1.本发明属于环境治理技术领域，具体涉及一种山地型深水景观湖库多界面梯度治理方法。


背景技术：

2.我国西南地区山地多、山洪周期和水量特征规律明显。山地地区湖库通常呈深“v”型，属于封闭缓流水体，水体流动性差，水生态系统简单，水环境容量小，自净能力弱，容易出现富营养化。雨季时山区易形成山洪，其流量大、流速快、携带大量泥沙，入水的强烈冲刷对湖库构的水生态系统冲击较大，并且泥沙颗粒表面携带氮、磷等营养物质，入水后极易破坏湖库自净化效果，导致水质变差。另外，随着我国快速的城市化，以前位于城市外围的中小型山地湖库被城市发展所吞并，功能由调蓄、防洪、灌溉等转变为城市中的景观湖库，受山洪影响较大、水动力较弱、景观打造不足等问题明显，成为西南山地地区城市发展亟需解决的问题之一。
3.目前应对山地型深水湖库遭受破坏的处理方法主要有山洪分流、拦截，建造调蓄池、清水水生态系统构建等。山洪分流、拦截通过修建排水管网、排水渠、梯度人工构筑物等将山洪进行分流或拦截，此技术在山体中施工难度高、运维难度大，且缺少拦截后入水净化处理手段。构建调蓄池是通过修建土建池体蓄积山洪水并定时清淤，但调蓄池的修建往往存在需大兴土木、容积计算不准确、运维成本高、占地面积大、空置时间长等问题。水生态系统构建目前技术多采用为清水水生态修复技术，对于深“v”型的湖库而言，其特点为水深较深且浅水区较面积较少，因此挺水植物、沉水植物能够种植的面积较少，采用该技术效果甚微，且现有技术往往缺少前端有效拦截措施，使治理达不到预期效果。因此目前常用技术均存在一些弊端，缺乏有效的山地型深水湖库处理手段。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对因山洪侵袭而需在山区大兴土木修筑工程、导致施工难度大、运维成本高等现有山地型深水湖库治理手段存在的问题和不足，提供一种山地型深水景观湖库多界面梯度治理方法，结合景观、生态化的山洪消能、过滤、净化的多界面梯度治理手段，实现对山洪的低成本、高效治理。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
6.一种山地型深水景观湖库多界面梯度治理方法，首先将湖库的治理区域沿边坡自上而下分为陆上边坡、滨水区和水下区三个部分；它包括自湖库陆上边坡到水下区依次设置为陆上消能过滤带、水陆交错带和水下生态净化带；其中陆上消能过滤带包括沿湖库陆上边坡自上而下依次设置的生态溪沟、梯度生态坡地和生态植草沟；水陆交错带设置在滨水区，生态植草沟设置在景观植物带与滨水区之间；水下净化带水下生态净化带包括依次设置的碳素纤维微生物净化带、沉水植物净化系统和生态隔离带。
7.上述方案中，所述湖库陆上边坡的坡度为0-20
°
；滨水区的水深为0-0.5m；湖库水
下区的水深为0.5(不包括0.5m)-3m。
8.上述方案中，在山洪汇水区、排口、涵洞等点源出水处与湖库边坡之间处设置生态溪沟；生态溪沟内散布块石、鹅卵石等碎石，粒径为5-50cm。本发明采的生态溪沟可有效削减山洪动能，防止冲刷下游坡地植物，同时通过在其中进一步散播耐性较强的水生草本植物种子，可进一步削弱山洪动能、减少地表径流及入水泥沙量的功能，兼具景观效果。
9.上述方案中，所述梯度生态坡地包括15-20
°
坡地、5-15
°
坡地和0-5
°
坡地，其中15-20
°
坡地区域保留原生自然植被(自然植被带)；在5-15
°
坡地区域选择根系发达的乔灌草乡土植物(乔木、灌木和草本植物)进行搭配(生态消能过滤带)，乔木排列种植，灌木和草本密植；0-5
°
