适用于垂直潜流湿地超大水量单点布水条件的集水系统的制作方法

本发明涉及人工湿地技术领域，尤其是涉及一种适用于垂直潜流湿地超大水量单点布水条件的集水系统。

背景技术：

现有技术中的垂直潜流人工湿地是由滤料、植物和微生物结合为一体的生态水处理技术，通过截留吸附降解转化等作用降低水体中的污染物；垂直潜流人工湿地在生活污水、污水厂尾水、河湖水及雨水等水体处理方面被广泛应用。

垂直潜流人工湿地可以应用于污水厂尾水、河水、湖水及雨水等微污染水体的处理。常规垂直潜流人工湿地的最大水力负荷能达到1m/d，单个面积一般不超过1500m²，即一个垂直潜流人工湿地一天最多只能处理1500m³的微污染水，当常规人工湿地处理污水厂尾水、河水等水体时，一般采用低于1m/d的水力负荷。微污染水体的日处理水量大，如城镇污水厂尾水日排放量可达数万吨，应用湿地技术会出现分隔单元多，建设后占地面积大的情况。垂直潜流人工湿地的集水方式通常为集水支管在排水层集水，有的垂直潜流湿地集水支管布设少，没有覆盖整个湿地滤床的全部区域，滤床内的水流收集不均，易引起短流的发生，以致滤床的净水作用无法充分发挥；集水支管连接集水干管，集水干管进入与湿地侧面相接的出水区或出水渠，出水区或出水渠通常是溢流排水或重力自流排水，排水的控制能力差。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种使得每个湿地集水单元至排水点的距离相等的适用于垂直潜流湿地超大水量单点布水条件的集水系统，其每个湿地集水单元的排水时间相同，以致污水在垂直潜流湿地内部进行均匀分布，垂直渗滤通过湿地进入集水支管，实现高效的处理效果。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种适用于垂直潜流湿地超大水量单点布水条件的集水系统，包括若干湿地集水单元、设置于湿地集水单元一侧的汇水单元以及连接在汇水单元出口的集水井，所述的集水井通过其入水口接收汇水单元的清水并通过出水口排出，在所述的集水井内设置出水节制堰，所述的汇水单元由若干集水干管组合而成使得每个所述的湿地集水单元排出的清水至集水井的水流路径长度相同。

进一步具体的，所述的汇水单元包括连接第一个湿地集水单元与第二个湿地集水单元的第一集水干管、连接第三个湿地集水单元与第一集水干管的第二集水干管、连接第x个湿地集水单元与第x-2集水干管的第x-1集水干管、连接第n个湿地集水单元与第n-2集水干管的第n-1集水干管以及连接集水井与第n-1集水干管的集水总管；所述的集水总管包括平行于湿地集水单元集水主管的平行总管以及设置于平行总管左端并连接于第n-1集水干管内水平管的左垂直总管，所述的平行总管的右端连接于集水井。

进一步具体的，所述的第x-1集水干管包括平行于湿地集水单元集水主管的平行管、位于平行管左端的左垂直管以及位于平行管右端的右垂直管，所述的左垂直管连接于第x-2集水干管内的平行管上，所述的右垂直管连接于第x个湿地集水单元的集水主管12；所述的第x-1集水干管内的左垂直管与第x-2集水干管内的左垂直管之间的距离为湿地集水单元宽度的一半。

进一步具体的，所述的湿地集水单元至集水井的水流路径长度计算公式为：

其中，l为湿地单元至集水井的运动路径长度，，n为湿地集水单元的数量，n≥2，b为1/2的湿地集水单元宽度，lx为第x-1集水干管内平行管与第x集水干管内平行管之间的距离，le为集水总管的长度。

