一种用于河道水质净化与生态修复的人工岛的制作方法

1.本发明属于生态治理技术领域，具体涉及一种用于河道水质净化与生态修复的人工岛。


背景技术：

2.河流是人类文明的发源地，自古以来，人类生产建设以及文明的起源与发展均与河流有着密不可分的联系。而今，流经城市的河流依然为城市的建设、发展与兴盛发挥了巨大的作用。流经城市的河流为城市居民生活和工业生产提供了稳定且充足的水源，同时还作为最终受纳城市排放污水的场所。城市河流为城市的防洪排涝作出了巨大的贡献，同时河流水体向土壤的渗透作用还有效地补充了城市地下水，大大提升了城市的蓄水能力。除此以外，城市河流还承担着城市景观营造和作为城市居民日常休闲活动场所的作用。人类向来具有亲近水的天性，城市河流自身演化的以及人类建设的河流景观构造为生活在城市的居民提供了良好的休闲活动场所，提升了城市居民的精神生活水平。
3.较少为人关注的是，城市河流还具有为城市河流生态系统服务的功能。城市的河流为生活在其中的动植物和微生物提供了生存繁衍的场所，城市河流的自然环境与生存在其中的各种生物构成了城市河流生态系统。然而，随着城市的发展以及城市居民的迅速增加，人类活动向城市河流中排放的污染物总量也在迅速增加，这大大加重了城市河流的水体污染。我国国家统计局2015年的城市河流水质数据显示，我国78％的城市河流水质不满足地表ⅲ类水标准《地表水环境质量标准gb3838-2002》。并且，为了满足防洪的需要，城市河流往往被进行了工程化的改造，如采用硬质化的堤岸、裁弯取直等，这些工程化的措施的确提升了城市河流的防洪泄洪能力，但其大大破坏了城市河流的生态属性。城市河流的水质恶化以及人类对于城市河流的工程化改造对城市河流生态系统造成了毁灭性的破坏，造成了城市河流中动植物的急剧减少，使得城市河流失去了原有的生命力，沦为城市的排水沟。
4.我国每年在城市河流水质净化方面付出了许多努力，如采取河道清淤、沿河设置水质净化泵站等工程化治理措施，并取得了阶段性的成就，然而这些工程化治河措施往往花费巨大。并且，我国目前对于城市河流的治理仍主要致力于提升城市河流的水质，而对于恢复城市河流生态系统层面的关注较少。在我国生态文明建设逐步开展的大背景下，我国对于城市河流的生态恢复势在必行。为此，我们提出了一种用于河道水质净化与生态修复的人工岛。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种用于河道水质净化与生态修复的人工岛。该人工岛不仅可以净化城市河流水质，还可以提升城市河流的自然性，并为城市河流动植物提供栖息地和庇护所，在城市河流的水质净化和生态修复方面具有很大的应用前景。
6.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
7.设计一种用于河道水质净化与生态修复的人工岛，包括人工岛体，所述人工岛体包括近自然构造区域和悬浮填料区域，自然构造区域和悬浮填料区域分别承担人工岛生态修复和水质净化的功能，自然构造区域为河流中鱼类、两栖类、软体动物、昆虫、爬行类动物以及鸟类等提供了良好的生存栖息场所，所述近自然构造区域设有槽体，所述悬浮填料区域位于槽体内，悬浮填料区域位于人工岛体的中心和顶部，且被近自然构造区域完全包围；所述近自然构造区域从下到上依次设有天然石块层、填土层和植被层，天然石块层的水下部分为小型鱼类、小型软体动物以及处于幼年期的鱼类提供了躲避天敌的场所，有利于提高城市河流鱼类种群数量，填土层为适宜植物生长的腐殖土，填土的平均厚度不低于0.8m；所述近自然构造区域向水体中缓慢过渡形成坡面平台结构的植被层，平台是为了建立水体与陆地之间的联系，为两栖动物提供了可供活动的场所；所述悬浮填料区域内填充有改性活性炭悬浮填料；所述近自然构造区域和悬浮填料区域的外周等间距设有护桩，构成硬质骨架，护桩的强度和稳定性应能够保证其在水流冲击以及近自然构造区域天然石块和填土水平压力作用下不发生破坏和倾斜。
