人工湿地水力流程驱动系统及方法.pdf

本发明提供人工湿地水力流程驱动系统和方法，涉及复合的人工湿地水力调控方法。在人工湿地中沿水力流程合理布设水工构筑物，包括闸门、泵站系统和水工微结构；通过对水工构筑物的联合布控，实现湿地水力流程驱动，在湿地不同部位营造不同流态；并通过调控水泵的启闭数量、时间和闸门的启闭时间和启闭度，来实现湿地水力调控，包括湿地水位升降，水量分配和水力停留时间；通过优化水力调控方式，提高湿地水质净化功能。本发明从优化水力调控这一提高人工湿地水质净化效率的关键环节入手，提供了一种实现人工湿地水力调控和水质净化功能耦合提高的技术手段。

权利要求书一种人工湿地水力流程驱动系统，所述系统包括在人工湿地中沿水力流程布设水工构筑物，所述水工构筑物包括闸门、泵站系统和水工微结构，利用所述水工构筑物中位于进水口、出水口处的闸门以及湿地中间的节制闸和泵站系统完成水力流程的主体驱动，并在人工湿地内部分散布置水工微结构以实现水体流态的多样化。
根据权利要求1所述的系统，其特征是所述闸门由进水闸、中间节制闸和排水闸组成，闸门形式包括直升闸、翻板门和钢坝闸。
根据权利要求2所述的系统，其特征是还包括在所述进水闸前安装的包含湿地进水水位和水质原位监测与远程信号传输的复合探头，和在所述进水闸前设置的半吊式围隔。
根据权利要求1所述的系统，其特征是所述泵站系统由泵站、节制闸和用于湿地远程控制的管理房组成。
根据权利要求1所述的系统，其特征是所述泵站系统位于湿地进水口处或沿湿地水力流程的前1/4‑1/2处。
根据权利要求4所述的系统，其特征是所述泵站中的水泵组数量为2‑6台，水泵采用潜水泵、轴流泵、离心泵或混流泵。
根据权利要求4所述的系统，其特征是还包括在所述泵站前后分别设置的二级缓冲塘和二级充氧塘，二级缓冲塘由深水区和浅水区组成，深水区靠前，浅水区靠后，二级充氧塘第一级由水泵提水完成，第二级是以梯级跌水溢流堰的形式完成。
根据权利要求4所述的系统，其特征是在所述管理房内安装有实时监控、远程控制和报警预警系统。
根据权利要求1所述的系统，其特征是所述水工微结构是由堵头、卡口和深潭‑浅滩组成，分散布置在人工湿地内的各个植物床、大沟、小沟和塘中间。
根据权利要求9所述的系统，其特征是所述小沟包括高位小沟和低位小沟，所述堵头交错设置在所述高位小沟和所述低位小沟两端，堵头的构建材料为砾石、卵石或块石，石料粒径2‑60cm，在堵头中间夹设1‑2层不透水或弱透水土工织物，堵头边坡在1∶1.5‑1∶3的范围之内。
根据权利要求9所述的系统，其特征是在所述大沟中布设卡口，卡口采用砾石床卡口或卡口闸形式。
根据权利要求11所述的系统，其特征是所述砾石床卡口采用砾石、卵石或块石构建，石料粒径5‑60cm，沿砾石床卡口周缘打上直立木桩排，中间夹设1‑2层不透水或弱透水土工织物，卡口边坡在1∶1.5‑1∶3的范围之内。
根据权利要求11所述的系统，其特征是所述砾石床卡口中间的束口处设有叠梁门或插板门结构。
根据权利要求9所述的系统，其特征是还包括深潭‑浅滩结构，所述深潭‑浅滩结构设置在湿地前塘、湿地植物床‑沟壕系统、缓冲塘、充氧塘以及多个后塘之间的过水断面处，所述深潭‑浅滩结构由砾石、卵石或块石组成，在浅滩中以梅花桩样式打入木桩，所述深潭‑浅滩结构迎水面坡度较缓，背水面坡度较陡。
根据权利要求1所述的系统，其特征是在湿地不同区域中的流态为自流、推流或两者结合的方式。
一种人工湿地水力流程驱动方法，所述方法采用权利要求1至15中任一项所述的人工湿地水力流程驱动系统。
