一种富营养化水体底质改良与地形重塑方法与流程

本发明属于水体生态修复技术领域，具体涉及一种可应用于湖泊、水库、河道等富营养化水体底质改良与地形重塑方法。

背景技术：

湖底基底的治理是整个湖泊治理过程中的重要一环，其作为湖泊内源污染物的重要载体，在湖泊污染物质过量时会引起更严重的污染效应，但湖底底泥同时也为底栖生物与水生植物提供栖息、附着的空间，并给予它们生存所需的营养物质。已有的研究结果证明通过治理湖底底泥来营造生境的多样性可实现生物的多样性，从而可达到通过丰富的水生植物来改善水质、抑制蓝藻水华的目的。整体而言，目前对通过地形恢复来达到治理目的的研究不多，理论研究薄弱。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提出一种富营养化水体底质改良与地形重塑方法，该方法利用人工措施改变湖底地形形状使之更好地适应水生生物的生存和发展，改善局部生境，构建良性生态结构，从而实现生态修复的目标。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种富营养化水体底质改良与地形重塑方法，包括如下步骤：

（1）获取三维流速场信息：调查目标水体的水下地形，采用三维环境流体动力学模型（efdc）系统分析后，通过水动力模块建模得到目标水体的三维流速场的分布特征；

获取目标水体中生物种类的数量及分布信息；

获取目标水体的水质信息：所述水质信息为透明度及其分布信息；

（2）对目标水体底部的淤泥进行挖掘、去除；

（3）根据步骤（1）获取的水质信息和三维流速场信息，在目标水体中修建生态稳定沟，修建所述生态稳定沟的区域满足以下条件至少之一：

条件一：目标水域的生物种类小于整片水域的生物种类值的30％，

条件二：目标水体中流速小于0.01m/s；

条件三：局部水流流速小于整片区域平均流速的30％；

（4）根据步骤（1）获取的水质信息，在目标水体中修建生态暗岛，修建所述生态暗岛的区域内水体的透明度比水深的比值小于等于0.25；

所述生态暗岛的分布形态为梅花型或珠链型；根据步骤（1）获取的生物种类的数量及分布信息，在区域内生物种类数量少于目标水体内总生物种类数量的30%的区域，布设梅花型暗岛；在区域内生物种类数量大于目标水体内总生物种类数量的80%的区域，布设珠链型暗岛；对于区域内生物种类数量为目标水体内总生物种类数量的30%~80%的区域，，根据步骤（1）所获取的三维流速场的分布特征，若流场部分数值高于周围流场数值的20％，则布设珠链型暗岛，其余区域布设梅花型暗岛；

所述珠链型为以固定间距排列为一列；

所述梅花型包括中心暗岛和周边暗岛，所述周边暗岛以中心对称的方式分布，所述中心暗岛位于该对称中心；

修建生态稳定沟时挖掘出的底泥，以及步骤（2）所挖掘出的淤泥上下翻转后堆建所述生态暗岛；

在既满足修建生态暗岛条件又满足修建生态稳定沟条件的重合区域，同时修建生态暗岛和生态稳定沟，生态暗岛的修建面积是生态稳定沟的修建面积的2~5倍，生态稳定沟修建在生态暗岛迎主水流方向的两侧；

（5）在所构建的生态暗岛表面种植水生植物。

进一步的，所述生态暗岛的间距为150m~200m。

进一步的，全部所述生态暗岛的总面积为所述目标水体总面积的10%~30%。

进一步的，所述的方法还包括：调查目标水体地质中砂砾、黏土和土壤的质量比，并根据所述比例确定所述生态稳定沟边缘的坡度；

确定坡度的方法具体为：

（a）砂砾与土壤的比例大于30:1的区域，所述坡度比为1:10；

（b）砂砾与土壤的比例大于等于10:1且小于等于30:1的区域，所述坡度比为1:6；

（c）黏土与土壤的比例小于10:1的区域，所述坡度比为1:3；

其中，对于砂砾与土壤的比例大于30:1的区域，在修建生态稳定沟边缘的时候，向其中加入固定剂。

进一步的，所述固定剂为西安淤泥土壤改良剂。西安淤泥土壤改良剂主要运用吹填土淤泥原味固结工艺，对承载力不达标的土质进行固化改良。改良后的固化土可以用于相应的施工建设。

