河湖渠道底部水体生态治理装置、生态治理方法和设计方法与流程

本发明涉及一种河湖渠道底部水体生态治理装置、生态治理方法和设计方法，是一种生态治理和保护的装置和设计方法，是一种用于防治水华、改善生态环境的装置和设计方法。

背景技术：

1、城市河湖中，底部存在大量沉积物，沉积物中普遍存在氮、磷、有机物等污染物，甚至含有金属化合物。水体沉积物表面通常含有95％～99％的水，其中，只有一小部分与其它组分结合成水合物，大部分以自由移动的介质形态存在，即间隙水。间隙水和上部水体之间有很大的浓度梯度，这种浓度梯度导致了氮、磷、有机物等污染物从沉积物中释放，形成通过沉积物-水界面向上覆水的扩散通量，使上层水体富含氮、磷及有机物，导致水体富营养化。

2、河湖水体中大量氮、磷及有机物促使藻类大量繁殖，抑制沉水植物生长，阻碍水体复氧，使水中浮游生物缺氧死亡。水生生物在死亡后分解、矿化形成耗氧有机物及氨氮，导致出现季节性水体黑臭现象。水温升高将加快水体中微生物和藻类残体分解有机物及氨氮速度，加快水中溶解氧的消耗，加剧水体黑臭。水体黑臭主要是水体缺氧造成的，同时也与水体富营养化和沉积物沉积有关。

3、现有技术解决上述问题的方法主要有曝气、换水、补水、清淤、生态浮床等措施，在这些方法中，除清淤之外其它方法均是针对上部水体采取的措施，并不能从根本上解决问题。而清淤是针对底部沉积物采取的措施，能够从根本上解决藻类大量繁殖的问题，但现有的技术所采取的清淤方法主要采用人工清淤或采用机械方式进行清淤。人工或机械方式进行清淤是一个需要消耗大量人力物力财力的工作，如果水体经常遭到污染，还需要经常不断的进行清淤工作，否则水体污染现象会不断发生，这几乎成了现有城市河流治理难点。

4、实际中，只有沉积物表层20cm部分的污染物才向上部水体释放、扩散，沉积物表层污染物释放、扩散的强度、通量均较低时，上部水体污染程度自然减轻。

5、自然界水中氮、磷及有机物的去除途径包括微生物的吸收转化、植物吸收吸附、氧化、颗粒物质的重力沉降以及植物对颗粒态物质的拦截等，是物理、化学、生物等多方面的综合作用，其中，水生植物起着至关重要的作用。

6、在水培条件下，植物的养分供给均源于水体，底部水体中具有丰富的氮磷物质向水表传输，促使其旺盛生长，水生植物在污水处理过程中的作用与其生长状况密切相关，生长越旺盛，生物量越大，其净化作用越大；微生物的吸收转化是氨氮、硝态氮、溶解性磷、小分子有机物的主要去除途径，水生植物为微生物的主要载体，为微生物的生长繁殖提供了充足的空间，增加了微生物及植物与氮、磷及有机物的接触面积和机会；挺水植物将光和作用产生的或是叶片吸收的氧气通过气道输送至根部，在植物根区的还原态介质中形成氧化态的区域环境，沉水植物的茎、叶均能进行光合作用，在整个植株体周围均能形成好氧-厌氧微环境，为氮、磷和有机物的转化提供了有利条件和保障；水生植物体能形成特殊的生物膜结构，对污染物的过滤、吸附、吸收和转化等有相当重要的作用，且表面也是重金属相有机物沉积的场所。

7、植物生长越旺盛，净化效果越显著。然而，水生植物的生长与水深、水质有密切关系，如挺水植物，只能在一定水深条件下才能生长，沉水植物只能在一定透明度条件下才能生长。一些人工渠道，包括经过河坡治理的城市河道，河岸是直上直下的，水深也不断变化，水生植物很难生长发育。如何不断的进行水底清淤，并能在水深较深的水体中种植能够起到净化作用的水生植物是一个需要解决的问题。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种河湖渠道底部水体生态治理装置、生态治理方法和设计方法。所述的装置和方法及设计方法使用有连通管的上下两部分箱体利用水面蒸发、植物蒸腾作用，无需任何人工或机械作用下，不断的将水体底部的淤泥输送至水体表层，为上箱体中所种植的水生植物提供养分，改善了河流湖泊的水环境。

2、本发明的目的是这样实现的：一种河湖渠道底部水体生态治理装置，包括：沉于水下并接近水底的下箱体和顶端敞开半沉水中并浮出水面的上箱体，所述的上箱体和下箱体之间由能够伸缩的连通管连接；所述的连通管在上箱体中的出口处周围设有调节上箱体在水面悬浮深度的上中空箱，所述的上中空箱顶部种植挺水植物，所述的上中空箱周围设有种植沉水植物的深水区，所述的上箱体内水体的水面与上箱体外水体的水面相互隔绝，底部连通；所述的连通管在下箱体的进口为喇叭形，周围设调节下箱体距离水底深度的下中空箱；所述的上箱体和下箱体设有防止被水流冲走的设施。

3、进一步的，所述的上箱体和下箱体的竖直截面形状为矩形，水平截面形状为多边形，材质为玻璃钢或工程塑料。

4、进一步的，所述的多边形的上箱体中挺水植物与沉水植物的种植面积的比例为2：1～3：2。

5、进一步的，所述的上箱体和下箱体的竖直截面形状为矩形，水平截面形状为圆形，圆形上箱体的中心为连通管，周围同心圆分布种植挺水植物，挺水植物周围同心圆分布种植沉水植物，挺水植物分布的圆形直径与沉水植物分布的直径之比为0.7～0.8。

