專利名稱：一種生態(tài)透水壩及其設(shè)計與施工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于農(nóng)村河網(wǎng)地區(qū)的面源污染控制技術(shù)，更具體地說是一種生態(tài)透水壩及其設(shè)計與施工方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人民生活水平逐步提高，農(nóng)村地區(qū)的水體面臨著越來越嚴重的面源污染的威脅，例如太湖流域、巢湖流域和滇池流域。面源污染一般由農(nóng)業(yè)地表徑流和農(nóng)村生活污水組成，包括農(nóng)田氮磷等營養(yǎng)鹽的流失，農(nóng)村生活垃圾、畜禽糞便、生活污水、養(yǎng)殖廢水的隨意堆放和排放等。這些面源污染的排放基本沒有規(guī)律可循，一般難以預(yù)測和收集，大部分未經(jīng)處理而直接排入當(dāng)?shù)厮w，從而大大影響了水體水質(zhì)，導(dǎo)致了“水華”現(xiàn)象的頻頻發(fā)生，也間接影響了當(dāng)?shù)仫嬘盟吹乃|(zhì)。
對于農(nóng)村面源污染控制和治理，國內(nèi)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，加強面源污染源頭管理(農(nóng)業(yè)減排技術(shù)、生活污水和垃圾收集系統(tǒng)等)，采用因地制宜的面源控制技術(shù)，進行卓有成效的面源污染控制和治理。目前經(jīng)常采用的面源污染控制技術(shù)有人工濕地、人工浮床、穩(wěn)定塘等。這些技術(shù)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凈能力來吸收和降解面源污染中的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)。通常一個面源污染控制系統(tǒng)由兩個以上的單項技術(shù)組成，發(fā)揮不同的作用，其特點是投資省，適用范圍廣，管理難度低，具有一定的凈化效果。
不過對于平原河網(wǎng)地區(qū)，其地形特點是河網(wǎng)密集，水力坡降小，自然條件下水流緩慢，同時該地區(qū)面源污染具有時空不均勻性和嚴重性等特點。應(yīng)用上述面源污染控制技術(shù)時，會存在一些問題①植物或微生物凈化系統(tǒng)的凈化效率相對較低，在去除相同量的營養(yǎng)物質(zhì)的情況下，其占地面積大；②由于面源污染發(fā)生的不規(guī)律性，這些凈化系統(tǒng)往往都需要特定的收集系統(tǒng)和動力提升才能保證系統(tǒng)的運行，增加了投資成本，同時也導(dǎo)致了系統(tǒng)的抗沖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(gòu)筑材料，通過人工堆筑或機械碾壓形成的土石壩。滲透壩在水利工程中主要應(yīng)用是小型河流或水庫的徑流攔蓄。滲透壩的建設(shè)可以就地取材、建設(shè)成本低廉，但是其滲透系數(shù)一般遠遠大于鋼筋混凝土壩。作為水利工程的滲透壩，當(dāng)壩體滲流較大的情況下，容易出現(xiàn)管涌現(xiàn)象，引起壩體的不穩(wěn)定。所以以往對于滲透壩的研究主要是防滲措施和滲流穩(wěn)定性，其滲流計算常見于滲流力學(xué)和土力學(xué)的相關(guān)教材中。
專利CN200410066164.0(平原河網(wǎng)地區(qū)面源污染強化凈化前置庫系統(tǒng))中公開了一種生態(tài)透水壩(生態(tài)透水壩強化凈化子系統(tǒng))礫石堆筑而成礫石床作為壩體，透水壩壩體沿河道方向?qū)挾葹?～15米，利用礫石構(gòu)筑生態(tài)透水壩，透水壩以滲流方式過水，使壩前、壩后庫區(qū)保持一定水位差，這時解決了了平原地區(qū)的徑流匯集入庫區(qū)的問題。礫石床位于生態(tài)透水壩后，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及有機污染物。其中生態(tài)透水壩的具體結(jié)構(gòu)沒有描述，只是礫石堆筑而成礫石床作為壩體，其構(gòu)成前置庫系統(tǒng)的一個部分，與其它部分協(xié)同作用。相關(guān)文獻檢索表明，在本專利申請日前沒有發(fā)現(xiàn)與本發(fā)明類似結(jié)構(gòu)和相關(guān)設(shè)計施工方法的生態(tài)透水壩的文獻。