进一步的，所述固定剂的加入量为需要加入固化剂的底质质量的0.5%~3%。

进一步的，所述生态暗岛边缘的坡度为：上部6/19高度的坡度为1:6，中间10/19高度的坡度为1:3，下部3/19高度的坡度为1:10。

进一步的，所述生态稳定沟的深度为0.5~2m。

进一步的，所述生态暗岛的俯视形状优选为水滴形，所述水滴形的小端处于迎风面，所述水滴形的大端处于背风面。

进一步的，所述的方法还包括将目标水体中坡岸部分的水下浅滩的坡度进行调整，使得所述水下浅滩的坡度满足以下条件：

上部6/19高度的坡度为1:6，中间10/19高度的坡度为1:3，下部3/19高度的坡度为1:10。

进一步的，步骤（2）所述的挖掘为挖掘总淤泥厚度的1/3~1/4的上层淤泥。

进一步的，所述目标水体为湖泊。

本发明所采用的地形重塑方法，作为课题组独立研发的一项治理技术，已被多次应用与验证，也取得了良好的效果。其主要步骤是利用人工措施改变湖底地形形状使之更好地适应水生生物的生存和发展，通过底泥翻新，将污染较重的上层底泥进行水域内部转移或覆盖，使整个湖底底泥都翻新为生境更好的新生泥层，从而引发良性循环，使得种植的水生植物的存活率大大增高，从而逐步建立稳定的水生植物群落，不仅可以抑制蓝藻水华，还可以起到公园景观、消浪的作用。

本发明所述方法作为改善局部生境，构建良性生态结构，成功实现生态修复目标具有重要意义。相比传统的湖泊清淤工程，本发明既大幅降低了淤泥外运的成本，同时也带来了湖泊水动力条件的改善和湖泊旅游景观效果的提升。为后续的水质改善与生态修复创造了更好地环境条件。

上述三维环境流体动力学模型（efdc）系统为现有技术。

本发明主要有以下优点：

1、在达到生态修复目的地同时还可以达成水体底质的改良、水动力条件的改善和旅游景观效果的提升等良性效应。

2、相比传统的清淤工程，它既大幅降低了淤泥外运的成本，同时也为后续的水质改善与生态修复创造了更好地环境条件，经过地形重塑的富营养化水域的水生植物的存活率可以提升60％以上，生物多样性指数可提高30％左右。

3、基底环境改良主要削减内源性污染源，所处理的富营养化水域的内源污染普遍降低80％以上，地形重塑工程完成后能提高水体自净化能力，水质长效稳定。

附图说明

图1为本发明所述方法中修建的各部分的剖面结构示意图。

图2为本发明实施例2中的中部湖区平面布置简图。

其中，1是挺水植物，2是水生植物，3是生态稳定沟，4是生态暗岛，5是水面，6是湖岸线，7是沿岸缓坡。

具体实施方式

实施例1

2010~2015年，在滆湖北部区水环境整治与生态修复工程的建设和环境生态效益研究中，应用了富营养化水体底质改良与地形重塑方法，具体方案为：

（1）2010-2011年，首先获取滆湖北部湖区三维流速场信息：调查滆湖北部湖区的水下地形，采用三维环境流体动力学模型（efdc）系统分析后，通过水动力模块建模得到滆湖北部湖区的三维流速场的分布特征；