一种提高人工湿地水质净化功能的方法，所述方法采用权利要求1至15中任一项所述的人工湿地水力流程驱动系统，并通过调控水泵的启闭数量、时间和闸门的启闭时间和启闭度，来实现对湿地水位升降，水量分配和水力停留时间的水力调控。
根据权利要求17所述的方法，其特征是通过优化水力调控方式，保证大沟过水量占总水量的百分比为25％‑40％，其余60％‑75％过水量在湿地净化系统内通过，水力停留时间在72小时以上，并且一天24小时内发生2‑6次10‑50cm变化幅度的水位升降。

说明书人工湿地水力流程驱动系统及方法
技术领域
本发明涉及一种人工湿地水力流程驱动系统和方法，本发明还涉及一种系统地通过优化水力调控提高人工湿地水质净化功能的方法。
背景技术
人工湿地技术因其形式多样、处理率高、适应性强等特点，在国内外获得广泛应用，已经成为发达国家和地区探索解决水污染和水资源不足问题的有效途径，人工湿地中合理的水力流程驱动方式及水力调控方式是保证其高效运行的关键环节。
发明内容
1.要解决的技术问题
为了实现人工湿地的高效运行，既要克服人工湿地中水流形式单一，水力流程在人工湿地后半程驱动缺失的问题，又要解决传统人工湿地水力调控和水质净化效率耦合提高的难题。
2.技术方案
本发明提供一种人工湿地水力流程驱动系统和方法，以及一种系统地通过优化水力调控提高人工湿地水质净化功能的方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：在人工湿地中沿水力流程合理布设一系列水工构筑物，包括闸门、泵站系统和水工微结构；通过对一系列水工构筑物的联合布控，实现湿地水力流程驱动，并在湿地不同部位营造不同流态；通过调控水泵和闸门的启闭状态，来实现湿地水力调控，包括湿地水位升降，水量分配和水力停留时间，并通过优化水力调控方式提高湿地水质净化功能。
3.有益效果
本发明的有益效果是，在人工湿地中沿水力流程合理布设由闸门、泵站系统和水工微结构组成的水工构筑物，通过对各水工构筑物的联合布控，在湿地不同部位营造自流、推流或两者相结合的多种流态形式，大大丰富了湿地内水流形式的多样性，为人工湿地生物小生境多样化提供了良好的基础，有利于湿地水生生态系统的演替和稳定；并且通过控制水泵、闸门和卡口叠梁门或插板门实现湿地水力调控方式的优化，包括湿地水位升降，水量分配和水力停留时间的合理优化，以改善湿地水质净化功能的生化反应条件，最终实现人工湿地水力调控和水质净化功能耦合提高的目标。本发明从优化水力调控这一提高人工湿地水质净化效率的关键环节入手，提供了一种实现人工湿地水力调控手段和水质净化功能耦合提高的技术手段。
附图说明
图1是本发明一个实施例的湿地水力流程驱动系统的总平面示意图。
图2是本发明一个实施例的深潭‑浅滩结构示意图，其中(a)为俯视图，(b)为剖面图。
图3是本发明一个实施例的小沟堵头和大沟卡口平面示意图。
图4是本发明一个实施例的湿地进水口拦截和复合探头控制示意图。
附图中主要标记符号：
1源水或污水，2进水闸，3节制闸，4排水闸，5泵站，6，溢流堰，7管理房，8进水口拦截和控制系统，9湿地植物床‑沟壕系统，10堵头，11卡口，12高位小沟，13低位小沟，14大沟，15前塘，16缓冲塘，17充氧塘，18后塘，19自来水厂或受纳水体，20半吊式围隔，21复合探头监测箱，22深潭，23浅滩，24木桩，25土工织物，26叠梁门。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明提供一种人工湿地水力流程驱动系统，所述系统包括在人工湿地中沿水力流程合理布设的水工构筑物，所述水工构筑物包括闸门、泵站系统和水工微结构，利用所述水工构筑物中位于进水口、出水口处的闸门以及湿地中间的节制闸和泵站系统完成水力流程的主体驱动，并在人工湿地内部分散布置水工微结构以实现水体流态的多样化。