發(fā)明內(nèi)容
1、要解決的技術(shù)問題針對農(nóng)村平原河網(wǎng)地區(qū)河網(wǎng)密集，水力坡降小的地形特點，以及該地區(qū)面源污染的時空不均勻性，如何有效利用農(nóng)村地區(qū)廢置的河道、池塘、溝渠來構(gòu)建面源污染控制系統(tǒng)。本發(fā)明提供了一種生態(tài)透水壩及其設(shè)計與施工方法，可以承受農(nóng)村面源污染水質(zhì)、水量的沖擊負荷，對農(nóng)業(yè)面源污染有一定的處理效果。
2、技術(shù)方案本發(fā)明的基本原理如下本發(fā)明在人工濕地、快速滲濾系統(tǒng)、滲濾壩技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)而來，使用礫石或碎石在河道中人工壘筑壩體，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污染，通過滲透壩的滲流特性，攔蓄面源污染，調(diào)節(jié)壩體的過流量。并通過在壩體上種植植物以及在壩體內(nèi)培養(yǎng)高效脫氮除磷菌群，利用植物根系和微生物的共同作用，吸收并分解徑流中以及吸附在礫石表面的營養(yǎng)物質(zhì)。通過上述過程，透水壩達到了可控攔蓄面源污染和一定的凈化效果的設(shè)計目的。
生態(tài)透水壩的設(shè)計包括水力特性和凈化效果兩部分。與水利工程中滲濾壩單純防滲不同的是，生態(tài)透水壩的滲流是可控滲流，是需要將滲流控制在需要的范圍之內(nèi)的水力特性。凈化效果是指根據(jù)處理對象的特性，選擇不同的筑壩(床)材料、停留時間、壩體(床體)結(jié)構(gòu)以及植物。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種生態(tài)透水壩，位于非行洪河道內(nèi)，其剖面為梯形復(fù)式結(jié)構(gòu)(見圖1)，壩坡的邊坡系數(shù)為1∶1～1∶2.5，包含下面四個部分(A)控制層，位于生態(tài)透水壩的迎水壩坡，由1mm～5mm的筑壩材料構(gòu)成，其體積為整個透水壩的5％～15％；(B)過渡層，位于生態(tài)透水壩內(nèi)部，由5mm～10mm的筑壩材料構(gòu)成，其體積為整個透水壩的50％～65％；(C)溢流層，位于生態(tài)透水壩的壩頂，由10mm～40mm的筑壩材料構(gòu)成，占到生態(tài)透水壩體積的10％～15％；(D)穩(wěn)定層，位于生態(tài)透水壩的背水壩坡，由20mm～40mm的筑壩材料構(gòu)成，占生態(tài)透水壩體積的20％～30％。
控制層的作用是控制生態(tài)透水壩的滲透系數(shù)達到設(shè)計要求。過渡層此層的作用也是控制滲透系數(shù)，同時也是植物根系生長及微生物附著的區(qū)域，是硝化反硝化作用發(fā)生的主要區(qū)域，發(fā)揮了生態(tài)透水壩主要的凈化作用。溢流層的作用是防止面源污染水量沖擊負荷過大時，面源污染可以從此層中溢流通過生態(tài)透水壩，而不對壩體產(chǎn)生不利影響，溢流層種植植物，防止陽光的曝曬。穩(wěn)定層的作用是保證壩體的滲流穩(wěn)定，防止控制層和過渡層中較小粒徑的筑壩材料隨滲流流出。
控制層體積可以為整個透水壩的5％～10％?？刂茖?、溢流層和穩(wěn)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。采用美人蕉、香蒲、菖蒲、蘆葦或香根草時有較好地效果。
生態(tài)透水壩的設(shè)計包括滲流模型建立、設(shè)計流量選擇、地形條件及選址、停留時間選擇、滲透系數(shù)選擇、材料與結(jié)構(gòu)、滲流計算、植物篩選、平面布置等內(nèi)容。其設(shè)計流程為首先勘測筑壩地址的地形條件和查詢水文氣象資料或其他設(shè)計資料，得到生態(tài)透水壩的幾何參數(shù)和設(shè)計流量，將上述參數(shù)代入滲流力學(xué)中的杜平公式中進行試算，得到合理的滲透系數(shù)和停留時間，然后進行生態(tài)透水壩進一步的設(shè)計，選擇合適的礫石級配、筑壩材料、種植植物。設(shè)計流程圖見圖2。
