湖泊缓湾区水动力恢复协同流区重建进行生态修复的方法

技术领域

本发明属于生态环境修复技术领域，具体涉及一种湖泊缓湾区水动力恢复协同流区重建进行生态修复的方法。

背景技术

湖泊缓湾区是指弯曲系数在1.1~1.3的湖泊凹岸，其弯曲系数较低。由于有的湖泊缓弯区长期处于静水状态，污染物易留存、水面漂浮大量藻类，水生动物容易死亡，加速了污染物形成，湖泊缓弯区长期以来水生动植物缺失，生物多样性差，导致生态系统严重被破坏。

目前湖泊缓弯区主要存在的污染问题有：（1）雨水或湖岸地表径流所带来的土壤中氮磷营养元素和有机物形成的污染，表现为湖水表层发绿、营养过剩出现大量藻类甚至水华；（2）湖体自身不断衍生死亡的水生动植物积累而成的有机物与释放的氮磷元素，表现为湖水污浊发黑，并散发出异味；（3）外界进入的各种颗粒态固体漂浮物、悬浮物，由于水流速过慢或者无流速而停留在水中，表现为水体杂质多、透明度低、溶解氧低、悬浮物高。

以上情况都会直接导致水质的恶化和景观的破坏，现有技术多采用水泵抽水循环过滤、投药和人工打捞等方式进行处理，处理速度远远跟不上污染速度，并且运行费用高，设备易堵塞或损坏，湖水循环速度慢仍接近死水，无法从根本解决水质恶化问题。为此，研发一种能够解决上述问题的湖泊缓湾区水动力恢复协同流区重建进行生态修复的方法是非常必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种湖泊缓湾区水动力恢复协同流区重建进行生态修复的方法。

本发明的目的是这样实现的，包括以下步骤：

S1、流区重建：沿湖岸走向，在湖泊缓湾区远离湖岸一侧水中间隔设置导流台，湖泊缓湾区自然呈静水状态且为凹岸，导流台宽度1~2m，相邻两导流台之间为导流区，导流区的宽度为导流台宽度的0.5~2倍，导流区长度为导流区3的宽度的1~3倍，湖泊缓湾区一端入口设有推流装置，湖泊缓湾区另一端为出口；沿入口至出口方向，湖泊缓湾区底部地形呈波浪形；沿湖岸至一排导流台方向，湖泊缓湾区以及导流区底部呈连续向下的斜坡状，坡度3~6°；导流区内设有多级滤料且滤料粒径沿水流向依次减小；湖泊缓湾区底部以及导流区入口分别设有曝气装置；

其中，所述导流台下部为混凝土基座，上部由火山石堆砌而成且高于水面，所述导流台上部之内部中空，呈顶部有凹槽状，凹槽内装有栽培基质，栽培基质上种植具有富集能力的挺水植物，凹槽内与外部连通，所述导流台上部与湖岸相对的一侧以及背对的一侧分别开有孔洞并在孔洞一侧固定有人造水草，使人造水草顺流舒展并遮蔽孔洞，人造水草表面为粗糙面；

S2、水动力恢复：在推流装置的作用下，在湖泊缓湾区形成流速0.1~0.8m/s的水流，并从湖泊缓湾区出口以及导流区流出；水流在流经导流区时，水流中的杂质经多级滤料逐级截留；曝气控制在溶氧3~5mg/L；

S3、养护：定期清理湖泊缓湾区底部沉积的底泥，定期清理滤料，待湖泊水质逐渐恢复后，可适当延长养护周期。

其中，推流装置可使用水车、推流器等能够形成水流的设备，推流装置布设在湖泊缓湾区入口合适位置，其所需电源可通过岸边就近搭建的太阳能发电设备实现，也可并入就近的输配电网络，曝气装置所需电源也可采用相同的方式；曝气装置是本领域常见的将空气送入水中的设备，用于水体增氧；人造水草可选用PE软胶、PP软胶等具有一定柔韧性且能够顺流舒展的材质，其表面粗糙，具体可以是斜纹路、横纹路、凹凸表面等，以增大鱼卵与人造水草表面的接触面积。

