本发明属于堰坝工程技术领域，涉及一种近自然型生态堰及其构建方法。
背景技术：
堰坝是指为拦蓄水体，抬高上游水位，满足灌溉、发电、防洪等需求而建造的临时性或永久性水利设施。传统堰坝通常由混凝土、浆砌石筑建而成，通常不具备透水性或透水性较差，破坏了河道纵向连通性，使蓄水区水体流通缓慢，物质能量交换能力降低，容易引发水质恶化、污染物富集等问题。透水堰坝技术是在传统堰坝技术上发展而来形成的一系列技术，堰坝体通常由砌石、砂砾、木块等材料通过堆砌、固接等方式构筑而成，具备一定的透水性能，可改善传统堰坝对河流物质与能量的阻隔，一定程度恢复河流连通性，维持水生态系统平衡。其透水的特性使一部分水体以渗流的型式通过堰体，另一部分来水则以跌水的形式由堰顶漫溢，增加了水体中溶解氧的含量，相对于传统堰坝，具备更好的生态效应。
现有的生态透水堰坝是在传统堰坝的基础上改变结构和形态构成的，目前已有的透水堰坝通常存在以下问题：
（1）坝体主体结构采用的材料为混凝土或生态混凝土，造价高且施工周期长，对河流的连通性也有一定程度的影响；
（2）通过单一填料体的净化作用，水质净化能力相对较弱。
技术实现要素：
针对目前已有透水堰坝存在的上述问题，本发明提供了一种近自然型生态堰及其构建方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种近自然型生态堰，包括河岸植物缓冲带、主堰体、填料体、微孔曝气装置、微生物包埋箱、生态浮岛、抗冲刷坑，其中：
所述河岸植物缓冲带布设于主堰体迎水面上游；
所述填料体布设于主堰体内部；
所述填料体包括三个单元，自上游向下游依次为滤藻单元、增氧曝气单元、生物膜净化单元；
所述滤藻单元、增氧曝气单元、生物膜净化单元自下而上依次由反滤层、过渡层、过滤层组成；
所述微孔曝气装置由防水空气泵、微孔曝气管盘组成，防水空气泵固定于河岸，通过空气管连接微孔曝气管盘，微孔曝气管盘设置于增氧曝气单元的过滤层内；
所述微生物包埋箱由外固定箱体和内包埋囊组成，设置于生物膜净化单元的过滤层内；
所述生态浮岛用锚索固定于滤藻单元、增氧曝气单元、生物膜净化单元上部，锚索的一端固定在生态浮岛下部，另一端固定于滤藻单元、增氧曝气单元、生物膜净化单元的过滤层内；
所述抗冲刷坑设置于主堰体下游。
一种上述近自然型生态堰的构建方法，包括如下步骤：
步骤一、确定拟建设近自然型生态堰的规模和形态，进行堰坝体结构设计，确保堰坝体满足工程安全性需求；准备好前期导流排水、河道清淤、地基处理建设工作，确定主堰体、防水空气泵布设位置；
步骤二、将原木固定于河床内，分层填筑主堰体迎水面部分和背水面部分堆石；
步骤三、分层填筑填料体各单元的反滤层、过渡层、过滤层，进行填筑工作的同时布设微生物包埋箱的外固定箱体和微孔曝气装置的微孔曝气盘以及固定生态浮岛的锚索；
步骤四、在主堰体上游布设河岸植物缓冲带；在下游布设抗冲刷坑，并于其上铺设一层卵石垫层；
步骤五、将微孔曝气装置的防水空气泵固定于河岸，生态浮岛载体底部用锚索固定在填料体上部，在微生物包埋箱的外固定箱体内放入培养好净水微生物的内包埋囊。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
（1）近自然型生态堰的主堰体结构采用原木及堆石具有一定透水能力的材料组合而成，结构新颖，生态性、景观性较强，在维持景观水面、保证生态需水量等功能的同时，能够有效缓解堰体对河流纵向连通性的影响。
（2）堰体上游形成深水区，在堰体下游形成深潭，塑造了多样性的地貌及水域环境。
（3）填料体结构设置三个净化单元，滤藻单元预先过滤掉水体中的藻类及悬浮物，增氧曝气单元增加水体紊动，提高水体溶解氧含量，生物膜净化单元通过微生物高效截留、吸附、降解，显著提高水质净化能力。
