一种平原河网区泥沙拦截和处理系统

1.本发明属于水利工程和环境工程领域，具体是一种平原河网区泥沙收集与净化的系统，可应用于河道治理和环境保护。


背景技术：

2.湖库水体污染根本来源是流域污染物质在湖泊水体和沉积物中的过量富集。流域降水冲刷或者生产生活用水都会使得大量颗粒物引入河道中，并由河道水流输送进入湖库形成淤泥。这些形成颗粒物中的有机成分是导致水体污染的主要原因之一。因此，底泥疏浚是解决河道和湖库污染问题最常用和重要手段之一。
3.不过，目前的底泥疏浚还存在不及时、周期长、耗费大和疏浚淤泥处理困难等问题。比如，目前内河疏浚最多为每年疏浚一次，且每次疏浚前后均需要调查评估，时间、人力和物力耗费巨大。此外，还需要开辟场地堆埋疏浚淤泥，以防止二次污染的发生。这占用了大量的土地。因此，如何研发更加经济、环保和高效的底泥疏浚技术是一个亟需回答的问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的不足与平原河网区泥沙淤积污染的现状，本发明提供一种平原河网区泥沙拦截和处理系统和方法，可实现泥沙、水的净化，降低水动力扰动强度，增大河口泥沙拦截槽泥沙拦截效率，削减污染负荷，并可为水生动物提供庇护所和居民休闲场所。
5.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.一种平原河网区泥沙拦截和处理系统，包括泥沙拦截系统、输送系统、自动控制系统、处理装置和河口区湿地系统，
7.所述泥沙拦截系统包括设置于所述平原河网区的若干泥沙拦截槽，所述平原河网区中每个河道连接点和入湖河口处均设置一个所述泥沙拦截槽，
8.所述输送系统包括气力泵和沿河道设置的输送管道，通过所述输送管道每个所述泥沙拦截槽的底部均与所述处理装置连接，所述气力泵设置于所述处理装置入口处，
9.所述自动控制系统包括数据中心、通信模块、水质传感器和泥位传感器，每个所述泥沙拦截槽内均设置有通信模块、水质传感器和泥位传感器，所述水质传感器和所述泥位传感器通过通信模块连接所述数据中心，所述数据中心与所述气力泵电连接，
10.所述处理装置的出口连接所述河口区湿地系统，
11.所述泥沙拦截槽由水体底泥下挖形成，所述泥沙拦截槽内设置有支架，所述通信模块设置于支架上，水质传感器和泥位传感器通过所述支架设置于水面以下。优选的，设置于水面以下1m处。
12.由于平原河网区底泥的流动性，泥沙拦截槽可以有效的收集河网内和末端的淤泥，水质传感器可以实时感知泥沙拦截槽内水体的温度、溶解氧和浊度；泥位传感器可以感
知淤泥深度，这些信息通过通信模块送至数据中心，由数据中心控制气力泵实现对泥沙拦截槽网中淤泥的收集，并输送至处理装置，处理装置将获得的泥水混合物制成泥饼，并将泥饼用于河口湿地系统的建设，其产生的尾水则在达标后排入湿地。湿地系统既可以实现二次净化泥饼和达标尾水(深度处理)，又可以美化湖滨环境。
13.优选的，所述数据中心和所述气力泵之间设置有控制器，由数据中心对得到的数据进行决策后指令控制器控制气力泵的使用。
14.优选的，所述泥沙拦截槽呈倒置的四棱台型。
15.优选的，所述泥沙拦截槽的开口尺寸与交叉口或河口等宽。
16.优选的，设置于河口区的所述泥沙拦截槽的深度由如下方法确定：
17.(1
‑
1)使用the simulating waves nearshore(swan)模型计算入湖河口区湖泊风浪的波长，所述模型的控制方程为：
[0018][0019]
其中：n为动谱密度函数；t、x和y分别为时间和水平坐标方向；σ1和θ分别为频率和波向；c
x
，c
y
，c
σ
和c
θ
分别为x，y，σ1和θ上的波浪传播速度；s为波能源项，表示了激发、耗散和波波间非线性作用等过程而造成的波能收支。
[0020]
(1
‑
2)根据式(2)确定所述泥沙拦截槽的深度：
[0021][0022]