进一步具体的，当每个所述的集水干管之间的距离相同均为l，所述的湿地集水单元至集水井的水流路径长度计算公式为：

l＝(n-1)b+(n-1)l+le；

进一步具体的，若干所述的湿地集水单元为偶数个，由两个所述的湿地集水单元以及两个湿地集水单元之间的第一集水干管组成第一集水模组，由两个第一集水模组以及两个第一集水模组之间的第二集水干管组成第二集水模组，由两个第二模组以及两个第二模组之间的第三集水干管组成第三集水模组，以此类推，由两个第x-1模组以及两个第x-1模组之间的第x集水干管组成第x集水模组，第x集水干管连接至集水总管上，所述的集水总管连接至集水井。

进一步具体的，所述的湿地集水单元包括位于湿地集水单元两侧的集水主管以及设置于两侧集水主管之间的集水支管，若干所述的集水支管平行设置，单根集水支管的截面积为s1，所述的集水主管的截面积s2的范围为：

is1总≤s2≤s1总；

s1总＝n×s1；

其中，s1为单根集水支管的截面积，n为集水支管的数量，i为集水支管实际比流量与理论比流量的比值；

第x集水干管的截面积sx+2的范围为：

0.9sx+1总≤sx+2≤sx+1总；

其中，sx+1总为连接于第x集水干管进水点所有管道的截面积之和；

所述的集水总管的截面积sn+2的范围为：

0.7sn+1总≤sn+2≤sn+1总；

其中，sn+1总为连接于集水总管进水点所有管道的截面积之和。

进一步具体的，所述的出水节制堰包括设置于集水井中部的内墙、设置于内墙上的内墙开口、设置在所述的内墙的固定架、设置在固定架上并可上下运动的堰板、设置于集水井顶部的执行器以及设置于执行器与堰板之间的连接杆，所述的执行器通过连接杆将堰板上升或下降以调整内墙开口的开启度。

进一步具体的，还包括一控制端，在所述的集水井内设置第二液位计，在垂直潜流湿地的滤料层上设置布水组件以及第一液位计，根据第二液位计检测到的水位高度计算并控制堰板的动作使得排水流量恒定。

进一步具体的，在所述的控制端内设置对应布水组件的高水位阈值与低水位阈值，当第一液位计检测到水位达到低水位阈值则开启布水组件，而当第一液位计检测到水位达到高水位阈值则关闭布水组件；第二液位计检测到集水井内上游水位的高度并与堰板顶部高度求得测量差值，之后与控制端内设置的标准差值对比，调整堰板顶部高度使得测量差值向标准差值靠近，从而保证出水水量恒定。

本发明的有益效果是：上述垂直潜流人工湿地集水系统的设计以及系统出水水量的控制方法，对垂直潜流人工湿地出水进行有序控制，能实现进水均匀垂直渗滤，有效避免短流的发生，保障处理效果。单个垂直潜流人工湿地可根据布置形状设多个多种形状湿地集水单元，平面布置更加灵活，单个垂直潜流人工湿地面积可达6000m²。集水支管排布均匀密集，管长可达100m。两根集水主管使集水模块内所有集水支管连通，避免因某根集水支管堵塞而出现排水不畅。在施工过程中，首先在场地上设好两根集水主管，然后平行铺设集水支管，一根一根与集水主管进行连接，可确保集水模块中的每根管道安装在正确位置。集水井内出水节制堰受控制端的plc程序控制，自控性高、可控性好，保持出水流量稳定。树形结构集水系统的设计，可以保证每个湿地集水单元至出水口的水流路径长度一致，以致污水进入整个湿地后能够均匀分布，垂直渗滤通过湿地进入集水支管，避免短流发生，实现高效的处理效果。智能化的自动控制方法，可以有效地保障出水流量稳定控制在0.057m³/s～0.17m³/s，此时垂直潜流人工湿地的水力负荷为1m/d～3m/d，适用于处理超大水量的微污染水体，如污水处理厂尾水、河水、湖水、雨水等。