生態(tài)透水壩具體的設(shè)計及實施方法如下首先根據(jù)當(dāng)?shù)厮摹庀筚Y料及地形地貌資料，帶入面源計算公式，估算面源污染的設(shè)計流量。
然后勘測現(xiàn)場，筑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，筑壩地址的河道底坡平緩，小于0.05，河道邊坡大于2，筑壩地址前河道長度或溝唐的容積要足夠容納面源污染的設(shè)計流量。通過測量筑壩河道的深度、寬度、底坡和邊坡，估算生態(tài)透水壩的幾何尺寸和結(jié)構(gòu)。
獲得生態(tài)透水壩的幾何尺寸和設(shè)計流量的范圍后，將其代入生態(tài)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，上下游壩面為斜面，上、下游邊坡系數(shù)分別為m1、m2。河底為粘土層，滲透系數(shù)為(10-2～10-6)cm·s-1，相對于透水壩而言，視為不透水地基。均質(zhì)礫石，穩(wěn)定滲流。
梯形模型滲流可以分為三塊滲流區(qū)域來考慮。圖中ABC為上游段，BCED為中間段，DEF為下游段。
上游段可以用圖示中長度為ΔL等效矩形A′B′BC代替ΔL=m12m1+1H1---(1)]]>中間段BCED根據(jù)滲流力學(xué)中杜平公式有q=k(H12-h02)2(ΔL+L0-m2h0)---(2)]]>下游段DEF包括貼坡流和一個三角區(qū)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(qū)域與DEF區(qū)域的滲流量是相等的，所以可以通過聯(lián)立公式(2)、(3)，結(jié)合迭代法，求解h0。
式中q——單寬流量，m2·d-1；m1、m2——壩前、壩后邊坡系數(shù)，無量綱；k——滲透系數(shù)，m·d-1；H1——壩前水深，m；H2——壩后水深，m。
考慮到筑壩材料的滲透系數(shù)k為0.01m·d-1～1.0m·d-1，以及徑流在壩體內(nèi)的停留時間為1.0hr～4.0hr。將選定的幾何尺寸、設(shè)計流量、滲透系數(shù)、停留時間等參數(shù)帶入梯形滲流計算模型中，進行試算，得到生態(tài)透水壩的設(shè)計參數(shù)。
根據(jù)選定的設(shè)計滲透系數(shù)、已知的各種不同規(guī)格筑壩材料的滲透系數(shù)和滲流力學(xué)中的串聯(lián)混合滲透系數(shù)計算公式，得到生態(tài)透水壩筑壩材料的級配(考慮到壩體的滲流穩(wěn)定，筑壩材料的粒徑不宜小于5mm)。
生態(tài)透水壩的設(shè)計過程完成后，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，然后根據(jù)生態(tài)透水壩的設(shè)計參數(shù)(幾何尺寸、礫石級配)進行堆筑，梯形結(jié)構(gòu)壩坡的邊坡系數(shù)為1∶1～1∶2.5。壩體材料堆筑完成后，圍堰內(nèi)放水至一定高度，開始種植選定植物，待植物成活后，拆除圍堰投入運行。
生態(tài)透水壩投入運行后，面源污染通過收集系統(tǒng)匯入壩前河道或溝塘。當(dāng)面源污染的匯入量超過生態(tài)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(dāng)面源污染停止匯入時，壩前水位隨著生態(tài)透水壩的滲流而逐漸下降。通過可控滲流，生態(tài)透水壩可以抬升面源污染的水位，為后續(xù)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污染的水質(zhì)、水量沖擊負荷。
