专利名称：串联式河道水质改善和水资源调蓄方法
技术领域：
本发明涉及一种用于改善河道水质以及水资源调蓄的方法，属于水质净化和水资源再生利用技术领域。
背景技术：
目前，我国污水处理普遍执行国家制定的行业污染物排放标准或各省市制定的流域污染物排放标准和行业污染物排放标准。对地表水水质的评价，通常执行《地表水环境质量标准》GB3838-2002的标准。在降雨量较少的区域，在枯水季节，由于缺乏有效的降水量，通常河流在冬季基本成了纳污河道，在此季节，即使流域内的污水执行最严格的污染物排放标准，其仍然是劣V类水质，达不到地表水环境功能区划要求。在冬季，河道水量较少， 达不到生态需水量要求，大面积河床裸露，河道的水体自净能力得不到有效发挥，河流水质较差。另外，在枯水季节，由于降雨量较少，流域地下水位下降，进一步加剧了水资源紧缺的现状，而此时恰逢小麦等作物灌溉季节，容易造成粮食减产。我国2010年11月至2011年 4月之间，大面积的干旱对粮食作物产生严重的不利影响，如何对处理达标后排放进入受纳河道的城市污水和工业废水进一步处理，使其受纳河道的水质达到地表水功能区划要求， 有效提高水资源利用效率，已成为一个重要的社会、经济和环境问题。中国专利文献101575145B公布了一种用于河道水质净化及生态修复的可调节湿地的建立方法，该方法可改善河道水质，有效降低河水C0D，但其解决河水氨氮较高的问题， 尤其是冬季，这时候污水厂由于水温降低其处理后的排放水中氨氮增高，而河道内也存在温度低氨氮去除能力差的缺点，且河道容积有限，这是该专利难以有效解决的一个难题。该专利尽管也一定程度提高了河道的水资源调蓄能力，但其仅依靠河道调蓄，其蓄水能力有限，在干旱季节，其对周边生产生活、农业及生态用水的补给能力有限。另外，该技术在河道内仅选用眼子菜属植物，植物种群单一，一旦受到突发水体污染事故，整个河道生态容易遭受毁灭性冲击，抗水质波动冲击能力较弱。CN101898825A公布了修复微污染水体的模拟河道生物反应装置；CN101544446公布了一种河道生态修复系统；这两者实质上是一种河道水质原位修复技术。由于该技术在河道内增设建造水处理构筑物，影响了河道的泄洪防洪能力，在实际工程推广应用中，难以得到水利部门的认可，因此，该技术难以纳入当地的经济和环保发展规划中得以有效实施。CN101607762公布了一种河流水体修复方法，其实质是依靠向河道内投加微生物、水生生物来提高河道的自净能力，改善河流水质。由于河道的水体处于流动状态，上游或沿岸的工业废水不断汇入，因此，只要沿岸有排水汇入，就需要重新补充药剂。该方法需要常年四季不间断的投加药剂，维护和运行费用高昂，影响了该技术的推广应用。在水利工程中，通常在河道比较开阔的地方，通过兴建闸坝，在河道内形成调蓄水库，这种方法尽管可以增加河道的蓄水库容，但在实际过程中，由于水流减缓，易导致藻类爆发生长而恶化水质，且水利工程中通常不注重河道自然生态修复能力，其结果是河道内具有一定的调蓄水量，但由于水质较差难以满足人们生产和生活的需要。
发明内容
本发明针对现有的河道净化技术存在的冬季效果差、总氮总磷去除能力低、水资源调蓄能力弱的问题，提供一种能够有效改善河道水质、提高水资源再生利用能力的串联式河道水质改善和水资源调蓄方法。