一种可净化水质的生态透水坝

2020-07-25彭杰帅伍佑伦宋文杰邓仁贵

湖南水利水电 2020年3期

彭杰帅，伍佑伦，宋文杰，邓仁贵

（1. 湖南南方水利水电勘测设计院有限公司，湖南长沙 410007；2. 湖南省水利水电科学研究院，湖南长沙 410007）

面源污染主要发生在农村地区，人们的生活污水、各种养殖场的废水没经过集中处理，随意排放，特别是农药化肥的不合理使用等这些污染物随着雨水流进河流和湖泊而导致污染[1～3]。除了农村地区外，城市也有面源污染，如各种垃圾渗滤液、一些餐饮行业的随意排水、一些小企业违法偷排污水，虽说都是点源污染，但城市人口密集，这些点数量众多，连接起来，就成为污染严重的面源污染。面源污染最终会汇集到河流湖泊中，造成污染，根据这一特点，在其入口采取措施进行治理，或者将其引入另一个地方，比如支流，处理后再排入河流湖泊中。如今采用较多的就是人工湿地和前置库系统，但均有缺陷，最大的缺陷就是下暴雨时，不能阻止暴雨径流，而最大的污染往往由暴雨径流带入河流湖泊[4～5]。

生态透水坝能够拦截暴雨径流，坝体本身能对污染水体进行过滤、微生物分解等净化处理，因此早已被应用到面源污染的治理中[6～10]。传统的生态透水坝是由不同级配的砾石堆砌而成，结构设计欠合理，本身不牢固，在水流拖拽力的作用下，前后坝体的骨料会发生滑移，导致坝面的崩塌，在渗透力的作用下，坝内的细集料会流失，导致坝体渗透系数增大，功能丧失。

为了解决现有技术中的不足和缺陷，本文提出一种构造简单、建造成本低、可净化水质的生态透水坝，适宜在中小河流面源污染治理工程中推广应用。

1 方案设计

如图1～图4 所示，可净化水质的生态透水坝包括坝体和坝体基座，坝体包括沿水流方向依次设置在坝体基座上的前坝体、中坝体、后坝体和盖板，坝体基座包括底板和翼缘板，前坝体、中坝体和后坝体安装在底板的顶面上，两侧与翼缘板固定连接，前坝体和后坝体结构相同对称设置在中坝体的两侧，盖板设置在前坝体和后坝体之间、卡装在中坝体的顶部将中坝体封闭，前坝体、后坝体和盖板均采用植生型多孔混凝土浇筑而成，中坝体为由前坝体、后坝体、盖板、底板和翼缘板围合形成的空心结构，中坝体内填装有具有水质净化功能的环境矿物材料形成净化层。

图1 生态透水坝结构示意图

图2 生态透水坝平面布置图

图3 生态透水坝立视图

图4 生态透水坝剖视图

中坝体内净化层的颗粒粒径沿水流流动方向逐级增大。

坝体固定在坝体基座上，坝体基座包括底板和翼缘板，底板沿水流方向的长度与坝体的底部宽度相匹配，底板两端伸入河岸，前坝体、中坝体和后坝体安装在底板的顶面上，并且底板在上下游侧各设有一道凸出前坝体和后坝体凸坎，底板的底面沿水流方向设有至少两道防滑凸榫，翼缘板布置在底板的两侧与前坝体、中坝体和后坝体两侧连接固定，每侧翼缘板沿水流方向排布有至少两道扶肋。

底板和翼缘板为一个整体，由钢筋混凝土浇筑而成。

环境矿物材料为石英、石榴石、海泡石、膨胀珍珠岩、明矾石、三水铝石、高岭石、蒙脱石或沸石。

前坝体和后坝体上在常水位以上种植有挺水植物层，常水位以下种植有沉水植物层。

2 工作原理

上游河道受污染水体通过渗流的方式依次流经生态透水坝的前、中、后坝体排至下游河道，前、后坝体可以利用其多孔、透水性能对污水中的悬浮物进行截留和过滤，坝体孔隙内外表面上形成的生物膜中生物种群较多，可以充分发挥生物膜的作用，降解水中的污染物质，坝体表面种植的水生植物能有效地吸收、积累、分解废水中的营养盐类和多种有机污染物；中坝体内填装的具有水质净化功能的环境矿物材料通过矿物表面的吸附作用、孔道过滤作用、离子交换作用及化学活性作用共四个方面进行减污，从而达到净化水质的效果。