优选地，所述湖泊缓湾区弯曲系数Ka=1.1~1.3；其中，弯曲系数ka=缓湾区实际长度与缓湾区的直线长度的比。

优选地，所述波浪形地形由多孔材料覆盖堆置而成，厚度0.3~0.5m，波峰与波谷高差为0.2m，相邻两波峰的间距与相邻两波谷的间距相等，均为1.5m，多孔材料为陶、多孔混凝土、火山石中的一种或多种；多孔材料的作用主要有：（1）起到沉降絮凝水中有机质的效果，沉淀后的有机物通过微生物生长作用缓慢释放至水体，促进水体营养元素的交换和利用，促进水体的活化流通；（2）底质的孔洞形成的空间能一定程度上维持底层水体溶解氧含量，配合设置的推流装置，以稳定的流速状态营造适合水生生物生长的生境条件。（3）为部分喜藏匿的水生生物提供良好的隐蔽环境，避免其受到干扰。

优选地，所述多孔材料之上覆盖有挂网组件，挂网组件包括挂网、固定桩，所述挂网覆盖于多孔材料表面，波浪形地形的波峰、波谷以及波中部自上而下竖直打入固定桩，固定桩的桩头呈盘状，使桩头压住挂网，固定桩穿过挂网、多孔材料并打入湖泊缓湾区底部；挂网组件通过固定桩以及桩头将挂网贴紧多孔材料，有助于提升多孔材料堆置的波浪形地形的稳固性，同时也便于清挖沉积的底泥。

进一步，桩头还可使用绳索或固定件等本领域技术人员熟知的固定部件，将排布于挂网组件上用于为曝气装置供气的气管与桩头固定在一起，实现气管稳固排布于波浪形地形上。

优选地，所述挺水植物为香蒲、水葱、鸢尾、石菖蒲中的一种或多种，香蒲、水葱、鸢尾、石菖蒲均为具有富集能力的挺水植物，通过挺水植物粗壮的根系以及发达的不定根，富集水中的重金属，有利于水体净化，所述栽培基质装在网兜中，避免基质漂移，同时网兜中还可提前装入石块，将网兜与植物一起放入凹槽中，非常方便。

优选地，所述多级滤料为模块化滤料装置，模块化滤料装置包括外框架、隔板、滤箱、管状笼体、滤筒、筒盖，所述外框架为长方体框架结构，除两侧面以及底面封闭外，其余面敞开，外框架顶部间隔设置至少一个隔板，使外框架顶部划分为多个区域，所述滤箱正面及背面均为透水网，滤箱顶部开设有若干个取放孔，所述管状笼体位于滤箱内，管状笼体上端与取放孔固接，下端与滤箱底部固接，管状笼体下端内的外框架底面上开设有圆形限位槽，圆形限位槽用于固定滤筒，所述滤筒上端敞开，下端封闭，筒壁开设有透水孔；

所述筒盖盖之上设有把手，筒盖侧面对称设置有第一限位凸台，第一限位凸台对应的滤筒上端开设有第一通孔，滤筒内壁上部沿周向开设有第一弧形卡槽，第一弧形卡槽中部与第一通孔连通，筒盖装入滤筒上端时，第一限位凸台穿过第一通孔并进入第一弧形卡槽中；

所述滤筒上部外侧对称设置有第二限位凸台，所述取放孔之上固设有环形台，第二限位凸台对应的环形台上端开设有第二通孔，环形台内壁上部沿周向开设有第二弧形卡槽，第二弧形卡槽一端与第二通孔连通，所述滤筒由环形台插入并穿过取放孔，进入管状笼体内，滤筒下端嵌入圆形限位槽中，滤筒在穿过环形台时，第二限位凸台穿过第二通孔并进入第二弧形卡槽中；旋拧把手，第一限位凸台沿第一弧形卡槽移动，使第一限位凸台与第一通孔错位，继续旋拧把手，第一限位凸台被第一弧形卡槽端部卡住，使滤筒整体转动，第二限位凸台沿第二弧形卡槽移动，使第二限位凸台与第二通孔错位；