其中，l为湖泊年最大风浪波长，d为水面到原始水底的垂直距离，h为泥沙拦截槽的深度，d为泥沙拦截槽允许最大泥沙蓄积厚度；其中，d通过泥沙沉降通量原位观测实验确定；
[0023]
由于当风浪波长大于2倍湖水深时，湖床将受风浪扰动影响而发生侵蚀悬浮，所以以式(2)作为设计泥沙拦截槽安全深度的依据。当泥沙拦截槽设计深度满足式(2)时，泥沙拦截槽能够安全的存储淤泥，并保证淤泥不发生侵蚀悬浮而进入上覆水，提高拦截效率，降低二次污染的发生。
[0024]
优选的，所述泥沙拦截槽允许最大泥沙蓄积厚度通过泥沙沉降通量原位观测实验确定，所述原位观测实验步骤为：在预开挖泥沙拦截槽的位置悬挂泥沙沉降筒，连续一年逐月测量沉降筒内泥沙沉降量确定每月泥沙沉降厚度，月最大泥沙沉降量即为泥沙拦截槽允许最大泥沙蓄积厚度d。
[0025]
优选的，所述泥沙拦截槽的边坡安全角度由式(3)确定：
[0026][0027]
其中，c为泥沙拦截槽的侧壁淤泥的内聚力，kpa；θ为边坡安全角度，
°
；为内摩擦角，
°
；γ为拦沙槽侧壁淤泥容重，kn/m3。式(3)中的参数通过在待施工地点采集原装泥样经土工试验确定。
[0028]
优选的，所述泥沙拦截槽的底部和四壁采用钢筋混凝土固化。
[0029]
优选的，所述输送系统还包括设置于所述输送管道尽头的抽吸头。
[0030]
优选的，所述抽吸头距离所述泥沙拦截槽的底部1m。抽吸头通过钢管固定在支架
上。
[0031]
优选的，所述支架由四根管桩和固定连接于所述管桩中间的铁板构成，所述铁板为边长2m的正方形。
[0032]
水质传感器可以实时感知泥沙拦截槽内水体的温度、溶解氧和浊度；泥位传感器可以感知淤泥深度。这些数据通过电缆与接线盒相连接。接线盒与通信模块相连接。通信模块通过商用网络将水质、泥位和视频数据无线发送到数据中心。所有设备的电力供应均由太阳能和蓄电池组成的供电系统供应。自动控制系统能够实时感知泥沙拦截槽中的水质、泥位和视频，并可以将数据无线传输到数据中心。
[0033]
数据中心由专用电脑和配套软件组成，能够实时接收收集的各泥沙拦截槽中的水温、溶解氧、浊度、泥位和视频等数据。数据中心将这些数据存储到数据库中，并同时调用数据库中的淤积预警临界值。当实测数据超过预警临界值时，数据中心向控制器发送启动的指令。控制器启停气力泵。气力泵通过输送管道与抽吸头相联通。抽吸头抽吸的淤泥通过输送管道输送到处理装置中。该装置将淤泥脱水固化，并压缩成泥饼。同时，该装置对淤泥固化过程产生的尾水进行净化。最后，泥饼和达标尾水送至河口区湿地系统。
[0034]
优选的，所述河口区湿地系统包括生态围桩、l型围堰和湖滨湿地，所述生态围桩围绕的区域内为所述湖滨湿地，所述l型围堰设置于所述平原河网的入湖河口区，所述l型围堰从河道口延伸出，并在入湖口处弯折形成俯视的l型，所述l型围堰内设置有所述泥沙拦截槽。
[0035]
优选的，所述l型围堰的堰体由钢丝网笼石块堆砌而成，因而堰体可以透水，所述l型围堰的顶部充填疏浚淤泥或泥饼，并栽种有挺水植物。l型围堰能够有效降低河道来水动能和来自开敞湖区风浪的扰动，降低泥沙拦截槽内的淤泥和污染物的二次悬浮风险。
[0036]
优选的，所述l型围堰的顶部高程值比湖泊多年平均水位高0.5m。因此，“l”型围堰是季节性淹没围堰，可以满足丰水期河流行洪的要求。
[0037]
优选的，所述生态围桩为圆木木桩，所述生态围桩等距地围绕在所述湖滨湿地外侧。生态围桩可以有效降低风浪扰动和减少围桩内水土流失。
[0038]
优选的，所述湖滨湿地由泥饼填充获得，所述湖滨湿地中种植水生植物并放养水生动物。优选的，所述泥饼由所述处理装置处理的泥沙脱水处理后获得，所述处理装置处理得到的尾水净化后排入所述湖滨湿地。湖滨湿地可以二次净化处理装置产生的泥和水，并为可为水生动物提供庇护所和居民休闲场所。
[0039]
本发明的有益效果在于：
[0040]
