串聯式河道水質改善和水資源調蓄方法
2023-04-26 10:08:46 1
專利名稱：串聯式河道水質改善和水資源調蓄方法
技術領域：
本發明涉及一種用於改善河道水質以及水資源調蓄的方法，屬於水質淨化和水資源再生利用技術領域。
背景技術：
目前，我國汙水處理普遍執行國家制定的行業汙染物排放標準或各省市制定的流域汙染物排放標準和行業汙染物排放標準。對地表水水質的評價，通常執行《地表水環境質量標準》GB3838-2002的標準。在降雨量較少的區域，在枯水季節，由於缺乏有效的降水量，通常河流在冬季基本成了納汙河道，在此季節，即使流域內的汙水執行最嚴格的汙染物排放標準，其仍然是劣V類水質，達不到地表水環境功能區劃要求。在冬季，河道水量較少， 達不到生態需水量要求，大面積河床裸露，河道的水體自淨能力得不到有效發揮，河流水質較差。另外，在枯水季節，由於降雨量較少，流域地下水位下降，進一步加劇了水資源緊缺的現狀，而此時恰逢小麥等作物灌溉季節，容易造成糧食減產。我國2010年11月至2011年 4月之間，大面積的乾旱對糧食作物產生嚴重的不利影響，如何對處理達標後排放進入受納河道的城市汙水和工業廢水進一步處理，使其受納河道的水質達到地表水功能區劃要求， 有效提高水資源利用效率，已成為一個重要的社會、經濟和環境問題。中國專利文獻101575145B公布了一種用於河道水質淨化及生態修復的可調節溼地的建立方法，該方法可改善河道水質，有效降低河水C0D，但其解決河水氨氮較高的問題， 尤其是冬季，這時候汙水廠由於水溫降低其處理後的排放水中氨氮增高，而河道內也存在溫度低氨氮去除能力差的缺點，且河道容積有限，這是該專利難以有效解決的一個難題。該專利儘管也一定程度提高了河道的水資源調蓄能力，但其僅依靠河道調蓄，其蓄水能力有限，在乾旱季節，其對周邊生產生活、農業及生態用水的補給能力有限。另外，該技術在河道內僅選用眼子菜屬植物，植物種群單一，一旦受到突發水體汙染事故，整個河道生態容易遭受毀滅性衝擊，抗水質波動衝擊能力較弱。CN101898825A公布了修復微汙染水體的模擬河道生物反應裝置；CN101544446公布了一種河道生態修復系統；這兩者實質上是一種河道水質原位修復技術。由於該技術在河道內增設建造水處理構築物，影響了河道的洩洪防洪能力，在實際工程推廣應用中，難以得到水利部門的認可，因此，該技術難以納入當地的經濟和環保發展規劃中得以有效實施。CN101607762公布了一種河流水體修複方法，其實質是依靠向河道內投加微生物、水生生物來提高河道的自淨能力，改善河流水質。由於河道的水體處於流動狀態，上遊或沿岸的工業廢水不斷匯入，因此，只要沿岸有排水匯入，就需要重新補充藥劑。該方法需要常年四季不間斷的投加藥劑，維護和運行費用高昂，影響了該技術的推廣應用。在水利工程中，通常在河道比較開闊的地方，通過興建閘壩，在河道內形成調蓄水庫，這種方法儘管可以增加河道的蓄水庫容，但在實際過程中，由於水流減緩，易導致藻類爆發生長而惡化水質，且水利工程中通常不注重河道自然生態修復能力，其結果是河道內具有一定的調蓄水量，但由於水質較差難以滿足人們生產和生活的需要。
發明內容