3 具体实施方式

可净化水质的生态透水坝的实施时段宜选在一年当中的枯水季节，在拟建河坝位置的上下游新建土石围堰，将水抽干，并在工程河段新开导流明渠将施工期的洪水引至下游河道；河底清基至设计底高程，若地基承载力不满足设计要求，需对地基采取换填或夯实等加固处理措施；基础开挖完成后，在拟建河坝位置采用钢筋混凝土整体浇筑坝体基座的底板和翼缘板，底板沿水流方向的长度与坝体的底部宽度相匹配，底板两端伸入河岸，底板的顶面上下游侧各设有一道凸坎，底板的底面沿水流方向设有至少两道防滑凸榫，翼缘板布置在底板的两侧，翼缘板的间距与坝体垂直水流方向的长度相匹配，翼缘板的高度与河岸的高度相匹配，每侧翼缘板沿水流方向设有至少两道扶肋；坝体基座浇筑完后天便可脱模养护，养护完成后，在基座上采用植生型多孔混凝土支模浇筑前坝体和后坝体，前、后坝体采用分层浇筑插捣密实的方式制作，坝坡坡比取1∶1～1∶2，坝体需要满足28 d 抗压强度≥10 MPa、连通孔隙率≥25%、抗冲流速≥4 m/s 的性能指标；待前、后坝体制作完成后，在中坝体内分层填装具有水质净化功能的环境矿物材料形成净化层，实际选择所述净化层时，根据水体的污染程度，按照净化标准选择相应环境矿物材料作为净化层，可选择石英、石榴石、海泡石、膨胀珍珠岩、明矾石、三水铝石、高岭石、蒙脱石、沸石中的任意3～4 种环境矿物材料，沿水流渗透的方向分层排布填装，每层环境矿物材料可采用透水隔板分隔，净化层的颗粒粒径沿水流方向应逐级增加，填装完成后在顶部铺设可拆装式盖板，以便运行期间对净化层进行更换或补充；上、下游坝坡可根据污水处理的实际情况，在常水位以上种植挺水植物，常水位以下种植沉水植物，待植物成活后，拆除围堰，回填导流明渠，生态透水坝正式投入运行。

4 技术效果

与现有技术相比，本文所述生态透水坝的技术效果及优点在于：

1）该生态透水坝不仅可以用于前置库系统中进行污水拦截，还可以直接建于河道上对污水进行净化处理。

2）通过坝体基座底板底部设置的防滑凸榫可以提高坝体的抗滑稳定性，基座底板顶部设置的凸坎可以阻止上部坝体沿基座底板发生滑动；基座两侧的翼缘板可以起到护岸挡土的作用，翼缘板内侧设置的扶肋能提高翼缘板的整体强度。

3）由植生型多孔混凝土浇筑而成的前、后坝体，不仅具有一定的抗压强度和抗冲刷能力，并且具有一定的连通孔隙率和植生性能，上、下游坝坡可根据污水处理的实际情况，在常水位以上种植挺水植物，常水位以下种植沉水植物。坝体可以利用其多孔、透水性能对污水中的悬浮物进行截留和过滤，坝体孔隙内外表面上形成的生物膜中生物种群较多，可以充分发挥生物膜的作用，降解水中的污染物质，坝体表面种植的水生植物能有效地吸收、积累、分解废水中的营养盐类和多种有机污染物，从而达到净化水质的效果。

4）中坝体内填装具有水质净化功能的环境矿物材料形成净化层，上游受污染的水体经过前坝体的处理后渗入中坝体中的净化层，水流通过渗流的方式穿过净化层中分层填装的环境矿物材料，通过矿物表面的吸附作用、孔道过滤作用、离子交换作用及化学活性作用达到净化水体中污染物的效果；净化层的颗粒粒径沿水流方向逐级增加，可有效地防止净化层在渗透压力的作用发生管涌等渗透破坏的现象；中坝体顶部设有可拆装式盖板，运行期间可对坝体内的净化层进行更换或补充。

5）该生态透水坝已在长沙市、湘潭市等多个生态清洁型小流域建设项目中开展应用。现场水质检测实验结果表明：该生态透水坝对污染水体中的COD、TN、TP 平均去除率分别为56.3%、73.2%、88.4%，具有良好的水质净化性能。