一種生態透水壩及其設計與施工方法
2023-12-04 16:00:41 2
專利名稱：一種生態透水壩及其設計與施工方法
技術領域：
本發明涉及一種用於農村河網地區的面源汙染控制技術，更具體地說是一種生態透水壩及其設計與施工方法。
背景技術：
近年來，隨著我國經濟的飛速發展，人民生活水平逐步提高，農村地區的水體面臨著越來越嚴重的面源汙染的威脅，例如太湖流域、巢湖流域和滇池流域。面源汙染一般由農業地表徑流和農村生活汙水組成，包括農田氮磷等營養鹽的流失，農村生活垃圾、畜禽糞便、生活汙水、養殖廢水的隨意堆放和排放等。這些面源汙染的排放基本沒有規律可循，一般難以預測和收集，大部分未經處理而直接排入當地水體，從而大大影響了水體水質，導致了「水華」現象的頻頻發生，也間接影響了當地飲用水水源的水質。
對於農村面源汙染控制和治理，國內外開展了很多的研究工作。治理思路一般是本著綜合整治的理念，加強面源汙染源頭管理(農業減排技術、生活汙水和垃圾收集系統等)，採用因地制宜的面源控制技術，進行卓有成效的面源汙染控制和治理。目前經常採用的面源汙染控制技術有人工溼地、人工浮床、穩定塘等。這些技術的主要原理是通過種植植物及培育微生物或利用水體的自淨能力來吸收和降解面源汙染中的氮、磷等營養物質。通常一個面源汙染控制系統由兩個以上的單項技術組成，發揮不同的作用，其特點是投資省，適用範圍廣，管理難度低，具有一定的淨化效果。
不過對於平原河網地區，其地形特點是河網密集，水力坡降小，自然條件下水流緩慢，同時該地區面源汙染具有時空不均勻性和嚴重性等特點。應用上述面源汙染控制技術時，會存在一些問題①植物或微生物淨化系統的淨化效率相對較低，在去除相同量的營養物質的情況下，其佔地面積大；②由於面源汙染發生的不規律性，這些淨化系統往往都需要特定的收集系統和動力提升才能保證系統的運行，增加了投資成本，同時也導致了系統的抗衝擊負荷能力相對較低。
滲透壩是水利工程中土石壩的一種，它是利用天然土料(礫石、碎石、砂石、卵石、砂土等)作為構築材料，通過人工堆築或機械碾壓形成的土石壩。滲透壩在水利工程中主要應用是小型河流或水庫的徑流攔蓄。滲透壩的建設可以就地取材、建設成本低廉，但是其滲透係數一般遠遠大於鋼筋混凝土壩。作為水利工程的滲透壩，當壩體滲流較大的情況下，容易出現管湧現象，引起壩體的不穩定。所以以往對於滲透壩的研究主要是防滲措施和滲流穩定性，其滲流計算常見於滲流力學和土力學的相關教材中。
專利CN200410066164.0(平原河網地區面源汙染強化淨化前置庫系統)中公開了一種生態透水壩(生態透水壩強化淨化子系統)礫石堆築而成礫石床作為壩體，透水壩壩體沿河道方向寬度為1～15米，利用礫石構築生態透水壩，透水壩以滲流方式過水，使壩前、壩後庫區保持一定水位差，這時解決了了平原地區的徑流匯集入庫區的問題。礫石床位於生態透水壩後，礫石床種植的植物、礫石孔隙與植物根系周圍的微生物共同作用，高效去除N、P及有機汙染物。其中生態透水壩的具體結構沒有描述，只是礫石堆築而成礫石床作為壩體，其構成前置庫系統的一個部分，與其它部分協同作用。相關文獻檢索表明，在本專利申請日前沒有發現與本發明類似結構和相關設計施工方法的生態透水壩的文獻。
發明內容
1、要解決的技術問題針對農村平原河網地區河網密集，水力坡降小的地形特點，以及該地區面源汙染的時空不均勻性，如何有效利用農村地區廢置的河道、池塘、溝渠來構建面源汙染控制系統。本發明提供了一種生態透水壩及其設計與施工方法，可以承受農村面源汙染水質、水量的衝擊負荷，對農業面源汙染有一定的處理效果。
2、技術方案本發明的基本原理如下本發明在人工溼地、快速滲濾系統、滲濾壩技術的基礎上開發而來，使用礫石或碎石在河道中人工壘築壩體，利用壩前河道的容積貯存一次或多次降雨的徑流或間歇排放的面源汙染，通過滲透壩的滲流特性，攔蓄面源汙染，調節壩體的過流量。並通過在壩體上種植植物以及在壩體內培養高效脫氮除磷菌群，利用植物根系和微生物的共同作用，吸收並分解徑流中以及吸附在礫石表面的營養物質。通過上述過程，透水壩達到了可控攔蓄面源汙染和一定的淨化效果的設計目的。
