专利名称：平原河网地区面源污染强化净化前置库系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及面源污染治理系统，具体地说是平原河网地区面源污染强化净化前置库系统。
背景技术：
前置库英文称pre-dam或pre-reservoir，从20世纪50年代末起，德国、丹麦、前捷克先后开展了利用前置库治理水体富营养化的研究和实践(KlausPütz，Jürgen Benndorf，The importance of pre-reservoirs for the controlof eutrophication of reservoirs，Water Science and Technology，1998，37(2)317-324)。在我国于桥水库和滇池面源污染控制中也运用了此项技术，先后有文章介绍(边金钟等，于桥水库富营养化防治前置库对策可行性研究，城市环境与城市生态，1994，7(3)5-9杨文龙等，前置库在滇池非污染源控制中的应用研究，云南环境科学，1996，15(4)8-10。)。
经典的前置库是在入湖口筑坝，建成位于主体湖泊水库上游的小型水库，用于截留进入主体水库的污染物。在以往的国内外研究中，前置库多设置在丘陵地区，需利用天然的坡降，来拦截泥沙和N、P营养物质，而且结构单一，仅有一个蓄水库区，经典的前置库在平原河网地区尚无应用的前例。
发明内容
1、要解决的技术问题针对平原流域面源污染(面源污染是针对点源污染提出的概念，是指没有固定的排放口，多点分散排放)严重，通过构建平原河网地区前置库面源污染强化净化系统，以去除流域内村镇地表径流以及其它未处理的污染源中N、P营养盐、悬浮固体。
2、技术方案平原河网地区面源污染强化净化前置库系统具体包括4个部分(1)地表径流收集与调节子系统(生态沟渠)
长度为100米以上，通过将降雨产生的地表径流和未处理的生活污水收集起来，进行初步处理，初步处理主要是通过河道自然净化的功能去除一部分悬浮物，以及少量的N、P营养物质来实现的。在设计上可以通过挖掘沟渠或利用现有河道沟渠适当改造，结合生态沟渠技术，收集地表径流并进行调蓄；调节系统的功能是调整水位，控制水流，可以利用建立闸站来实现。
(2)沉降子系统(植物栅)长度为10～100米，两岸护坡宽度分别为1～5米，河床中有生物格栅。生态河床利用库区入口的沟渠河床结合人工湿地原理构建而成，建立在生态沟渠(收集系统)后部，主要以去除地表径流中的颗粒物、泥沙为主要功能。这部分主要种植水生植物，以密度高(间隔10cm种植株)的挺水生植物为主，建成生物格栅，起到拦截、沉淀处理，同时对地表径流中的N、P、以及其它有机污染物也有一定的去除作用；(3)生态透水坝(生态透水坝强化净化子系统)砾石堆筑而成砾石床作为坝体，透水坝坝体沿河道方向宽度为1～15米，利用砾石构筑生态透水坝，透水坝以渗流方式过水，使坝前、坝后库区保持一定水位差，这时解决了了平原地区的径流汇集入库区的问题。砾石床位于生态透水坝后，砾石床种植的植物、砾石孔隙与植物根系周围的微生物共同作用，高效去除N、P及有机污染物。
(4)前置库库区在透水坝后建立前置库库区。首先根据汇流面积，地区降雨的情况确定库容，估算污染负荷强度。利用具有高效净化作用的生物浮床、生物操纵技术、水生植物带、固定化脱氮除磷微生物等，强化去除N、P、有机污染物。
以上四个部分依次连接形成一个完整的平原河网地区面源污染强化净化前置库系统，通过生态沟渠将降雨产生的地表径流和污染水体收集后，进行初步处理，初步处理后的地表径流流入生态河床，经生态河床中的生物格栅拦截、沉淀颗粒物和泥沙后的出水进入生态透水坝，通过生态透水坝的砾石床种植的植物、砾石孔隙与植物根系周围的微生物共同作用后最后汇入前置库库区。
