一种河道生态系统重建结构及其构建运行方法与流程

本发明涉及河道整治、水生态修复领域，特别是涉及一种河道生态系统重建结构及其构建运行方法。

背景技术：

近年来，我国对水体污染问题加大了治理力度，对城市黑臭水体的整治工作尤为重视。底泥是河流各类物质循环的中心环节，也是这些物质的主要聚集库。水体中大量的营养元素、有机污染物及重金属等污染物可通过沉淀、吸附、生物吸收等多种途径进入底泥，而底泥中的污染物质在一定的条件下又会从底泥中重新释放出来进入上覆水体。因此在城市水体治理中，底泥污染治理成为重中之重。

目前对污染底泥的治理主要采用疏浚、掩蔽及生物修复。其中，底泥疏浚利用机械手段对水体中的污染底泥进行疏挖，较彻底、迅速地去除了底泥中的污染物，为水生态系统的恢复创造条件，成为目前最普遍应用的治理方法。然而，底泥疏浚在清除污染物的同时，作为河流生态系统的重要组成部分，底泥中的底栖生物、底栖微生物、水生植物以及酶等也受到了严重地破坏。因此，经底泥疏浚后的水体，常常需要很长一段时间恢复和重建生态系统，在此过程中，水生态系统较为脆弱，一旦外界环境发生变化，水环境问题极易再次发生。同时，疏浚极易因改变水底的物理结构而导致历史积累形成的天然防渗层破坏而造成渗漏。

因此，在疏浚后快速恢复与重建河道基底层及其生态系统成为疏浚工程实施后亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是针对目前河湖治理中底泥疏浚后对河湖基底结构及生态系统造成严重破坏的状况，充分利用疏浚底泥资源，通过工程和生态手段相结合的方法快速重建疏浚后的河床、河岸结构，并通过以自然形成为主，人为干扰为辅的方式快速重建其生态系统，达到一体化完成水体生态修复的目的，最终建设一个适合当地生态环境、可以自我维持和进行正常自然演替的可持续发展的河道生态系统。

为实现上述目的，本发明提供了一种河道生态系统重建结构，包括依次设置在河床基底上的透气防渗层、生态重建层、交汇吸附层，所述河床基底的地形设置为原始水下地形，所述河床基底上设有深潭地形、浅滩地形和/或心滩地形，所述河道生态系统重建结构还包括设置在河岸上的斜坡护岸和/或直立护岸，所述斜坡护岸包括铺设在岸脚的砾石堆、设置在岸坡表层的由芦苇秸秆菱形交错编制构成的骨架以及铺设在所述骨架上的第一种植基质层，所述直立护岸包括设置在河岸外侧的回填土挡墙、设置在土基层上的常水位淹没护岸以及设置在所述常水位淹没护岸上的阶梯式护岸。

优选地，所述透气防渗层由厚度为5～10cm的当地黏土铺设而成；所述生态重建层由占体积比为50％～65％的底泥、占体积比为5％～7％的草炭土、占体积比为12％～15％的粗砂、占体积比为10％～15％的细砂、占体积比为3％～5％的砾石以及占体积比为5％～8％的火山岩混匀组成的混合物铺设而成，其中，所述底泥取自当地健康水体底部表层0～30cm厚度区域，所述粗砂、细砂均为淡水河砂，所述砾石、火山岩的粒径均为0.2～0.5cm，所述底泥的含水量≤50％，所述生态重建层的厚度为15～35cm；所述交汇吸附层由厚度为0.5～2cm的硅藻泥与卵砾石混合铺设而成，其中，所述硅藻泥与卵砾石的体积比为(60～80):(20～40)，所述卵砾石的粒径为0.3～0.8cm。

优选地，若重建后河道预计来水为污染水体，则所述底泥采用当地轻度污染水体底泥进行铺设，且选择的当地底泥中污染物含量较来水污染物含量低20％以上。

优选地，所述第一种植基质层由体积比为(30～50):(10～15):(10～15):(30～40)的底泥及土壤、草炭土、粗砂、种植土混匀成的混合物铺设而成，其中，所述底泥及土壤取自当地健康水体靠近水岸线±15cm的水体底部表层和土壤表层0～20cm区域，底泥含水量≤50％，所述第一基质层的厚度为8～15cm。

