一种雨水径流梯级阻控技术模拟装置

1.本实用新型属于城区雨水污染物管理领域，涉及在原有自然护岸的基础上，针对雨水径流污染，设计一种集透水铺装、生态护岸和垂直流式人工湿地一体化的梯级阻控技术模拟装置。


背景技术：

2.我国目前的城镇人口约为6.3亿人，到2020年若全国人口达到14.5亿人，城镇化率达到60％，则城镇人口将为8.7亿人。城镇化进程将不可避免地导致大规模的人流、物流、能流在空间上的快速集聚和扩散，污染负荷也将随之增大，城市水环境将面临着更加严峻的挑战。城市流域水环境问题近年来广受重视，而城市饮用水源地作为影响饮用水安全的重要因素，其水质的健康至关重要。随着时代的发展，水环境问题越来越严重，特别是饮用水安全受到很大的威胁。因此水源地流域水环境保护非常重要，尤其是在人口众多，水需求量大的城市地区。
3.透水铺装技术在城市低影响开发(lid)措施中应用广泛，能够很好截留雨水径流污染物，同时削减径流量；生态护岸是阻挡面源污染进入河道的最后一道屏障，目前各种生态护岸技术(植被混凝土护岸、石笼护岸、生态袋护岸等)均发展较为成熟，在阻滞雨水径流污染的同时，能够起到美化环境的作用；人工湿地在雨水径流截留方面也有一定工程案例，研究表明将雨水径流集中起来输送至人工湿地中，人工湿地同样能够削减一定污染负荷。组合生态技术也是目前常用的污染截留措施，如将生态护岸与人工浮岛结合、将多种人工湿地串联起来等。对于水源地水质安全保障、雨水径流污染物的截留阻控中，目前尚无将透水铺装、生态护岸以及人工湿地技术结合起来的应用报道。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术的不足，更加有效地去除雨水径流污染物，本实用新型提供了一种雨水径流梯级阻控技术模拟装置及其方法，在近自然护岸的基础上，集透水铺装、生态护岸和垂直流式人工湿地一体化的梯级阻控技术组合模拟装置，在利用单个透水铺装技术装置、生态护岸技术装置和垂直流式人工湿地中的基质、土壤、植物及微生物对污染物的去除效果的耦合，从而增加雨水径流污染物的去除率，减少对自然水体的污染。并且通过设置导流板和抽插结构使装置增强了模拟效果。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案包括：
5.本实用新型提供了一种雨水径流梯级阻控技术模拟装置，包括导流板，透水铺装装置，生态护岸装置，人工湿地装置。
6.(1)导流板：为了使模拟的地表径流形成更为真实和均匀，本实用新型在装置入口处设置了一块导流板，导流板固定在外部支撑架上，布水装置将水喷射在导流板上，水流在导流板上经过一定的反射后流下，从而使径流能形成冲刷效果，并更为均匀地流至透水铺装装置上，使径流模拟更为真实，并增加透水铺装单元的使用效率，进而增加装置整体的处
理能力。
7.导流板材质为有机玻璃，长420mm，宽300mm，厚2mm
8.(2)透水铺装装置：自上而下铺设透水铺装面层、透水铺装级配砂砾层、透水铺装级配碎石层、透水铺装基层、透水铺装陶粒层、土工无纺布、土基层、透水铺装陶粒层、土工无纺布。
9.透水铺装面层由透水砖组成，60mm厚；
10.透水铺装级配砂砾层由粗砂与中砂、砾石组成混合比例为体积比1:1:2，50mm厚；
11.透水铺装级配碎石层由沸石组成，90mm厚；
12.透水铺装基层由加气混凝土碎块和陶粒组成，混合比例为体积比1:1，90mm厚；
13.透水铺装陶粒层由陶粒组成，10mm厚；
14.土基层由当地土壤和沙子5:1搅拌混合组成，190mm厚；