生態透水壩的設計包括水力特性和淨化效果兩部分。與水利工程中滲濾壩單純防滲不同的是，生態透水壩的滲流是可控滲流，是需要將滲流控制在需要的範圍之內的水力特性。淨化效果是指根據處理對象的特性，選擇不同的築壩(床)材料、停留時間、壩體(床體)結構以及植物。
本發明的技術方案如下一種生態透水壩，位於非行洪河道內，其剖面為梯形複式結構(見圖1)，壩坡的邊坡係數為1∶1～1∶2.5，包含下面四個部分(A)控制層，位於生態透水壩的迎水壩坡，由1mm～5mm的築壩材料構成，其體積為整個透水壩的5％～15％；(B)過渡層，位於生態透水壩內部，由5mm～10mm的築壩材料構成，其體積為整個透水壩的50％～65％；(C)溢流層，位於生態透水壩的壩頂，由10mm～40mm的築壩材料構成，佔到生態透水壩體積的10％～15％；(D)穩定層，位於生態透水壩的背水壩坡，由20mm～40mm的築壩材料構成，佔生態透水壩體積的20％～30％。
控制層的作用是控制生態透水壩的滲透係數達到設計要求。過渡層此層的作用也是控制滲透係數，同時也是植物根系生長及微生物附著的區域，是硝化反硝化作用發生的主要區域，發揮了生態透水壩主要的淨化作用。溢流層的作用是防止面源汙染水量衝擊負荷過大時，面源汙染可以從此層中溢流通過生態透水壩，而不對壩體產生不利影響，溢流層種植植物，防止陽光的曝曬。穩定層的作用是保證壩體的滲流穩定，防止控制層和過渡層中較小粒徑的築壩材料隨滲流流出。
控制層體積可以為整個透水壩的5％～10％。控制層、溢流層和穩定層表面可以種植植物，植物選用根系泌氧能力較強、脫氮除磷效果好的品種。採用美人蕉、香蒲、菖蒲、蘆葦或香根草時有較好地效果。
生態透水壩的設計包括滲流模型建立、設計流量選擇、地形條件及選址、停留時間選擇、滲透係數選擇、材料與結構、滲流計算、植物篩選、平面布置等內容。其設計流程為首先勘測築壩地址的地形條件和查詢水文氣象資料或其他設計資料，得到生態透水壩的幾何參數和設計流量，將上述參數代入滲流力學中的杜平公式中進行試算，得到合理的滲透係數和停留時間，然後進行生態透水壩進一步的設計，選擇合適的礫石級配、築壩材料、種植植物。設計流程圖見圖2。
生態透水壩具體的設計及實施方法如下首先根據當地水文、氣象資料及地形地貌資料，帶入面源計算公式，估算面源汙染的設計流量。
然後勘測現場，築壩河道不能是水利上的行洪河道，河道深度為1.5m～3.5m，河道寬度為5m～30m，築壩地址的河道底坡平緩，小於0.05，河道邊坡大於2，築壩地址前河道長度或溝唐的容積要足夠容納面源汙染的設計流量。通過測量築壩河道的深度、寬度、底坡和邊坡，估算生態透水壩的幾何尺寸和結構。
獲得生態透水壩的幾何尺寸和設計流量的範圍後，將其代入生態透水壩梯形滲流計算模型中進行試算。梯形滲流計算模型示意圖見圖3。
圖3中透水壩截面為梯形，上下遊壩面為斜面，上、下遊邊坡係數分別為m1、m2。河底為粘土層，滲透係數為(10-2～10-6)cm·s-1，相對於透水壩而言，視為不透水地基。均質礫石，穩定滲流。
梯形模型滲流可以分為三塊滲流區域來考慮。圖中ABC為上遊段，BCED為中間段，DEF為下遊段。
上遊段可以用圖示中長度為ΔL等效矩形A′B′BC代替L=m12m1+1H1---(1)]]>中間段BCED根據滲流力學中杜平公式有q=k(H12-h02)2(L+L0-m2h0)---(2)]]>下遊段DEF包括貼坡流和一個三角區域的滲流，可以用替代法來估算，可得q=k(h0-H2)m2+0.5[1+H2h0-H2+m2H22(m2+0.5)2]---(3)]]>
因為BCED區域與DEF區域的滲流量是相等的，所以可以通過聯立公式(2)、(3)，結合迭代法，求解h0。
式中q——單寬流量，m2·d-1；m1、m2——壩前、壩後邊坡係數，無量綱；k——滲透係數，m·d-1；H1——壩前水深，m；H2——壩後水深，m。
考慮到築壩材料的滲透係數k為0.01m·d-1～1.0m·d-1，以及徑流在壩體內的停留時間為1.0hr～4.0hr。將選定的幾何尺寸、設計流量、滲透係數、停留時間等參數帶入梯形滲流計算模型中，進行試算，得到生態透水壩的設計參數。