3、有益效果本發(fā)明公開的技術(shù)方案具有以下顯著的優(yōu)點①可以獲得0.3m～1.5m的抬升高度，為后續(xù)的處理單元提供了可觀的自流動力，使得整個面源污染控制系統(tǒng)可以無動力運行，節(jié)約了運行成本。②可以充分利用農(nóng)村地區(qū)廢置的河道、池塘、溝渠來構(gòu)建面源污染控制系統(tǒng)，大大降低了建設(shè)成本。③對于農(nóng)業(yè)面源污染的時空不均勻性具有很好的針對性，降低了管理難度，有利于面源污染控制技術(shù)的推廣。④培育植物或微生物系統(tǒng)的生態(tài)透水壩具有明顯的凈化效果，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(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明設(shè)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(fā)明實施例太湖流域某處農(nóng)村，位于太湖西岸，為控制并處理該地區(qū)的農(nóng)業(yè)面源污染，建設(shè)了包含本發(fā)明的面源污染控制系統(tǒng)。
本發(fā)明的設(shè)計流量為5天處理15000m3的農(nóng)業(yè)面源，其中包括每天400m3的農(nóng)村生活污水。筑壩河道原位該村廢棄河道，雜草叢生，淤泥堆積，經(jīng)清淤整理后堆筑生態(tài)透水壩。河道堤岸最低處為2.2m，生態(tài)透水壩壩后處理單元的運行水位為1.7m，所以本發(fā)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，可以為后續(xù)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。壩前壩后邊坡系數(shù)m1、m2均選為2.5。壩頂高度為2.2m，壩底高度為0.0。滲透系數(shù)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(qū)域來考慮。圖中ABC為上游段，BCED為中間段，DEF為下游段。
上游段可以用圖示中長度為ΔL等效矩形A′B′BC代替ΔL=m12m1+1H1---(1)]]>
中間段BCED根據(jù)滲流力學(xué)中杜平公式有q=k(H12-h02)2(ΔL+L0-m2h0)---(2)]]>下游段DEF包括貼坡流和一個三角區(qū)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(qū)域與DEF區(qū)域的滲流量是相等的，所以可以通過聯(lián)立公式(2)、(3)，結(jié)合迭代法，求解h0。
式中q——單寬流量，m2·d-1；m1、m2——壩前、壩后邊坡系數(shù)，無量綱；k——滲透系數(shù)，m·d-1；H1——壩前水深，m；H2——壩后水深，m。
代入公式(2)、(3)，當(dāng)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(jié)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(fā)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(yù)期的攔蓄面源污染、調(diào)控滲流量的設(shè)計要求。
其中控制層5厚度為50cm，由1mm～5mm的碎石構(gòu)成，溢流層7厚度為50cm，由1cm～4cm的礫石構(gòu)成，穩(wěn)定層6厚度為1～2m，由2cm～4cm的礫石構(gòu)成，壩體其余部分為過渡層9，由40％的5mm碎石和60％的10mm的礫石構(gòu)成。
農(nóng)業(yè)面源污染(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(jīng)過本發(fā)明的處理后，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(tài)透水壩計算表

權(quán)利要求
1.一種生態(tài)透水壩，位于非行洪河道內(nèi)，其特征在于其剖面為梯形復(fù)式結(jié)構(gòu)，壩坡的邊坡系數(shù)為1∶1～1∶2.5，包含下面四個部分(A)控制層(5)，位于生態(tài)透水壩的迎水壩坡，由1mm～5mm的筑壩材料構(gòu)成，其體積為整個透水壩的5％～15％；(B)過渡層(6)，位于生態(tài)透水壩內(nèi)部，由5mm～10mm的筑壩材料構(gòu)成，其體積為整個透水壩的50％～65％；(C)溢流層(7)，位于生態(tài)透水壩的壩頂，由10mm～40mm的筑壩材料構(gòu)成，占到生態(tài)透水壩體積的10％～15％；(D)穩(wěn)定層(8)，位于生態(tài)透水壩的背水壩坡，由20mm～40mm的筑壩材料構(gòu)成，占生態(tài)透水壩體積的20％～30％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種生態(tài)透水壩，其特征在于筑壩河道深度為1.5m～3.5m，河道寬度為5m～30m，筑壩地址的河道底坡平緩，坡度小于0.05，河道邊坡大于2。