15.透水铺装装置底部设有一个取样阀和一个集水槽。
16.透水铺装装置整体高550mm，长400mm，宽300mm
17.透水铺装装置外部设有装置外壁，厚度为10mm。
18.(3)生态护岸装置：自上而下铺设土基层、透水铺装陶粒层、土工无纺布；土基层的顶面与水平面形成斜坡，斜坡角度a(12
°
～30
°
，可根据需要自行设置)，在生态斜坡护岸装置中的土基层上铺设土壤并且种植狗牙根和黑麦草；
19.土基层由当地土壤和沙子5:1搅拌混合组成；
20.透水铺装陶粒层厚10mm，由陶粒组成。
21.生态护岸装置底部设有两个取样阀和两个集水槽。
22.生态护岸装置短边高310mm，长边高550mm，宽750mm，长400mm。
23.生态护岸装置外部设有装置外壁，厚度为10mm。
24.(4)人工湿地装置：在垂直流湿地装置中，自上而下铺设人工湿地砾石层、人工湿地陶粒层、土基层以及透水铺装陶粒层、土工无纺布；铺设砾石、陶粒、土壤，并且在人工湿地砾石层和人工湿地陶粒层中间种植香蒲和美人蕉。
25.人工湿地砾石层厚50mm，由砾石组成；
26.人工湿地陶粒层厚50mm，由陶粒组成；
27.土基层由当地土壤和沙子5:1搅拌混合组成，厚100mm；
28.透水铺装陶粒层厚10mm，由陶粒组成；
29.人工湿地装置长400mm，宽300mm，高310mm。
30.人工湿地装置外部设有装置外壁，厚度为10mm。
31.人工湿地装置底部设有一个取样阀和一个集水槽.
32.其中，本实用新型模拟装置的土壤和种植的植物可以根据当地的实际情况进行配选，本模拟装置采用的是上海市金泽水源地的土壤和植物。在模拟雨水径流的状况下，各个单元对雨水径流中不同的污染物起到截留净化作用。
33.优选地，本实用新型使用的材质粒径分别为：陶粒5
‑
8mm、砾石5
‑
8mm、沸石4
‑
8mm、粗砂5
‑
8mm、中砂3
‑
6mm、加气混凝土20
‑
30mm。
34.根据陶粒、沸石、砂子等基质，植物，土壤，微生物对氮磷等污染物的吸附降解作用，对雨水径流中的污染物进行去除。
35.优选地，取样阀的规格为国标四分之一内螺纹，螺距为1.5mm；
36.优选地，集水槽的渗水孔的孔径设计为5mm；
37.(5)抽插结构及可活动隔板：为了增加装置的适应性，本实用新型在三个装置间使用了抽插机构及可活动隔板，可以根据实际需要对装置进行分离和组合以适应多种情况。
38.优选地，本实用新型所述透水铺装、生态护岸、人工湿地模拟装置和所有的抽插结构及可活动隔板的材质均为有机玻璃材料；
39.进一步，基于以上装置，本实用新型还提出了一种集透水铺装、生态护岸和垂直流式人工湿地一体化的雨水径流污染物梯级阻控技术方法，其截留雨水径流污染物步骤如下。
40.在图1a中，喷淋布水至导流板上，形成模拟径流后依次通过透水铺装装置，生态护岸装置以及人工湿地装置，通过基质和植物的作用对污染物形成层层去除的效果。
41.首先在图2(透水铺装装置)中，雨水径流先通过透水铺装面层，再依次通过透水铺装级配砂砾层、透水铺装级配碎石层、透水铺装基层、透水铺装陶粒层、土工无纺布、土基层、底层陶粒层以及土工无纺布。
42.在图2中，在雨水径流配水通过透水铺装装置时，通过取样阀可采集流过整个透水铺装装置的集水槽里的水样，对整个透水铺装装置的净水功能进行评估。
43.其次，雨水径流量大于100ml/min的情况下，继续流向生态护岸装置，在图3中，角度a(12
°
～30
°
，可根据需要自行设置)用来描述生态护岸的坡度，雨水径流从土基层上方的植物流入土基层以及透水铺装陶粒层，下部设有土工无纺布。
