一种净化河流水质的河口人工湿地系统的制作方法

本发明涉及水生态环境修复领域，具体涉及一种利用湿地斑块、回转廊道和橡胶坝净化河流水质的河口人工湿地系统。

背景技术：

随着经济的高速发展，人类生活水平的提高，水环境污染问题不断加剧，河流普遍受到污染，城市河流污染形势更为严峻。这些河流的污染总量虽然不及大江大河，但其污染物的浓度却达到了很高的水平，特别是给干流水体带来了严重的污染。依据《地表水环境质量标准》(gb3838-2002)，很多城市周边的河流仍属于劣ⅴ类水质。这些河流的水体大部分来自于城市污水处理厂排放的再生水、生活污水、雨水径流等，控制起来十分困难。

河口人工湿地系统是将受污染的河水在排入下一级河流前，引入人工湿地，通过基质的吸附，植物根茎的吸收、转化等功能，削减水中污染物含量，以达到净化水质的目的。针对现有技术的文献检索后发现，已有的在河口营建人工湿地净化水质的方法，如cn206783407u公开了一种利用水生植物净化城市入湖河口湿地水质的系统，由底质层、沉水植物层、生态浮床和生态护坡组成，通过种植沉水植物、挺水植物、浮叶植物等水生植物来达到净化水质的效果。虽然该系统有较好的景观效果，但是河水通过河口时停留时间很短，且单独依靠水生植物对污染物质的吸附非常有限，并不能达到良好的净化效果。cn108706740a公开了一种提高河口湿地反硝化效能的技术方法，该方法只利用水生植物构成的生态廊道和净化带来净化水质，主要是对氮的去除，没有添加基质填料，对污染物的去除效果非常有限，当遇到雨季较大水量甚至洪水时也容易受到破坏。因此，需要一种以延长水力停留时间和利用基质和植物控制污染的景观性河口人工湿地系统来净化河流水质，减少对下一级河流的污染。

本发明提出了一种净化河流水质的河口人工湿地系统，包括延长水力停留时间的回转廊道、削减污染物质的生态斑块和控制水位的橡胶坝三个各具功能的结构。通过各个斑块和廊道的基质、植物、微生物联合作用对河口上游来水进行净化，橡胶坝可以根据河流水量的变化控制湿地系统的水位，加强湿地的净化效果，当遇到较大水量或洪水时起到分流和防洪的作用。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是提供一种利用湿地斑块、回转廊道和橡胶坝净化河流水质的河口人工湿地系统。

本发明针对以上技术问题，提出一种河口人工湿地系统，既可以净化河流水质，削减其对下一级河流的污染，并能发挥生态景观效应，而且有一定的防洪功能，特别是针对城市污水处理厂排放的再生水、生活污水、雨水径流等组成的劣ⅴ类城市河流。该系统通过对湿地斑块和回转廊道的合理布置，改变河水的流态，并发挥基质、动植物及微生物的协同作用，使其能够达到最大的生态效益并保持系统的动态平衡。

本发明的一种净化河流水质的河口人工湿地系统为湿地进水口所在横截面、出水口所在横截面与河口两岸形成的类梯形区域，包含回转廊道、湿地斑块、橡胶坝三个部分。

所述回转廊道为s形或其它弯曲形态，廊道面积为湿地面积的30-35％，水深1.0-1.5m，宽度2.0-2.5m，水力停留时间≥8h，廊道底部铺设一层粒径50-100mm的卵石，卵石层厚度10-20cm。

所述湿地斑块与廊道紧密相连，形状根据廊道的设计而定，斑块面积为湿地面积的35-40％，最下部为夯实土层，在上面铺设1.1-1.7m的基质层，水力停留时间≥12h。基质层上面为植物层，植物株距为20-30cm，植物密度为16-25株/m²。

所述橡胶坝建设在人工湿地与河口两岸之间所预设的分流泄洪通道处，各营建1道橡胶坝，宽度3-5m，高度依据水位变化自由调节。

进一步，所述回转廊道中，s形或其它弯曲形态的作用是减缓水流，延长河水的水力停留时间，并能起到防洪的作用；底部铺设的卵石层，可以防止底泥被击溅导致二次悬浮。回转廊道对上游来水中化学需氧量(cod)和总磷的去除率可达进水的20-30％，氨氮和总氮的去除率可达进水的25-35％。

进一步，所述湿地斑块中，基质层选取砾石、沸石和生物陶粒作为填料，从底部至水面依次为砾石层、沸石层和生物陶粒层，砾石层对磷有较好的去除效果，粒径为20-30mm，厚度为50-70cm；沸石层对氮有较好的去除效果，粒径为10-20mm，厚度为40-60cm；生物陶粒层有利于对氮、磷的增效处理，粒径为5-10mm，厚度为20-40cm。

植物层搭配种植香菇草、梭鱼草、石菖蒲和慈菇中的2-3种，采用同心圆的方式种植，从内到外依据植物的株高依次为慈菇、梭鱼草、石菖蒲和香菇草的2-3种。通过湿地斑块，能够进一步去除进水cod的45-55％，总磷的40-50％，氨氮和总氮的50-60％。

进一步，所述橡胶坝，当河流水量较小时，上调坝高，可以抬高上游水位，以满足人工湿地的水量需要；当河流水量较大或遭遇洪水时，下调坝高，可以宣泄洪水、涝水，也可对下一级河流供水。