（4）填料体上部生态浮岛通过植物根系一方面可以吸收和吸附水中的含氮、磷物质，另一方面根系可以分泌大量的酶来促进水中有机物的分解，有效净化堰上水流；此外，浮岛还可为水生动物、鸟类和昆虫提供了良好的栖息地，提高生物多样性，有利于生态恢复和景观改善。
（5）下游抗冲刷坑能够有效减轻水流对下游河床的冲刷，且卵石垫层为鱼类提供了一个适宜的栖息地。
（6）本发明可应用于农村、城市中小河流河道，能够有效削减污染物和塑造多样性的地貌与水域环境，有利于面源污染控制和河流生态环境改善，是生态文明建设和智慧水利的创新性工程设计实践。
附图说明
图1为本发明近自然型生态堰的侧视图；
图2为本发明近自然型生态堰的俯视图；
图3为填料体部分结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提供了一种近自然型生态堰，如图1和图2所示，所述近自然型生态堰包括河岸植物缓冲带1、主堰体2、填料体、微孔曝气装置6、微生物包埋箱7、生态浮岛8和抗冲刷坑9，其中：
所述河岸植物缓冲带1布设于主堰体迎水面上游，由小型灌木（如爬地柏、海桐、黄杨、旱金莲、紫薇等）与湿生植物组成，可以有效截留面源污染物，同时还可以稳固堤岸，防止水土流失。在进行植物优化配置时，应尽量选择当地乡土植物。
所述主堰体2由原木10及堆石构成，主堰体上游迎水面部分由下部碎石层、中部卵石层、上部砂石层组成，主堰体下游背水面部分由下部碎石层、上部卵石层组成，分别以原木固定在河床上。主堰体上游形成深水区，河底砂石层为鱼类等生物提供栖息庇护场所，下游背水面卵石层凹凸不平的粗糙表面，能够改变过堰水流形态，形成多样的流场环境，增加水体曝气。
所述填料体布设于主堰体内部，填料体包括三个单元，如图3所示，自上游向下游依次为滤藻单元3、增氧曝气单元4、生物膜净化单元5。所述滤藻单元3、增氧曝气单元4、生物膜净化单元5自下而上依次由反滤层、过渡层、过滤层组成，其中：所述填料体滤藻单元3的反滤层301由砂砾石、沸石、火山岩、陶粒、石英砂、鹅卵石中的一种或多种填料堆砌组成，材料级配粒径为5~20mm；过渡层302由砂砾石、沸石、火山岩、陶粒中的一种或多种吸附性填料堆砌组成，材料级配粒径为4~15mm；过滤层303由伊利石、绿泥石、滑石、沸石、砂砾石、火山岩、陶粒等材料中的一种或多种吸附性填料组成，材料级配粒径为2~12mm，利用粘土矿物对藻类的絮凝作用，预先过滤掉水体中的藻类及悬浮物。所述增氧曝气单元4的反滤层401由砂砾石、沸石、火山岩、陶粒、石英砂、鹅卵石中的一种或多种填料堆砌组成，材料级配粒径为5~20mm；过渡层402由砂砾石、沸石、火山岩、陶粒中的一种或多种吸附性填料堆砌组成，材料级配粒径为4~15mm；过滤层403由砂砾石、沸石、火山岩、陶粒等材料中的一种或多种吸附性填料组成，材料级配粒径为2~12mm。所述生物膜净化单元5的反滤层501由砂砾石、沸石、火山岩、陶粒、石英砂、鹅卵石中的一种或多种填料堆砌组成，材料级配粒径为5~20mm；过渡层502由砂砾石、沸石、火山岩、陶粒中的一种或多种吸附性填料堆砌组成，材料级配粒径为4~15mm；过滤层503由砂砾石、沸石、火山岩、陶粒等材料中的一种或多种吸附性填料组成，材料级配粒径为2~12mm。
所述微孔曝气装置6由防水空气泵、微孔曝气管盘组成，防水空气泵固定于河岸，通过空气管连接微孔曝气管盘，微孔曝气管盘设置于增氧曝气单元的过滤层403内，装置启动时，增加水体紊动，提高水体溶解氧含量。