滤箱顶部设有提手，滤箱由外框架顶部区域插入外框架内，直至外框架底部；沿水流方向，不同滤箱装有滤料粒径依次减小；滤筒中装有吸附剂；

导流区底部由混凝土浇筑成平台，外框架底部与平台固接，外框架301两侧与对应的导流台固接。

其中，对于透水网、管状笼体孔径的选择，以小于滤料为宜，将滤料限制在滤箱中，且与滤筒分隔；具体而言，滤料粒径大小不同，对应的滤箱的透水网以及管状笼体可使用相应孔径。

优选地，所述隔板有两个，滤箱有三个，滤料为碎石且共有三级；不同粒径的碎石逐级截留杂质，三级滤箱已能够满足水体杂质截留需求。

优选地，所述管状笼体与滤筒有间隙，间隙提升水流通过能力，利于滤筒中的吸附剂吸附水中污染物；吸附剂具有较大的比表面积，其本身具有孔隙结构，具体可以选用颗粒吸附剂，材质可选择本领域技术人员熟知的水处理吸附剂，例如高分子聚合物、活性炭等，实现辅助吸附重金属、有机污染物等；由于吸附剂本身具有再生能力，如热脱附再生技术，可将吸附剂取出后外送进行再生，以重复使用。

优选地，所述滤筒下端呈锥台状，锥台状利于在滤筒装入过程中顺利进入圆形限位槽中。

优选地，所述取放孔有两排，靠近迎水侧的一排取放孔有三个，靠近出水侧的的一排取放孔有两个，且两排取放孔之间错位；滤筒数量设置合理，错位布置的滤筒有利于提升覆盖范围，提升吸附效果。

优选地，所述滤箱侧面设有进料箱门，进料箱门打开后可装入滤料，底部设有卸料仓门，将卸料仓门打开，可直接将滤箱中的滤料卸出，操作方便。

混凝土基座、导流区底部平台均可采用围堰法等本领域技术人员熟知的混凝土施工方法，围堰法具体可以是先在水中将待施工区域进行围堰排水，再进行混凝土施工，最后拆掉围堰即可；混凝土施工过程可在微地形改造之前进行，待混凝土施工完毕后再进行微地形改造；火山石堆砌时可使用浆料进行堆砌，在确保稳固性的同时，适当留一些能够透水的空隙。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

1、本发明对静水状态的湖泊缓湾区底部进行波浪形以及坡度改造，并建造导流台形成导流区，利用推流装置将静水状态变为流动状态，恢复水动力，水从湖泊缓湾区入口处进入，一部分水从湖泊缓湾区出口流出，形成沿岸水流，另一部分水流经导流区并朝远离湖岸的方向流动，形成离岸水流；这种在水动力的作用下，沿岸水流与多条离岸水流使湖泊缓湾区与湖岸区域以及远离湖岸的区域重新构建新的循环流区，共同作用沉降进入湖泊缓湾区的水流中的泥沙并降低有机污染物以及蓝藻等藻类细胞，导流区多级滤料截留水中杂质，配合曝气等多种手段，实现逐渐修复湖泊缓湾区生态环境的目的；导流台内种植的挺水植物具有重金属富集能力，在净化水质的同时进一步改善导流台附近环境；孔洞用于为水生动物提供栖息庇护场所，人造水草在水流作用下舒展并遮蔽孔洞，模拟自然栖息环境，水生动物与挺水植物相互作用，进一步促进湖泊缓湾区生态修复；导流台形成的导流区模拟了自然水流环境，有助于鱼类产卵，人造水草的粗糙表面可附着黏性鱼卵；构成良性生态循环，加速湖泊缓弯区生态修复；

2、本发明方法适用于弯曲系数在1.1~1.3的静水湖泊缓湾区，在有效改善湖泊缓弯区水质的同时，控制藻类生长，并重新构建水生动物栖息场所以及挺水植物生长区域，加速湖泊缓湾区生态修复；

3、湖泊缓弯区地形改造使用多孔材料堆置成波浪形地形，有助于导流并沉降泥沙，将泥沙及其携带的污染物、藻类集中在湖泊缓弯区中进行处理，有利于湖泊大环境治理；挂网组件可大大提升波浪形地形的稳固性，同时桩头还可以安装布设气管等其他设施；