44.在图3中，在雨水径流配水流过生态护岸装置时，通过取样阀采集经过土基层及其上种植的植物的污水，对整个生态护岸装置的净水功能进行评估。
45.若雨水径流量小于150ml/min，在透水铺装装置和生态护岸装置就能够被处理，在雨水径流量足够大的情况下，流入人工湿地装置(图4)，在人工湿地装置中，雨水径流依次流过人工湿地砾石层、人工湿地陶粒层、土基层、透水铺装陶粒层以及以及土工无纺布，污染物逐步被截留下来。
46.在图4中，在雨水径流配水流过人工湿地装置时，经过人工湿地植物(美人蕉)、基质以及土壤的处理，通过取样阀采集雨水径流，可得出整个一体化装置对污染物的去除率，进而计算出人工湿地装置的雨水径流净化率。
47.本实用新型的有益效果在于：
48.本实用新型集透水铺装、生态护岸和垂直流式人工湿地一体化的梯级阻控技术，并设计了模拟装置，可以在单个成熟的透水铺装技术、生态护岸技术和人工湿地技术基础上，将三者对污染物的去除能力耦合起来，形成一种梯级阻控技术，在近自然原则的基础上，能够利用透水铺装、生态护岸、人工湿地对污染物的层层截留作用，从而对雨水径流达到一种梯级阻控的效果。
49.在这基础上，可以调节的导流板和可以抽插的隔板使装置具有较强的适应能力，可以根据情况对模拟装置进行调节，避免了装置的反复拆装，也利于模拟实验的后期优化。
50.本实用新型能够降低生态护岸的成本，将透水铺装、生态护岸、人工湿地技术结合，与传统生态护岸对比，能够对污染物起到更好的去除效果；并且结构简单、调整灵活、适应性强、造价低，易于推广到工程应用。在近自然护岸的基础上，集透水铺装、生态护岸和垂
直流式人工湿地一体化的梯级阻控技术组合模拟装置。在利用单个透水铺装技术装置、生态护岸技术装置和垂直流式人工湿地中的基质、土壤、植物及微生物对污染物的去除效果的耦合，从而增加雨水径流污染物的去除率，减少对自然水体的污染。并且通过设置导流板和抽插结构使装置增强了模拟效果。
附图说明
51.图1a
‑
1c是本实用新型的整体装置三视图。
52.图2是本实用新型透水铺装装置侧视图。
53.图3是本实用新型生态护岸装置的侧视图。
54.图4是本实用新型人工湿地装置的侧视图。
55.图1a
‑
4中：
56.1.导流板；2.透水铺装面层；3.透水铺装级配砂砾层；4.透水铺装级配碎石层；5.透水铺装基层；6.透水铺装陶粒层；7.土基层；8.人工湿地砾石层；9.人工湿地陶粒层；10.取样阀；11.集水槽；12.装置外壁；13.抽插结构及可活动隔板14.土工无纺布；15.透水铺装装置；16.生态护岸装置；17.人工湿地装置。
57.图5
‑
1是本实用新型实施例1透水铺装装置污染物去除率变化。
58.图5
‑
2是本实用新型实施例1生态护岸装置污染物去除率变化。
59.图5
‑
3是本实用新型实施例1人工湿地装置污染物去除率变化。
60.图6
‑
1是本实用新型实施例2透水铺装装置污染物去除率变化。
61.图6
‑
2是本实用新型实施例2生态护岸装置污染物去除率变化。
62.图6
‑
3是本实用新型实施例2人工湿地装置污染物去除率变化。
63.图7
‑
1是本实用新型实施例3透水铺装装置污染物去除率变化。
64.图7
‑
2是本实用新型实施例3生态护岸装置污染物去除率变化。
65.图7
‑
3是本实用新型实施例3人工湿地装置污染物去除率变化。
具体实施方式
66.结合以下具体实施例和附图，对实用新型作进一步的详细说明。实施本实用新型的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本实用新型没有特别限制内容。