附图说明

图1是本发明三个湿地集水单元第一种连接形式的结构示意图；

图2是本发明四个湿地集水单元第一种连接形式的结构示意图；

图3是本发明四个湿地集水单元第二种连接形式的结构示意图；

图4是本发明八个湿地集水单元第二种连接形式的结构示意图；

图5是本发明集水井的俯视结构示意图；

图6是图5中a-a部分的剖视结构示意图；

图7是图5中b-b部分的剖视结构示意图。

图中：1、湿地集水单元；2、汇水单元；3、集水井；4、控制端；5、布水组件；6、出水节制堰；11、集水支管；12、集水主管；21、第一集水干管；22、第二集水干管；23、第三集水干管；24、集水总管；61、内墙；62、内墙开口；63、固定架；64、堰板；65、执行器；66、连接杆；67、第二液位计。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示一种适用于垂直潜流湿地超大水量单点布水条件的集水系统，包括若干湿地集水单元1、设置于湿地集水单元1一侧的汇水单元2以及连接在汇水单元2出口的集水井3，所述的集水井3通过其入水口接收汇水单元2的水并通过出水口排出，在所述的集水井3内设置出水节制堰6，所述的汇水单元2由若干集水干管组合而成使得每个所述的湿地集水单元1排出的清水至集水井3的水流路径长度相同，相同的路径长度保证每个湿地集水单元1的出水时间相同，汇水单元2的集水干管采用pe管制作。

根据具体的实际情况，汇水单元2可以为多种形式，在本申请主要介绍两种连接形式，如下：

如图1与图2所示第一种连接形式，当湿地集水单元1的个数为n个时，汇水单元2包括连接第一个湿地集水单元与第二个湿地集水单元的第一集水干管21、连接第三个湿地集水单元与第一集水干管21的第二集水干管22、连接第x个湿地集水单元与第x-2集水干管的第x-1集水干管、连接第n个湿地集水单元与第n-2集水干管的第n-1集水干管以及连接集水井3的集水总管24；所述的集水总管24包括平行于湿地集水单元1集水主管12的平行总管以及设置于平行总管左端并连接于第n-1集水干管内水平管的左垂直总管，所述的平行总管的右端连接于集水井3；所述的第x-1集水干管包括平行于湿地集水单元1集水主管12的平行管、位于平行管左端的左垂直管以及位于平行管右端的右垂直管，所述的左垂直管连接于第x-2集水干管内的平行管上，所述的右垂直管连接于第x个湿地集水单元的集水主管12；所述的第x-1集水干管内的左垂直管与第x-2集水干管内的左垂直管之间的距离为湿地集水单元1宽度的一半。

所述的湿地集水单元1至集水井3的水流路径长度计算公式为：

其中，l为湿地单元至集水井的运动路径长度，，n为湿地集水单元的数量，n≥2，b为1/2的湿地集水单元宽度，lx为第x-1集水干管内平行管与第x集水干管内平行管之间的距离，le为集水总管的长度。

而当两个相邻的集水干管之间的距离相同均为l，所述的湿地集水单元1至集水井3的水流路径长度计算公式为：

l＝(n-1)b+(n-1)l+le。

下面以3个湿地集水单元1以及4个湿地集水单元1为例进行验证说明。

如图1所示3个湿地集水单元1分别为第一湿地集水单元a1、第二湿地集水单元a2以及第三湿地集水单元a3，其中a1与a2之间通过第一集水干管21连接，a3与第一集水干管21之间通过第二集水干管22连接，集水井3与第二集水干管22通过集水总管24连接。

第一集水干管21的左垂直管与右垂直管的长度均为l1，第一集水干管21的平行管的长度为2b，第一集水干管21的出水点位于距离左垂直管的长度为b处；第二集水干管22的左垂直管的长度为l2，右垂直管的长度为是l1+l2，水平管的长度为3b，第二集水干管22的出水点位于距离左垂直管的长度为b处；集水总管24的长度为l3。

从图1中可知，第一湿地集水单元a1的排水总长度为：

l1＝l1+b+l2+b+le，即l1＝2b+l1+l2+le；

第二湿地集水单元a2的排水总长度为：

l2＝l1+b+l2+b+le，即l2＝2b+l1+l2+le；

第三湿地集水单元a3的排水总长度为：

l3＝l1+l2+2b+le，即l3＝2b+l1+l2+le；

而当l1＝l2＝l时，l1＝l2＝l3＝2b+2l+le。

基于上述3个湿地集水单元1的结构，如图2所示增加了第四湿地集水单元a4，其中a4与第二集水干管22之间通过第三集水干管23连接，而集水井3与第三集水干管23通过集水总管24连接。