优选地，所述斜坡护岸表面沿河道流向设有缓冲沟，所述缓冲沟的垂直深度为5～10cm，宽度为15～30cm，所述缓冲沟底部铺设有砾石和粗砂。

优选地，所述常水位淹没护岸包括设置在靠近岸坡一侧的水泥砂浆砌石层以及设置在靠近河道一侧的生态重建层，所述生态重建层由铅丝石笼网内堆砌第一生态袋形成，迎水面上相邻铅丝石笼网为凹凸交替排列，相邻铅丝石笼网的宽度差为8～15cm，所述生态袋内填充有第二种植基质层，所述第二种植基质层的迎水面种植有沉水植物。

优选地，所述第一生态袋由聚丙烯或者聚酯纤维制成；所述第二种植基质层包括体积比为(50～70):(10～20):(5～10):(15～20)的疏浚底泥、砾石、水泥、粗砂；所述常水位淹没护岸较常水位低5～10cm；所述生态重建层的宽度为25～50cm，长度为0.6～1m。

优选地，所述阶梯式护岸包括上下堆叠设置的至少两层混合石笼层，且每个上层混合石笼层均比相邻的下层混合石笼层宽度小，所述混合石笼层包括设置在靠近岸坡一侧填充级配碎石的石笼以及设置在靠近河道一侧填充第二生态袋的石笼，所述第二生态袋内填充有第三种植基质层，所述第三种植基质层的迎水面种植有湿生植物。

优选地，所述级配碎石的粒径范围为3～10cm；所述第三种植基质层包括体积比为(40～60):(20～30):(5～10):(15～20)的底泥及土壤、种植土、草炭土及粗砂，其中，所述底泥及土壤取自当地健康水体靠近水岸线±15cm的水体底部表层和土壤表层0～20cm区域，底泥含水量≤50％，所述第二生态袋的填充区域宽度为20～30cm；所述阶梯式护岸高于洪水位50～70cm以上。

本发明的另一目的在于提供一种河道生态系统重建结构的构建运行方法，包括如下步骤：

a、根据设计要求构筑河床基底，保留原地形特征并构建深潭地形、浅滩地形和/或心滩地形，按顺序分层构建斜坡护岸和/或直立护岸，其中直立护岸中石笼结构为预制结构；

b、根据设计要求，分区域、按顺序依次铺设透气防渗层、生态重建层、交汇吸附层，完成河道生态系统重建结构；

c、构建河道生态系统重建结构后，分批次进水，其中，第一次进水深度为2～5cm，保持水位1～3天，第二次进水深度为30～60cm，保持水位50～70天，期间保持护岸种植基质层含水量在70％以上，50～70天后进水至常水位；

d、当底泥及基质中植物种子开始萌发、先锋种优先生长时，补植先锋种，根据水中动物种类增加投放适生水生动物。

基于上述技术方案，本发明的优点是：

本发明中河床、河岸重建结构及方法不仅起到河道防渗、泄洪等常规作用，而且充分利用本土底泥及其中的生物资源，应用以适生淘汰及自然演替为主、人工辅助为辅的方法，通过自然选择最适生的生物的生长辅以人工加强补充的方法逐步构建河道水下、水边生态系统，达到水体自我修复能力的提高以及污染净化能力和物质循环速率的提升，以全面地建设河道、河岸系统的结构、功能，提升生物多样性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为河床剖面图；

图2为斜坡护岸骨架俯视图；

图3为直立护岸俯视图；

图4为直立护岸侧视剖面图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明提供了一种河道生态系统重建结构，如图1～图4所示，其中示出了本发明的一种优选实施方式。本发明通过充分利用疏浚底泥资源，通过工程和生态手段相结合的方法快速重建疏浚后的河床、河岸结构，并通过以自然形成为主，人为干扰为辅的方式快速重建其生态系统，达到一体化完成水体生态修复的目的，最终建设一个适合当地生态环境、可以自我维持和进行正常自然演替的可持续发展的生态系统。

具体地，所述河道生态系统重建结构包括依次设置在河床基底1上的透气防渗层2、生态重建层3、交汇吸附层4，所述河床基底1的地形设置为原始水下地形，所述河床基底1上设有深潭地形5、浅滩地形6和/或心滩地形，所述河道生态系统重建结构还包括设置在河岸上的斜坡护岸和/或直立护岸，所述斜坡护岸包括铺设在岸脚的砾石堆、设置在岸坡表层的由芦苇秸秆菱形交错编制构成的骨架7以及铺设在所述骨架上的第一种植基质层，所述直立护岸包括设置在河岸外侧的回填土挡墙8、设置在土基层1上的常水位淹没护岸以及设置在所述常水位淹没护岸上的阶梯式护岸。