坡地区域选择景观效果较好的乔灌草植物(乔木、灌木和草本植物)进行组合搭配，在拦截山洪的同时构建层次丰富的植物景观(景观植物带)；距湖库常水位2-3m处设置生态植草沟。
10.优选的，所述生态溪沟中，根据排口、涵洞的实际排水峰值确定溪沟的长度、宽度，排水峰值每0.1m3/s对应溪沟面积约800-1200m2，溪沟有效深度0.8-1.2m；溪沟散布块石、鹅卵石等碎石，粒径为5-50cm。路径采用蜿蜒布置，生态溪沟末端采用多级分流形式；溪沟模拟自然散布块石、鹅卵石等碎石，块石粒径50-150cm，鹅卵石粒径5-15cm；溪沟中散播水蓼、块茎薹草、扁穗牛鞭草、扁根茎三棱等抗性较强的水生草本植物种子，任其自由生长。生态溪沟设置山洪入口处，起沉淀部分泥沙、悬浮物等、山洪动力初期消能、同时水生草本植物生长后起到固化碎石层、过滤拦截并吸附水体中携带污染物等作用，并兼具景观效果。
11.优选的，15-20
°
坡地区域保留自然植被；5-15
°
坡地区域乔木横、纵向间距5m，每行以交错形式种植；灌木根据场地现状种植较宽的条状灌木带，根据不同植物类型，种植密度4-9株/m2，带状方向与来水角度呈90-120
°
倾角；整个区域密植草本植物，根据不同植物类型，种植密度20-30株/m2；0
°‑5°
坡地区域选用乔灌木植物，种植密度为40-50株/m2。
12.优选的，所述生态植草沟的断面形式采用倒抛物线形、三角形或梯形；生态植草沟的边坡坡度(垂直：水平)不大于1:3，纵坡不大于4％，纵坡较大时设置为阶梯型或在中途设置消能台坎；植物种类选择草坪草(狗牙根、结缕草等)、挺水植物(美人蕉、再力花、梭鱼草等)或沉水植物(苦草、轮叶黑藻、马来眼子菜等)均可。
13.上述方案中，所述根系发达的植物种类选择以乡土植物为主，乔木主要选用黄葛树、榕树、桂花、复羽叶栾树、香樟、天竺桂中的一种或多种(后叙述方式同)；湿生乔木主要选用池杉、水杉、垂柳、枫杨；灌木主要选用金叶女贞、杜鹃、红花檵木、海桐、六月雪、蚊母树、细叶萼距花、日本珊瑚树等；草本主要选用狗牙根、结缕草、沿阶草、麦冬、吉祥草、日本鸢尾等。
14.上述方案中，所述景观植物包括日本晚樱、撒金碧桃、红枫、银合欢等景观乔木；金叶女贞、细叶萼距花、海桐、杜鹃、红花檵木等景观灌木；狗牙根、细叶结缕草、日本鸢尾、小兔子草等景观草本植物。
15.上述方案中，所述水陆交错带在水深0-0.5m滨水区域内种植水质净化效果好、兼具景观效果的湿生乔木、挺水植物和浮叶植物。
16.上述方案中，挺水植物主要选用美人蕉、再力花、梭鱼草、风车草、黄菖蒲、芦苇。
17.上述方案中，所述水下生态净化带中，在水下0.5-3m(不包含0.5m)范围内填补未拦截最终入水的山洪净化“最后一公里”：0.5-1m(不包含1m)范围内设置碳素纤维净化系
统、水深1-2m(不包含2m)范围内种植先锋沉水植物净化水质；水深2-3m处设置生态隔离带对汇水区山洪出口进行围合；共同拦截入水山洪携带的泥沙。
18.上述方案中，在岸线湾区水动力不足处布置兼具景观效果的曝气增氧设施。
19.优选的，水陆交错带种植湿生乔木种植间距3-5m；挺水植物、浮叶植物，种植密度为15-25株/m2。
20.上述方案中，所述水下生态净化带由碳素纤维微生物净化带、沉水植物净化系统和生态隔离带组成。
21.优选的，水下生态净化带还包括曝气增氧设施，设置在在岸线湾区水动力不足处。