本發明針對現有的河道淨化技術存在的冬季效果差、總氮總磷去除能力低、水資源調蓄能力弱的問題，提供一種能夠有效改善河道水質、提高水資源再生利用能力的串聯式河道水質改善和水資源調蓄方法。本發明的串聯式河道水質改善和水資源調蓄方法，具體過程如下所述(1)建立水量調蓄系統，該系統包括在河道中構建的橡膠壩或漿砌低壩以及在河道兩側構建的庫塘，若河道寬度大於100米則每隔5千米一10千米建造一級橡膠壩；若河道寬度小於100米，則每隔1千米一5千米建造一個漿砌低壩；在建造橡膠壩的河道的外側開挖庫塘，河道與庫塘之間設置提升泵，一方面在汛季將橡膠壩前蓄積的水引入庫塘進行滯洪調蓄，另一方面，在平水季節將河道內淨化後的水質引入庫塘進行水資源調蓄；在枯水季節通過河道引入庫塘內的水給河道補給生態需水量；在庫塘內沿大壩一側構建一道寬100米、蓄水深度小於1米的植被覆蓋區，在這一區域種植挺水植物和浮葉植物，為魚類提供棲息和產卵繁殖場所，一方面，魚類捕食能夠控制庫區內藻類過渡生長而導致富營養化，另一方面，植物新稱代謝釋放的代謝物抑制藻類的爆發生長，降低庫塘富營養化的風險；為避免庫塘在蓄水後由於水壓力作用產生的垂向滲漏而導致的庫塘坍塌，庫塘內植被覆蓋區以外的其它區域均布設防滲膜；在庫塘外圍500米內構建人工溼地，用於削減降雨地表徑流攜帶的汙染物進入調蓄庫塘；(2)在河道內建立串聯的人工溼地，在每一個由河床和河道內的橡膠壩體或漿砌壩體圍成的圍堰內都建立人工溼地，在河道中心兩側50米內和靠近橡膠壩的區域種植軟體沉水植物；靠近河岸處分別種植挺水植物和溼生植物；介於前兩者之間的河道區域種植適宜魚類產卵繁殖活動的沉水植物(如菹草等)，靠近河道中心區域的軟體沉水植物在夏季洩洪期間對水流的阻力較小，對洩洪量不產生影響；挺水植物和溼生植物沿河兩側形成綠色長廊，在淨化改善水質、穩固河提的同時，改善河道自然景觀；(3)在河道兩側沿河長全程建立水質改善系統，水質改善系統包括在河道兩側建立的導流渠和表流人工溼地，河道與水質改善系統之間以及庫塘與水質改善系統之間均設有提升泵，當河道內的水質達不到地表水功能區劃要求時，特別是冬季氨氮含量較高時，通過提升泵將橡膠壩或漿砌壩前調蓄的水提升進入導流渠，經導流渠分配進入河道兩側表流人工溼地(表流人工溼地是一種常用的地表水改善水質處理方法，表流人工溼地的面積根據當地的自然氣候條件和進水水質確定)； (4)建立在線監測和自動控制系統 在每一道橡膠壩或漿砌低壩前(100米處)以及庫塘內設有水位儀、在線流速儀、 在線水質監測儀(檢測C0D、N、P、pH常規水質指標)以及在線重金屬檢測儀(檢測As、Pb、 CrXd等)，這些儀器均與自動控制系統連接，自動控制系統採用可編程控制器(PLC)，同時所有用到的電動部件均與自動控制系統連接；如果河道的水質達標，自動控制系統根據河道與庫塘水位判斷是否啟動河道與庫塘之間的提升泵，使河道內的水進入庫塘；如果河道水質不達標，則自動啟動河道與水質改善系統之間的提升泵，使河道內的水進入河道兩側的水質改善系統淨化後，再提升至庫塘；如果庫塘的水出現富營養化，啟動庫塘與水質改善系統之間的提升泵，將庫塘內的水進入河道兩側的水質改善系統降低其COD、N、P含量，淨化後，可以返回庫塘；庫塘的水也可以進入河道補充下遊用水；當檢測到河道內發現PH值或重金屬指標異常，初步判定河水收到突發汙染事故的影響，一方面，自動控制系統迅速發出報警信息，另一方面，自動控制系統控制橡膠壩充氣，抬升事發地點道橡膠壩的高度，將受汙染的河水控制在橡膠壩內，便於後續進行應急處理處置；在汛季，自動控制系統根據水位儀檢測的水位調節橡膠壩至適當的高度，在保障洩洪通暢的前提下，充分發揮河道的滯洪能力。