6、进一步的，所述的上箱体上缘高出外水体0.4～0.6米。

7、进一步的，所述的上箱体内设有箱式种植体，所述的箱式种植体的外形为水平截面为矩形的六面体，顶部敞开，底部和左右两侧封闭，前后两侧为透水壁。

8、进一步的，所述的透水侧壁的透水面积为50％～70％。

9、进一步的，所述的防止被水流冲走的设施是固定在水底或岸边的锚柱和分别与上箱体和下箱体固定连接的锚环，所述的上箱体和下箱体用锚环套在锚柱上，使上箱体和下箱体能够沿锚柱上下浮动。

10、一种使用上述生态治理装置的河湖渠道底部水体生态治理方法，所述方法包括如下步骤：

11、步骤1，设置下箱体：将下箱体的锚环套在锚柱上，通过在下中空箱中注入粗砂或水，调节下箱体在水中的位置，保证下箱体与水体底部距离为0.3～0.5m；

12、步骤2，设置上箱体：用连通管将下箱体与上箱体连接，并将上箱体的锚环套在锚柱上，在上箱体中放入种植挺水植物或沉水植物的箱式种植体，对箱式种植体进行组合，形成挺水植物和沉水植物的面积比为2：1～3：2，以及多个植物品种，确保生物多样性；在上中空箱中注入粗砂或水，调节上箱体在水面的沉浮度，以确保上箱体上缘高出水面0.4～0.6米；

13、步骤3，吸纳水体底部：在水面蒸发、植物蒸腾作用下使上箱体内的水量减少，形成上箱体内水位下降的趋势，这一水位下降趋势在连通管中形成向下箱体吸取水量的趋势，继而形成向上的自然水流，在下箱体的扩口作为下，水流吸取扩口范围的水体底部沉积物至上箱体中，并在上箱体中扩散作为上箱体中植物的养分；

14、步骤4，降雨稀释水体底部：降雨时，雨水在上箱体内聚集，形成涨水的趋势，这一涨水趋势形成对连通管中的向下压力，继而形成连通管中向下的自然水流，向下水流会产生对水体底部沉积物的搅动作用，并稀释水底的杂质含量。

15、一种权利要求上述的河湖渠道底部水体生态治理装置的设计方法，所述设计方法包括：

16、上箱体大小的确定：上箱体范围内的蒸发、蒸腾水量之和与上部结构的平面面积的比值小于0.1；

17、连通管管径的确定：连通管管径应满足植物旺盛生长期耗水及蒸发量均较大时，或强降雨时，上下结构体之间水流畅通要求，连通管管直径不小于0.1m；

18、连通管长度的确定：连通管的长度为河湖水深与上箱体和下箱体高度之差；

19、生态治理装置的布置：为保证净化效果，河湖水面面积30％-40％范围内布置生态治理装置，生态治理装置之间的净间距大于上箱体平面外部轮廓尺寸；

20、水生植物配置：

21、水生植物选择原则：

22、(1)具有较强的耐污性；

23、(2)选取不同生长周期的植物；

24、(3)生物量大；

25、(4)耐刈割；

26、(5)多年生；

27、(6)多样性；

28、沉水植物的基本要求：

29、(1)具有较强的抗污能力；

30、(2)光合补偿点低，能在弱光水中生长；

31、(3)具有较大的越冬生物量；

32、植物的布局原则：

33、(1)据水质条件，水生植物应具有耐污性，植物耐污性由强至弱布置；

34、(2)据生态学特性，依次布置挺水植物、沉水植物；

35、(3)单优群落分区域进行布局，以便于管控；

36、(4)生物多样性：选择3种不同品种、形态的植物，增加生态位，保证生态系统的多样性和稳定性，确保净化效果；

37、(5)力求不同生长期的植物无缝衔接，特别是早春、晚秋季节，配置相应植物，保证长久、持续的净化效果。

38、植物的布局：

39、根据水质条件和植物特性，按一定的比例在空间、时间分布方面进行安排：

40、水平空间配置：依水流、水质、水深条件，依次布置耐污、生长快、繁殖能力强、环境效益好的挺水植物和沉水植物。

41、垂直空间配置：考虑不同生活型植物群落与不同植物群落对水深的要求，随水深的加深，分别选用不同生活型或同一生活型不同生长型的水生植物，分别占据不同的生态空间。

42、季节配置：选择萌发早、成熟晚、冬季仍生存生长的植物，保证低温、寒冷季节仍具有净化能力。

43、配置及管理方案：

44、在一处水面，须布置多个生态治理装置，水生植物配置采用多种组合，力求生态多样性，这样才能保证生态系统的稳定性和净化效果。每个上箱体内的植物类型不同，在一个上箱体中，挺水植物区种植3种挺水植物，沉水植物区种植2种或3种沉水植物。

45、本发明的优点和有益效果是：本发明利用上箱体内水面蒸发、植物蒸腾作用形成的水量减少，形成负压，并通过连通管将负压传递到下箱体的底部扩口，对水体底部的沉积物产生吸收力，在无需任何人工或机械作用下，能够不断的将水体底部的淤泥输送至上箱体中，为上箱体中种植的水生植物提供养分并将水体净化，用水生植物对水体进行生态处理，改善了河流和湖泊特别是城市河流和湖泊的水环境。