一種可凈化水質(zhì)的生態(tài)透水壩

彭杰帥，伍佑倫，宋文杰，鄧仁貴

（1. 湖南南方水利水電勘測設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長沙 410007；2. 湖南省水利水電科學(xué)研究院，湖南 長沙 410007）

面源污染主要發(fā)生在農(nóng)村地區(qū)，人們的生活污水、各種養(yǎng)殖場的廢水沒經(jīng)過集中處理，隨意排放，特別是農(nóng)藥化肥的不合理使用等這些污染物隨著雨水流進(jìn)河流和湖泊而導(dǎo)致污染[1～3]。除了農(nóng)村地區(qū)外，城市也有面源污染，如各種垃圾滲濾液、一些餐飲行業(yè)的隨意排水、一些小企業(yè)違法偷排污水，雖說都是點(diǎn)源污染，但城市人口密集，這些點(diǎn)數(shù)量眾多，連接起來，就成為污染嚴(yán)重的面源污染。面源污染最終會(huì)匯集到河流湖泊中，造成污染，根據(jù)這一特點(diǎn)，在其入口采取措施進(jìn)行治理，或者將其引入另一個(gè)地方，比如支流，處理后再排入河流湖泊中。如今采用較多的就是人工濕地和前置庫系統(tǒng)，但均有缺陷，最大的缺陷就是下暴雨時(shí)，不能阻止暴雨徑流，而最大的污染往往由暴雨徑流帶入河流湖泊[4～5]。

生態(tài)透水壩能夠攔截暴雨徑流，壩體本身能對污染水體進(jìn)行過濾、微生物分解等凈化處理，因此早已被應(yīng)用到面源污染的治理中[6～10]。傳統(tǒng)的生態(tài)透水壩是由不同級配的礫石堆砌而成，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)欠合理，本身不牢固，在水流拖拽力的作用下，前后壩體的骨料會(huì)發(fā)生滑移，導(dǎo)致壩面的崩塌，在滲透力的作用下，壩內(nèi)的細(xì)集料會(huì)流失，導(dǎo)致壩體滲透系數(shù)增大，功能喪失。

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足和缺陷，本文提出一種構(gòu)造簡單、建造成本低、可凈化水質(zhì)的生態(tài)透水壩，適宜在中小河流面源污染治理工程中推廣應(yīng)用。

1 方案設(shè)計(jì)

如圖1～圖4 所示，可凈化水質(zhì)的生態(tài)透水壩包括壩體和壩體基座，壩體包括沿水流方向依次設(shè)置在壩體基座上的前壩體、中壩體、后壩體和蓋板，壩體基座包括底板和翼緣板，前壩體、中壩體和后壩體安裝在底板的頂面上，兩側(cè)與翼緣板固定連接，前壩體和后壩體結(jié)構(gòu)相同對稱設(shè)置在中壩體的兩側(cè)，蓋板設(shè)置在前壩體和后壩體之間、卡裝在中壩體的頂部將中壩體封閉，前壩體、后壩體和蓋板均采用植生型多孔混凝土澆筑而成，中壩體為由前壩體、后壩體、蓋板、底板和翼緣板圍合形成的空心結(jié)構(gòu)，中壩體內(nèi)填裝有具有水質(zhì)凈化功能的環(huán)境礦物材料形成凈化層。

圖1 生態(tài)透水壩結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 生態(tài)透水壩平面布置圖

圖3 生態(tài)透水壩立視圖

圖4 生態(tài)透水壩剖視圖

中壩體內(nèi)凈化層的顆粒粒徑沿水流流動(dòng)方向逐級增大。

壩體固定在壩體基座上，壩體基座包括底板和翼緣板，底板沿水流方向的長度與壩體的底部寬度相匹配，底板兩端伸入河岸，前壩體、中壩體和后壩體安裝在底板的頂面上，并且底板在上下游側(cè)各設(shè)有一道凸出前壩體和后壩體凸坎，底板的底面沿水流方向設(shè)有至少兩道防滑凸榫，翼緣板布置在底板的兩側(cè)與前壩體、中壩體和后壩體兩側(cè)連接固定，每側(cè)翼緣板沿水流方向排布有至少兩道扶肋。

底板和翼緣板為一個(gè)整體，由鋼筋混凝土澆筑而成。

環(huán)境礦物材料為石英、石榴石、海泡石、膨脹珍珠巖、明礬石、三水鋁石、高嶺石、蒙脫石或沸石。

前壩體和后壩體上在常水位以上種植有挺水植物層，常水位以下種植有沉水植物層。

2 工作原理

上游河道受污染水體通過滲流的方式依次流經(jīng)生態(tài)透水壩的前、中、后壩體排至下游河道，前、后壩體可以利用其多孔、透水性能對污水中的懸浮物進(jìn)行截留和過濾，壩體孔隙內(nèi)外表面上形成的生物膜中生物種群較多，可以充分發(fā)揮生物膜的作用，降解水中的污染物質(zhì)，壩體表面種植的水生植物能有效地吸收、積累、分解廢水中的營養(yǎng)鹽類和多種有機(jī)污染物；中壩體內(nèi)填裝的具有水質(zhì)凈化功能的環(huán)境礦物材料通過礦物表面的吸附作用、孔道過濾作用、離子交換作用及化學(xué)活性作用共四個(gè)方面進(jìn)行減污，從而達(dá)到凈化水質(zhì)的效果。

