一种天然河道污水防治系统和方法及设计方法技术方案

本发明专利技术涉及一种天然河道污水防治系统和方法及设计方法，包括：构成梯级人工湿地系统的自天然河道上游至下游跨河断面设置多个漫水低堰或分隔地梁，其间设置耦合型单元系列，包括：沿天然河道的横剖面自河岸坡顶至河道近岸区设置潜流边界层单元、沿天然河道的纵剖面自上游至下游在主河道区设置梯级表流人工湿地单元、沿河道近岸区设置耦合单元，所述的各个单元系列和各个单元之间设有分隔梁。本发明专利技术针对中小天然河道涵盖沿岸面源污染、沿程点源污染、主河道紊流迁移扩散等多样性机理、又具有汛期行洪要求、水力条件和污染物运动规律复杂等特点，提出系和方法，能更为高效地达到净化河流水质、提升景观生态、确保度汛安全的目的。

A kind of natural river sewage prevention and control system and method and design method

【技术实现步骤摘要】
一种天然河道污水防治系统和方法及设计方法
本专利技术涉及一种天然河道污水防治系统和方法及设计方法，是一种防治水污染的环境保护系统和治理中小天然河道水污染方法及系统的设计方法，是一种利用生物方式对中小天然河道进行污水防治的系统和方法及其结构设计的方法。
技术介绍
由于降雨径流的时空分配不均衡，中国北方地区每年60％以上的降雨集中在汛期三个月左右，导致大部分中小天然河流在非汛期水量不大，环境容量小；另一方面，所述的天然河流沿岸通常是人口密集、农业生产以及乡镇企业集中地带，主汛期由于降雨稀释，污染物浓度较低，水质通常较好，但在非主汛期，低强度降雨径流沿天然河道两岸外侧大量汇入农村面源污染的问题，导致水体环境污染问题突出。随着城镇化进程的发展，所述问题将愈加突出。因此，如何在不影响汛期正常行洪的条件下，实现对污染物的生态吸附去除，从而对所述的天然河流尽快治理，对经济和社会的可持续发展具有重大意义。处理技术中，人工湿地系统通过湿地植物、土壤/卵(砾)石和微生物在一定水力停留时间条件下的固/液分离、污染物转化等生态机理去除污染物，运行要求低，景观生态效益显著，自1990年代以来逐渐获得广泛应用。人工湿地系统按照水体流动方式分为表流和潜流两种类型：表流型湿地在外观和功能上都接近于自然湿地，优点是除氨氮、总氮和总磷效果好，缺点是处理能力较低、负荷小、占地面积较大、冬季表面结冰、夏季容易繁殖蚊蝇；潜流型湿地主要由可种植湿地植物的卵(砾)石基质层组成，优点是可以充分利用生物膜、植物根系及基质截留等作用提高净化能力，受气候影响小、卫生条件较好，缺点是对氨氮和总氮去除效果并不理想。而通过不同类型湿地组合构建成复合人工湿地能够克服单一湿地类型的缺点，提高处理效果及其稳定性。
技术实现思路
为了克服现有技术的问题，本专利技术提出了一种天然河道污水防治系统和方法及设计方法。所述的系统和方法通过一系列沿河两岸构建的处理单元将沿河污染在进入主水体之前进行处理，以期缓解污染并最终在河流中将污染程度降到最低。本专利技术的目的是这样实现的：一种天然河道污水防治系统，包括：构成梯级人工湿地系统的自天然河道上游至下游跨河断面设置多个漫水低堰或分隔地梁，其间设置耦合型单元系列，包括：沿天然河道的横剖面自河岸坡顶至河道近岸区设置潜流边界层单元、沿天然河道的纵剖面自上游至下游在主河道区设置梯级表流人工湿地单元、沿河道近岸区设置耦合单元。进一步的，所述的潜流边界层单元沿两岸并联布置，各单元从河岸到河道近岸区横向依次设置进水区、潜流区、出水区；所述的进水区布置在天然河道沿岸滨河路面及两侧堤防部位，下设粗碎石反滤层，上设植物隔离带；所述的潜流区布置在河道驳岸部位，采用下渗型生态护坡驳岸结构，下设中碎石潜流层，上设生态驳岸护砌层及生态植物；所述的出水区布置在坡脚近岸区，采用干砌块石结构。进一步的，所述的表流人工湿地单元沿主河道从上游向下游纵向串联布置，各单元依次设置：长满植物区、敞水区、部分生长植物区，所述各区的的水底面层为种植土层，所述的种植土层下方为河床砂砾石层。