此时，第三集水干管23的左垂直管的长度为l3，右垂直管的长度为l1+l2+l3，水平管的长度为4b，第三集水干管23的出水点位于距离左垂直管的长度为b处；集水总管24的长度为l4。

从图2中可知，第一湿地集水单元a1的排水总长度为：

l1＝l1+b+l2+b+l3+b+le，即l1＝3b+l1+l2+l3+le；

第二湿地集水单元a2的排水总长度为：

l2＝l1+b+l2+b+l3+b+le，即l2＝3b+l1+l2+l3+le；

第三湿地集水单元a3的排水总长度为：

l3＝l1+l2+2b+l3+b+le，即l3＝3b+l1+l2+l3+le；

第四湿地集水单元a4的排水总长度为：

l4＝l1+l2+l3+3b+le，即l4＝3b+l1+l2+l3+le；

而当l1＝l2＝l3＝l时，l1＝l2＝l3＝l4＝3b+3l+le。

通过3个湿地集水单元1与4个湿地集水单元1对上述公式进行了验证，若在使用过程中需要设置5个、6个或者更多个湿地集水单元1时，可以通过上述公式直接算出每个湿地排水的总长度，方便进行规划。

如图3与图4所示第二种连接形式，若干所述的湿地集水单元1为偶数个，由两个所述的湿地集水单元1以及两个湿地集水单元1之间的第一集水干管21组成第一集水模组，由两个第一集水模组以及两个第一集水模组之间的第二集水干管22组成第二集水模组，由两个第二模组以及两个第二模组之间的第三集水干管23组成第三集水模组，以此类推，由两个第x-1模组以及两个第x-1模组之间的第x集水干管组成第x集水模组，第x集水干管连接至集水总管24上，所述的集水总管24连接至集水井3；第一集水干管21的管段长为l1总，第二集水干管22的管段长为l2总，集水总管24的管段长为l3总，水流从每个排水层的集水主管12的1/2处流到集水井3的管道总长度为l。本案例中，四个湿地集水单元排水层的集水主管12的管道长度相等，两根第一集水干管21的长度相等，每个湿地集水单元1收集的水到集水井3的水流路径长度均相等，以致污水进入整个湿地后能够均匀分布，垂直渗滤通过湿地进入集水支管，避免湿地内发生短流，每个湿地集水单元1内湿地滤料充分发挥其净水功能，实现高效的处理效果。

而在整体布置时，也可以将第一种连接形式与第二种连接形式混合使用。

湿地集水单元1底部为排水层，所述的排水层包括位于湿地集水单元1两侧的集水主管12以及设置于两侧集水主管12之间的集水支管11，若干所述的集水支管11平行设置，单根集水支管11的截面积为s1，由于水流汇集的越来越多，使用管道的截面积会越来越大，而在管道截面积的选择可以按照如下的方式进行，所述的集水主管12的截面积s2的范围为：

