营养物质循环、缓解污染水体、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，在河道整治中，亟需一种能在不硬化河道的前提下防止河岸侵蚀，并且能综合考虑地表水地下水过程从而加强河道自净能力的生态修复手段。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是提供一种双层弧形河床生态修复结构，以在保护河岸防止侵蚀的同时避免了硬化河道而造成生态破坏，同时通过增大地表水地下水交换来增强河流自净能力，从而治理河道污染。

技术方案：双层弧形河床生态修复结构，包括外层溢流堰、内层溢流堰与块石坝肩，内层溢流堰和外层溢流堰均呈弧形向河流上游凸起，内层溢流堰在外层溢流堰下游，两层溢流堰均中间低两边高，并与块石坝肩相连。

外层溢流堰长度为2～3倍河宽，外层溢流堰两侧与河岸的夹角为20°～30°。

修复结构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。

外层溢流堰由不同直径块石镶嵌而成，内层溢流堰由等直径块石镶嵌而成。

块石坝肩垂直伸入河岸，与外层溢流堰弧形结构两臂夹角为110°～120°。

溢流堰抬高上游水位，在溢流堰下形成冲刷坑，导致河床上形成压力梯度，增强了垂向地表水地下水交换过程。

工作原理：本发明在河道中使用块石布置双层溢流堰的结构，中间低两侧高，使水流集中从河道中间过流，降低了河道两侧的水流速度，降低河岸处的剪切应力，从而保护河岸防止水流侵蚀。双层弧形结构分担了河水消能过程，减小了河道的下切侵蚀，同时在河床上制造压力梯度，增强地表水地下水交换过程。

具体为，溢流堰由内外两层弧形块石溢流堰与坝肩组成，溢流堰结构向上游凸起呈弧形，以便有效将力传递到坝肩，防止水流较大时被冲刷破坏。溢流堰中间低两边高，使河道水流集中从溢流堰中间处流过，增加了河道中部的流速，减小了河道两侧流速，因此减少了河岸处的剪切应力，防止河岸泥沙被水流剥蚀。河道布置时，该结构整体横跨河道对称布置，坝肩侧向伸入河岸，结构凸起处为迎水方向，水流经过溢流堰后会下切产生两个不同深度和范围的冲刷坑，同时在双层溢流堰的两侧河床上形成阶梯状的压力梯度，促进了垂向地表水地下水交换。双层溢流堰抬高了上游水位，减缓了上游河道比降，延缓侵蚀，同时河流中部流速快，带走泥沙防止淤积。双层弧形溢流堰结构分担了水头下降产生的动能，减小堰下游的下切侵蚀，同时在堰上游与下游的水位差在河床上形成压力梯度。地表水在上游压力大的区域进入地下水体，在下游压力小的区域回归河道，因此该结构能大大增强河道系统中地表水地下水交换过程。大量溶解氧、营养物质与污染物随着地表水进入河床底质，在河床底质的微生物催化下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过程与污染物的分解过程，实现河道水质的净化。堰两侧上游流速较缓，为水生生物生存、繁殖、避难提供良好的栖息地，同时堰中部较低，不影响水生生物在上下游中自由迁徙。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：(1)能够有效保护结构上下游处河道两岸，防止河道冲刷带来的泥沙剥蚀与河岸崩塌。(2)本发明不仅避免传统硬化河道的方法割裂地表水地下水系统带来的生态破坏，反而增强了地表水地下水的连通性，能够有效保护天然河道生态系统，增强河道自净能力，缓解水体污染。(3)本发明能为水生生物生存、繁殖、避难提供良好的栖息地，进一步保护河道生态系统。(4)本发明材料仅仅为块石，方便就地取材施工，布置受地域条件限制少，成本低廉，建造速度快，所需维护少，结构寿命长。

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为本发明的流域尺度布置图。

具体实施方式

如图1、图2所示，双层弧形河床生态修复结构由3部分组成，分别为外层溢流堰、内层溢流堰与块石坝肩4。外层溢流堰呈弧形向河流上游凸起，整体长度为2～3倍河宽，外层溢流堰两侧与河岸的夹角为20°～30°。外层溢流堰由不同直径的块石逆水流方向镶嵌而成，其中小直径块石2直径为30cm，布置在迎水流方向，镶嵌在直径为50cm的大直径块石1缝隙中。溢流堰中间矮两边高，弧顶高度最低处为河道常见水位的1/2，两侧逐渐增高，到靠近坝肩4处堰高略低于河道常见水位。内层溢流堰布置在外层溢流堰下游，两堰弧顶处相距为河宽长度的1/3，由直径为40cm的块石3镶嵌而成，同样中间矮两边高，弧顶高度最低处为河道常见水位的1/3，两侧逐渐增高，到靠近坝肩4处控制堰高略低于河道常见水位。两层溢流堰均与坝肩4相连，坝肩4由直径为60cm到100cm的块石组成，垂直伸入河岸，与外层溢流堰弧形结构两臂夹角为110°～120°。在水流冲刷作用下，两层溢流堰间会形成冲刷坑5，而内层溢流堰下游也会形成冲刷坑6，并在河床上形成压力梯度导致垂向地表水沿着潜流交换路径7先进入而后离开河床底质。

如图3所示，本发明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。弧形结构能将水流冲刷产生的力传导到坝肩，坝肩伸入河岸，增强了抵抗水流冲刷的能力，有利于维持结构本身的稳定性。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种双层弧形河床生态修复结构，包括外层溢流堰、内层溢流堰与块石坝肩，内层溢流堰和外层溢流堰均呈弧形向河流上游凸起，内层溢流堰在外层溢流堰下游，两层溢流堰均中间低两边高，并与块石坝肩相连。与现有河道保护措施相比，本发明具有防护河岸侵蚀、增强地表水地下水交换、保护河道生态系统、增强河道自净能力等多种功能。该结构不仅避免了对河道生态系统的破坏，反而加强了增强了地表水地下水的连通性，能够有效保护天然河道生态系统，增强河道水体自净能力，同时为水生生物提供栖息地。本发明成本低廉，所需人工少，结构寿命长，在河道整治、河岸防护与河流水污染治理等领域应用前景十分广阔。

技术研发人员：陈孝兵;袁越
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：2018.11.16