1.使用泥沙拦截系统实现对整个河湖系统内泥沙进行拦截，缩短了污染底泥的运移距离，降低了由底泥导致的水体污染风险。
[0041]
2.使用输送系统、自动控制系统和处理装置相结合，实现了对淤泥的实时收集和快速处理，提高了处理的时效性，降低了处理成本。
[0042]
3.利用处理装置制成的泥饼构建湖滨湿地和l型围堰，既实现了淤泥的资源化，又对处理装置产生的泥和水进行了二次净化，实现了疏浚淤泥的深度处理，降低了二次污染风险。
[0043]
4.l型围堰和湖滨湿地不仅能够增大泥沙拦截槽的泥沙拦截效率，资源化利用疏浚淤积副产品，还能为水生动物提供庇护所和居民休闲场所，实现了社会经济和生态环境
效益的双赢。
[0044]
本发明设计了泥沙拦截系统，并将之建设在河网和湖泊组成的河湖系统内。由于平原河网内淤泥具有很强的流动性，其将随水流向泥沙拦截槽汇聚。当系统中采集的疏浚超过预警临界值后，数据中心将触发控制器，进而启停气力泵。气力泵通过输泥管组成的管网，可以抽吸泥沙拦截槽内的淤泥，并将其输送到处理装置中。该装置将淤泥脱水固化制成泥饼用于河口湿地和l型围堰的建设，产生的达标尾水排放入湖滨湿地系统。这样完成了泥和水的二次净化。同时，l型围堰和湖滨湿地系统能降低水动力扰动强度，增大河口泥沙拦截槽泥沙拦截效率，削减污染负荷，并可为水生动物提供庇护所和居民休闲场所。
[0045]
本发明将上述环节有机地结合起来，实现了低成本、高效、高质量的泥沙拦截和净化处理。
[0046]
本发明利用平原河网区底泥含水量高、流动性大的特点，在河网内河道交织点以及作为河网末端的入湖河口建设泥沙拦截槽，形成泥沙拦截槽系统。泥沙拦截槽系统可以快速高效的拦截泥沙，并实现监控、抽排、无害化处理和资源化利用的全过程快速自动化处理。这样可以极大的减少淤泥及相关污染物在河网中的停留时间、削减入湖淤泥及相关污染物的总量，进而降低由淤泥引发的水污染风险，提高水系和湖泊的生态服务价值。
[0047]
本发明的泥沙拦截槽形态设计是经过现场调查、样品采集测试和公式与模型计算模拟得出的，能够保证存储在最大泥沙蓄积厚度范围内的淤泥不发生侵蚀悬浮，提高拦截效率，降低二次污染的发生。
附图说明
[0048]
图1是泥沙拦截槽的结构示意图。
[0049]
图2是本发明所述系统的整体结构示意图。
[0050]
图3是入湖口出剖面结构示意图。
[0051]
图4是自动控制系统示意图。
[0052]
图5是实施例1中流入太湖的大浦港口泥沙拦截槽的位置示意图。
[0053]
图6是实施例1中使用声纳扫描得到的大埔港口泥沙拦截槽的三维图像。
[0054]
其中，1是泥沙拦截槽，2是支架，3是抽吸头，4是混凝土壁，5是钢管，6是输送管道，7是水质传感器，8是电力和通信模块，9是摄像头，10是河，11是气力泵，12是处理装置，13是控制器，14是数据中心，15是湖岸大堤，16是湖滨湿地，17是湖泊，18是生态围桩，19是l型围堰，20网笼石块，21是泥位传感器，22是泥饼，23是湖床。
具体实施方式
[0055]
实施例1
[0056]
在太湖入湖口大浦港及其河网区进行示范建设：
[0057]
如图1
‑
5所示，采用的平原河网区泥沙拦截和处理系统，包括泥沙拦截系统、输送系统、自动控制系统、处理装置和河口区湿地系统，所述泥沙拦截系统包括设置于所述平原河网区的若干泥沙拦截槽，所述平原河网区中每个河道连接点和入湖河口处均设置一个所述泥沙拦截槽，
[0058]
所述输送系统包括气力泵和沿河道设置的输送管道，通过所述输送管道每个所述
泥沙拦截槽的底部均与所述处理装置连接，所述气力泵设置于所述处理装置入口处，所述自动控制系统包括数据中心、通信模块、水质传感器和泥位传感器，每个所述泥沙拦截槽内均设置有通信模块、水质传感器和泥位传感器，所述水质传感器和所述泥位传感器通过通信模块连接所述数据中心，所述数据中心与所述气力泵电连接，所述处理装置的出口连接所述河口区湿地系统，所述泥沙拦截槽由水体底泥下挖形成，所述泥沙拦截槽内设置有支架，所述通信模块设置于支架上，水质传感器和泥位传感器通过所述支架设置于水面以下1m处。