67.根据装置图，选择填充基质以及种植植物，结合实地考察以及文献调研调整雨水径流配水流量以及浓度，对本实用新型一体化雨水径流梯级阻控技术装置的污染物去除能力进行实验检测。
68.实施案例1
69.根据文献调研以及实地调研，根据降雨强度，设计装置雨水径流流量为150ml/min，生态护岸装置16部分坡度a为15
°
，低配水浓度参数设计如下：
70.表1
‑
1低配水浓度参数
[0071][0072]
本实用新型使用蠕动泵(型号：longer bt100
‑
2j；流量范围：0
‑
180ml/min)，所有基质材料自来水冲洗3次，晾干后备用。降雨历时设计为30h，设计初期雨水径流时间为15min，在装置出水稳定后，前15min内，每隔5min采样一次，15min过后，分别间隔0.5h、1h、1.5h、2h、4h、8h、12h采样一次。
[0073]
本实用新型污染物截留实验过程如下：
[0074]
在图2中，在雨水径流配水通过透水铺装装置15时，通过取样阀10可采集流过整个透水铺装装置15的集水槽11里的水样，对整个透水铺装装置15的净水功能进行评估。
[0075]
在图3中，在雨水径流配水流过生态护岸装置16时，通过取样阀10采集经过土基层7和植物层的污水，对整个生态护岸装置16的净水功能进行评估。
[0076]
在图4中，在雨水径流配水流过人工湿地装置17时，经过人工湿地植物(美人蕉)、基质以及土壤的处理，通过取样阀10采集雨水径流，可得出整个一体化装置对污染物的去除率，进而计算出人工湿地装置17的雨水径流净化率。
[0077]
根据采样得出的数据如图5
‑
1、5
‑
2、5
‑
3所示。
[0078]
表1
‑
2水质指标分析方法
[0079][0080]
根据图5
‑
1到图5
‑
3的结果来看，透水铺装装置15对各个污染物的去除率可达到80
‑
90％左右，生态护岸装置16对各个污染物的去除率在80％以上，人工湿地装置17对各个污染物的去除率也可达到80％左右，整个装置对污染物的去除率在90％以上，能够有效截留污染物。
[0081]
实施案例2
[0082]
根据文献调研以及实地调研，根据降雨强度，设计装置雨水径流流量为150ml/min，生态护岸装置16坡度a为15
°
，低配水浓度参数设计如下：
[0083]
表2
‑
1配水浓度参数
[0084][0085]
本实用新型使用蠕动泵(型号：bt100
‑
2j；流量范围：0
‑
180ml/min)，所有基质材料自来水冲洗若干次，晾干后备用。降雨历时设计为30h，设计初期雨水径流时间为15min，在装置出水稳定后，前15min内，每隔5min采样一次，15min过后，分别间隔0.5h、1h、1.5h、2h、4h、8h、12h采样一次。
[0086]
本实用新型污染物截留实验过程如下：
[0087]
在图2中，在雨水径流配水通过透水铺装装置15时，通过取样阀10可采集流过整个透水铺装系统的集水槽11里的水样，对整个透水铺装装置15的净水功能进行评估。
[0088]
在图3中，在雨水径流配水流过生态护岸装置16时，通过取样阀10采集经过土基层7和植物层的污水，对整个生态护岸装置16的净水功能进行评估。
[0089]
在图4中，在雨水径流配水流过人工湿地装置17时，经过人工湿地植物(美人蕉)、基质以及土壤的处理，通过取样阀10采集雨水径流，可得出整个一体化装置对污染物的去除率，进而计算出人工湿地部分的雨水径流净化率。根据采样得出的数据如图6
‑
1、6
‑
2、6
‑
3所示。
[0090]