所述微生物包埋箱7设置于生物膜净化单元5的过滤层503内，由外固定箱体和内包埋囊组成，外固定箱体由力学强度较高的pvc材料构成，箱体各面开1~5mm的随机孔，允许水流和大分子污染物通过；内包埋囊内主要由三角网格状多孔通透的固定结构和水不溶性的生物凝胶聚合物构成，生物凝胶聚合物中培养选定的净水微生物，生物凝胶聚合物可以吸附通过污染物分子等物质，为微生物提供良好的生存繁衍条件，防止微生物被水冲刷流失，微生物类型根据河道水质污染物类别可选择芽袍杆菌、产碱菌、em菌群等。水流经过时，水中污染物分子渗入外固定箱体，经微生物降解后产物扩散出外固定箱体，从而起到水质净化作用。内包埋囊和外固定箱体通过卡扣的方式连接固定，外固定箱体固定镶嵌于生物膜净化单元过滤层503的背水侧，内包埋囊可以从外固定箱体中抽出、安装，可根据内包埋囊中微生物状况定期更换内包埋囊，保持较高的微生物含量和水质净化能力。
所述生态浮岛8由载体及其上部喜水植物组成，其中：所述载体采用椰丝纤维；所述喜水植物为香根草、牛筋草、美人蕉、芦苇、水芹菜、香蒲、菖蒲、凤眼莲、茭白等中的一种或者多种混合种植。生态浮岛8用锚索11固定于填料体各单元上部，锚索11的一端固定在生态浮岛下部，另一端固定于填料体各单元过滤层内。生态浮岛8通过植物根系一方面可以吸收和吸附水中的含氮、磷物质，另一方面根系可以分泌大量的酶来促进水中有机物的分解。此外，生态浮岛8还可为水生动物和鸟类、昆虫提供良好的栖息地，提高生物多样性。
所述下游抗冲刷坑9为凹向河床的凹槽，设置于主堰体下游，凹槽上部铺设一层抗冲刷卵石垫层，能够有效减轻水流对下游河床的冲刷；主堰体下游所形成的深潭有利于鱼类等生物的滞留，卵石垫层在洪水期和枯水期为其提供了避难所。
上述近自然型生态堰的构建方法，具体构建步骤如下：
步骤一、确定拟建设近自然型生态堰的规模和形态，进行堰坝体结构设计，确保堰坝体满足工程安全性需求；准备好前期导流排水、河道清淤、地基处理建设工作，确定堰体、防水空气泵布设位置；
步骤二、将原木固定于河床内，分层填筑主堰体迎水面部分和背水面部分堆石；
步骤三、分层填筑填料体各单元的反滤层、过渡层、过滤层，进行填筑工作的同时布设微生物包埋箱的外固定箱体和微孔曝气装置的微孔曝气盘以及固定生态浮岛的锚索；
步骤四、在主堰体上游布设植物缓冲带；在下游布设抗冲刷坑，并于其上铺设一层卵石垫层；
步骤五、将微孔曝气装置的防水空气泵固定于河岸，生态浮岛载体底部用锚索固定在填料体上部，在微生物包埋箱的外固定箱体内放入培养好净水微生物的内包埋囊。
技术特征：
1.一种近自然型生态堰，其特征在于所述生态堰包括河岸植物缓冲带、主堰体、填料体、微孔曝气装置、微生物包埋箱、生态浮岛、抗冲刷坑，其中：
所述河岸植物缓冲带布设于主堰体迎水面上游；
所述填料体布设于主堰体内部；
所述填料体包括三个单元，自上游向下游依次为滤藻单元、增氧曝气单元、生物膜净化单元；
所述滤藻单元、增氧曝气单元、生物膜净化单元自下而上依次由反滤层、过渡层、过滤层组成；
所述微孔曝气装置由防水空气泵、微孔曝气管盘组成，防水空气泵固定于河岸，通过空气管连接微孔曝气管盘，微孔曝气管盘设置于增氧曝气单元的过滤层内；
所述微生物包埋箱由外固定箱体和内包埋囊组成，设置于生物膜净化单元的过滤层内；
所述生态浮岛用锚索固定于滤藻单元、增氧曝气单元、生物膜净化单元上部，锚索的一端固定在生态浮岛下部，另一端固定于滤藻单元、增氧曝气单元、生物膜净化单元的过滤层内；
所述抗冲刷坑设置于主堰体下游。
2.根据权利要求1所述的近自然型生态堰，其特征在于所述河岸植物缓冲带由小型灌木与湿生植物组成，所述小型灌木为爬地柏、海桐、黄杨、旱金莲、紫薇中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的近自然型生态堰，其特征在于所述主堰体由原木及堆石构成，主堰体上游迎水面部分由下部碎石层、中部卵石层、上部砂石层组成，主堰体下游背水面部分由下部碎石层、上部卵石层组成，分别以原木固定在河床上。