本發明通過建立一系列串聯的調蓄系統，降低水流速度，有利於水中懸浮物的物理沉降；每一級串聯的人工淨化溼地內存在微生物、植物、原生動物、後生動物等的生物化學淨化作用，可以有效減少河水中的溶解性汙染物含量。一方面，調蓄系統可以顯著增加河道的生態需水量，為河水淨化提供足夠的空間；另一方面，構建河道兩側的人工溼地既可改善河流水質，它也在河道兩側形成綠色長廊，美化了河道景觀，改善了人們生活環境。經過在線監測和自動控制系統，水資源可以在河道內人工溼地、河道兩側水質改善系統和調蓄庫塘之間的實現水利循環，保障水質不產生「水華」現象；另外，在線監測和自動控制系統還可以降低流域突發環境汙染事故的影響程度，降低處理突發環境汙染的費用。
具體實施例方式本發明的串聯式河道水質改善和水資源調蓄方法，採用綜合治理和自動檢測、自動控控制的技術手段，達到有效改善河道水質、提高河道水量調蓄能力。具體包括以下措施(1)在河道上建立水量調蓄系統，水量調蓄系統包括在河道中構建的橡膠壩或漿砌低壩以及在河道兩側構建的庫塘；若河道寬度大於100米則每隔5千米一10千米建造一級橡膠壩；若河道寬度小於 100米，則每隔1千米一5千米建造一個漿砌低壩；具體建立的橡膠壩或漿砌低壩的數量可以根據河道坡降以及具體情況確定。在建造橡膠壩的河道的外側開挖庫塘，庫塘與河道之間設置提升泵。水利工程上的調蓄庫塘通常由大壩、庫區防滲系統、注水系統、放水系統幾部分組成。與水利工程上傳統的調蓄庫塘不同，本發明的庫塘一是在庫塘外圍500米內，採取退耕還溼，構建人工溼地，用於削減降雨地表徑流攜帶的汙染物進入庫塘；二是在庫區內，靠近大壩一側，沿大壩構建一道寬約100米、蓄水深度較淺(小於1米)的植被覆蓋區，在這一區域種植挺水植物、 浮葉植物，可為魚類提供棲息和產卵繁殖場所。一方面，魚類捕食可控制庫區內藻類過渡生長而導致富營養化；另一方面，植物新稱代謝釋放的代謝物可抑制藻類的爆發生長，這均可一定程度降低庫塘富營養化的風險。為避免庫塘在蓄水後由於水壓力作用產生的垂向滲漏而導致的水庫坍塌，其它庫區部分均布設防滲膜。庫塘的容積由流域年均降雨量、流域灌溉需水量、生態用水量、生產和生活用水量來綜合確定。進入庫塘的水可以由河道直接提升進入庫塘，也可以經河道兩側的水質改善系統淨化後進入庫塘，這主要由河道橡膠壩前的水質決定。當河道橡膠壩前的水質達到《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002) III類時，可從河道中將水直接提升進入庫塘；當河道橡膠壩前的水質達不到地表水III類要求時，將水從河道中提升至河道兩側的水質改善系統， 淨化後進入調蓄庫塘。在春夏或夏秋交替季節，如果調蓄庫塘內氮磷含量較高，可以將調蓄庫塘內的水提升進入河道兩側的水質改善系統，降低氮磷含量後返回調蓄庫塘，避免調蓄庫塘內氮磷含量高而引發的「水華」現象。