22.上述方案中，所述碳素纤维净化系统设置在水深0.5-1m(不包含1m)区域，在山洪入流湖库的前段安装中碳素纤维净化单元，碳素纤维净化带沿水流方向纵向布置已固着微生物菌种的碳素纤维模块，碳素纤维模块以方阵排列；所述碳素纤维模块包括进水区、配水区和接触反应区，进水区和配水区之间设置导流板，将进入的水流效能后导流至配水区；配水区与接触反应区之间采用开设水孔的隔板相连，在接触反应区填充碳素纤维草，并在其表面附着微生物菌剂；经接触反应区处理后的水进一步引入下一个碳素纤维模块；本发明采用的碳素纤维净化系统相较于传统直接铺设仿生水草的方式，具有模块化使安装便捷、内部设置分区延长水力停留时间，使反应更充分，净水效果更好，并且以模块化形式提前固化激活扩培后微生物菌种，解决常规技术微生物现场激活扩培麻烦、投加喷洒困难等问题。
23.上述方案中，所述碳素纤维草的比表面积64000-80000m2/m3，为碳含量超过90％的无机高分子纤维，相较于传统仿生水草、弹性填料、组合填料，具有比表面积较大，吸附性高、亲水性能好等优点，对微生物有高效的富集、激活作用，可为微生物提供更大附着面积，以达到快速吸附、降解污染物、净化水体的作用。
24.上述方案中，所述开设水孔的隔板的开孔率为80～90％，孔径为30-50cm。
25.上述方案中，所述微生物菌种采用脱臭芽孢杆菌(20-30％)、硝化细菌(10-20％)、光合细菌(10-20％)、反硝化细菌(10-20％)、枯草芽孢杆菌(30-40％)等形成的混合菌剂，经激活、扩培后投放在碳素纤维模块中，投放剂量为0.8～2.5mg/l。
26.上述方案中，所述微生物菌种在使用前，进一步进行激活扩培，具体步骤包括：首先将上述混合菌剂与湖库原水以1:2～1:5的质量比混合配置成菌剂悬浊液，然后将葡萄糖、淀粉等营养源与菌剂悬浊液以1:1的质量比调配溶解后投加至扩培桶内，再利用用曝气机充氧曝气24～48h以上，菌种即可被激活扩培，最后将扩培后的菌种投加至碳素纤维净化模块，固着生长于碳素纤维上。相比于同类技术，本发明激活扩培方式操作便捷，适宜于工程化应用，并且本发明将菌种于碳素纤维单元相结合制成模块化产品，有利于施工安装。
27.上述方案中，所述沉水植物净化区设置在水深为1-2m区域，种植密度为100-120株/m2。
28.上述方案中，所述先锋沉水植物主要选用苦草、轮叶黑藻、伊乐藻、微齿眼子菜、马来眼子菜等。
29.上述方案中，所述生态隔离带设置在湖库排口、涵洞、汇水区等出水区域附近水域离岸水深2-3m处的河床上，它包括基础承托层、填料区和种植基；其中基础承托层固定在河床上，填料区设置在基础承托层上部，填料区侧面由种植基围合，填料区设置在基础承托层上部；其中填料区为砾石、瓜子片和多孔滤料依次添加形成的密堆结构；其中砾石的粒径为
10-50mm，瓜子片的粒径为5-10mm，多孔滤料(火山岩、沸石等)的粒径为2-5mm；植草基由纺织布袋装填5-10mm砾石与草籽形成矩形模块，然后进行堆积排列形成；发挥进一步吸附污染物氮磷等、降低浊度，减弱冲刷影响作用，同时又起稳固隔离带作用。常规技术中生态隔离通常为城市外围或者组团之间，以林地、湿地、农业用地、园地等生态用地为主的绿色植被带。应用在水环境治理时，常以矩形断面的围挡形式，内部填充滤料而使用，起拦截过滤作用。但其缺点是滤料装填方式复杂，抗水力冲击能力差，稳固性、净化作用较差。相较于常规工艺本发明具有生物附着性能好、抗冲击能力更强。污染物降解能力强、施工更便捷等优点。
30.上述方案中，所述生态隔离带呈梯形断面，坡度为1:1-1:2。
31.上述方案中，所述基础承托层采用木桩固定；上方捆绑生态浮床种植挺水植物；木桩以锯齿状v字型排布，较常规技术一字型排列的桩，相邻桩基之间相互受力挤压，防止受外力作用发生移位。