根據選定的設計滲透係數、已知的各種不同規格築壩材料的滲透係數和滲流力學中的串聯混合滲透係數計算公式，得到生態透水壩築壩材料的級配(考慮到壩體的滲流穩定，築壩材料的粒徑不宜小於5mm)。
生態透水壩的設計過程完成後，進行施工過程。首先對選定的河道或池塘進行清淤整理(圍堰施工)，河底夯實平整，然後根據生態透水壩的設計參數(幾何尺寸、礫石級配)進行堆築，梯形結構壩坡的邊坡係數為1∶1～1∶2.5。壩體材料堆築完成後，圍堰內放水至一定高度，開始種植選定植物，待植物成活後，拆除圍堰投入運行。
生態透水壩投入運行後，面源汙染通過收集系統匯入壩前河道或溝塘。當面源汙染的匯入量超過生態透水壩的滲流流量時，壩前的水位就會抬升，直到兩者相等。當面源汙染停止匯入時，壩前水位隨著生態透水壩的滲流而逐漸下降。通過可控滲流，生態透水壩可以抬升面源汙染的水位，為後續處理單元提供自流的動力，也可以利用最高最低水位之間河道容積來承受面源汙染的水質、水量衝擊負荷。
3、有益效果本發明公開的技術方案具有以下顯著的優點①可以獲得0.3m～1.5m的抬升高度，為後續的處理單元提供了可觀的自流動力，使得整個面源汙染控制系統可以無動力運行，節約了運行成本。②可以充分利用農村地區廢置的河道、池塘、溝渠來構建面源汙染控制系統，大大降低了建設成本。③對於農業面源汙染的時空不均勻性具有很好的針對性，降低了管理難度，有利於面源汙染控制技術的推廣。④培育植物或微生物系統的生態透水壩具有明顯的淨化效果，可以獲得10％左右的COD去除率，10％～20％的TN去除率，20％～40％的TP去除率。
四
圖1為本發明結構示意圖；圖2為本發明設計流程圖；圖3為梯形滲流計算模型示意圖。
五具體實施例方式
以下通過實施例進一步說明本發明實施例太湖流域某處農村，位於太湖西岸，為控制並處理該地區的農業面源汙染，建設了包含本發明的面源汙染控制系統。
本發明的設計流量為5天處理15000m3的農業面源，其中包括每天400m3的農村生活汙水。築壩河道原位該村廢棄河道，雜草叢生，淤泥堆積，經清淤整理後堆築生態透水壩。河道堤岸最低處為2.2m，生態透水壩壩後處理單元的運行水位為1.7m，所以本發明的最低運行水位為1.7m，最高運行水位為2.2m，正常運行水位為2.0m，可以為後續處理單元提供0.5m的水頭差。
河道寬度為12.7m，壩寬L2為12.7m。壩前壩後邊坡係數m1、m2均選為2.5。壩頂高度為2.2m，壩底高度為0.0。滲透係數k為0.10m·s-1。壩底長度15.6m，壩頂長度4.6m。
梯形模型滲流可以分為三塊滲流區域來考慮。圖中ABC為上遊段，BCED為中間段，DEF為下遊段。
上遊段可以用圖示中長度為ΔL等效矩形A′B′BC代替L=m12m1+1H1---(1)]]>
中間段BCED根據滲流力學中杜平公式有q=k(H12-h02)2(L+L0-m2h0)---(2)]]>下遊段DEF包括貼坡流和一個三角區域的滲流，可以用替代法來估算，可得q=k(h0-H2)m2+0.5[1+H2h0-H2+m2H22(m2+0.5)2]---(3)]]>因為BCED區域與DEF區域的滲流量是相等的，所以可以通過聯立公式(2)、(3)，結合迭代法，求解h0。
式中q——單寬流量，m2·d-1；m1、m2——壩前、壩後邊坡係數，無量綱；k——滲透係數，m·d-1；H1——壩前水深，m；H2——壩後水深，m。
代入公式(2)、(3)，當壩前水位從2.2m變化為1.7m的過程中，得到不同水位差情況下的滲流量結果，見表1。表中L1為L0+ΔL-m2h0，A為不同水位條件下壩前河道總面積，T為一定容積的地表徑流在壩前河道的停蓄時間。
從表1中可以看出，通過本發明的可控滲流，壩前河道水位從2.2m下降至1.7m需要5.14天，達到了預期的攔蓄面源汙染、調控滲流量的設計要求。
其中控制層5厚度為50cm，由1mm～5mm的碎石構成，溢流層7厚度為50cm，由1cm～4cm的礫石構成，穩定層6厚度為1～2m，由2cm～4cm的礫石構成，壩體其餘部分為過渡層9，由40％的5mm碎石和60％的10mm的礫石構成。