在枯水季節，調蓄庫塘內的水可以提升進入河道內，補充下遊乾旱地區的缺水，實現流域內的水資源調蓄分配。(2)在河道內建立串聯的人工溼地在河道每一個由河床和河道內的橡膠壩體或漿砌壩體圍成的區域內均建立人工溼地，各個溼地在河道內串聯。人工溼地由圍堰和溼地植物兩部分組成，由河床和河道內的橡膠壩體或漿砌壩體組成人工溼地的圍堰，在河中心兩側50米內和靠近橡膠壩的區域種植肢體比較柔軟、細長的沉水植物；靠近河岸處分別種植挺水植物和溼生植物；介於前兩者之間的河道區域種植菹草等適宜魚類產卵繁殖活動的沉水植物(菹草生長繁殖力比較旺盛，根據種植密度，每年定期收割，避免過量繁殖堵塞河道)。靠近河道中心區域的軟體沉水植物在夏季洩洪期間對水流的阻力較小，對洩洪量幾乎不產生影響。菹草生長周期與其它水生植物不同，它通常秋季發芽，冬春生長，次年6月份逐漸死亡，其春季生長恰逢魚類產卵，比較適宜適宜魚類隱蔽產卵繁殖，能夠促進河道溼地的生態漁業產量提高，這是常規的自然河道難以滿足魚類大規模繁殖生長要求之處；另外，菹草生長旺盛期提高了水體 PH，有利於水體中有毒有害陽離子的析出沉澱。挺水植物和溼生植物可以沿河兩側形成綠色長廊，在淨化改善水質、穩固河提的同時，改善河道自然景觀。對於北方季節性河流而言， 其汛季河床內水量充沛，非汛季河床內只有河中心區域存有涓涓細流。與其它河道整治技術不同，本發明通過壩體調蓄可以在河道內沿河長形成不同的水深區。常規的河道整治修復技術通過在河道橫斷面上，沿河中心至河岸，根據不同的水深分別配置沉水植物、浮葉植物、挺水植物。而在本發明中，由於壩體調蓄，可以沿河長形成不同的水深區域，也可以沿河長構建不同梯度的生態群落。經過河道水量調蓄系統的調蓄，可顯著延長河水在河道內的水力停留時間，經過河道內的溼地植物的淨化作用，可顯著提高河水水質。由漿砌壩體和河床構建的人工溼地，由於河寬通常較小，洪水季節衝刷嚴重，因此，這部分人工溼地主要進行河床加固，這是一種河道生態修復的常用的方法。經過多道串聯的人工溼地系統，在河道內形成了一種串聯式河道水質改善反應器。(3)在河道兩側沿河長全程建立水質改善系統河道兩側的水質改善系統由導流渠和表流人工溼地組成。河道與水質改善系統之間以及庫塘與水質改善系統之間均設有提升泵，當河道內的水質達不到地表水功能區劃要求時，特別是冬季氨氮含量較高時，可由提升泵將橡膠壩前調蓄的水提升進入導流渠，經導流渠分配進入河道兩側表流人工溼地，表流人工溼地的面積根據當地的自然氣候條件和進水水質確定，表流人工溼地是一種常用的地表水改善水質處理方法。(4)建立在線監測和自動控制系統在每一道橡膠壩或漿砌低壩前100米處設有水位儀、在線流速儀、在線水質監測儀(檢測C0D、N、P、pH值常規水質指標)以及在線重金屬檢測儀(檢測As、Pb、Cr、Cd等)， 這些儀器均與自動控制系統連接，自動控制系統採用可編程控制器(PLC)，同時所有用到的電動部件均與自動控制系統連接，可以採用無線通信連接的方式實現遠程控制。庫塘內也設有在線水質監測儀。