进一步的，所述的耦合单元在河道近岸区纵横耦合搭接潜流边界层单元与表流人工湿地单元，耦合区由底层向表层依次设置：连接潜流边界层单元出水区的干砌石层、相对不透水层、连接表流人工湿地单元种植土层和水生植物；所述的干砌石层用于引导潜流边界层单元渗水延伸至主河道，所述的相对不透水层主要为压实壤土或粘土结构。一种使用上述系统的天然河道污水防治方法，所述方法的步骤如下：步骤1，污水汇入及运动过程：沿河各种污水污染源通过多个途径汇流进入河道并随河流输移运动，主要包括：沿岸面源污染下渗汇入过程，沿程子流域点源汇流汇入过程，沿程子流域污染物沉降过程，污染物在天然河道的迁移扩散过程；步骤2，一级处理：以潜流边界层单元为一级处理区，对沿岸外侧汇入的农村面源污染进行下渗初步处理；潜流边界层单元通过面层植物根系的沉淀和吸附、基层孔隙基质的絮凝、沉淀和过滤的拟潜流湿地机理，形成天然河道耦合型人工湿地系统的预处理区；同时，构造多样化、自然的植被固定型河流水体岸线，构造生态型水岸景观空间；步骤3，纵横耦合：以耦合单元为一级处理出水区和二级处理进水区，潜流边界层单元与表流人工湿地单元上下纵横搭接耦合，梯级水体在潜流区、长满植物区、敞水区、部分生长植物区交替循环运行，无动力设施的天然河道系统中发生硝化过程所需的大量氧气和水力停留时间分解到各个梯级，在有效消减水体中污染物的同时，避免单级人工湿地水力停留时间过长；步骤4，二级处理：以梯级表流人工湿地单元为二级处理区，对一级处理区出水以及天然河道沿程各子流域汇入的点源污染污水进行深入处理：i.湿地1区：布置在河流近岸及表流人工湿地单元上游区域，为长满植物区，在植物生长季节整个湿地深度范围都是厌氧环境，该区主要处理机理是絮凝和沉淀，对TSS、微粒BOD、有机氮和有机磷、金属及某些半挥发有机化合物发挥处理效果；ii.湿地2区：主要布置于主河槽区域，结合汛期行洪通道的预留，为敞水区面积100％的无挺水植物湿地区域，是好氧环境，可溶性BOD的减少和硝化作用在这里进行，处理机理与兼性氧化塘类似，把含碳化合物BOD氧化到很低的水平，促进NH4-N进行硝化反应转化成NO3-N；iii.湿地3区：布置于跨河建筑物或分隔梁控制断面附近的上游区域，为部分生长植物区，是植物强化处理区域，通过反硝化作用能够进一步减少TSS及相关污染物和氮，反硝化的产物是N2和N2O气体。进一步的，所述的面源污染下渗汇入过程中，面源污染汇入潜流边界层单元随次降雨产流迁移到径流中并沿天然河道两岸坡面下渗汇入的面源污染物负荷的计算：式中，R0为迁移到径流中的污染物负荷；为降雨下渗期间混合层中污染物的平均浓度；为产流期间混合层污染物的平均浓度；为降雨中污染物的浓度；EXK1为反映污染物向下入渗释放系数；EXK2为反映污染物在地表径流中释放系数；Q为径流量；k1为污染物的向下释放率；k2为污染物的径流释放率；F为下渗量(mm)；d为混合层厚度，模型视其为10mm；por为土壤孔隙度。进一步的，所述的沿程子流域汇入过程中，从天然河道沿程各子流域汇入的点源污染负荷量计算：式中，Rj为子流域污染物j的总负荷；n为污染物或污染源总数；α为降雨影响因子，用来表征降雨对污染物输出的影响；Eij为污染物j在第i种土地利用类型中的输出系数或第i种畜禽的排泄系数或人口影响的输出系数；Ai为流域中第i种土地利用类型的面积或第i种牲畜的数量或人口数量；M为降雨产生的营养输入量；为降水中污染物的浓度；P为子流域年降雨量；β为径流系数；j污染物个数，i污染源个数，j和i均为1到n的正整数。进一步的，所述的沿程子流域沉降过程中，污染物沉降的计算：式中，Msettling为沉降过程损失的污染物量；ν为污染物总表观沉降速率；AS为湿地计算单元面积；为水体中初始污染物平均浓度；dt为计算时本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种天然河道污水防治系统，其特征在于，包括：构成梯级人工湿地系统的自天然河道上游至下游跨河断面设置多个漫水低堰或分隔地梁，其间设置耦合型单元系列，包括：沿天然河道的横剖面自河岸坡顶至河道近岸区设置潜流边界层单元、沿天然河道的纵剖面自上游至下游在主河道区设置梯级表流人工湿地单元、沿河道近岸区设置耦合单元。/n