本发明的串联式河道水质改善和水资源调蓄方法，具体过程如下所述(1)建立水量调蓄系统，该系统包括在河道中构建的橡胶坝或浆砌低坝以及在河道两侧构建的库塘，若河道宽度大于100米则每隔5千米一10千米建造一级橡胶坝；若河道宽度小于100米，则每隔1千米一5千米建造一个浆砌低坝；在建造橡胶坝的河道的外侧开挖库塘，河道与库塘之间设置提升泵，一方面在汛季将橡胶坝前蓄积的水引入库塘进行滞洪调蓄，另一方面，在平水季节将河道内净化后的水质引入库塘进行水资源调蓄；在枯水季节通过河道引入库塘内的水给河道补给生态需水量；在库塘内沿大坝一侧构建一道宽100米、蓄水深度小于1米的植被覆盖区，在这一区域种植挺水植物和浮叶植物，为鱼类提供栖息和产卵繁殖场所，一方面，鱼类捕食能够控制库区内藻类过渡生长而导致富营养化，另一方面，植物新称代谢释放的代谢物抑制藻类的爆发生长，降低库塘富营养化的风险；为避免库塘在蓄水后由于水压力作用产生的垂向渗漏而导致的库塘坍塌，库塘内植被覆盖区以外的其它区域均布设防渗膜；在库塘外围500米内构建人工湿地，用于削减降雨地表径流携带的污染物进入调蓄库塘；(2)在河道内建立串联的人工湿地，在每一个由河床和河道内的橡胶坝体或浆砌坝体围成的围堰内都建立人工湿地，在河道中心两侧50米内和靠近橡胶坝的区域种植软体沉水植物；靠近河岸处分别种植挺水植物和湿生植物；介于前两者之间的河道区域种植适宜鱼类产卵繁殖活动的沉水植物(如菹草等)，靠近河道中心区域的软体沉水植物在夏季泄洪期间对水流的阻力较小，对泄洪量不产生影响；挺水植物和湿生植物沿河两侧形成绿色长廊，在净化改善水质、稳固河提的同时，改善河道自然景观；(3)在河道两侧沿河长全程建立水质改善系统，水质改善系统包括在河道两侧建立的导流渠和表流人工湿地，河道与水质改善系统之间以及库塘与水质改善系统之间均设有提升泵，当河道内的水质达不到地表水功能区划要求时，特别是冬季氨氮含量较高时，通过提升泵将橡胶坝或浆砌坝前调蓄的水提升进入导流渠，经导流渠分配进入河道两侧表流人工湿地(表流人工湿地是一种常用的地表水改善水质处理方法，表流人工湿地的面积根据当地的自然气候条件和进水水质确定)； (4)建立在线监测和自动控制系统 在每一道橡胶坝或浆砌低坝前(100米处)以及库塘内设有水位仪、在线流速仪、 在线水质监测仪(检测C0D、N、P、pH常规水质指标)以及在线重金属检测仪(检测As、Pb、 CrXd等)，这些仪器均与自动控制系统连接，自动控制系统采用可编程控制器(PLC)，同时所有用到的电动部件均与自动控制系统连接；如果河道的水质达标，自动控制系统根据河道与库塘水位判断是否启动河道与库塘之间的提升泵，使河道内的水进入库塘；如果河道水质不达标，则自动启动河道与水质改善系统之间的提升泵，使河道内的水进入河道两侧的水质改善系统净化后，再提升至库塘；如果库塘的水出现富营养化，启动库塘与水质改善系统之间的提升泵，将库塘内的水进入河道两侧的水质改善系统降低其COD、N、P含量，净化后，可以返回库塘；库塘的水也可以进入河道补充下游用水；当检测到河道内发现PH值或重金属指标异常，初步判定河水收到突发污染事故的影响，一方面，自动控制系统迅速发出报警信息，另一方面，自动控制系统控制橡胶坝充气，抬升事发地点道橡胶坝的高度，将受污染的河水控制在橡胶坝内，便于后续进行应急处理处置；在汛季，自动控制系统根据水位仪检测的水位调节橡胶坝至适当的高度，在保障泄洪通畅的前提下，充分发挥河道的滞洪能力。本发明通过建立一系列串联的调蓄系统，降低水流速度，有利于水中悬浮物的物理沉降；每一级串联的人工净化湿地内存在微生物、植物、原生动物、后生动物等的生物化学净化作用，可以有效减少河水中的溶解性污染物含量。一方面，调蓄系统可以显著增加河道的生态需水量，为河水净化提供足够的空间；另一方面，构建河道两侧的人工湿地既可改善河流水质，它也在河道两侧形成绿色长廊，美化了河道景观，改善了人们生活环境。经过在线监测和自动控制系统，水资源可以在河道内人工湿地、河道两侧水质改善系统和调蓄库塘之间的实现水利循环，保障水质不产生“水华”现象；另外，在线监测和自动控制系统还可以降低流域突发环境污染事故的影响程度，降低处理突发环境污染的费用。