表2
‑
2水质指标分析方法
[0091][0092]
根据图6
‑
1到图6
‑
3的结果来看，在污染物原始浓度较大的情况下，透水铺装装置15、生态护岸装置16以及人工湿地装置17对各个污染物的去除率仍然可达到80％左右，整个装置对污染物的去除率在90％以上，能够有效截留污染物。
[0093]
实施案例3
[0094]
根据文献调研以及实地调研，根据降雨强度，设计装置雨水径流流量为300ml/min，生态护岸装置16坡度a为15
°
，低配水浓度参数设计如下：
[0095]
表3
‑
1低配水浓度参数
[0096][0097][0098]
本实用新型使用蠕动泵(型号：bt100
‑
2j；流量范围：0
‑
180ml/min)，所有基质材料自来水冲洗若干次，晾干后备用。降雨历时设计为30h，设计初期雨水径流时间为15min，在装置出水稳定后，前15min内，每隔5min采样一次，15min过后，分别间隔0.5h、1h、1.5h、2h、4h、8h、12h采样一次。
[0099]
本实用新型污染物截留实验过程如下：
[0100]
在图2中，在雨水径流配水通过透水铺装装置15时，通过取样阀10可采集流过整个透水铺装装置15的集水槽11里的水样，对整个透水铺装装置15的净水功能进行评估。
[0101]
在图3中，在雨水径流配水流过生态护岸装置16时，通过取样阀10采集经过土基层7和植物层的污水，对整个生态护岸装置16的净水功能进行评估。
[0102]
在图4中，在雨水径流配水流过人工湿地装置17时，经过人工湿地植物(美人蕉)、基质以及土壤的处理，通过取样阀10采集雨水径流，可得出整个一体化装置对污染物的去除率，进而计算出人工湿地装置17的雨水径流净化率。根据采样得出的数据如图7
‑
1、7
‑
2、7
‑
3所示。
[0103]
表3
‑
2水质指标分析方法
[0104][0105]
根据图7
‑
1到图7
‑
3的结果来看，在增大流量的情况下，透水铺装装置15、生态护岸装置16以及人工湿地装置17对各个污染物的去除率仍然可达到80％左右，整个装置对污染物的去除率在90％以上，能够有效截留污染物。
[0106]
综上，根据各个实施案例结果，发现本实用新型装置能够对雨水径流污染起到很好的截留效果，在各个坡度以及浓度等条件调控下，去除效果均可达到80％以上，且所使用
的基质等价格低廉易得，能够应用到不同护岸条件的雨水径流截留中。与以往硬质护岸以及各种单一型生态护岸相比，本实用新型装置将透水铺装和生态护岸及人工湿地结合到一起形成梯级阻控技术，能够对雨水径流起到更好截留作用，且造价较低，易于推广应用。
[0107]
集水槽11和装置外壁12为一体成型有机玻璃板，抽插结构及可活动隔板13为抽插式结构。
[0108]
对于模拟透水铺装设施，可将抽插结构及可活动隔板13插入凹槽，使透水铺装装置15独立可用。
[0109]
对于模拟生态护岸设施，可将生态护岸装置16两侧的抽插结构及可活动隔板13插入凹槽，使生态护岸装置16独立可用。
[0110]
对于模拟人工湿地设施，可将两块抽插结构及可活动隔板13抽出，使装置单元之间联通，形成大型的人工湿地模拟装置。
[0111]
对于透水铺装、生态护岸和人工湿地的联合模拟设施，可根据需求抽插结构及可活动隔板13，组合不同单元。
[0112]
本实用新型的保护内容不局限于以上实施例。在不背离实用新型构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本实用新型中，并且以所附的权利要求书为保护范围。