【技术特征摘要】
1.一种天然河道污水防治系统，其特征在于，包括：构成梯级人工湿地系统的自天然河道上游至下游跨河断面设置多个漫水低堰或分隔地梁，其间设置耦合型单元系列，包括：沿天然河道的横剖面自河岸坡顶至河道近岸区设置潜流边界层单元、沿天然河道的纵剖面自上游至下游在主河道区设置梯级表流人工湿地单元、沿河道近岸区设置耦合单元。


2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的潜流边界层单元沿两岸并联布置，各单元从河岸到河道近岸区横向依次设置进水区、潜流区、出水区；所述的进水区布置在天然河道沿岸滨河路面及两侧堤防部位，下设粗碎石反滤层，上设植物隔离带；所述的潜流区布置在河道驳岸部位，采用下渗型生态护坡驳岸结构，下设中碎石潜流层，上设生态驳岸护砌层及生态植物；所述的出水区布置在坡脚近岸区，采用干砌块石结构。


3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述的表流人工湿地单元沿主河道从上游向下游纵向串联布置，各单元依次设置：长满植物区、敞水区、部分生长植物区，所述各区的的水底面层为种植土层，所述的种植土层下方为河床砂砾石层。


4.根据权利要求1-3之一的系统，其特征在于，所述的耦合单元在河道近岸区纵横耦合搭接潜流边界层单元与表流人工湿地单元，耦合区由底层向表层依次设置：连接潜流边界层单元出水区的干砌石层、相对不透水层、连接表流人工湿地单元种植土层和水生植物；所述的干砌石层用于引导潜流边界层单元渗水延伸至主河道，所述的相对不透水层主要为压实壤土或粘土结构。


5.一种使用权利要求4所述的一种天然河道污水防治系统的天然河流污水防治方法，其特征在于，所述方法的步骤如下：
步骤1，污水汇入及运动过程：沿河各种污水污染源通过多个途径汇流进入河道并随河流输移运动，主要包括：沿岸面源污染下渗汇入过程，沿程子流域点源汇流汇入过程，沿程子流域污染物沉降过程，污染物在天然河道的迁移扩散过程；
步骤2，一级处理区：以潜流边界层单元为一级处理区，对沿岸外侧汇入的农村面源污染进行下渗初步处理；潜流边界层单元通过面层植物根系的沉淀和吸附、基层孔隙基质的絮凝、沉淀和过滤的拟潜流湿地机理，形成天然河道耦合型人工湿地系统的预处理区；同时，构造多样化、自然的植被固定型河流水体岸线，构造生态型水岸景观空间；
步骤3，纵横耦合区：以耦合单元为一级处理出水区和二级处理进水区，潜流边界层单元与表流人工湿地单元上下纵横搭接耦合，梯级水体在潜流区、长满植物区、敞水区、部分生长植物区交替循环运行，无动力设施的天然河道系统中发生硝化过程所需的大量氧气和水力停留时间分解到各个梯级，在有效消减水体中污染物的同时，避免单级人工湿地水力停留时间过长；
步骤4，二级处理区：以梯级表流人工湿地单元为二级处理区，对一级处理区出水以及天然河道沿程各子流域汇入的点源污染污水进行深入处理：
i.湿地1区：布置在河流近岸及表流人工湿地单元上游区域，为长满植物区，在植物生长季节整个湿地深度范围都是厌氧环境，该区主要处理机理是絮凝和沉淀，对TSS、微粒BOD、有机氮和有机磷、金属及某些半挥发有机化合物发挥处理效果；
ii.湿地2区：布置于主河槽区域，结合汛期行洪通道的预留，为敞水区面积100％的无挺水植物湿地区域，是好氧环境，可溶性BOD的减少和硝化作用在这里进行，处理机理与兼性氧化塘类似，把含碳化合物BOD氧化到很低的水平，促进NH4-N进行硝化反应转化成NO3-N；
iii.湿地3区：布置于跨河建筑物或分隔梁控制断面附近的上游区域，为部分生长植物区，是植物强化处理区域，通过反硝化作用能够进一步减少TSS及相关污染物和氮，反硝化的产物是N2和N2O气体。


6.根据权利要求5...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾天龠，曾平，焦剑，鲁欣，冷艳杰，张婷，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11