在库区还可设置导流与回用系统，暴雨时雨水引入前置库后，可通过导流系统流出，处理后的出水可以回用，经回用系统也可进行综合利用。主要是由建造或现有的闸、站组成导流与回用系统，用以控制库区水位，防止库区暴溢，外排或回用净化处理过的地表径流。
可以在生态河床护坡种植灌木、草皮，河床里的水生植物为挺水植物。生态透水坝由坝体和植物构成，植物可以为水生植物也可以为陆生植物，水生植物常采用挺水植物，采用以下植物时效果好芦苇、美人蕉、萱草、香蒲、水芹、香根草、菖蒲，坝体底部的宽度大于顶部的宽度。生态透水坝砾石床由砂石层、砾石层和卵石层构成。
可以依照以下条件来建设前置库以减少工程的工作量和提高系统的处理效率①选择沟渠、小河、水塘或低洼地，进行建造或改造，建成前置库系统；②在汇水区域，径流易于收集，并且距离入湖河流、入湖河口较近，排水便利；③所涉及的河网水系流向清晰；④系统设计工艺参数和水力结构优化整合；⑤借助于当地生长又具有高效处理效果的生物种群，不引进外来物种。⑥前置库库容可通过下面公式初步确定V＝S*H(式中V为前置库库容m3，H为年均降雨量mm，S为地表径流的收集面积m2)3、有益效果平原河网地区面源污染强化净化前置库系统根据物理沉降与水生植物、微生物净化等机理，去除地表径流及其它未处理的污染源中的N、P等营养盐、悬浮固体和有机污染物，减少入湖污染负荷量，有效控制面源污染。通过4个子系统的联合作用，可实现去除TN60％，TP70％，SS80％的目标。为太湖及其它平原河网地区前置库建设、面源污染控制提供科学的、有效的可供借鉴的技术。
各部分处理效果见下表各系统的处理效果
四
图1为平原河网地区面源污染强化净化前置库系统的结构示意图。
五具体实施例方式
结合国家高技术研究发展计划的“河网区面源污染控制成套技术(2002AA601012)”的子专题，在江苏省宜兴市大浦镇浦南村(太湖地区)建立前置库强化净化系统，应用于平原河网区农村面源污染控制。
该系统的汇流面积约3平方公里，收集范围内有4条河流。主体库区占地约16000平方米。收集系统长度约3.6公里，沉降系统约700米。具体内容如下。
(1)生态沟渠(地表径流收集与调节子系统)所要清理的河沟共有4条，即A、B、C、D。每条河沟的设计基本特征如下表。
工程所在区域河沟的设计基本特征
*注高程均为吴淞高程体系。
(2)生态河床(沉降子系统)在地表径流进入渠道的入口处及其两侧设置生态台地，在渠道坡面构建生态护坡，在透水坝前渠道中设置生物格栅，共同构成生态沟渠沉降子系统，作为整个强化净化系统的初级处理单元。
浦南与厚和工程的沉降系统布设在湖滨公路至人民路之间220米范围的河道内，构建生态台地、生态护坡带及坝前生物格栅。
河渎工程的沉降系统布设在人民路以东至3号坝前400米河道内，构建生态台地、生态护坡带及坝前生物格栅。
用于调节的2号坝前100米河道则只布设生态护坡带及生物格栅。
浦南与厚和工程沉降系统生态护坡长为220m，宽各为2.5m，沿渠道坡面等高线布设三条植物带，种植灌木、草皮；台地长为220m，宽各为1.5m，高程为3.3m，台地种植水生植物；地表径流入口下方铺设生物砌块和石笼，石笼沿河流方向长5m，高1m，宽1m；生物格栅位于湖滨公路以西，距1号坝30m处，由土石床基和挺水植物组成，长为25m，宽为9m，床基高程3.1m。
河渎工程沉降系统生态护坡长为400m，其中250米布置在人民路至湖滨公路之间，150米布置在湖滨公路以东至3号透水坝前，宽各为2.5m，沿渠道坡面等高线布设三条植物带，种植灌木、草皮；台地长为400m，宽各为1.5m，高程为3.3m，生态台地种植挺水植物(芦苇、茭白、水葱)；地表径流入口下方铺设柴笼(由柳条构成)，柴笼沿河流方向长5m，高1m，宽1m；生物格栅距3号坝30m，由土石床基和挺水植物(菖蒲和香蒲)组成，长为20m，宽为9m，床基高程3.1m。