在本发明的系统中，所述闸门由进水闸、中间节制闸和排水闸组成，闸门形式包括直升闸、翻板门和钢坝闸。在所述进水闸前还安装有包含湿地进水水位和水质原位监测与远程信号传输的复合探头，并且在所述进水闸前设置半吊式围隔。
在本发明的系统中，所述泵站系统由泵站、节制闸和用于湿地远程控制的管理房组成。所述泵站系统位于湿地进水口处或沿湿地水力流程的前1/4‑1/2处。其中，泵站中的水泵组数量为2‑6台，水泵采用潜水泵、轴流泵、离心泵或混流泵。在所述泵站前后分别设置二级缓冲塘和二级充氧塘，二级缓冲塘由深水区和浅水区组成，深水区靠前，浅水区靠后，二级充氧塘第一级由水泵提水完成，第二级是以梯级跌水溢流堰的形式完成。
在本发明的系统中，在所述管理房内安装有实时监控、远程控制和报警预警系统。
本发明系统中的水工微结构是由堵头、卡口和深潭‑浅滩组成，分散布置在人工湿地内的各个植物床、大沟、小沟和塘中间。其中小沟包括高位小沟和低位小沟，堵头交错设置在高位小沟和低位小沟两端，堵头的构建材料为砾石、卵石或块石，石料粒径2‑60cm，在堵头中间夹设1‑2层不透水或弱透水土工织物，堵头边坡在1∶1.5‑1∶3的范围之内。在所述大沟中布设卡口，卡口采用砾石床卡口或卡口闸形式。砾石床卡口采用砾石、卵石或块石构建，石料粒径5‑60cm，沿砾石床卡口周缘打上直立木桩排，中间夹设1‑2层不透水或弱透水土工织物，卡口边坡在1∶1.5‑1∶3的范围之内。砾石床卡口中间的束口处设有叠梁门或插板门结构。
本发明的系统还包括深潭‑浅滩结构，该深潭‑浅滩结构设置在湿地主要功能区之间的过水断面处。大规模的仿自然人工湿地由若干功能区(如预处理区、深度净化区、湿地根孔生态净化区)组成，功能区由若干结构单元或界面组成(如湿地根孔生态净化区由植物床‑沟壕系统、大渠、缓冲塘等结构单元组成)。本发明中湿地主要功能区包括预处理塘系统、水位提升和曝气充氧系统、湿地根孔生态净化系统、湖区深度净化系统等，具体细节详见另外一个发明专利申请：一种使用人工湿地净化污水的系统和净化自来水厂污染源水的系统方法。深潭‑浅滩结构设置在各个功能区之间的过渡区域，如湿地根孔净化区与之前的预处理塘(前塘)、之后的两个深湖(后塘)系统，过渡断面处就有浅滩‑深潭结构用以衔接。深潭‑浅滩结构由砾石、卵石或块石组成，在浅滩中以梅花桩样式打入木桩，深潭‑浅滩结构迎水面坡度较缓，背水面坡度较陡。
在本发明的系统中，在湿地不同区域中的流态为自流、推流或两者结合的方式。
本发明还提供一种人工湿地水力流程驱动方法，该方法采用如前所述的人工湿地水力流程驱动系统。
本发明还提供一种提高人工湿地水质净化功能的方法，该方法采用如上所述的人工湿地水力流程驱动系统，并通过调控水泵的启闭数量、时间和闸门的启闭时间和启闭度，来实现对湿地水位升降，水量分配和水力停留时间的水力调控。该方法通过优化水力调控方式，保证大沟过水量占总水量的百分比为25％‑40％，其余60％‑75％过水量在湿地净化系统内通过，水力停留时间在72小时以上，并且一天24小时内发生2‑6次10‑50cm变化幅度的水位升降。