自動控制系統根據在線水質監測儀檢測的指標判斷水質狀況，根據水質狀況做以下處理如果河道的水質達標，自動控制系統根據河道與庫塘水位判斷是否啟動河道與庫塘之間的提升泵，使河道內的水進入庫塘；如果河道水質不達標，則自動啟動河道與水質改善系統之間的提升泵，使河道內的水進入河道兩側的水質改善系統淨化後，再提升至庫塘； 如果庫塘的水出現富營養化，可以啟動庫塘與水質改善系統之間的提升泵，將庫塘內的水進入河道兩側的水質改善系統降低其C0D、N、P含量，淨化後，可以返回庫塘；庫塘的水也可以進入河道補充下遊用水。pH值以及As、Pb、Cr、Cd等重金屬指標可反映河道內是否收到突發汙染事故的影響。一旦某些河道內發現pH值或As、Pb、Cr、Cd等重金屬指標異常，可初步判定河水收到突發汙染事故的影響，一方面，自動控制系統可迅速發出報警信息，另一方面，自動控制系統可通過調節橡膠壩充氣量抬升橡膠壩的高度，增加事發地點幾道橡膠壩的高度，將受汙染的河水儘量控制在幾道橡膠壩內，便於後續進行應急處理處置，也減少了對河道下遊人民生產生活的影響。在部分順直河道，可增加流量監測探討，在汛季，自動控制系統可根據流域降雨情況和河道流量，調節橡膠壩充氣量降低橡膠壩至適當的高度，在保障洩洪通暢的前提下，充分發揮河道的滯洪能力，降低洪澇災害對河岸兩側生產生活的不利影響。本發明具有以下優點1)在提高河道水體自淨能力基礎上，沿河道長度方向，在河道內構建了河道串聯水質淨化反應器，與其它移位處理方法而言，建設和運行成本顯著降低。2)本發明屬於一種河道生態修複方法，在改善河道水質基礎上，在河道兩側構建綠色長廊，可以美化兩側的景觀效果，提高周圍的土地利用價值。3)經河道人工溼地淨化後，通常進入河道兩側人工溼地的水質基本介於地表水 II類和地表V類之間。因此，河道兩側的人工溼地在運行過程中，不會產生惡臭氣味影響周邊環境，可以將河道兩側的人工溼地和水量調蓄庫塘納入當地的旅遊景觀開發。4)經過在線監測和自動控制系統的平臺建設，一方面，水資源可以在河道內人工溼地、河道兩側水質改善系統和調蓄庫塘之間的實現水利循環，保障水質不產生「水華」現象；另一方面，可以降低流域突發環境汙染事故的影響程度，降低處理突發環境汙染的費用。5)本發明可顯著提高流域內的可利用水資源量，實現水資源的高效利用。
權利要求
1. 一種串聯式河道水質改善和水資源調蓄方法，其特徵是(1)建立水量調蓄系統，該系統包括在河道中構建的橡膠壩或漿砌低壩以及在河道兩側構建的庫塘，若河道寬度大於100米則每隔5千米--10千米建造一級橡膠壩；若河道寬度小於100米，則每隔1千米~5千米建造一個漿砌低壩；在建造橡膠壩的河道的外側開挖庫塘，河道與庫塘之間設置提升泵，一方面在汛季將橡膠壩前蓄積的水引入庫塘進行滯洪調蓄，另一方面，在平水季節將河道內淨化後的水質引入庫塘進行水資源調蓄；在枯水季節通過河道引入庫塘內的水給下遊補給水量；在庫塘內沿大壩一側構建一道寬100米、蓄水深度小於1米的植被覆蓋區，在這一區域種植挺水植物和浮葉植物，為魚類提供棲息和產卵繁殖場所，一方面，魚類捕食能夠控制庫區內藻類過渡生長而導致富營養化，另一方面，植物新稱代謝釋放的代謝物抑制藻類的爆發生長，降低庫塘富營養化的風險；為避免庫塘在蓄水後由於水壓力作用產生的垂向滲漏而導致的庫塘坍塌，庫塘內植被覆蓋區以