基质层中，基质的选择与组配方式影响河流的水质。对于所选基质：1)砾石的粒径较大，作为基质填料不易发生堵塞，且易被微生物附着形成生物膜，对磷的去除有很好的效果；2)沸石作为填料能快速吸附水体中的氨氮，吸附量高，吸附率高且受来水浓度的影响较小，解吸量和解吸率低，适合作为人工湿地填料用于吸附水中的氨氮；3)生物陶粒以活性氧化铝为原料铸造而成，具有多孔结构、高比表面积，因而具有较大的活性，有利于氮、磷的吸附增效处理。采用不同基质组配，能够利用各种基质的联合作用对河水进行净化。

植物层中植物的选择与组配方式也同样影响河流的水质。对于所选植物：1)香菇草(hydrocotylevulgaris)的株高10-15cm，生长力强，成形较快，繁殖能力强，常用做观赏性植物，对氮、磷等污染物也有很好的去除作用，常用作浮岛和湿地造景；2)石菖蒲(acorustatarinowii)较一般菖蒲矮，株高20-25cm，其根系生长发达，能为根系微生物提供良好的生长反应环境，且生物量大，所以其对水体中的氮、磷营养元素有较好的去除效果；3)梭鱼草(pontederiacordatal.)的植株高30-40cm，春末至秋季开花，有很好的景观效果，根系也较为发达，对氮、磷及其他污染物有较好的去除作用；4)慈菇(sagittariatrifoliavar.sinensis)株高40-60cm，与梭鱼草叶片相似，许多有关植物的研究中将其作为试验植物，对氨氮、磷有较好的去除效果。采用同心圆的方式种植具有极好的景观效果，而且能够很好地吸收水中的氮、磷等污染物，净化河流水质，并能维持水质澄清。

搭配的基质和植物根际能够为微生物繁殖提供附着点，形成生物膜，生物膜是由细菌、真菌、藻类、原生动物和后生动物组成的膜状生物群落，构成的食物链可有效地去除水中的污染物。

本发明的优点在于：

1)本发明不仅延长了河水在河口的水力停留时间，能减缓水流，起到防洪的作用，而且能改善水质，帮助河口植被的恢复，具有良好的景观协调性。

2)本发明不仅创造了人与自然相协调的美好环境，为动物提供良好的生存空间和栖息地，而且对污染物的去除率高。

3)本发明选用的基质填料，具有粒径较大、通透性好、比表面积大的特点，运行稳定，不易堵塞。

4)本发明选用的植物在种植初期养护管理简单可行，中后期任其自然演替，养护成本较低。并且所选植物均为深根系、耐冲刷植物种类，对稳定河口湿地生态群落具有显著效果；

5)本发明适用范围广泛，操作维护简单，投资小，工程造价较低，能耗低。

附图说明

图1为一种净化河流水质的河口人工湿地系统的结构示意图

附图标记：

1-进水口；2-湿地斑块；3-同心圆配植植物；4-泄洪通道；5-湿地区域边界；6-橡胶坝；7-水流方向；8-回转廊道；9-出水口。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，本发明的保护范围并不限于此。

试验背景介绍：试验地点为某城市河流河口，在河口区域构建了一套净化河流水质的河口人工湿地系统，该河流水体以城市污水处理厂排放的再生水、生活污水、雨水径流等为主，水质长期处于劣ⅴ类，氨氮浓度3.0-5.0mg/l，总氮浓度8.0-10.0mg/l，cod浓度50-60mg/l，总磷浓度0.6-0.8mg/l，水量也随着季节的变化而变化，6-8月份为丰水期，1-3、11-12月份为枯水期。该河流河口宽40-50m，平均水深1-1.5m。河口人工湿地面积为1400m²，具体包括：

(1)回转廊道水深1.2m，宽度2.3m，水力停留时间为12h，廊道总面积490m²，廊道底部铺设一层粒径50-100mm的卵石，卵石层厚度15cm。

(2)湿地斑块最下部为夯实土层，在上面铺设基质层，高度1.5m，水力停留时间为24h，斑块总面积560m²。基质层上面为植物层，株距为20cm，密度在20株/m²。

基质层从底部至水面依次为砾石层、沸石层和生物陶粒层，砾石层粒径20-30mm，厚度为60cm；沸石层粒径为10-20mm，厚度50cm；生物陶粒层粒径5-10mm，厚度40cm。

植物层搭配种植香菇草、石菖蒲和慈菇，采用同心圆的方式种植，从内到外依据植物的株高依次为慈姑、石菖蒲、香菇草。

(3)橡胶坝建设在人工湿地与河口两岸之间所预设的分流泄洪通道处，橡胶坝与泄洪通道的面积为350m²，在分流泄洪通道进水口，各营建1道橡胶坝，宽度为4m，高度可依据水位变化自由调节。

系统建成后，经过对湿地内河水水质进行逐月定点追踪监测，该系统对氨氮的去除率为76％-84％，其中回转廊道去除25％-30％，湿地斑块去除51％-54％，氨氮浓度下降至0.5-1.2mg/l；对总氮的去除率为80％-84％，其中回转廊道去除28％-30％，湿地斑块去除52％-54％，总氮浓度下降至1.3-2.0mg/l；对cod的去除率为70％-80％，其中回转廊道去除20％-25％，湿地斑块去除50％-55％，cod浓度下降至10-18mg/l；对总磷的去除率为70％-75％，其中回转廊道去除22％-25％，湿地斑块去除48％-50％，总磷浓度下降至0.15-0.24mg/l。水质由原来的劣ⅴ类，维持在ⅳ类及以上，取得了明显的净化效果。通过水质监测与分析对比，发现河流水质污染得到明显的控制，水中污染物质浓度减少，本发明在净化水质的同时，实现了水体景观效果的明显提升。