具体实施例方式本发明的串联式河道水质改善和水资源调蓄方法，采用综合治理和自动检测、自动控控制的技术手段，达到有效改善河道水质、提高河道水量调蓄能力。具体包括以下措施(1)在河道上建立水量调蓄系统，水量调蓄系统包括在河道中构建的橡胶坝或浆砌低坝以及在河道两侧构建的库塘；若河道宽度大于100米则每隔5千米一10千米建造一级橡胶坝；若河道宽度小于 100米，则每隔1千米一5千米建造一个浆砌低坝；具体建立的橡胶坝或浆砌低坝的数量可以根据河道坡降以及具体情况确定。在建造橡胶坝的河道的外侧开挖库塘，库塘与河道之间设置提升泵。水利工程上的调蓄库塘通常由大坝、库区防渗系统、注水系统、放水系统几部分组成。与水利工程上传统的调蓄库塘不同，本发明的库塘一是在库塘外围500米内，采取退耕还湿，构建人工湿地，用于削减降雨地表径流携带的污染物进入库塘；二是在库区内，靠近大坝一侧，沿大坝构建一道宽约100米、蓄水深度较浅(小于1米)的植被覆盖区，在这一区域种植挺水植物、 浮叶植物，可为鱼类提供栖息和产卵繁殖场所。一方面，鱼类捕食可控制库区内藻类过渡生长而导致富营养化；另一方面，植物新称代谢释放的代谢物可抑制藻类的爆发生长，这均可一定程度降低库塘富营养化的风险。为避免库塘在蓄水后由于水压力作用产生的垂向渗漏而导致的水库坍塌，其它库区部分均布设防渗膜。库塘的容积由流域年均降雨量、流域灌溉需水量、生态用水量、生产和生活用水量来综合确定。进入库塘的水可以由河道直接提升进入库塘，也可以经河道两侧的水质改善系统净化后进入库塘，这主要由河道橡胶坝前的水质决定。当河道橡胶坝前的水质达到《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002) III类时，可从河道中将水直接提升进入库塘；当河道橡胶坝前的水质达不到地表水III类要求时，将水从河道中提升至河道两侧的水质改善系统， 净化后进入调蓄库塘。在春夏或夏秋交替季节，如果调蓄库塘内氮磷含量较高，可以将调蓄库塘内的水提升进入河道两侧的水质改善系统，降低氮磷含量后返回调蓄库塘，避免调蓄库塘内氮磷含量高而引发的“水华”现象。在枯水季节，调蓄库塘内的水可以提升进入河道内，补充下游干旱地区的缺水，实现流域内的水资源调蓄分配。(2)在河道内建立串联的人工湿地在河道每一个由河床和河道内的橡胶坝体或浆砌坝体围成的区域内均建立人工湿地，各个湿地在河道内串联。人工湿地由围堰和湿地植物两部分组成，由河床和河道内的橡胶坝体或浆砌坝体组成人工湿地的围堰，在河中心两侧50米内和靠近橡胶坝的区域种植肢体比较柔软、细长的沉水植物；靠近河岸处分别种植挺水植物和湿生植物；介于前两者之间的河道区域种植菹草等适宜鱼类产卵繁殖活动的沉水植物(菹草生长繁殖力比较旺盛，根据种植密度，每年定期收割，避免过量繁殖堵塞河道)。靠近河道中心区域的软体沉水植物在夏季泄洪期间对水流的阻力较小，对泄洪量几乎不产生影响。菹草生长周期与其它水生植物不同，它通常秋季发芽，冬春生长，次年6月份逐渐死亡，其春季生长恰逢鱼类产卵，比较适宜适宜鱼类隐蔽产卵繁殖，能够促进河道湿地的生态渔业产量提高，这是常规的自然河道难以满足鱼类大规模繁殖生长要求之处；另外，菹草生长旺盛期提高了水体 PH，有利于水体中有毒有害阳离子的析出沉淀。挺水植物和湿生植物可以沿河两侧形成绿色长廊，在净化改善水质、稳固河提的同时，改善河道自然景观。对于北方季节性河流而言， 其汛季河床内水量充沛，非汛季河床内只有河中心区域存有涓涓细流。与其它河道整治技术不同，本发明通过坝体调蓄可以在河道内沿河长形成不同的水深区。常规的河道整治修复技术通过在河道横断面上，沿河中心至河岸，根据不同的水深分别配置沉水植物、浮叶植物、挺水植物。而在本发明中，由于坝体调蓄，可以沿河长形成不同的水深区域，也可以沿河长构建不同梯度的生态群落。经过河道水量调蓄系统的调蓄，可显著延长河水在河道内的水力停留时间，经过河道内的湿地植物的净化作用，可显著提高河水水质。