在本发明中闸门包括进水闸、中间节制闸和出水闸，闸门采用直升闸、翻板门或钢坝闸中的一种或多种形式。在进水闸前方5‑20m范围的源水或污水河道内设置半吊式围隔，用来阻挡水葫芦、浮萍和大量漂浮垃圾进入湿地内部。在进水闸处安装包含水位和水质原位监测与远程信号传输的复合探头，自动监测并识别湿地进水水质状况，包括水位、浊度、溶解氧和氨氮等水质指标，尤其是当遇上南方河网地区的不定期暴雨，大量隐性污染源被瞬间冲刷进入河道，在湿地进水口催生并形成水位高峰和污染物浓度高峰，对湿地进水水质构成严重冲击，此时通过复合探头的原位监测与远程信号传输，由管理房对进水闸实现即时的远程自动调控，根据水位和污染物浓度的高低及时启闭进水闸，以保护湿地免受冲击。
在本发明中泵站系统由泵站、节制闸和用于湿地远程控制的管理房组成，泵站系统位于湿地进水口处或沿湿地水力流程的1/4‑1/2范围内。水泵组数量为2‑6台，其中1‑2台水泵用作备用水泵，水泵采用潜水泵、轴流泵、离心泵或混流泵中的一种或多种。节制闸并列在泵站一侧，一般情况下处于闭合状态，特殊情况如湿地出水遇上大量急需的时候，将该节制闸打开处于开启状态，以加快水流通过。管理房位于水泵附近100‑1000m范围内，内部安装有实时监控系统、远程控制系统和报警预警系统，控制人工湿地内的水泵和闸门，是实施人工湿地水力调控手段的终端核心。泵站前后分别设置二级缓冲塘和二级充氧塘。其中二级缓冲塘由两个近似椭圆形的缓冲塘串联组成，每个缓冲塘设计有深水区和浅水区，第一个缓冲塘深水区靠前，浅水区靠后，第二个缓冲塘浅水区靠前，深水区靠后，共同形成一个“几”字形的深潭‑浅滩‑深潭结构，使过水底流流速发生改变从而促使水体悬浮颗粒物沉降，也便于后期的集中清淤管理，在对湿地进水水质起到净化稳定的同时也汇聚了水泵提水。二级充氧塘第一级由水泵提水实现，第二级由构建梯级跌水溢流堰的形式完成。二级充氧塘的设计既提高水势形成后续推流又曝气充氧提高湿地水体溶解氧含量。
在本发明中水工微结构由堵头、卡口和深潭‑浅滩组成，分散在人工湿地内的各个植物床、大沟、小沟和塘之间。堵头构建材料采用砾石、卵石或者块石，石料粒径在2‑60cm，并在堵头中间夹设1‑2层不透水或弱透水土工织物，堵头边坡选择在1∶1.5‑1∶3的范围之内，交错布置在两条平行植物床中间小沟的一端。卡口采用砾石床卡口或者卡口闸形式，其中砾石卡口采用砾石、卵石或块石构建，并沿砾石卡口周缘打上直立的木桩排用于固定，卡口中间夹设1‑2层不透水或弱透水土工织物，在卡口中间的束口处设有叠梁门或者插板门结构，低于常水位20‑250cm，由动力或手动调制升降。卡口布置在大沟中间，高出常水位20‑60cm，通过砾石床卡口叠梁门或插板门结构，或者采用卡口闸形式对大沟卡口过水起到束流调控作用，进而调节湿地进水水量在湿地内部的分配。在湿地主要功能区之间的过水断面处设置深潭‑浅滩结构，由砾石、卵石或块石组成，浅滩中间以梅花桩样式打入木桩，起到固定作用。深潭‑浅滩结构的迎水面坡度较缓，背水面坡度较陡，有助于消减迎水面的水流冲刷。
在本发明中，通过泵站的提水，实现了以泵站为界前后两部分自流、推流的湿地流态大空间格局。与此同时，通过对泵站、各闸门和水工微结构的联合布控，可以在湿地不同部位营造自流、推流或两者结合的多种流态形式，丰富了湿地大空间上水流方式的多样性，为湿地内水生生物小生境多样化奠定了基础，有利于加快湿地水生生态系统的演替和稳定。通过调控水泵的启闭数量、时间和闸门的启闭时间和启闭度，来实现湿地水力调控，包括湿地水位升降，水量分配和水力停留时间。通过优化湿地水力调控方式使得进水在湿地系统内得到合理分配，确保大沟过水量占总水量的百分比为25％‑40％，其余60％‑75％过水量在湿地净化系统内通过，源水在湿地平均停留时间在72小时以上，并保证水位在一天24小时内发生2‑6次10‑50cm变化幅度，使水和土壤基质得到充分的交替接触净化，并实现湿地干/湿交替，氧化/还原条件交替，最终提高人工湿地的水质净化功能。