获取滆湖北部湖区中生物种类的数量及分布信息；

获取滆湖北部湖区的水质信息：所述水质信息为透明度及其分布信息；

（2）在滆湖北部湖区进行了全面的疏浚，将底部的淤泥进行挖掘、去除；挖掘总淤泥厚度的1/3的上层淤泥。

（3）根据水质信息和三维流速场信息，在滆湖北部湖区中修建生态稳定沟，修建所述生态稳定沟的区域满足以下条件至少之一：

条件一：目标水域的生物种类小于整片水域的生物种类值的30％，

条件二：目标水体中流速小于0.01m/s；

条件三：局部水流流速小于整片区域平均流速的30％；

（4）根据水质信息，在目标水体中修建生态暗岛，修建所述生态暗岛的区域内水体的透明度比水深的比值小于等于0.25；

所述生态暗岛的分布形态为梅花型或珠链型；根据生物种类的数量及分布信息，在区域内生物种类数量少于目标水体内总生物种类数量的30%的区域，布设梅花型暗岛；在区域内生物种类数量大于目标水体内总生物种类数量的80%的区域，布设珠链型暗岛；对于区域内生物种类数量为目标水体内总生物种类数量的30%~80%的区域，，根据三维流速场的分布特征，若流场部分数值高于周围流场数值的20％，则布设珠链型暗岛，其余区域布设梅花型暗岛；

所述珠链型为以固定间距排列为一列；

所述梅花型包括中心暗岛和周边暗岛，所述周边暗岛以中心对称的方式分布，所述中心暗岛位于该对称中心；

修建生态稳定沟时挖掘出的底泥，以及步骤（2）所挖掘出的淤泥上下翻转后堆建所述生态暗岛；

在既满足修建生态暗岛条件又满足修建生态稳定沟条件的重合区域，同时修建生态暗岛和生态稳定沟，生态暗岛的修建面积是生态稳定沟的修建面积的2~5倍，生态稳定沟修建在生态暗岛迎主水流方向的两侧；

（5）在所构建的生态暗岛表面种植水生植物。

生态暗岛的间距为150m~200m。

全部所述生态暗岛的总面积为所述目标水体总面积的30%。

调查滆湖北部湖区水体地质中砂砾、黏土和土壤的质量比，并根据所述比例确定所述生态稳定沟边缘的坡度；

确定坡度的方法具体为：

（a）砂砾与土壤的比例大于30:1的区域，所述坡度比为1:10；

（b）砂砾与土壤的比例大于等于10:1且小于等于30:1的区域，所述坡度比为1:6；

（c）黏土与土壤的比例小于10:1的区域，所述坡度比为1:3；

其中，对于砂砾与土壤的比例大于30:1的区域，在修建生态稳定沟边缘的时候，向其中加入固定剂。

所述固定剂为西安淤泥土壤改良剂。西安淤泥土壤改良剂主要运用吹填土淤泥原味固结工艺，对承载力不达标的土质进行固化改良。改良后的固化土可以用于相应的施工建设。

所述固定剂的加入量为需要加入固化剂的底质质量的0.5%。

所述生态暗岛边缘的坡度为：上部6/19高度的坡度为1:6，中间10/19高度的坡度为1:3，下部3/19高度的坡度为1:10。

生态稳定沟的深度为0.5~2m。

生态暗岛的俯视形状为水滴形，所述水滴形的小端处于迎风面，所述水滴形的大端处于背风面。

滆湖北部湖区中坡岸部分的水下浅滩的坡度进行调整，使得所述水下浅滩的坡度满足以下条件：

上部6/19高度的坡度为1:6，中间10/19高度的坡度为1:3，下部3/19高度的坡度为1:10。

该工程疏浚面积14km²，开挖土方量2267万立方米。原来呈浅碟形的湖面（平均水深1.2m），经过有目的的地形改造后，形成若干个由生态暗岛和生态稳定沟组成的浅滩区域，北部湖区变得生境特征多样，水深0.6~2.7m不等，2015年滆湖北部水生植被总面积1.74km²，较2013年增加0.33km²，两年增长了23.4％。水质也取得了明显的改善。