3 具體實(shí)施方式

可凈化水質(zhì)的生態(tài)透水壩的實(shí)施時(shí)段宜選在一年當(dāng)中的枯水季節(jié)，在擬建河壩位置的上下游新建土石圍堰，將水抽干，并在工程河段新開導(dǎo)流明渠將施工期的洪水引至下游河道；河底清基至設(shè)計(jì)底高程，若地基承載力不滿足設(shè)計(jì)要求，需對地基采取換填或夯實(shí)等加固處理措施；基礎(chǔ)開挖完成后，在擬建河壩位置采用鋼筋混凝土整體澆筑壩體基座的底板和翼緣板，底板沿水流方向的長度與壩體的底部寬度相匹配，底板兩端伸入河岸，底板的頂面上下游側(cè)各設(shè)有一道凸坎，底板的底面沿水流方向設(shè)有至少兩道防滑凸榫，翼緣板布置在底板的兩側(cè)，翼緣板的間距與壩體垂直水流方向的長度相匹配，翼緣板的高度與河岸的高度相匹配，每側(cè)翼緣板沿水流方向設(shè)有至少兩道扶肋；壩體基座澆筑完后天便可脫模養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)完成后，在基座上采用植生型多孔混凝土支模澆筑前壩體和后壩體，前、后壩體采用分層澆筑插搗密實(shí)的方式制作，壩坡坡比取1∶1～1∶2，壩體需要滿足28 d 抗壓強(qiáng)度≥10 MPa、連通孔隙率≥25%、抗沖流速≥4 m/s 的性能指標(biāo)；待前、后壩體制作完成后，在中壩體內(nèi)分層填裝具有水質(zhì)凈化功能的環(huán)境礦物材料形成凈化層，實(shí)際選擇所述凈化層時(shí)，根據(jù)水體的污染程度，按照凈化標(biāo)準(zhǔn)選擇相應(yīng)環(huán)境礦物材料作為凈化層，可選擇石英、石榴石、海泡石、膨脹珍珠巖、明礬石、三水鋁石、高嶺石、蒙脫石、沸石中的任意3～4 種環(huán)境礦物材料，沿水流滲透的方向分層排布填裝，每層環(huán)境礦物材料可采用透水隔板分隔，凈化層的顆粒粒徑沿水流方向應(yīng)逐級增加，填裝完成后在頂部鋪設(shè)可拆裝式蓋板，以便運(yùn)行期間對凈化層進(jìn)行更換或補(bǔ)充；上、下游壩坡可根據(jù)污水處理的實(shí)際情況，在常水位以上種植挺水植物，常水位以下種植沉水植物，待植物成活后，拆除圍堰，回填導(dǎo)流明渠，生態(tài)透水壩正式投入運(yùn)行。

4 技術(shù)效果

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本文所述生態(tài)透水壩的技術(shù)效果及優(yōu)點(diǎn)在于：

1）該生態(tài)透水壩不僅可以用于前置庫系統(tǒng)中進(jìn)行污水?dāng)r截，還可以直接建于河道上對污水進(jìn)行凈化處理。

2）通過壩體基座底板底部設(shè)置的防滑凸榫可以提高壩體的抗滑穩(wěn)定性，基座底板頂部設(shè)置的凸坎可以阻止上部壩體沿基座底板發(fā)生滑動(dòng)；基座兩側(cè)的翼緣板可以起到護(hù)岸擋土的作用，翼緣板內(nèi)側(cè)設(shè)置的扶肋能提高翼緣板的整體強(qiáng)度。

3）由植生型多孔混凝土澆筑而成的前、后壩體，不僅具有一定的抗壓強(qiáng)度和抗沖刷能力，并且具有一定的連通孔隙率和植生性能，上、下游壩坡可根據(jù)污水處理的實(shí)際情況，在常水位以上種植挺水植物，常水位以下種植沉水植物。壩體可以利用其多孔、透水性能對污水中的懸浮物進(jìn)行截留和過濾，壩體孔隙內(nèi)外表面上形成的生物膜中生物種群較多，可以充分發(fā)揮生物膜的作用，降解水中的污染物質(zhì)，壩體表面種植的水生植物能有效地吸收、積累、分解廢水中的營養(yǎng)鹽類和多種有機(jī)污染物，從而達(dá)到凈化水質(zhì)的效果。

4）中壩體內(nèi)填裝具有水質(zhì)凈化功能的環(huán)境礦物材料形成凈化層，上游受污染的水體經(jīng)過前壩體的處理后滲入中壩體中的凈化層，水流通過滲流的方式穿過凈化層中分層填裝的環(huán)境礦物材料，通過礦物表面的吸附作用、孔道過濾作用、離子交換作用及化學(xué)活性作用達(dá)到凈化水體中污染物的效果；凈化層的顆粒粒徑沿水流方向逐級增加，可有效地防止凈化層在滲透壓力的作用發(fā)生管涌等滲透破壞的現(xiàn)象；中壩體頂部設(shè)有可拆裝式蓋板，運(yùn)行期間可對壩體內(nèi)的凈化層進(jìn)行更換或補(bǔ)充。

5）該生態(tài)透水壩已在長沙市、湘潭市等多個(gè)生態(tài)清潔型小流域建設(shè)項(xiàng)目中開展應(yīng)用?，F(xiàn)場水質(zhì)檢測實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該生態(tài)透水壩對污染水體中的COD、TN、TP 平均去除率分別為56.3%、73.2%、88.4%，具有良好的水質(zhì)凈化性能。

5 結(jié) 語

本文所述的可凈化水質(zhì)的生態(tài)透水壩可以對河道水體進(jìn)行凈化，并且具有較好的截污能力，可以緩減上游污染物對下游河道水體的污染，具有治污效果好、構(gòu)造簡單、建造成本低和穩(wěn)固耐久等優(yōu)點(diǎn)，適宜在中小河流面源污染治理工程中推廣應(yīng)用。