4.根据权利要求1所述的近自然型生态堰，其特征在于所述填料体滤藻单元的反滤层由砂砾石、沸石、火山岩、陶粒、石英砂、鹅卵石中的一种或多种填料堆砌组成，材料级配粒径为5~20mm；过渡层由砂砾石、沸石、火山岩、陶粒中的一种或多种吸附性填料堆砌组成，材料级配粒径为4~15mm；过滤层由伊利石、绿泥石、滑石、沸石、砂砾石、火山岩、陶粒中的一种或多种吸附性填料组成，材料级配粒径为2~12mm。
5.根据权利要求1所述的近自然型生态堰，其特征在于所述增氧曝气单元的反滤层由砂砾石、沸石、火山岩、陶粒、石英砂、鹅卵石中的一种或多种填料堆砌组成，材料级配粒径为5~20mm；过渡层由砂砾石、沸石、火山岩、陶粒中的一种或多种吸附性填料堆砌组成，材料级配粒径为4~15mm；过滤层由砂砾石、沸石、火山岩、陶粒中的一种或多种吸附性填料组成，材料级配粒径为2~12mm。
6.根据权利要求1所述的近自然型生态堰，其特征在于所述生物膜净化单元的反滤层由砂砾石、沸石、火山岩、陶粒、石英砂、鹅卵石中的一种或多种填料堆砌组成，材料级配粒径为5~20mm；过渡层由砂砾石、沸石、火山岩、陶粒中的一种或多种吸附性填料堆砌组成，材料级配粒径为4~15mm；过滤层由砂砾石、沸石、火山岩、陶粒中的一种或多种吸附性填料组成，材料级配粒径为2~12mm。
7.根据权利要求1所述的近自然型生态堰，其特征在于所述外固定箱体由pvc材料构成，箱体各面开1~5mm的随机孔；内包埋囊内由三角网格状多孔通透的固定结构和水不溶性的生物凝胶聚合物构成。
8.根据权利要求1所述的近自然型生态堰，其特征在于所述生态浮岛由载体及其上部喜水植物组成，所述载体采用椰丝纤维；所述喜水植物为香根草、牛筋草、美人蕉、芦苇、水芹菜、香蒲、菖蒲、凤眼莲、茭白中的一种或者多种混合种植。
9.根据权利要求1所述的近自然型生态堰，其特征在于所述下游抗冲刷坑为凹向河床的凹槽，凹槽上部铺设一层抗冲刷卵石垫层。
10.一种权利要求1-9任一项所述近自然型生态堰的构建方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
步骤一、确定拟建设近自然型生态堰的规模和形态，进行堰坝体结构设计，确保堰坝体满足工程安全性需求；准备好前期导流排水、河道清淤、地基处理建设工作，确定主堰体、防水空气泵布设位置；
步骤二、将原木固定于河床内，分层填筑主堰体迎水面部分和背水面部分堆石；
步骤三、分层填筑填料体各单元的反滤层、过渡层、过滤层，进行填筑工作的同时布设微生物包埋箱的外固定箱体和微孔曝气装置的微孔曝气盘以及固定生态浮岛的锚索；
步骤四、在主堰体上游布设河岸植物缓冲带；在下游布设抗冲刷坑，并于其上铺设一层卵石垫层；
步骤五、将微孔曝气装置的防水空气泵固定于河岸，生态浮岛载体底部用锚索固定在填料体上部，在微生物包埋箱的外固定箱体内放入培养好净水微生物的内包埋囊。
技术总结
本发明公开了一种近自然型生态堰及其构建方法，所述生态堰包括河岸植物缓冲带、主堰体、填料体、微孔曝气装置、微生物包埋箱、生态浮岛、抗冲刷坑。本发明主堰体材料由原木及堆石构成，结构新颖，生态性、景观性较强；填料体结构设置三个净化单元，滤藻单元预先过滤掉水体中的藻类及悬浮物，增氧曝气单元增加水体紊动，提高水体溶解氧含量，生物膜净化单元通过微生物高效截留、吸附、降解，显著提高水质净化能力；生态浮岛通过植物根系一方面可以吸收和吸附水中的含氮、磷物质，另一方面根系可以分泌大量的酶来促进水中有机物的分解；下游抗冲刷坑能够有效减轻水流对下游河床的冲刷，且设置的卵石垫层为鱼类提供了一个适宜的栖息地。
技术开发人、权利持有人：高金花;毛硕;章晓晖;殷友超;孙佳琪;王致强