用于调节的2号坝前生物格栅，距2号坝20m，由土石床基和挺水植物(水葱、菖蒲)组成，长为20m，宽为9m，床基高程3.1m；生态护坡带长为70m，宽各为2.5m。
生态护坡采用草种混播和扦插活枝条两种复合结构，浦南与厚和工程护坡面积约为1450m2，河渎工程护坡面积约1250m2；厚和工程与河渎工程河道两侧台地挺水植物种植面积分别为660m2和750m2；浦南与厚和工程生物栅床基土石体积195m3，种植挺水植物200m2，河渎工程生物栅床基土石体积258m3，种植挺水植物240m2，用于调节的2号坝前生物栅床基土石体积168m3，种植挺水植物180m2。
(3)生态透水坝及砾石床生态透水坝由砾石按堆筑而成，共有3座，即浦南与厚河工程合用的1号坝，河渎工程的3号坝，以及位于厚和工程库区东侧，用于调节的2号坝。
1号坝坝长25m，坝底宽度13.6m，坝顶宽度2.6m，坝顶高程4.084m，坝底高程河道硬土高程相同。
2号坝坝长20m，坝底宽度13.6m，坝顶宽度2.6m，坝顶高程4.084m，坝底高程与图示位置的河道硬土高程相同。
3号坝坝长30m，坝底宽度17.6m，坝顶宽度6m，坝顶高程4.084m，坝底高程与河道硬土高程相同。
1、3号坝均由坝体、通风装置和植物系统组成，2号坝由坝体和植物(黑麦草、苏丹草)系统组成。坝前最高水位为4.1m，正常运行水位3.7m；坝后最高水位3.5m，正常水位高程3.3m。
砾石床砾石床布设在浦南与厚和工程透水坝后的河道上。其面积约2100m2，顶面标高3.5m，底面标高2.6m，长度约75m，宽度25～30m。砾石床的级配自上而下为，厚度20cm的砂石，直径1～4mm；厚度30cm的砾石，直径4～8mm；厚度50cm的卵石，直径16～32mm。
砾石床区沿河道中线用砖墙隔成两部分，各部分沿水流方向每15m用隔墙隔成4个的区域，区域之间间隔5m。
(4)前置库库区库区正常设计水深为2.5m，库底高程为0.9m，库区浅水区正常设计水深为1.0m，河底高程为2.4m，布置水生植物区。库区中心岛屿的面积为223m2，地面高程为4.0m。
库区边坡上设置一个宽为2m的平台，高程为2.9m。平台上种植挺水植物。
库区的生态工程主要包括生物(态)浮床系统、生物操纵系统、湿地植物净化系统、以及库区周边的陆生植物防护带等。
生物(态)浮床工程布置在库区进、出水处和环岛周围，总面积约占水面20％左右。上面种植花卉及蔬菜(美人蕉、蕹菜、水芹)，同时接种固定化高效脱氮、脱磷菌。
生物操纵在库区培植生物量大、生长迅速、体积大的藻类(硅藻)，或种植生物量大、生长迅速的沉水植物(伊乐藻)、浮叶植物(浮萍、水浮莲)，大量吸收水体中N、P等营养物质，同时根据食物链关系养殖不同类型的鱼类(草鱼、鳊鱼)和其它水生生物，通过捕捞水产品把N、P等营养物质转移出去。
湿地植物净化带在库区出水口布设长20米、宽20米的植物带(如睡莲等)，同时在库区边坡上3.4米高程处1.5m宽的平台上种植水生植物(如芦苇、茭白、水芋、茨菇、千屈菜、水葱等)，吸收水体中的N、P等营养物质。
陆生植物防护带在库区周边1110m堤岸上种植宽的灌丛，边坡种植1m宽的草皮护坡。
(5)导流与回用子系统本示范工程的导流与回用系统，主要是由闸、站组成，用以控制库区水位，防止库区暴溢，外排或回用净化处理过的地表径流。
河道通过清淤达到以下设计标准D河道堤顶高程东岸为4.6m，西岸为4.4m，林庄港水闸下游河道的堤顶高程为4.7m，其它河道堤顶高程均为4.9m，所有河道河底高程为1.9m，边坡为1∶1.5。
穿越居民区且距房屋等建筑物较近的河段设重力式浆砌块石挡土墙。将沿大浦中学围墙的排水沟挖深，河底高程为2.4m，堤顶高程4.9m，底宽0.5m。