实施例1
图1是本发明的实施例1，即一个代表性的自来水厂水源人工湿地的水力调控总平面示意图。图2和图3是实施例1中的局部细化。从图1中可以看到，源水或污水1首先经过进水口拦截和控制系统8，之后通过进水闸2，流到前塘15，随后依次经过湿地植物床‑沟壕系统9，缓冲塘16，泵站5，充氧塘17，一个或多个湿地植物床‑沟壕系统9，一个或多个后塘18，成为自来水厂或受纳水体19。
本实施例中水流进到前塘15后，由于过水面积突然扩大，水流流速迅速降低，起到了沉砂和缓冲作用，悬浮性固体颗粒物(SS)和油脂都可以减少，并阻挡垃圾和漂浮物进入湿地植物床‑沟壕系统9，后塘18除利用大面积水域沉降悬浮颗粒，对水质起到深度净化和稳定的作用外，同时发挥储存水体、美化生态环境的功能。
水力调控构筑物主要由闸门、泵站和水工微结构组成。闸门包括前端的进水闸2，末端的排水闸4和中间一系列节制闸3组成。泵站5由1m3/s，2m3/s各2台水泵组成，设置在湿地水力流程的前1/3处，在泵站5一侧并列节制闸3，一般情况下处于闭合状态，特殊情况如湿地出水遇上大量急需的时候，将该节制闸3打开处于开启状态，以加快水流通过。在泵站5之前设置二级缓冲塘16，在起到稳定水质作用的同时也实现了水泵提水的汇聚。在泵站5之后设置二级充氧塘17，第一级由水泵提水实现，第二级由构建梯级跌水溢流堰6的形式完成，通过跌水曝气提高水中的溶解氧含量，同时也汇集了水流形成一定水势，以利于之后的湿地推流。通过以上手段实现人工湿地大空间尺度水流方式的多样化。
泵站5附近200m处设置有管理房7，内设各类监控系统，是实施整个湿地调控的终端核心。水工微结构包括堵头10，卡口11和深潭22‑浅滩23。湿地植物床‑沟壕系统9是人工湿地净化的主体。堵头10交错设置在湿地植物床‑沟壕系统9中迎水的高位小沟12和出水的低位小沟13的顶端，堵头10边坡1∶1.5，由粒径在3cm左右的碎石构成，并在堵头中间夹设2层不透水或弱透水土工织物25。卡口11设置在大沟14内，高出常水位50cm，由粒径在5cm左右的碎石构成，并沿四周打上直立的木桩排用于固定，中间夹设2层不透水或弱透水土工织物25。在卡口11中间的束口处设有叠梁门26，低于常水位50cm，可由动力或手动调制升降，对大沟14过水起到束流调控作用，加上小沟内各堵头10的阻隔作用，使得湿地植物床两侧的高位小沟12和低位小沟13之间形成1‑10cm的水位差，促使进水在湿地植物床‑沟壕系统9中得到高效合理的分配。在湿地前塘15、湿地植物床‑沟壕系统9、缓冲塘16、充氧塘17以及多个后塘18，这些功能区之间的过水断面衔接处设置深潭22‑浅滩23结构，浅滩23由砾石、卵石或块石组成，中间以梅花桩样式打入木桩24，起到固定作用。深潭22‑浅滩23结构的迎水面坡度较缓，背水面坡度较陡，有助于消减迎水面的水流冲刷。