4、本发明导流区多级滤料具体可以采用模块化滤料装置，滤箱以及滤筒均可单独取出分离，便于进行清理、更换等维护工作，无需复杂施工，确保导流区正常维持杂质截留功能；用于安装外框架的平台可与导流台同时进行施工，之后将外框架安装固定在平台上，易于施工；滤箱的双网面设计以及管状笼体结构，不但透水能力强，而且将滤料与滤筒分隔，装取时互不影响，并且使用时，滤筒与管状笼体之间的间隙空间利于水流通过，滤筒中的吸附剂吸附难以被滤料截留的污染物，二者配合有利于提升水净化效果；本发明筒盖、滤筒上部以及环形台采用两级限位凸台以及两级弧形卡槽设计，只需旋拧筒盖，即可完成筒盖与滤筒之间的固定与拆卸，以及滤筒与滤箱之间的固定与拆卸无需额外安装复杂的固定与拆装结构；滤筒底部被圆形限位槽限位，顶部固定后整体稳固性高，滤箱在滤料自重的作用下非常稳定，本发明模块化滤料装置抗水流冲击性能优秀，稳固性强，适合长期在水中使用。

附图说明

图1为本发明湖泊缓湾区的平面结构示意图；

图2为湖泊缓湾区底部地形呈波浪形的结构示意图；

图3为湖泊缓湾区底部呈斜坡状的结构示意图；

图4为导流台的立面结构示意图；

图5为挂网组件的安装结构示意图；

图6为模块化滤料装置的立体结构示意图；

图7为滤箱的立体结构示意图；

图8为滤筒的立体结构示意图；

图9为滤筒顶端与筒盖分离后的立体结构示意图；

图10为环形台的第二通孔以及第二弧形卡槽立体结构放大示意图；

图中：1-湖岸，2-导流台，201-混凝土基座，202-火山石，203-凹槽，204-孔洞，205-人造水草，3-导流区，301-外框架，302-隔板，303-滤箱，304-管状笼体，305-滤筒，306-筒盖，307-透水网，308-透水孔，309-把手，310-提手，311-第一限位凸台，312-第一通孔，313-第一弧形卡槽，314-第二限位凸台，315-环形台，316-第二通孔，317-第二弧形卡槽，318-圆形限位槽，4-推流装置，501-挂网，502-固定桩，503-桩头，6-湖泊缓湾区底部，7-气管。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变换或替换，均属于本发明的保护范围。

实施例1

云南某湖泊其中一湖泊缓湾区为静水区域，弯曲系数Ka=1.2，水污染严重且水面聚集大量藻类，散发臭味，水质综合评价为劣V类，无鱼虾生存；按本发明方法对该湖泊缓弯区进行生态修复；

如附图1~图4所示，本实施例湖泊缓湾区水动力恢复协同流区重建进行生态修复的方法，包括以下步骤：

S1、流区重建：沿湖岸1走向，在湖泊缓湾区远离湖岸1一侧水中间隔设置导流台2，湖泊缓湾区自然呈静水状态且为凹岸，导流台2宽度1.5m，相邻两导流台2之间为导流区3，导流区3的宽度为导流台2宽度的1.25倍，导流区3长度为导流区3的宽度的2倍，湖泊缓湾区一端入口设有推流装置4，湖泊缓湾区另一端为出口；沿入口至出口方向，湖泊缓湾区底部地形呈波浪形，波浪形地形由多孔材料覆盖堆置而成，厚度0.4m，波峰与波谷高差为0.2m，相邻两波峰的间距与相邻两波谷的间距相等，均为1.5m，多孔材料为多孔混凝土；沿湖岸1至一排导流台2方向，湖泊缓湾区以及导流区3底部呈连续向下的斜坡状，坡度4.5°；导流区3内设有多级滤料且滤料粒径沿水流向依次减小；湖泊缓湾区底部以及导流区3入口分别设有曝气装置；

其中，所述导流台2下部为混凝土基座201，上部由火山石202堆砌而成且高于水面，所述导流台2上部之内部中空，呈顶部有凹槽状，凹槽203内装有栽培基质，栽培基质上种植具有富集能力的挺水植物，所述挺水植物为香蒲、水葱、鸢尾、石菖蒲中的一种或多种，所述栽培基质装在网兜中，凹槽203内与外部连通，所述导流台2上部与湖岸1相对的一侧以及背对的一侧分别开有孔洞204并在孔洞一侧固定有人造水草205，使人造水草205顺流舒展并遮蔽孔洞204，人造水草205表面为粗糙面；