外的其它區域均布設防滲膜；在庫塘外圍500米內構建人工溼地，用於削減降雨地表徑流攜帶的汙染物進入調蓄庫塘；(2)在河道內建立串聯的人工溼地，在每一個由河床和河道內的橡膠壩體或漿砌壩體圍成的圍堰內都建立人工溼地，在河道中心兩側50米內和靠近橡膠壩的區域種植軟體沉水植物；靠近河岸處分別種植挺水植物和溼生植物；介於前兩者之間的河道區域種植適宜魚類產卵繁殖活動的沉水植物(如菹草等)，靠近河道中心區域的軟體沉水植物在夏季洩洪期間對水流的阻力較小，對洩洪量不產生影響；挺水植物和溼生植物沿河兩側形成綠色長廊，在淨化改善水質、穩固河提的同時，改善河道自然景觀；(3)在河道兩側沿河長全程建立水質改善系統，水質改善系統包括在河道兩側建立的導流渠和表流人工溼地，河道與水質改善系統之間以及庫塘與水質改善系統之間均設有提升泵，當河道內的水質達不到地表水功能區劃要求時，特別是冬季氨氮含量較高時，通過提升泵將橡膠壩或漿砌壩前調蓄的水提升進入導流渠，經導流渠分配進入河道兩側表流人工溼地；(4)建立在線監測和自動控制系統在每一道橡膠壩或漿砌低壩前以及庫塘內設有水位儀、在線流速儀、在線水質監測儀以及在線重金屬檢測儀，這些儀器均與自動控制系統連接，自動控制系統採用可編程控制器，同時所有用到的電動部件均與自動控制系統連接；如果河道的水質達標，自動控制系統根據河道與庫塘水位判斷是否啟動河道與庫塘之間的提升泵，使河道內的水進入庫塘；如果河道水質不達標，則自動啟動河道與水質改善系統之間的提升泵，使河道內的水進入河道兩側的水質改善系統淨化後，再提升至庫塘；如果庫塘的水出現富營養化，啟動庫塘與水質改善系統之間的提升泵，將庫塘內的水進入河道兩側的水質改善系統降低其C0D、N、P含量，淨化後，可以返回庫塘；庫塘的水也可以進入河道補充下遊用水；當檢測到河道內發現 PH值或重金屬指標異常，初步判定河水收到突發汙染事故的影響，一方面，自動控制系統迅速發出報警信息，另一方面，自動控制系統控制橡膠壩充氣，抬升事發地點道橡膠壩的高度，將受汙染的河水控制在橡膠壩內，便於後續進行應急處理處置；在汛季，自動控制系統根據水位儀檢測的水位調節橡膠壩至適當的高度，在保障洩洪通暢的前提下，充分發揮河道的滯洪能力。
全文摘要
本發明提供一種串聯式河道水質改善和水資源調蓄方法，具體過程包括(1)建立水量調蓄系統，該系統包括在河道中構建的橡膠壩或漿砌低壩以及在河道兩側構建的庫塘，在建造橡膠壩的河道的外側開挖庫塘，在庫塘外圍建立水質保障系統；(2)在河道內建立串聯的人工溼地；(3)在河道兩側建立水質改善系統；(4)建立在線監測和自動控制系統。本發明採用綜合治理的技術手段，在河道內構建了串聯水質淨化系統，在改善河道水質基礎上，在河道兩側構建綠色長廊，經過在線監測和自動控制系統，水資源可以在河道內人工溼地、河道兩側水質改善系統和庫塘之間的實現水利循環，降低流域突發環境汙染事故的影響程度和處理突發環境汙染的費用。
文檔編號C02F3/32GK102329000SQ20111015137
公開日2012年1月25日 申請日期2011年6月8日 優先權日2011年6月8日
發明者康興生, 張彥浩, 張志斌, 張曉蕊, 張波, 武道吉 申請人:山東建築大學