is1总≤s2≤s1总；

s1总＝n×s1；

其中，s1为单根集水支管11的截面积，n为集水支管11的数量，i为集水支管11实际比流量与理论比流量的比值。

湿地集水单元1的宽度为w，长度为l，滤料厚度为hs，则湿地面积a＝l*w。湿地集水单元1中集水支管11的理论比流量为qn理论。集水支管11间距为δl，δl应小于hs。根据上述条件，集水支管11总长度可以通过计算得出，即l总＝a/δl。单个湿地集水单元1面积a集可达到1000-1500m²，则湿地集水单元1的数量为n＝a/a集，单个湿地集水单元1长lm＝l/n、宽wm＝w，单个湿地集水单元1的集水支管11数量n＝l/(n*δl)，每根集水支管11长度l0＝w，湿地集水单元1的集水支管11数量为n总。设定湿地集水单元1最大水力负荷为hlrmax，则实现该水力负荷下排水的集水支管11实际比流量qn实际＝hlr*a/l总。集水支管11实际比流量与理论比流量比值i＝qn实际/qn理论，i应小于1。本案例中集水支管11为带穿孔的hdpe透水波纹管，管径为100mm，开孔长30mm、宽1.3mm、开孔间距50mm，a＝6000m²，l＝120m，w＝50m，hs＝1.3m，δl＝1.2m，a集＝1500m²，n＝4，lm＝30m，wm＝50m，n＝25，n总＝100，l0＝50m，l总＝5000m，hlrmax＝3m/d，qn实际＝0.042l/(s·m)，qn理论＝0.120l/(s·m)，i＝0.35；qn理论为该尺寸的集水支管11的最大值。

第x集水干管的截面积sx+2的范围为：

0.9sx+1总≤sx+2≤sx+1总；

其中，sx+1总为连接于第x集水干管进水点所有管道的截面积之和。

集水总管24的截面积sn+2的范围为：

0.7sn+1总≤sn+2≤sn+1总；

其中，sn+1总为连接于集水总管24进水点所有管道的截面积之和。

集水支管11管径d1为100mm，此时单根集水支管11的截面积s1＝0.00785m²，单个湿地集水单元1的集水支管11的总截面积s1总＝n*s1。湿地集水单元1的集水主管12的截面积为s2，且满足is1总≤s2≤s1总，根据圆形面积计算公式s＝πd²/4得出集水主管12管径d2的取值范围并选择合适管径。每一级集水干管收集多根上一级管道的出水，其截面积与上一级管道截面积的关系是，小于等于所有上一级管道的截面积之和，大于等于所有上一级管道截面积的90％；即第一集水干管21收集两个湿地集水单元1的出水，第一集水干管21截面积为s3，连接的集水主管12截面积之和为s2总，需要满足0.9*s2总≤s3≤s2总；第二集水干管22连接两根第一集水干管21，即收集四个湿地集水单元1的出水，第二集水干管22截面积为s4，连接的第一集水干管21截面积之和为s3总，且满足0.9*s3总≤s4≤s3总；根据上述条件可以通过圆形面积计算公式计算出第一集水干管21和第二集水干管22的管径取值范围。集水总管24收集全部出水，集水总管24的截面积为s5，且满足0.7s4总≤s5≤s4总，s4总为连接于集水总管24进水点所有管道的截面积之和，根据这一关系可以计算出集水总管24的管径d5取值。本案例中，i＝0.35，n＝25，s1总＝0.196m²，集水主管12管径d2取300mm，两根第一集水干管21直径d3均取400mm，第二集水干管22直径d4取550mm，集水总管24直径d5取630mm。

如图5、图6与图7所示出水节制堰6包括设置于集水井3中部的内墙61、设置于内墙61上的内墙开口62、设置于所述的内墙61上的固定架63、设置在固定架63上并可上下运动的堰板64、设置于集水井3顶部的执行器65以及设置于执行器65与堰板64之间的连接杆66，所述的执行器65通过连接杆66将堰板64上升或下降以调整内墙开口62的开启度。本案例中堰板64在宽度为1m，集水井3内宽度为1.3m，集水井3顶部设置井盖。该系统还包括一控制端4，在所述的集水井3内设置第二液位计67，所述的控制端4可以通过第二液位计67测得到集水井3内上游水位的高度并与出水节制堰6堰板64顶部高度求得测量差值，之后与控制端4内设置的标准差值对比，调整堰板64顶部高度使得测量差值向标准差值靠近，从而保证出水水量恒定。

所述的布水组件5以及第一液位计设置在垂直潜流湿地的滤料层上，在所述的控制端4设置高水位阈值和低水位阈值，所述的控制端4根据第一液位计检测到湿地内的水位，当第一液位计测得的液位达到高水位阈值，则关闭布水组件5内的布水电动阀，当达到低水位阈值时，则开启布水组件5内的布水电动阀。