由浆砌坝体和河床构建的人工湿地，由于河宽通常较小，洪水季节冲刷严重，因此，这部分人工湿地主要进行河床加固，这是一种河道生态修复的常用的方法。经过多道串联的人工湿地系统，在河道内形成了一种串联式河道水质改善反应器。(3)在河道两侧沿河长全程建立水质改善系统河道两侧的水质改善系统由导流渠和表流人工湿地组成。河道与水质改善系统之间以及库塘与水质改善系统之间均设有提升泵，当河道内的水质达不到地表水功能区划要求时，特别是冬季氨氮含量较高时，可由提升泵将橡胶坝前调蓄的水提升进入导流渠，经导流渠分配进入河道两侧表流人工湿地，表流人工湿地的面积根据当地的自然气候条件和进水水质确定，表流人工湿地是一种常用的地表水改善水质处理方法。(4)建立在线监测和自动控制系统在每一道橡胶坝或浆砌低坝前100米处设有水位仪、在线流速仪、在线水质监测仪(检测C0D、N、P、pH值常规水质指标)以及在线重金属检测仪(检测As、Pb、Cr、Cd等)， 这些仪器均与自动控制系统连接，自动控制系统采用可编程控制器(PLC)，同时所有用到的电动部件均与自动控制系统连接，可以采用无线通信连接的方式实现远程控制。库塘内也设有在线水质监测仪。自动控制系统根据在线水质监测仪检测的指标判断水质状况，根据水质状况做以下处理如果河道的水质达标，自动控制系统根据河道与库塘水位判断是否启动河道与库塘之间的提升泵，使河道内的水进入库塘；如果河道水质不达标，则自动启动河道与水质改善系统之间的提升泵，使河道内的水进入河道两侧的水质改善系统净化后，再提升至库塘； 如果库塘的水出现富营养化，可以启动库塘与水质改善系统之间的提升泵，将库塘内的水进入河道两侧的水质改善系统降低其C0D、N、P含量，净化后，可以返回库塘；库塘的水也可以进入河道补充下游用水。pH值以及As、Pb、Cr、Cd等重金属指标可反映河道内是否收到突发污染事故的影响。一旦某些河道内发现pH值或As、Pb、Cr、Cd等重金属指标异常，可初步判定河水收到突发污染事故的影响，一方面，自动控制系统可迅速发出报警信息，另一方面，自动控制系统可通过调节橡胶坝充气量抬升橡胶坝的高度，增加事发地点几道橡胶坝的高度，将受污染的河水尽量控制在几道橡胶坝内，便于后续进行应急处理处置，也减少了对河道下游人民生产生活的影响。在部分顺直河道，可增加流量监测探讨，在汛季，自动控制系统可根据流域降雨情况和河道流量，调节橡胶坝充气量降低橡胶坝至适当的高度，在保障泄洪通畅的前提下，充分发挥河道的滞洪能力，降低洪涝灾害对河岸两侧生产生活的不利影响。本发明具有以下优点1)在提高河道水体自净能力基础上，沿河道长度方向，在河道内构建了河道串联水质净化反应器，与其它移位处理方法而言，建设和运行成本显著降低。2)本发明属于一种河道生态修复方法，在改善河道水质基础上，在河道两侧构建绿色长廊，可以美化两侧的景观效果，提高周围的土地利用价值。3)经河道人工湿地净化后，通常进入河道两侧人工湿地的水质基本介于地表水 II类和地表V类之间。因此，河道两侧的人工湿地在运行过程中，不会产生恶臭气味影响周边环境，可以将河道两侧的人工湿地和水量调蓄库塘纳入当地的旅游景观开发。4)经过在线监测和自动控制系统的平台建设，一方面，水资源可以在河道内人工湿地、河道两侧水质改善系统和调蓄库塘之间的实现水利循环，保障水质不产生“水华”现象；另一方面，可以降低流域突发环境污染事故的影响程度，降低处理突发环境污染的费用。5)本发明可显著提高流域内的可利用水资源量，实现水资源的高效利用。
权利要求