農業面源汙染(高錳酸鹽、TN、TP濃度分別為7.5mg/L～12.5mg/L、1.5mg/L～3.0mg/L、010mg/L～0.25mg/L)經過本發明的處理後，分別取得了8.4％～12.0％的高錳酸鹽去除率、17.9％～25.0％的TN去除率、33％～50％的TP去除率。
表1生態透水壩計算表
權利要求
1.一種生態透水壩，位於非行洪河道內，其特徵在於其剖面為梯形複式結構，壩坡的邊坡係數為1∶1～1∶2.5，包含下面四個部分(A)控制層(5)，位於生態透水壩的迎水壩坡，由1mm～5mm的築壩材料構成，其體積為整個透水壩的5％～15％；(B)過渡層(6)，位於生態透水壩內部，由5mm～10mm的築壩材料構成，其體積為整個透水壩的50％～65％；(C)溢流層(7)，位於生態透水壩的壩頂，由10mm～40mm的築壩材料構成，佔到生態透水壩體積的10％～15％；(D)穩定層(8)，位於生態透水壩的背水壩坡，由20mm～40mm的築壩材料構成，佔生態透水壩體積的20％～30％。
2.根據權利要求1所述的一種生態透水壩，其特徵在於築壩河道深度為1.5m～3.5m，河道寬度為5m～30m，築壩地址的河道底坡平緩，坡度小於0.05，河道邊坡大於2。
3.根據權利要求2所述的一種生態透水壩，其特徵在於控制層體積為整個透水壩的5％～10％。
4.根據權利要求3所述的一種生態透水壩，其特徵在於控制層、溢流層和穩定層表面可以種植植物。
5.根據權利要求4所述的一種生態透水壩，其特徵在於植物為根系泌氧能力較強、脫氮除磷效果好的品種。
6.根據權利要求5所述的一種生態透水壩，其特徵在於所述的植物為美人蕉、香蒲、菖蒲、蘆葦或香根草。
7.一種生態透水壩的設計與施工方法，其步驟為(a)根據當地水文、氣象資料及地形地貌資料，帶入面源計算公式，估算面源汙染的設計流量；(b)勘測現場，築壩地址前河道長度或溝唐的容積要足夠容納面源汙染的設計流量，通過測量築壩河道的深度、寬度、底坡和邊坡，估算生態透水壩的幾何尺寸和結構；(c)獲得生態透水壩的幾何尺寸和設計流量的範圍後，將其代入生態透水壩梯形滲流計算模型中進行試算，得到生態透水壩的設計參數；(d)根據選定的設計滲透係數、已知的各種不同規格築壩材料的滲透係數和滲流力學中的串聯混合滲透係數計算公式，得到生態透水壩築壩材料的級配；(e)生態透水壩的設計過程完成後，進行施工過程，首先對選定的河道或池塘進行清淤整理，河底夯實平整，然後根據生態透水壩的設計參數進行堆築。
8.根據權利要求7所述的一種生態透水壩的設計與施工方法，其特徵在於步驟(c)中築壩材料的滲透係數為0.01m·d-1～1.0m·d-1，以及徑流在壩體內的停留時間為1.0hr～4.0hr。
9.根據權利要求7或8所述的一種生態透水壩的設計與施工方法，其特徵在於步驟(e)中壩體材料堆築完成後，往圍堰內放水，開始種植選定植物，待植物成活後，拆除圍堰投入運行。
全文摘要
本發明公開了一種生態透水壩及其設計與施工方法。生態透水壩位於非行洪河道內，其剖面為梯形複式結構，壩坡的邊坡係數為1∶1～1∶2.5，包含四個部分(A)控制層；(B)過渡層；(C)溢流層；(D)穩定層。生態透水壩的設計流程為首先勘測築壩地址的地形條件和查詢水文氣象資料或其他設計資料，得到生態透水壩的幾何參數和設計流量，將上述參數代入滲流力學中的杜平公式中進行試算，得到合理的滲透係數和停留時間，然後進行生態透水壩進一步的設計，選擇合適的礫石級配、築壩材料、種植植物。本發明具有以下顯著的優點無動力運行、降低了建設成本、具有很好的針對性，可以獲得10％左右的COD去除率，10％～20％的TN去除率，20％～40％的TP去除率。
文檔編號E02B3/00GK1851141SQ20061003996
公開日2006年10月25日 申請日期2006年4月27日 優先權日2006年4月27日
發明者田猛, 張永春 申請人:國家環境保護總局南京環境科學研究所