一種可凈化水質的生態透水壩

彭杰帥，伍佑倫，宋文杰，鄧仁貴

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

面源污染主要發生在農村地區，人們的生活污水、各種養殖場的廢水沒經過集中處理，隨意排放，特別是農藥化肥的不合理使用等這些污染物隨著雨水流進河流和湖泊而導致污染[1～3]。除了農村地區外，城市也有面源污染，如各種垃圾滲濾液、一些餐飲行業的隨意排水、一些小企業違法偷排污水，雖說都是點源污染，但城市人口密集，這些點數量眾多，連接起來，就成為污染嚴重的面源污染。面源污染最終會匯集到河流湖泊中，造成污染，根據這一特點，在其入口采取措施進行治理，或者將其引入另一個地方，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，但均有缺陷，最大的缺陷就是下暴雨時，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]。

生態透水壩能夠攔截暴雨徑流，壩體本身能對污染水體進行過濾、微生物分解等凈化處理，因此早已被應用到面源污染的治理中[6～10]。傳統的生態透水壩是由不同級配的礫石堆砌而成，結構設計欠合理，本身不牢固，在水流拖拽力的作用下，前后壩體的骨料會發生滑移，導致壩面的崩塌，在滲透力的作用下，壩內的細集料會流失，導致壩體滲透系數增大，功能喪失。

為了解決現有技術中的不足和缺陷，本文提出一種構造簡單、建造成本低、可凈化水質的生態透水壩，適宜在中小河流面源污染治理工程中推廣應用。

1 方案設計

如圖1～圖4 所示，可凈化水質的生態透水壩包括壩體和壩體基座，壩體包括沿水流方向依次設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，兩側與翼緣板固定連接，前壩體和后壩體結構相同對稱設置在中壩體的兩側，蓋板設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構，中壩體內填裝有具有水質凈化功能的環境礦物材料形成凈化層。

圖1 生態透水壩結構示意圖

圖2 生態透水壩平面布置圖

圖3 生態透水壩立視圖

圖4 生態透水壩剖視圖

中壩體內凈化層的顆粒粒徑沿水流流動方向逐級增大。

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各設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有至少兩道防滑凸榫，翼緣板布置在底板的兩側與前壩體、中壩體和后壩體兩側連接固定，每側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整體，由鋼筋混凝土澆筑而成。

環境礦物材料為石英、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生態透水壩的前、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行截留和過濾，壩體孔隙內外表面上形成的生物膜中生物種群較多，可以充分發揮生物膜的作用，降解水中的污染物質，壩體表面種植的水生植物能有效地吸收、積累、分解廢水中的營養鹽類和多種有機污染物；中壩體內填裝的具有水質凈化功能的環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活性作用共四個方面進行減污，從而達到凈化水質的效果。

3 具體實施方式

可凈化水質的生態透水壩的實施時段宜選在一年當中的枯水季節，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流明渠將施工期的洪水引至下游河道；河底清基至設計底高程，若地基承載力不滿足設計要求，需對地基采取換填或夯實等加固處理措施；基礎開挖完成后，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各設有一道凸坎，底板的底面沿水流方向設有至少兩道防滑凸榫，翼緣板布置在底板的兩側，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，每側翼緣板沿水流方向設有至少兩道扶肋；壩體基座澆筑完后天便可脫模養護，養護完成后，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 抗壓強度≥10 MPa、連通孔隙率≥25%、抗沖流速≥4 m/s 的性能指標；待前、后壩體制作完成后，在中壩體內分層填裝具有水質凈化功能的環境礦物材料形成凈化層，實際選擇所述凈化層時，根據水體的污染程度，按照凈化標準選擇相應環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 種環境礦物材料，沿水流滲透的方向分層排布填裝，每層環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逐級增加，填裝完成后在頂部鋪設可拆裝式蓋板，以便運行期間對凈化層進行更換或補充；上、下游壩坡可根據污水處理的實際情況，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，回填導流明渠，生態透水壩正式投入運行。

4 技術效果

與現有技術相比，本文所述生態透水壩的技術效果及優點在于：

1）該生態透水壩不僅可以用于前置庫系統中進行污水攔截，還可以直接建于河道上對污水進行凈化處理。

2）通過壩體基座底板底部設置的防滑凸榫可以提高壩體的抗滑穩定性，基座底板頂部設置的凸坎可以阻止上部壩體沿基座底板發生滑動；基座兩側的翼緣板可以起到護岸擋土的作用，翼緣板內側設置的扶肋能提高翼緣板的整體強度。

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、下游壩坡可根據污水處理的實際情況，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行截留和過濾，壩體孔隙內外表面上形成的生物膜中生物種群較多，可以充分發揮生物膜的作用，降解水中的污染物質，壩體表面種植的水生植物能有效地吸收、積累、分解廢水中的營養鹽類和多種有機污染物，從而達到凈化水質的效果。

4）中壩體內填裝具有水質凈化功能的環境礦物材料形成凈化層，上游受污染的水體經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活性作用達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生管涌等滲透破壞的現象；中壩體頂部設有可拆裝式蓋板，運行期間可對壩體內的凈化層進行更換或補充。

5）該生態透水壩已在長沙市、湘潭市等多個生態清潔型小流域建設項目中開展應用。現場水質檢測實驗結果表明：該生態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%，具有良好的水質凈化性能。

5 結 語

本文所述的可凈化水質的生態透水壩可以對河道水體進行凈化，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、構造簡單、建造成本低和穩固耐久等優點，適宜在中小河流面源污染治理工程中推廣應用。