在本实施例中，通过泵站5的提水，实现了以泵站5为界前后两部分自流、推流的湿地流态大空间格局。通过管理房7的远程监控系统综合调控泵站5水泵的启闭数量和时间，进水闸2、节制闸3和排水闸4的启闭时间和启闭度，加上卡口11中间的叠梁门26结构的升降调节，实现湿地水力调控，包括湿地水位升降，水量分配和水力停留时间。通过逐步优化湿地水力调控方式使得进水在湿地净化系统内得到合理分配，确保大沟14过水量占总水量的百分比为25％‑40％，其余60％‑75％过水量在湿地净化主体——湿地植物床‑沟壕系统9内通过，湿地进水水力停留时间在72小时以上，并保证湿地水位在24小时内发生2‑3次10‑50cm变化幅度，使水和土壤基质得到充分的交替接触净化，并实现湿地干/湿交替，氧化/还原条件交替，最终提高人工湿地的水质净化功能。
其中水力调控优化形式具体如下：
泵站5的正常运行周期实施如下：连续三天的早上8:00至21:00，开启1m3/s，2m3/s，2m3/s共3台水泵连续运行，第四天、第五天早上8:00‑21:00，开启1m3/s，2m3/s共2台水泵，第六天早上8:00‑21:00开启2m3/s共1台，第七天重复第一天，依次循环运行。特殊情况启动剩余第四台水泵，并结合其他手段另行处理。
前三天3台水泵在8:00‑21:00运行过程中，将所有卡口11中的叠梁门26高度升至50cm，末端节制闸3处于关闭状态。泵站5运行初始，泵站5后第一个卡口11处水位110cm，流速最小值6cm/s；经过3个小时变动后稳定在90‑95cm/s之间，其水位上升后维持在160‑170cm之间。由此出现了水位的最大变化幅度50‑60cm。此外，泵站5运行初始，泵站5后第一个大沟卡口11所在区域内高位小沟12的水流速度表现在纵向速率5‑8cm/s，经过3个小时后，高位小沟12内的水流速度表现在横向速率3‑3.5cm/s，此时植物床内挖开土壤40cm见地下水，沿水位梯度高侧至低侧方向，地下水导流速率为0.6cm/s。经过估算，泵站5运行周期内湿地大沟14过水量保证在25％‑40％，其余60％‑75％水量在湿地植物床‑沟壕系统9内通过。
泵站5运行周期中，通过多个节制闸3的多次自动启闭，结合调节各卡口11处叠梁门26的高度进一步控制湿地水位，保证湿地内部在一天24小时出现2‑3次10‑50cm的水位变幅，使水和土壤充分接触，并实现湿地干/湿交替，氧化/还原条件交替。
通过以上一系列人工湿地的水力调控最终实现水质净化效率耦合提高的目标。实施例1的人工湿地日处理自来水厂源水20‑24万吨。到目前为止，已经成功运行3年。为期两年(2008/8‑2010/9)的监测数据结果表明，经过湿地净化，实现了源水水质指标TP、NH3‑N、DO、粪大肠菌群提高一个类别(地表水环境质量标准GB 3838‑2002)的效果。湿地运行两年主要指标的处理效果见表1.
表1实施例1的湿地两年(2008/8‑2010/9)主要指标的处理效果

注：进水、出水浓度值为监测两年的平均浓度。水质类别参照地表水环境质量标准GB 3838‑2002。
实施例2
图4是该人工湿地进水口拦截和复合探头控制示意图。在进水闸2前方10m处设置半吊式围隔20，固定悬浮在进水口前方，起到阻挡水葫芦、浮萍和大量漂浮垃圾进入湿地内部的作用。同时，在半吊式围隔20与进水闸2之间设置复合探头监测箱21，复合探头功能包含水位和水质原位监测与远程信号传输，自动监测并识别湿地进水水质状况，包括水位、浊度、溶解氧和氨氮等水质指标，尤其是当遇上河网地区的不定期暴雨，大量隐性污染源被瞬间冲刷进入河道，在湿地进水口催生并形成水位高峰和污染物浓度高峰，对湿地进水水质构成严重冲击，此时通过复合探头的原位监测与远程信号传输，由管理房7对进水闸2实现即时的远程自动调控，根据水位和污染物浓度的高低及时启闭进水闸，以保护湿地免受冲击。