如图1所示，河床基底1由下到上分别为透气防渗层2、生态重建层3、交汇吸附层4。所述透气防渗层2由厚度为5～10cm的当地黏土铺设而成。若出现以下原因之一，如原河道渗漏较严重、疏浚对原河道基底破坏较严重或其他增加渗漏风险的情况，可在黏土层下层增加3～5cm钠基膨润土层。

本发明采用底泥作为重建中的重要原材料，其中，水体底泥层上层10～30cm的底泥中含有构建生态系统的水生植物种子资源、浮游生物、底栖动物、微生物等重要组成部分。

优选地，所述生态重建层3由占体积比为50％～65％的底泥、占体积比为5％～7％的草炭土、占体积比为12％～15％的粗砂、占体积比为10％～15％的细砂、占体积比为3％～5％的砾石以及占体积比为5％～8％的火山岩混匀组成的混合物铺设而成，其中，所述底泥取自当地健康水体底部表层0～30cm厚度区域，所述粗砂、细砂均为淡水河砂，所述砾石、火山岩的粒径均为0.2～0.5cm，所述底泥的含水量≤50％，所述生态重建层3的厚度为15～35cm。

底泥采集应按照水位分区进行，以常水位为标准，采集与目标河道常水位一致的水体区域底泥。采集后的底泥即刻与其他组合物进行慢速机械搅拌，混匀后立即开始铺设，铺设同样按照计划水位分区进行。由于污染底泥中的生态系统更适合污染水体环境，也可对污染水体起到净化作用。优选地，若重建后河道预计来水为污染水体，则所述底泥采用当地轻度污染水体底泥进行铺设，且选择的当地底泥中污染物含量较来水污染物含量低20％以上，其他条件不变。

优选地，所述交汇吸附层4由厚度为0.5～2cm的硅藻泥与卵砾石混合铺设而成，其中，所述硅藻泥与卵砾石的体积比为(60～80):(20～40)，所述卵砾石的粒径为0.3～0.8cm。

本发明的河道生态系统重建结构还需要对河床地形进行重塑，一方面疏浚时应保留疏浚前的原始地貌地形特征，在河床重建时对原始地形进行恢复，另一方面根据需要增加在所述河床基底1上设有深潭地形5、浅滩地形6和/或心滩地形。各种异质性地貌单元不仅可为更多生物提供栖息地，增加生物多样性，而且在异质性地形表层可增强微生物对污染物的降解作用，还可起到稳定河床结构及岸坡的作用。

进一步，所述河道生态系统重建结构还包括设置在河岸上的斜坡护岸和/或直立护岸。所述斜坡护岸包括铺设在岸脚的砾石堆、设置在岸坡表层的由芦苇秸秆菱形交错编制构成的骨架7以及铺设在所述骨架上的第一种植基质层，所述直立护岸包括设置在河岸外侧的回填土挡墙8、设置在土基层1上的常水位淹没护岸以及设置在所述常水位淹没护岸上的阶梯式护岸。

具体地，当河岸为斜坡式护岸时，为防止水力冲刷对护岸的破坏，在岸脚铺设砾石堆。如图2所示，斜坡式护岸岸坡表层为复合结构，由长度为50～100cm的芦苇秸秆菱形交错编制构成的骨架7和在其上铺设的第一种植基质层构成。优选地，所述第一种植基质层由体积比为(30～50):(10～15):(10～15):(30～40)的底泥及土壤、草炭土、粗砂、种植土混匀成的混合物铺设而成，其中，所述底泥及土壤取自当地健康水体靠近水岸线±15cm的水体底部表层和土壤表层0～20cm区域，底泥含水量≤50％，所述第一基质层的厚度为8～15cm。

优选地，所述斜坡护岸表面沿河道流向设有缓冲沟，所述缓冲沟的垂直深度为5～10cm，宽度为15～30cm，所述缓冲沟底部铺设有砾石和粗砂。如护岸倾角大于45度，为减轻径流对岸坡的冲刷，需要在护岸表面沿河道流向设立缓冲沟，缓冲沟底部铺设砾石和粗砂。如护岸较宽，可沿坡面设多级缓冲沟。

如图3、图4所示，当河岸为直立护岸时，在河岸外侧为回填土挡墙8，护岸结构最下层为常水位淹没层，主体分左右两部分。优选地，所述常水位淹没护岸包括设置在靠近岸坡一侧的水泥砂浆砌石层12以及设置在靠近河道一侧的生态重建层14，所述生态重建层14由铅丝石笼网内堆砌第一生态袋形成，迎水面上相邻铅丝石笼网为凹凸交替排列，相邻铅丝石笼网的宽度差为8～15cm，所述生态袋内填充有第二种植基质层，所述第二种植基质层的迎水面种植有沉水植物13。