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種生態(tài)透水壩，其特征在于控制層體積為整個透水壩的5％～10％。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種生態(tài)透水壩，其特征在于控制層、溢流層和穩(wěn)定層表面可以種植植物。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種生態(tài)透水壩，其特征在于植物為根系泌氧能力較強、脫氮除磷效果好的品種。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種生態(tài)透水壩，其特征在于所述的植物為美人蕉、香蒲、菖蒲、蘆葦或香根草。
7.一種生態(tài)透水壩的設(shè)計與施工方法，其步驟為(a)根據(jù)當(dāng)?shù)厮?、氣象資料及地形地貌資料，帶入面源計算公式，估算面源污染的設(shè)計流量；(b)勘測現(xiàn)場，筑壩地址前河道長度或溝唐的容積要足夠容納面源污染的設(shè)計流量，通過測量筑壩河道的深度、寬度、底坡和邊坡，估算生態(tài)透水壩的幾何尺寸和結(jié)構(gòu)；(c)獲得生態(tài)透水壩的幾何尺寸和設(shè)計流量的范圍后，將其代入生態(tài)透水壩梯形滲流計算模型中進行試算，得到生態(tài)透水壩的設(shè)計參數(shù)；(d)根據(jù)選定的設(shè)計滲透系數(shù)、已知的各種不同規(guī)格筑壩材料的滲透系數(shù)和滲流力學(xué)中的串聯(lián)混合滲透系數(shù)計算公式，得到生態(tài)透水壩筑壩材料的級配；(e)生態(tài)透水壩的設(shè)計過程完成后，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，然后根據(jù)生態(tài)透水壩的設(shè)計參數(shù)進行堆筑。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種生態(tài)透水壩的設(shè)計與施工方法，其特征在于步驟(c)中筑壩材料的滲透系數(shù)為0.01m·d-1～1.0m·d-1，以及徑流在壩體內(nèi)的停留時間為1.0hr～4.0hr。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的一種生態(tài)透水壩的設(shè)計與施工方法，其特征在于步驟(e)中壩體材料堆筑完成后，往圍堰內(nèi)放水，開始種植選定植物，待植物成活后，拆除圍堰投入運行。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種生態(tài)透水壩及其設(shè)計與施工方法。生態(tài)透水壩位于非行洪河道內(nèi)，其剖面為梯形復(fù)式結(jié)構(gòu)，壩坡的邊坡系數(shù)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(wěn)定層。生態(tài)透水壩的設(shè)計流程為首先勘測筑壩地址的地形條件和查詢水文氣象資料或其他設(shè)計資料，得到生態(tài)透水壩的幾何參數(shù)和設(shè)計流量，將上述參數(shù)代入滲流力學(xué)中的杜平公式中進行試算，得到合理的滲透系數(shù)和停留時間，然后進行生態(tài)透水壩進一步的設(shè)計，選擇合適的礫石級配、筑壩材料、種植植物。本發(fā)明具有以下顯著的優(yōu)點無動力運行、降低了建設(shè)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(yōu)先權(quán)日2006年4月27日
發(fā)明者田猛, 張永春 申請人:國家環(huán)境保護總局南京環(huán)境科學(xué)研究所