水利部门原有节制闸4处，即厚和港西闸、河渎港西闸、D河与大浦港相交处控制闸及老镇政府附近的殷天门闸，均需改造为双向控制水闸。
除利用水利部门现有的D河与大浦港相交处泵站、以及厚和港西泵站外，重新建造一座节制闸、一座泵站。泵站设计流量1.0m3/s。
通过本系统处理后的出水，进入林庄港，最终进入太湖。本系统出水最终实现泥沙、P、N去除达90％、80％、70％。
在其他地区实施时，可以借助于已有的沟渠、库区、闸、站改造来完成平原河网地区面源污染强化净化前置库系统的建造，以减少工作量。
权利要求
1.平原河网地区面源污染强化净化前置库系统，其特征在于包括以下四个部分(1)地表径流收集与调节子系统，沟渠长度大于100米，挖掘沟渠或利用平原河网地区沟渠结合生态沟渠技术改建而来；(2)沉降子系统，长度为10～100米，两岸护坡宽分别为1～5米，利用库区入口的沟渠河床结合人工湿地原理构建而成，种植水生植物，建成生物格栅；(3)生态透水坝，砾石堆筑而成，透水坝坝体沿河道方向宽度为1～15米；(4)前置库库区，面积不小于50m2，设计水深为1.0～3.0m，采用生物浮床、生物操纵技术、水生植物带、固定化脱氮除磷微生物其中的一种或任几种方案；以上四个部分依次相连形成一个完整的平原河网地区面源污染强化净化前置库系统，通过生态沟渠将降雨产生的地表径流和未处理的污染水体收集后，流入生态河床，经生态河床中的生物格栅作用后进入生态透水坝，通过生态透水坝后最后汇入前置库库区。
2.根据权利要求1所述的平原河网地区面源污染强化净化前置库系统，其特征在于库区设置导流与回用系统，暴雨时雨水引入前置库后，可通过导流系统流出，处理后的出水经回用系统也可进行综合利用。
3.根据权利要求1或2所述的平原河网地区面源污染强化净化前置库系统，其特征在于设置双向闸门、泵站调控系统，用以保持系统的正常设计水位和水体流动。
4.根据权利要求2所述的平原河网地区面源污染强化净化前置库系统，其特征在于透水坝后建砾石床，床上种植植物。
5.根据权利要求2所述的平原河网地区面源污染强化净化前置库系统，其特征在于沉降子系统河床护坡种植灌木、草皮，水生植物为挺水植物、沉水植物。
6.根据权利要求1或2或4所述的平原河网地区面源污染强化净化前置库系统，其特征在于生态透水坝及砾石床由砂石层、砾石层和卵石层构成。
7.根据权利要求6所述的平原河网地区面源污染强化净化前置库系统，其特征在于生态透水坝由坝体和植物构成，坝体底部的宽度大于顶部的宽度。
8.根据权利要求4或5所述的平原河网地区面源污染强化净化前置库系统，其特征在于水生植物为生物量大、生长迅速的漂浮植物或沉水植物。
9.根据权利要求4或5所述的平原河网地区面源污染强化净化前置库系统，其特征在于生物浮床是以塑料泡沫扳或竹子为浮体在其上种植花卉或蔬菜；生物操纵技术为在库区培植漂浮植物或沉水植物，同时养殖鱼类或收获植物。
全文摘要
本发明公开了一种平原河网地区面源污染强化净化前置库系统。该系统包括4个部分(1)地表径流收集与调节子系统(生态沟渠)；(2)沉降子系统(植物栅)；(3)生态透水坝(生态透水坝强化净化子系统)；(4)前置库库区。以上四个部分依次连接形成一个完整的平原河网地区面源污染强化净化前置库系统。该系统去除地表径流及其它未处理的污染源中的N、P等营养盐、悬浮固体和有机污染物，减少入湖污染负荷量，有效控制面源污染。通过4个子系统的联合作用，可实现去除TN60％，TP70％，SS80％的目标。为太湖及其它平原河网地区前置库建设、面源污染控制提供科学的、有效的可供借鉴的技术。
文档编号E02B1/00GK1621622SQ20041006616
公开日2005年6月1日 申请日期2004年12月10日 优先权日2004年12月10日
发明者张永春, 张毅敏, 胡孟春, 张龙江, 田猛, 唐小燕, 吴小敏 申请人:国家环境保护总局南京环境科学研究所