[0059]
数据中心和所述气力泵之间设置有控制器，由数据中心对得到的数据进行决策后指令控制器控制气力泵的使用。
[0060]
所述泥沙拦截槽呈倒置的四棱台型。
[0061]
所述泥沙拦截槽的开口尺寸与交叉口或河口等宽。
[0062]
设置于河口区的所述泥沙拦截槽的深度由如下方法确定：
[0063]
(1
‑
1)使用the simulating waves nearshore(swan)模型计算入湖河口区湖泊风浪的波长，所述模型的控制方程为：
[0064][0065]
其中：n为动谱密度函数；t、x和y分别为时间和水平坐标方向；σ1和θ分别为频率和波向；c
x
，c
y
，c
σ
和c
θ
分别为x，y，σ1和θ上的波浪传播速度；s为波能源项，表示了激发、耗散和波波间非线性作用等过程而造成的波能收支。
[0066]
(1
‑
2)根据式(2)确定所述泥沙拦截槽的深度：
[0067][0068]
其中，l为湖泊年最大风浪波长，d为水面到原始水底的垂直距离，h为泥沙拦截槽的深度，d为泥沙拦截槽允许最大泥沙蓄积厚度；其中，d通过泥沙沉降通量原位观测实验确定。
[0069]
所述原位观测实验步骤为：在预开挖泥沙拦截槽的位置悬挂泥沙沉降筒，连续一年逐月测量沉降筒内泥沙沉降量确定每月泥沙沉降厚度，月最大泥沙沉降量即为泥沙拦截槽允许最大泥沙蓄积厚度d。
[0070]
优选的，所述泥沙拦截槽的边坡安全角度由式(3)确定：
[0071][0072]
其中，c为泥沙拦截槽的侧壁淤泥的内聚力，kpa；θ为边坡安全角度，
°
；为内摩擦角，
°
；γ为拦沙槽侧壁淤泥容重，kn/m3。式(3)中的参数通过在待施工地点采集原装泥样经土工试验确定。
[0073]
本实例中，小型泥沙拦截槽开口长度10m，宽度8m，槽高为3m，底部长度5m，宽度4m，布置于河道交汇处的中心区，大型泥沙拦截槽长度200m，宽度100m，深度4.5m，布置于距湖岸25m处的河口区。配制混凝土对拦截槽表面进行硬化处理，分别在大，小拦截槽底面中点，架设支架，支架由四根管桩和固定连接于所述管桩中间的铁板构成，所述铁板为边长2m的正方形，管桩底部固定于底面，顶部超出水面2.5m。
[0074]
输送管道尽头设置抽吸头。
[0075]
所述抽吸头距离所述泥沙拦截槽的底部1m。抽吸头通过钢管固定在支架上。
[0076]
所述河口区湿地系统包括生态围桩、l型围堰和湖滨湿地，所述生态围桩围绕的区域内为所述湖滨湿地，所述l型围堰设置于所述平原河网的入湖河口区，所述l型围堰从河道口延伸出，并在入湖口处弯折形成俯视的l型，所述l型围堰内设置有所述泥沙拦截槽。
[0077]
所述l型围堰的堰体由钢丝网笼石块堆砌而成，因而堰体可以透水，所述l型围堰的顶部充填疏浚淤泥或泥饼，并栽种有挺水植物。l型围堰能够有效降低河道来水动能和来自开敞湖区风浪的扰动，降低泥沙拦截槽内的淤泥和污染物的二次悬浮风险。
[0078]
所述l型围堰的顶部高程值比湖泊多年平均水位高0.5m。因此，“l”型围堰是季节性淹没围堰，可以满足丰水期河流行洪的要求。
[0079]
所述生态围桩为圆木木桩，所述生态围桩等距地围绕在所述湖滨湿地外侧。生态围桩可以有效降低风浪扰动和减少围桩内水土流失。
[0080]
所述湖滨湿地由泥饼填充获得，所述湖滨湿地中种植水生植物并放养水生动物。优选的，所述泥饼由所述处理装置处理的泥沙脱水处理后获得，所述处理装置处理得到的尾水净化后排入所述湖滨湿地。湖滨湿地可以二次净化处理装置产生的泥和水，并为可为水生动物提供庇护所和居民休闲场所。
[0081]