1. 一种串联式河道水质改善和水资源调蓄方法，其特征是(1)建立水量调蓄系统，该系统包括在河道中构建的橡胶坝或浆砌低坝以及在河道两侧构建的库塘，若河道宽度大于100米则每隔5千米--10千米建造一级橡胶坝；若河道宽度小于100米，则每隔1千米~5千米建造一个浆砌低坝；在建造橡胶坝的河道的外侧开挖库塘，河道与库塘之间设置提升泵，一方面在汛季将橡胶坝前蓄积的水引入库塘进行滞洪调蓄，另一方面，在平水季节将河道内净化后的水质引入库塘进行水资源调蓄；在枯水季节通过河道引入库塘内的水给下游补给水量；在库塘内沿大坝一侧构建一道宽100米、蓄水深度小于1米的植被覆盖区，在这一区域种植挺水植物和浮叶植物，为鱼类提供栖息和产卵繁殖场所，一方面，鱼类捕食能够控制库区内藻类过渡生长而导致富营养化，另一方面，植物新称代谢释放的代谢物抑制藻类的爆发生长，降低库塘富营养化的风险；为避免库塘在蓄水后由于水压力作用产生的垂向渗漏而导致的库塘坍塌，库塘内植被覆盖区以外的其它区域均布设防渗膜；在库塘外围500米内构建人工湿地，用于削减降雨地表径流携带的污染物进入调蓄库塘；(2)在河道内建立串联的人工湿地，在每一个由河床和河道内的橡胶坝体或浆砌坝体围成的围堰内都建立人工湿地，在河道中心两侧50米内和靠近橡胶坝的区域种植软体沉水植物；靠近河岸处分别种植挺水植物和湿生植物；介于前两者之间的河道区域种植适宜鱼类产卵繁殖活动的沉水植物(如菹草等)，靠近河道中心区域的软体沉水植物在夏季泄洪期间对水流的阻力较小，对泄洪量不产生影响；挺水植物和湿生植物沿河两侧形成绿色长廊，在净化改善水质、稳固河提的同时，改善河道自然景观；(3)在河道两侧沿河长全程建立水质改善系统，水质改善系统包括在河道两侧建立的导流渠和表流人工湿地，河道与水质改善系统之间以及库塘与水质改善系统之间均设有提升泵，当河道内的水质达不到地表水功能区划要求时，特别是冬季氨氮含量较高时，通过提升泵将橡胶坝或浆砌坝前调蓄的水提升进入导流渠，经导流渠分配进入河道两侧表流人工湿地；(4)建立在线监测和自动控制系统在每一道橡胶坝或浆砌低坝前以及库塘内设有水位仪、在线流速仪、在线水质监测仪以及在线重金属检测仪，这些仪器均与自动控制系统连接，自动控制系统采用可编程控制器，同时所有用到的电动部件均与自动控制系统连接；如果河道的水质达标，自动控制系统根据河道与库塘水位判断是否启动河道与库塘之间的提升泵，使河道内的水进入库塘；如果河道水质不达标，则自动启动河道与水质改善系统之间的提升泵，使河道内的水进入河道两侧的水质改善系统净化后，再提升至库塘；如果库塘的水出现富营养化，启动库塘与水质改善系统之间的提升泵，将库塘内的水进入河道两侧的水质改善系统降低其C0D、N、P含量，净化后，可以返回库塘；库塘的水也可以进入河道补充下游用水；当检测到河道内发现 PH值或重金属指标异常，初步判定河水收到突发污染事故的影响，一方面，自动控制系统迅速发出报警信息，另一方面，自动控制系统控制橡胶坝充气，抬升事发地点道橡胶坝的高度，将受污染的河水控制在橡胶坝内，便于后续进行应急处理处置；在汛季，自动控制系统根据水位仪检测的水位调节橡胶坝至适当的高度，在保障泄洪通畅的前提下，充分发挥河道的滞洪能力。
全文摘要
本发明提供一种串联式河道水质改善和水资源调蓄方法，具体过程包括(1)建立水量调蓄系统，该系统包括在河道中构建的橡胶坝或浆砌低坝以及在河道两侧构建的库塘，在建造橡胶坝的河道的外侧开挖库塘，在库塘外围建立水质保障系统；(2)在河道内建立串联的人工湿地；(3)在河道两侧建立水质改善系统；(4)建立在线监测和自动控制系统。本发明采用综合治理的技术手段，在河道内构建了串联水质净化系统，在改善河道水质基础上，在河道两侧构建绿色长廊，经过在线监测和自动控制系统，水资源可以在河道内人工湿地、河道两侧水质改善系统和库塘之间的实现水利循环，降低流域突发环境污染事故的影响程度和处理突发环境污染的费用。
文档编号C02F3/32GK102329000SQ20111015137
公开日2012年1月25日 申请日期2011年6月8日 优先权日2011年6月8日
发明者康兴生, 张彦浩, 张志斌, 张晓蕊, 张波, 武道吉 申请人:山东建筑大学