32.优选的，在库湾区水动力不足区域设置充氧曝气设施，针对山地深水湖库，目前国内外常用的技术为叶轮式增氧机。选用提水式曝气机，功率0.37-0.75kw，增氧能力1.0-2.8kgo2/h，循环通量150m3/h。提水式曝气机不需水泵、通过布置管路系统实现造景、净水喷泉。是一种快速增氧系统，与传统的叶轮式增氧机相比，增氧效果好，经济、轻便，而且具有优美的造型和独特的造景功效。
33.本发明采用的植物并不局限于上述提到的，在任何不影响本发明效果的情况下，可以采用任何一种具体的乡土植物。
34.上述方案中，所述山地型深水景观湖库的最大水深大于7m。
35.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
36.1)本发明提供了一种山地型深水景观湖库多界面梯度治理方法，结合景观打造，采用生态修复手法对山洪进行消能、过滤，减少山洪对湖库水生态的冲击，并且创新性的设置水下生态净化带补足山洪净化的“最后一公里”技术；具有生态、低成本、可持续、高效、美观、水质净化效果好等优点，治理后山地湖库水质可达地表四类水标准；并可有效解决常规治理技术存在的施工难度大、运维成本高等弊端；
37.2)采用本发明所述治理方法，可有效降低入流峰值流量，削弱山洪动能、过滤山洪所携带的泥沙量山洪消能，解决山地湖库受冲击问题；因地制宜，有效节约投资成本，运营维护成本较常规技术降低30％。
附图说明
38.图1为本发明一个实施例所述山洪生态拦截净化系统的剖面示意图；
39.图中包括陆上消能过滤带1、水陆交错植物带2和水下生态净化带3三个部分，其中1-1为生态溪沟，1-2为基于15-20
°
坡地的自然植被带，1-3为基于5-15
°
坡地的生态消能过滤带，1-4为基于0-5
°
坡地的景观植物带，1-5为生态植草沟；3-1为碳素纤维微生物净化系统，3-2为沉水植物净化系统，3-3为生态隔离带；3-4曝气增氧设备。
40.图2为5-15
°
的坡地乔木交错种植平面示意图。
41.图3为本发明一个实施例采用的生态隔离断面图；其中3-3-1为种植基，3-3-2为基础承托层；3-3-3为填料区；3-3-4为木桩。
42.图4为本发明一个实施例采用的生态隔离木桩布置图。
具体实施方式
43.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
44.实施例1
45.一种山地型深水景观湖库山洪生态拦截净化系统，针对某正常蓄水位为206.0m，正常蓄水位库容为178.4万m3，蓄水至206m后自然水域面积约588亩，最大水深12.0m，平均水深4.5m；雨季(夏季)受山洪冲击后ss、tp超标的某山地型深水景观水库，其结构示意图见图1；它包括自湖库陆上边坡到水下区依次设置为陆上消能过滤带1、水陆交错植物带2和水下生态净化带3；其中陆上消能过滤带1包括沿湖库陆上边坡自上而下依次设置的生态溪沟1-1、基于15-20
°
坡地的自然植被带1-2、基于5-15
°
坡地的生态消能过滤带1-3、基于0-5
°
坡地的景观植物带1-4和生态植草沟1-5；水陆交错植物2带设置在滨水区，生态植草沟1-5设置在景观植物带1-4与滨水区之间；水下生态净化带3包括依次设置的碳素纤维净化系统3-1、先锋沉水植物带3-2、生态隔离带3-3；具体治理和修复方法包括如下步骤：
46.1)设置陆上消能过滤带
47.s1、湖库库区共有3个山洪排水涵洞，涵洞出水形成一条自然溪沟排入库区，自然溪沟长度约1.5km，排水峰值0.29m3/s，在溪沟原有基础上进行扩增改建，修建生态溪沟1-1，溪沟有效水深为1m，长度为1.5km，平均均宽度为2m，面积约为3000m2，溪沟中模拟自然散布块石、鹅卵石等碎石，块石粒径50-150cm，鹅卵石粒径5-15cm；散播水蓼、块茎薹草、扁穗牛鞭草、扁根茎三棱草本种子；