在本实例中，河道出口为太湖大浦港入湖口(参见图2、图5)，采用泥沙拦截槽对泥沙进行存储，上方泥位传感器实时向数据中心传输数据，达到预警值时，数据中心向控制器发出指令，开启气力泵、底泥处理装置，开始进行工作，对底泥进行抽出和去污化处理，处理后的底泥与余水达到标准后，排入湖滨湿地进行植物二次深度净化。
[0082]
本实例中，泥位传感器、水质传感器和的摄像头9与电力和通信模块8相连，并经过通信模块和商用5g网络实时传送数据。所有设备均由太阳能板和蓄电池组成的电力模块提供电力。
[0083]
本实例中淤泥自动收集和处理系统中控制器、数据中心、气力泵、处理装置均安装于位于湖岸大堤旁的厂房中。数据中心接受来自通信模块和摄像头的数据传输。当监测值超过蓄满临界值时，数据中心发送指令给输送系统和处理装置。系统通过控制器启动气力泵，通过输送管道和抽吸头抽吸泥沙拦截槽内的淤泥。淤泥被输送管道输送到位于厂房中的处理装置中。该装置完成对淤泥的脱水固化，并将其压缩成泥饼。同时将生产过程中产生的余水经净化达标后排入湖滨湿地。此外，该装置制成的泥饼可用于湖滨湿地和l型围堰建设用土。
[0084]
本实例的河口区湖滨湿地系统中，l型围堰从河道向湖心延伸，向前延长30m后，拐角后再往前20m形成“l”型，l型围堰由钢丝网笼石块堆砌组成，l型围堰高度为2.5m，剖面形状为梯形。围堰顶部用处理后底泥泥饼装填，栽种有芦苇等挺水植物。湖滨湿地边缘用生态围桩进行固定底泥，生态围桩间隔0.5m钉桩，沿岸边布置形成长方形。
[0085]
结合附图对本系统进行进一步说明：
[0086]
参见图2，河道交叉口小型泥沙拦截槽布置于河道上游，进行泥沙收集的前处理，河口区大型泥沙拦截槽布置于入湖口，对河道泥沙进行收集再处理。
[0087]
参见图1，所述的泥沙拦截槽呈倒置的四棱台型，其位置和具体尺寸本申请将结合大浦港口拦沙槽的工程实践予以说明：
[0088]
(1)依据在太湖大浦港口水量沙量和河口沉积物分布的调查结果，确定了拦沙槽
的施工位置如图5所示。
[0089]
(2)利用基于式(1)的风浪数值模型，在水深2m和现状年风场条件下，计算得到泥沙拦截槽处的最大风浪的波长为10.9m。据此，在满足式(2)所规定泥沙拦截槽深度设计依据下，最终确定此处泥沙拦截槽的开挖深度不得少于4m。
[0090]
(3)租用原状沉积物取样设备在图5所示位置采集长达10m的沉积物柱状泥样，并以0.5m间隔将泥柱分成20个样品。将此样品密封保存，并快速送至土工实验室测试土力学参数。
[0091]
(4)经分析太湖泥柱的c，γ，分别为4kpa，16.5kn/m3，5
°
；泥沙拦截槽的设计深度为h＝4m。那么，将这些参数代入到式(3)，计算得到的安全边坡角度为35.84
°
，对应的边坡系数为4：5.54。
[0092]
(5)据以上标准设计并建造的泥沙拦截槽能够有效捕获并安全存储允许最大泥沙蓄积厚度范围内的淤泥，提高了拦截效率，降低了二次污染的发生。图6为利用声纳扫描得到的大浦港口的泥沙拦截槽(图5)三维图像。
[0093]
参见图4，支架上设有不锈钢外罩，用于保护供电系统，通信模块和摄像头，其中供电系统(太阳能，小型风力发电机)发电装置布置于罩外，通过电线与蓄电池相连，蓄电池通过数据线对通信模块，摄像头，泥位传感器，水质传感器进行供能。
[0094]
数据中心实时接受来自通信模块的数据传输，并自动生成相应的泥沙拦截槽泥沙淤积过程线。气力泵通过输送管道与位于泥沙拦截槽底部以上1m处的抽吸头相联通。
[0095]
参见图3，l型围堰顶部高程值比湖泊多年平均水位高出0.5m。因此，l型围堰是季节性淹没围堰，可以满足丰水期河流行洪的要求。湿地中培养挺水植物、水生动物，形成简易生态循环系统。
[0096]
通过上述技术，河流输送泥沙至河口时，经过围堰流速降低，悬浮物沉积于拦截槽中，河水透过围堰时，堰体吸附材料对其进行吸附净化，使得河水流出围堰后，其携带的污染物量得以削减。泥沙拦截槽内淤泥可抽出填在湖滨湿地里，种植芦苇等植物对其进行植物净化，以此形成一个良好的生态环境。