控制端4与第一液位计、第二液位计67及执行器65连接，所述的执行器65可调节出水节制堰6的堰板64顶部高度，第一液位计和第二液位计67均为超声波液位计，利用超声波进行水位探测，探头发出的超声波遇到水表面被反射回来，接收到反射回波的探头将信息转化为电信号，传输到控制端4得到水位信息。第一液位计实时地将湿地集水单元1的水位信息输送至控制端4。第二液位计67实时地将集水井3上游水位信息输送至控制端4，所述的执行器65将连接杆66的位置点数据输送至控制端4，控制端4可转化连接杆66位置点数据为堰板64顶部高度。所述的控制端4实时比较水位信息和堰板64顶部高度，判断下一秒是否启动执行器65调节堰板64顶部高度。控制方法为通过调节堰板64顶部高度保持本系统控制流量恒定，当集水井3内上游水位升高，则相应提升堰板64顶部高度；当集水井3内上游水位降低，则相应降低堰板64顶部高度。

本系统的出水节制堰6的形式为矩形缺口薄壁堰，实现流量恒定的主要依据是矩形缺口薄壁堰的流量公式：其中cd可从矩形薄壁堰流量系数表查得，有效宽度be＝kb+b，有效水头he＝kh+h，kb和kh分别为考虑粘滞力和表面张力影响对b和h的改正值，kb可依据kb与b/b关系图查得，kh一般可取为0.001m的常值，g为重力加速度；通过该流量公式计算得到标准差值，控制端4中内嵌该公式，通过输入相应的流量和第二液位计67测得的水位计算得到相应的标准差值。

本系统保持出水流量q的恒定。矩形缺口薄壁堰的通用流量公式为本案例中b＝1m，b＝1.3m，kb可依据kb与b/b关系图查得取4mm，则有效宽度be＝1.004m。kh取0.001m，则有效水头he＝h+0.001。经过替换后流量公式为本案例中h>p，h为集水井3上游水位，p为堰板64顶部高度，h＝h-p，代入后得本系统对应的流量公式：本案例中，在控制端4内输入设定的出水流量q＝0.17m³/s，当集水井3上游水位h＝2.11m时，此时检测到堰板64的顶部高度p＝2.0m，而标准差值为h＝0.21m，所以调控堰板64顶部高度降至p＝1.9m。

控制端4的plc程序预先将所有计算结果记录，当设定出水节制堰6上的出水流量q为某一数值时，如0.17m³/s，可依据第二液位计67测定的集水井3上游水位h的数值，及时调整出水节制堰6的堰板64顶部高度p，以此控制方法来保持流量q恒定。

所述的垂直潜流湿地的滤料层总高度为1～1.5m，包括底部的排水层、中部的过渡层以及顶部的湿地滤料层，在所述的湿地滤料层上栽种湿地植物，湿地滤料满足特定的级配曲线，湿地滤料为微生物生长的载体，为进水在湿地内渗流提供良好的水力条件，提供水生植物扎根的场所，湿地植物可选用芦苇、芦荻、美人蕉、黄菖蒲、再力花、旱伞草等植物。

本案例中湿地集水单元1面积为6000m²，四个湿地集水单元1总共一百根集水支管11，间距为1.20m，单根管长50m，当设计水力负荷为3m/d时，设计水力负荷对应的排水量为18000m³/d，单根集水支管11比流量0.042l/s/m，单根集水支管11最大比流量0.120l/s/m，仅为最大排水量的35％，此时湿地集水单元1处于安全排水状态。

本发明的树形结构的集水系统，在单点布水条件下，能够实现污水在垂直潜流湿地内部均匀分布，垂直渗滤通过湿地进入集水支管，避免短流的发生，实现高效的处理效果。本集水系统打破单个垂直潜流人工湿地面积较小的局限，单个湿地面积可达6000m²。智能化的自动控制方法能保持出水流量恒定。该集水系统适用于处理超大水量微污染水体的垂直潜流人工湿地。

需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。