S2、水动力恢复：在推流装置4的作用下，在湖泊缓湾区形成流速0.45m/s的水流，湖泊缓弯区由静水状态变为流动状态，在水动力的作用下，水从湖泊缓湾区入口处进入，一部分水从湖泊缓湾区出口流出，形成沿岸水流，而导流区由导流台2分隔而成，导流区3流出的多条水流朝远离湖岸的方向流动，形成离岸水流，这种沿岸水流与多条离岸水流使湖泊缓湾区与湖岸区域以及远离湖岸的区域形成新的循环流区；波浪形地形有助于沉降进入湖泊缓湾区的水流中的泥沙，曝气控制在溶氧4mg/L，曝气有助于降低水中以及沉降的泥沙中携带的有机污染物以及蓝藻等藻类细胞，实现水流初步净化，修复湖泊缓湾区生态；水流中的杂质经三级滤料逐级截留后流出，流经导流台2的水中实现再次净化，导流台2内种植的挺水植物具有重金属富集能力，在净化水质的同时进一步改善导流台2附近环境；孔洞204用于为水生动物提供栖息庇护场所，人造水草205在水流作用下舒展并遮蔽孔洞204，模拟自然栖息环境，水生动物与挺水植物相互作用，进一步促进湖泊缓湾区生态修复；导流台2形成的导流区模拟了自然水流环境，有助于鱼类产卵，人造水草205的粗糙表面可附着黏性卵，该人造水草选用带状仿真水草，材质为PE软胶，其粗糙表面具体是斜向纹路，由于黏性卵表面有黏液或黏丝，而人造水草的粗糙表面有利于增大鱼卵接触面，从而增强附着效果；构成良性生态循环，加速湖泊缓弯区生态修复；

S3、养护：每隔60日清理湖泊缓湾区底部沉积的底泥，具体采用清挖方式清理底泥；每隔60日清理滤料；

按本发明方法修复湖泊缓湾区生态90日后，未见水面漂浮藻类，水体显著清澈无异味，挺水植物长势正常，调查发现已有鱼虾等生物栖息在孔洞中。

实施例2

本实施例湖泊缓湾区水动力恢复协同流区重建进行生态修复的方法，除选择的湖泊缓湾区弯曲系数Ka=1.1，导流台2宽度1m，导流区3的宽度为导流台2宽度的0.5倍，导流区3长度为导流区3的宽度的1倍，多孔材料厚度0.3m，多孔材料为多孔混凝土、火山石，湖泊缓湾区以及导流区3坡度3°，挺水植物为香蒲、水葱，湖泊缓湾区流速0.1m/s，曝气控制在溶氧3mg/L外，其余与实施例1相同；

按本发明方法修复湖泊缓湾区生态90日后，未见水面漂浮藻类，水体显著清澈无异味，挺水植物长势正常，调查发现已有鱼虾等生物栖息在孔洞中。

实施例3

本实施例湖泊缓湾区水动力恢复协同流区重建进行生态修复的方法，除选择的湖泊缓湾区弯曲系数Ka=1.3，导流台2宽度2m，导流区3的宽度为导流台2宽度的2倍，导流区3长度为导流区3的宽度的3倍，多孔材料厚度0.5m，多孔材料为陶、多孔混凝土、火山石，湖泊缓湾区以及导流区3坡度6°，挺水植物为香蒲、水葱、鸢尾，湖泊缓湾区流速0.8m/s，曝气控制在溶氧5mg/L外，其余与实施例1相同；

按本发明方法修复湖泊缓湾区生态90日后，未见水面漂浮藻类，水体显著清澈无异味，挺水植物长势正常，调查发现已有鱼虾等生物栖息在孔洞中。

实施例4

如附图1~图5所示，本实施例湖泊缓湾区水动力恢复协同流区重建进行生态修复的方法是在实施例1的基础上，所述多孔材料之上覆盖有挂网组件，挂网组件包括挂网501、固定桩502，所述挂网501覆盖于多孔材料表面，波浪形地形的波峰、波谷以及波中部自上而下竖直打入固定桩502，固定桩502的桩头503呈盘状，使桩头503压住挂网501，固定桩502穿过挂网501、多孔材料并打入湖泊缓湾区底部；日常维护过程中调查挂网组件，挂网组件未发生挪移，波浪形地形未发生改变。