8.进一步的，所述人工岛体设置在河道的中心或近中心区域上，近岸边缘距离河岸不少于3m，人工岛所处位置以及其与河岸距离的设置是基于避免人类活动对人工岛生态环境造成不利影响的考虑，所述河道的平均宽度不低于10m，河道平均水深不超过3.5m，设置人工岛体的河床淤泥平均深度不超过0.8m，对人工岛适用的城市河流的平均宽度作出限制，是为了在满足不明显影响城市河流导流能力的条件下，保证人工岛具有足够的规划宽度和面积，这对于人工岛发挥其净化水质和修复河流生态的能力以及保证其自身的稳定性是至关重要的。对于河床淤泥平均深度的限制条件均是出于保证人工岛稳定性的考虑，过大的河床淤泥厚度会导致建成后的人工岛出现后期沉降，很可能因此丧失其应有的功能。
9.进一步的，所述人工岛体的平面形状沿河道方向呈不规则长条状或椭圆形，所述人工岛体顺河道方向的最长距离和垂直于河流方向的最宽距离的比值为2～3.5：1，且人工岛体垂直于河道方向的最宽距离与河道断面宽度的比值为1：2～3。人工岛的平面形状模拟了河流通过沉积作用自然演化形成的天然河中岛屿的普遍形状，使得其无论是在自然美感上还是在发挥其生态修复功能上都更具优势。人工岛长度与宽度的选择是基于保证人工岛沿河流纵向的稳定性和通透性的综合考量。人工岛长度与宽度的比值下降，则其沿河流纵向稳定性下降，通透性增加；而长度和宽度的比值上升，则其沿河流纵向稳定性上升，通透性下降。人工岛宽度与河流宽度的比值的选择一是为了保证人工岛具有足够的规划宽度和面积，以满足人工岛承担城市河流水质净化以及生态修复功能的需要，二是达到人工岛处河流断面适当的水体流速提升，以形成河流局部的冲刷和沉积，并逐渐演化成有利于鱼类生存繁衍的深潭-浅滩构造。
10.进一步的，所述悬浮填料区域面积为人工岛面积的1/4～1/3，悬浮填料区域的形状为矩形、圆形或椭圆形。悬浮填料区域面积占比是为了平衡人工岛在城市河流水质净化和生态修复这两方面的功能而作出的合理规划。
11.进一步的，所述悬浮填料的外侧采用高密度聚乙烯网状球包裹，高密度聚乙烯网状球的直径为150mm左右，改性生物活性炭填料主要原料为椰子壳，经大量试验验证，该改性生物活性炭填料对水体中的cr、pb和cd等重金属均具有很高的吸附去除率。尤其是对水
体中的cr(ⅳ)，改性生物活性炭填料的吸附去除率可达99％以上。同时，改性生物活性炭多孔隙以及表面粗糙的结构使得其可作为生物膜的载体，能够富集大量的功能微生物，这些功能微生物可显著削减水体中的cod、n和p等水体污染物，净化城市河流水体。
12.进一步的，所述悬浮填料区域的顶部设有金属网，所述金属网的孔径不大于悬浮填料网状球球径的1/2。设置在悬浮填料区域的金属网是为了防止洪水期悬浮填料被上涨的河水冲走。
13.进一步的，所述天然石块层的底部换填全部河床淤泥基质，且深入河床的深度不低于0.5m，天然石块层换填河底淤泥并满足足够的入土深度是出于减少人工岛建设完成后后期沉降的考虑，天然石块层采用碎石填充表面孔隙，所述碎石在天然石块层与填土层之间形成隔离层。天然石块为平均质量在15～40kg呈现不规则形状的石块，天然石块层表面填充的碎石为平均质量100～500g呈现不规则形状的石块。隔离层可以有效避免填土层落入天然石块层空隙并被水流冲走而造成的填土流失。
14.进一步的，所述近自然构造区域的坡度为1:10～15，近自然构造区域的边缘低于河道年平均水位0.15m以上，顶部高于河道年平均水位1.2m以上，且所述天然石块层的顶部高于河道年平均水位0.3m以上。
15.进一步的，所述植被层分为近水体的湿生植被层和远离水体的木本植被层，所述湿生植被层位于天然石块层上，包括水上和水下，所述木本植被层位于填土层上，木本植被层为小型灌木以及耐水性较好的小乔木。自然构造区域水上部分的平台及其上栽种的湿生植物、小型灌木和小乔木为昆虫、两栖动物、爬行类动物和鸟类等提供了栖息和觅食的场所。同时，生长茂盛的树木还可以遮蔽人工岛中央的悬浮填料区域，消除人工建造痕迹，营造人工岛自然景观效果。
16.进一步的，所述护桩为钢筋混凝土护桩，护桩的桩距为300mm左右，护桩的底部深插在河床内。而对天然石块的平均质量以及钢筋混凝土桩桩距、强度和稳定性作出要求的目的是为了维持人工岛硬质骨架的稳定。