优选地，所述第一生态袋由聚丙烯或者聚酯纤维制成，其孔隙度需符合沉水植物生长需要。所述第二种植基质层包括体积比为(50～70):(10～20):(5～10):(15～20)的疏浚底泥、砾石、水泥、粗砂，该底泥选择标准与河床构建用底泥一致。所述常水位淹没护岸较常水位a低5～10cm。所述生态重建层14的宽度(垂直河道延伸方向)为25～50cm，长度(沿河道延伸方向)为0.6～1m。

铅丝石笼网需锚固在水泥砂浆砌石层12上。每个铅丝石笼网相互之间均进行锚固。如图3所示，为消解河水对护岸的水力冲刷，铅丝石笼网向水侧面构建为凹凸交替结构，即相邻石笼结构为凹凸交替排列，宽度差为8～15cm。

如图4所示，常水位淹没护岸上设有阶梯式护岸，位于水泥砂浆砌石层12之上。优选地，所述阶梯式护岸包括上下堆叠设置的至少两层混合石笼层11，且每个上层混合石笼层11均比相邻的下层混合石笼层11宽度小，所述混合石笼层11包括设置在靠近岸坡一侧填充级配碎石的石笼以及设置在靠近河道一侧填充第二生态袋的石笼9，所述第二生态袋内填充有第三种植基质层，所述第三种植基质层的迎水面种植有湿生植物10。

具体地，最靠近河道一侧为混合石笼层11，混合石笼层11内分为左右两部分，靠近岸坡一侧填充粒径范围为3～10cm的级配碎石，靠近河道一侧填充与其空间相匹配规格的第二生态袋，所述第三种植基质层包括体积比为(40～60):(20～30):(5～10):(15～20)的底泥、种植土、草炭土及粗砂，其中，所述底泥取自当地健康水体靠近水岸线±15cm的水体底部表层0～20cm区域，底泥含水量≤50％，所述第二生态袋的填充区域宽度为20～30cm。所述阶梯式护岸高于洪水位b在50～70cm以上。

进一步，其余靠近河岸一侧石笼均全部填充粒径范围为3～10cm的级配碎石，每个上层石笼结构均比相邻的下层结构宽度小20～30cm，形成阶梯式护岸，上下左右相邻石笼见均应锚固稳定。常水位a时，该层结构一般位于水位以上，其总高度应考虑泄洪安全而定，一般应高于洪水位b在50～70cm以上。

本发明中河道生态系统重建结构不仅起到河道防渗、泄洪等常规作用，而且充分利用本土底泥及其中的生物资源，应用以适生淘汰及自然演替为主、人工辅助为辅的方法，基本无需种植、放养，通过最适生的生物的生长逐步构建河道水下、水边生态系统，达到水体自我修复能力的提高以及污染净化能力和物质循环速率的提升，以全面地建设河道、河岸系统的结构、功能、生物多样性。

本发明还提供一种河道生态系统重建结构的构建运行方法，包括如下步骤：

a、根据设计要求构筑河床基底1，保留原地形特征并构建深潭地形5、浅滩地形6和/或心滩地形，按顺序分层构建斜坡护岸和/或直立护岸，其中直立护岸中石笼结构为预制结构。

b、根据设计要求，分区域、按顺序依次铺设透气防渗层2、生态重建层3、交汇吸附层4，完成河道生态系统重建结构。

c、构建河道生态系统重建结构后，分批次进水，其中，第一次进水深度为2～5cm，保持水位1～3天，第二次进水深度为30～60cm，保持水位50～70天，期间保持护岸种植基质层含水量在70％以上，50～70天后进水至常水位a，进水深度为底泥表层以上水位。

d、当底泥及基质中植物种子开始萌发、先锋种优先生长时，补植先锋种，根据水中动物种类增加投放适生水生动物，一般三个月至半年，除植物外，生态系统中底栖动物、浮游植物、微生物及水生动物等逐渐构建并在一年后达到稳定。

本发明中河床、河岸重建结构及方法不仅起到河道防渗、泄洪等常规作用，而且充分利用本土底泥及其中的生物资源，应用以适生淘汰及自然演替为主、人工辅助为辅的方法，通过自然选择最适生的生物的生长辅以人工加强补充的方法逐步构建河道水下、水边生态系统，达到水体自我修复能力的提高以及污染净化能力和物质循环速率的提升，以全面地建设河道、河岸系统的结构、功能，提升生物多样性。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。