实施例5

如附图1~图10所示，本实施例湖泊缓湾区水动力恢复协同流区重建进行生态修复的方法是在实施例4的基础上，所述多级滤料为模块化滤料装置，模块化滤料装置包括外框架301、隔板302、滤箱303、管状笼体304、滤筒305、筒盖306，所述外框架301为长方体框架结构，除两侧面以及底面封闭外，其余面敞开，外框架301顶部间隔设置两个隔板302，使外框架301顶部划分为三个区域，所述滤箱303正面及背面均为透水网307，滤箱303顶部开设取放孔，取放孔有两排，靠近迎水侧的一排取放孔有三个，靠近出水侧的的一排取放孔有两个，且两排取放孔之间错位，所述管状笼体304位于滤箱303内，管状笼体304上端与取放孔固接，下端与滤箱303底部固接，管状笼体304下端内的外框架301底面上开设有圆形限位槽318，所述滤筒305上端敞开，下端封闭，筒壁开设有透水孔308；

所述筒盖306盖之上设有把手309，筒盖306侧面对称设置有第一限位凸台311，第一限位凸台311对应的滤筒305上端开设有第一通孔312，滤筒305内壁上部沿周向开设有第一弧形卡槽313，第一弧形卡槽313中部与第一通孔312连通，筒盖306装入滤筒305上端时，第一限位凸台311穿过第一通孔312并进入第一弧形卡槽313中；

所述滤筒305上部外侧对称设置有第二限位凸台314，所述取放孔之上固设有环形台315，第二限位凸台314对应的环形台315上端开设有第二通孔316，环形台315内壁上部沿周向开设有第二弧形卡槽317，第二弧形卡槽317一端与第二通孔316连通，所述滤筒305由环形台315插入并穿过取放孔，进入管状笼体304内，管状笼体304与滤筒305之间有间隙，滤筒305下端呈锥台状，滤筒305下端嵌入圆形限位槽318中，滤筒305在穿过环形台315时，第二限位凸台314穿过第二通孔316并进入第二弧形卡槽317中；旋拧把手309，第一限位凸台311沿第一弧形卡槽313移动，使第一限位凸台311与第一通孔312错位，继续旋拧把手309，第一限位凸台311被第一弧形卡槽313端部卡住，使滤筒305整体转动，第二限位凸台314沿第二弧形卡槽317移动，使第二限位凸台314与第二通孔316错位；对于旋拧把手309，可使用电动工具辅助完成；

滤箱303顶部设有提手310，滤箱303由外框架301顶部区域插入外框架301内，直至外框架301底部；沿水流方向，不同滤箱303装有滤料粒径依次减小；滤筒305中装有吸附剂；

导流区3底部由混凝土浇筑成平台，外框架301底部与平台固接，外框架301两侧与对应的导流台2固接；

模块化滤料装置的工作原理和工作过程：水流流经模块化滤料装置时，依次流过每一个滤箱303，滤箱303内的滤料用于截留水流中的杂质；水透过滤筒305时，吸附剂吸附水中的污染物，处理后的水流出；当需要维护滤料、吸附剂时，可使用起吊设备挂住提手310，升起并拉出滤箱303，滤箱303离开外框架301，将滤箱303转运并进一步清洗其中的滤料；取出滤筒305时，可反向旋拧筒盖306，使第一限位凸台311移至第一弧形卡槽313另一端，此时第一限位凸台311被第一弧形卡槽313抵住，继续旋拧时，滤筒305整体反向转动，使第二限位凸台314回到第二通孔316处，即可上提并取出滤筒305；需要拆下筒盖306时，旋拧筒盖306，使第一限位凸台311至第一通孔312处，即可上提取下筒盖306；滤料以及吸附剂清洗或更换完毕后；先安装筒盖306并旋拧，使第一限位凸台311与第一通孔312错位；再将滤筒305装入滤箱303中，确保第二限位凸台314穿过第二通孔316并进入第二弧形卡槽317中，此时继续旋拧把手309，滤筒305转动并使第二限位凸台314与第二通孔316错位，即可。