17.本发明提出的一种用于河道水质净化与生态修复的人工岛，有益效果在于：
18.(1)、本发明提出的人工岛同时具有净化城市河流水体和生态修复的功能。位于人工岛中央的悬浮填料区域不仅对河流水体中的cr、pb和cd有很高的吸附去除率，并且其多孔结构和粗糙的表面使得其还可作为生物膜的载体，大量富集功能菌，有效削减河流水体中的cod、n和p等污染物。人工岛中环绕包围悬浮填料区域的近自然构造区域营造了良好的河流湿地和陆生生态环境，构建出满足两栖动物、爬行动物、昆虫和鸟类等生物栖息繁衍以及湿生植物、灌木和小型乔木生长的环境空间。预期经过数年的自然演化，可以形成一个充满生机的城市河流中心岛生态系统。
19.(2)、本发明提出的用于构建人工岛硬性骨架的天然石块相比于目前普遍使用的砖、石和混凝土不仅具有更加低廉的价格，并且其在满足人工岛强度和稳定性要求的前提下，还具有较高的孔隙率和通透性。天然石块层的水下部分为小型鱼类、小型软体动物以及处于幼年期的鱼类提供了躲避天敌的场所，有利于提高城市河流鱼类种群数量。天然石块层良好的通透性使得河流水体可以穿过并到达中央的悬浮填料区域，完成水质净化过程。
20.(3)、本发明提出的人工岛压缩河流断面引起河流冲刷和沉积，经过长期演化形成河流深潭-浅滩构造(参见图3)，河流浅滩构造光热条件优越，有利于生长藻类、水草、水生
昆虫和软体动物，可为鱼类、两栖动物以及鸟类提供觅食、栖息和繁衍场所。河流深潭区域是鱼类和各类软体动物休憩的场所，躲避夏季炎热和天敌的侵害。城市河流的深潭-浅滩构造营造了河流不同的流速和生境，有利于提高城市河流的生物多样性。
附图说明
21.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
22.图1是本发明的平面布局结构示意图；
23.图2是本发明关于图1中人工岛的1-1剖面示意图；
24.图3是本发明的人工岛及深潭-浅滩构造的河道平面位置图；
25.图中标记为：1、河道；2、人工岛体；3、近自然构造区域；4、悬浮填料区域；5、护桩；6、槽体；61、悬浮填料；7、水位；8、河床；9、天然石块层；10、填土层；11、金属网；12、深潭构造；13、浅滩构造；14、湿生植被层；15、木本植被层。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，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，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
28.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
29.现结合说明书附图(参见图1-2)，详细说明本发明的结构特点。
30.实施例1
31.具体为：工程案例实施于2020年4月，竣工于2021年4月，地址为南京市某河段。通过搜集该河段的水文地质资料以及现场实际调查，得出该河段的水文地质数据(表1)。
32.表1南京市九乡河位于仙林大道和智谷大道的区间段水文地质数据
33.[0034][0035]
根据我国的《地表水环境质量标准》(gb3838-2002)，该河段的水质属于
ⅴ
类水。
[0036]
具体实施时，在该河段共建设了12座人工岛体2，相邻人工岛体2的平均距离为450m。下面选取其中一座人工岛体2，并结合附图1-2，对本发明作进一步的阐述如下：
[0037]