实施例2

在江苏省盐城市滨海县的“南湖底泥污染控制工程”中，运用了本项富营养化水体底质改良与地形重塑方法，对占地总面积约19.09ha的南湖进行了底泥治理，具体包括：

（1）首先获取南湖的三维流速场信息：调查南湖的水下地形，采用三维环境流体动力学模型（efdc）系统分析后，通过水动力模块建模得到南湖的三维流速场的分布特征；

获取南湖中生物种类的数量及分布信息；

获取南湖的水质信息：所述水质信息为透明度及其分布信息；

（2）在南湖区域进行了全面的疏浚，将底部的淤泥进行挖掘、去除；挖掘总淤泥厚度的1/4的上层淤泥。

（3）根据水质信息和三维流速场信息，在南湖区域中修建生态稳定沟，修建所述生态稳定沟的区域满足以下条件至少之一：

条件一：目标水域的生物种类小于整片水域的生物种类值的30％，

条件二：目标水体中流速小于0.01m/s；

条件三：局部水流流速小于整片区域平均流速的30％；

（4）根据水质信息，在目标水体中修建生态暗岛，修建所述生态暗岛的区域内水体的透明度比水深的比值小于等于0.25；

所述生态暗岛的分布形态为梅花型或珠链型；根据生物种类的数量及分布信息，在区域内生物种类数量少于目标水体内总生物种类数量的30%的区域，布设梅花型暗岛；在区域内生物种类数量大于目标水体内总生物种类数量的80%的区域，布设珠链型暗岛；对于区域内生物种类数量为目标水体内总生物种类数量的30%~80%的区域，，根据三维流速场的分布特征，若流场部分数值高于周围流场数值的20％，则布设珠链型暗岛，其余区域布设梅花型暗岛；

所述珠链型为以固定间距排列为一列；

所述梅花型包括中心暗岛和周边暗岛，所述周边暗岛以中心对称的方式分布，所述中心暗岛位于该对称中心；

修建生态稳定沟时挖掘出的底泥，以及步骤（2）所挖掘出的淤泥上下翻转后堆建所述生态暗岛；

在既满足修建生态暗岛条件又满足修建生态稳定沟条件的重合区域，同时修建生态暗岛和生态稳定沟，生态暗岛的修建面积是生态稳定沟的修建面积的2~5倍，生态稳定沟修建在生态暗岛迎主水流方向的两侧；

（5）在所构建的生态暗岛表面种植水生植物。

生态暗岛的间距为150m~200m。

全部所述生态暗岛的总面积为所述目标水体总面积的10%。

调查南湖区域水体地质中砂砾、黏土和土壤的质量比，并根据所述比例确定所述生态稳定沟边缘的坡度；

确定坡度的方法具体为：

（a）砂砾与土壤的比例大于30:1的区域，所述坡度比为1:10；

（b）砂砾与土壤的比例大于等于10:1且小于等于30:1的区域，所述坡度比为1:6；

（c）黏土与土壤的比例小于10:1的区域，所述坡度比为1:3；

其中，对于砂砾与土壤的比例大于30:1的区域，在修建生态稳定沟边缘的时候，向其中加入固定剂。

所述固定剂为西安淤泥土壤改良剂。西安淤泥土壤改良剂主要运用吹填土淤泥原味固结工艺，对承载力不达标的土质进行固化改良。改良后的固化土可以用于相应的施工建设。

所述固定剂的加入量为需要加入固化剂的底质质量的3%。

所述生态暗岛边缘的坡度为：上部6/19高度的坡度为1:6，中间10/19高度的坡度为1:3，下部3/19高度的坡度为1:10。

生态稳定沟的深度为0.5~2m。

生态暗岛的俯视形状为水滴形，所述水滴形的小端处于迎风面，所述水滴形的大端处于背风面。

滆湖南湖区域中坡岸部分的水下浅滩的坡度进行调整，使得所述水下浅滩的坡度满足以下条件：

上部6/19高度的坡度为1:6，中间10/19高度的坡度为1:3，下部3/19高度的坡度为1:10。

实施例3

在江苏省盐城市滨海县的清水湖中也运用了该富营养化水体底质改良与地形重塑方法，并取得了较好效果，经过地形重塑后，该水域的水生植物的存活率提升了65％，生物多样性指数提高了30％，其内源污染降低90％。