建设的人工岛体2分布于河道1中心或近中心区域，其两侧边缘近岸点与河岸的距离分别为4.1m和5.3m。人工岛体2的平面形状呈现顺河道1流向的不规则长条状，其顺河道1方向的最长距离为20.5m和垂直于河道1方向的最宽距离6.6m的比值约在3.1：1，并且人工岛体2垂直于河道1方向的最宽距离6.6m与该处河道1断面宽度17.1m的比值在1：2.6。人工岛体2由近自然构造区域3和悬浮填料区域4这两部分组成。悬浮填料区域4为于人工岛体2的中心和顶部，且被近自然构造区域3完全包围。近自然构造区域3由下层的天然石块9和上层的填土层10构成。在天然石块层9的表层采用碎石填充表面孔隙。悬浮填料区域4的外缘和近自然构造区域3的外缘均设有钢筋混凝土制成的护桩5。人工岛体2外缘的天然石块层9(包括水上和水下)主要栽种湿生植被层14，具体为黄菖蒲、黄花鸢尾、狭叶香蒲、泽泻和铜钱草等，人工岛体2内缘的填土层10则栽种木本植被层15，为小型灌木以及耐水性较好的小乔木，具体为枸杞、迎春花、金边黄杨、垂柳、马尾松等。悬浮填料区域4的悬浮填料61采用高密度聚乙烯网状球包裹的改性生物活性炭填料。高密度聚乙烯网状球的直径约为150mm。改性生物活性炭填料由公司自主研发，原料为椰子壳。
[0038]
近自然构造区域3下层的天然石块9为平均质量在30kg左右呈现不规则形状的石块，天然石块层表面填充的碎石为平均质量300g左右呈现不规则形状的石块。天然石块层9换填全部河床8淤泥基质且深入河床8的深度为0.8m。近自然构造区域3边缘低于河道1年平均水位0.2～0.35m，顶部高于河道1年平均水位1.5m，其中天然石块层9顶部高于河道1年平均水位0.5m。近自然构造区域3上层的填土层10为适宜植物生长的腐殖土，填土的平均厚度为0.8m。钢筋混凝土桩采用30cm
×
15cm
×
5m矩形桩，桩距为300mm左右，钢筋混凝土护桩深
插入河床8的深度为2.7m。近自然构造区域的坡度为1:15。
[0039]
悬浮填料区域4为26m2约为人工岛面积104.7m2的1/4，其形状为矩形2m
×
13m。悬浮填料区域4的上方设置拦截悬浮填料61的金属网11，金属网11网孔尺寸为60mm，小于悬浮填料尺寸的1/2。
[0040]
该河道治理项目还向河道中投加了包括鲫鱼、白条鱼、麦穗鱼、青鱂鱼、黑壳虾、沼虾、中华小长臂虾、田螺、河蚌、蟾蜍、青蛙、黄鳝、泥鳅等在内的超过20种本土水生或两栖动物以及种植了包括四季苦草、伊乐藻、金鱼藻、黄菖蒲、黄花鸢尾、狭叶香蒲、泽泻和铜钱草的超过15中水生或湿生植物。
[0041]
实施例2
[0042]
该实施例选取了实施例1中项目12座人工岛中的另一座人工岛，参照图1-2，作为本发明的另一优选实施例，与实施例1的区别在该人工岛体2两侧边缘近岸点与河岸的距离分别为4.1m和4.6m。人工岛体2的平面形状呈现顺河道1流向的近椭圆状，其顺河道1方向的最长距离14.0m和垂直于河道1方向的最宽距离6.7m的比值约在2.1：1，并且人工岛体2垂直于河道1方向的最宽距离6.7m与该处河道1断面宽度15.4m的比值在1：2.3。近自然构造区域3边缘低于河道1年平均水位0.15～0.3m，顶部高于河道1年平均水位1.3m。悬浮填料区域424.8m2约为人工岛面积75.5m2的1/3，其形状为矩形3.1m
×
8m。其余实施内容均与实施例1一致。
[0043]
2021年8月，在距离该项目工程竣工满4个月时，对该河段断面连续7天的水质检测数据平均值(如表2所示)，该河段沿河水质净化泵站连续7天出水水质数据平均值(如表3所示)。
[0044]
表2九乡河治理河段水质检测数据(2021.8.24～2021.8.30)
[0045]
项目数值(mg/l)cod11.2tn0.8tp0.16cr0.007pb低于检测限cd低于检测限
[0046]
表3九乡河沿河水质净化泵站出水水质数据
[0047]
[0048][0049]
从表2中数据可以看出，该项目工程竣工满4个月后，该河段的水质已经达到了ⅲ类水标准。从污染物削减层面来看，人工岛及河流自净作用对河流水体中cod、tn和tp去除的贡献率分别为17.5％、20.0％和28.6％，人工岛及河流自净作用对河流水中cr、pb和cd去除的贡献率均为100％。而从人工岛及其它生态修复措施的效果来看，经历了4个月的短暂运行，该河段鱼类种群数量达到15种以上，节肢动物、软体动物、两栖动物和爬行动物总的种群数量达到10种以上，湿生植物和陆生植物总的种群数量达到20种以上。
[0050]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。