48.s2、沿湖库山坡15-20
°
坡面处保留自然植被，形成原生植物带1-2；继续沿5-15
°
的坡面种植的植物带1-3，乔木主要选用榕树、黄葛树、复羽叶栾树、天竺桂、香樟混合搭配种植，树种株高＞5m，冠幅＞3m，株间横纵间距5m，交错排列种植；灌木选用金叶女贞、细叶萼距花、海桐、杜鹃、红花檵木、蚊母树、日本珊瑚树搭配带状种植，种植均宽约3m，高度0.8-1.5m，与来水角度呈90
°‑
120
°
倾角；草本植物选用狗牙根、结缕草、麦冬、沿阶草、日本鸢尾、吉祥草等低矮草本和地被植物；
49.最后沿0-5
°
的坡面种植景观植物带1-4，包括景观乔木和景观草本植物，其中以景观设计搭配种植日本晚樱、撒金碧桃、红枫、银合欢等景观乔木，金叶女贞、细叶萼距花、海桐、杜鹃、红花檵木等景观灌木，狗牙根、细叶结缕草、日本鸢尾、小兔子草等景观草本植物；
50.s3、在湖库库区岸边与植物带之间修建生态植草沟1-5，边坡坡度(垂直：水平)1:2，纵坡3％，植草沟宽0.5m、深0.3m，断面为倒抛物线，种植狗牙根和结缕草；
51.2)设置水陆交错带
52.在湖库岸边水深0.3-0.8m的区域构建水陆交错带2，种植垂柳、水杉等湿生乔木，种植间距5m，配合景观设计种植再力花、梭鱼草、菖蒲、香蒲、美人蕉等挺水植物，种植密度为20株/m2；种植睡莲、荇菜、莼菜等浮叶植物，种植密度为20株/m2；
53.3)设置水下生态净化带
54.s4、在水深0.5-1m(不包含1m)区域，在山洪入流湖库的前段设置中碳素纤维净化
单元，碳素纤维净化单元由以固着微生物菌种的碳素纤维模块以方阵排列组成，该微生物采用脱臭芽孢杆菌20wt％、硝化细菌20wt％、光合细菌10wt％、反硝化细菌20wt％、枯草芽孢杆菌30wt％形成的混合菌剂，经激活、扩培后投放在碳素纤维模块中，投放剂量为0.8mg/l；激活方式为将菌剂与湖库原水以1:5的质量比混合配置成菌剂悬浊液，然后将葡萄糖与菌剂悬浊液以1:1质量比例调配溶解后投加至扩培桶内，再利用用曝气机充氧曝气24以上，激活扩培，将扩培后的菌种投加至碳素纤维净化模块，固着生长于碳素纤维上；
55.所述碳素纤维模块以方阵排列；所述碳素纤维模块包括进水区、配水区和接触反应区，进水区和配水区之间设置导流板，将进入的水流效能后导流至配水区；配水区与接触反应区之间采用开设水孔的隔板相连，在接触反应区填充碳素纤维，并在其表面附着微生物菌剂；经接触反应区处理后的水进一步引入下一个碳素纤维模块；
56.s5、水域水深1-2m区域设置沉水植物3-3，选择苦草、轮叶黑藻和马来眼子菜搭配种植，种植水深2-4m区域，种植密度为120株/m2；
57.s6、水中水深2-3m处设置20m设置梯形断面的生态隔离带(坡度为1:1～1:2)并进行矩形围合，其中生态隔离带它包括基础承托层3-3-2、填料区3-3-3和种植基3-3-1，在河床底部以木桩3-3-4将基础承托层3-3-2固定和连接，木桩3-3-4上方捆绑生态浮床种植挺水植物，植物选用美人蕉、再力花搭配种植，木桩3-3-4以锯齿状v字型排布，填料区3-3-3设置在基础承托层3-3-2上部，填料区3-3-3填料区为砾石、瓜子片和多孔滤料依次添加形成的密堆结构；其中砾石的粒径为10-50mm，瓜子片的粒径为5-10mm，多孔滤料(火山岩、沸石)的粒径为2-5mm；生态隔离带3-3侧面增加植草基区3-3-1并将填料区3-3-3围合，所述植草基3-3-1由纺织布袋装填5-10mm砾石与草籽形成矩形模块，堆积排列形成；
58.s6、在湖库湾区水面存在明显藻类及其他漂浮物聚集的水动力不足的区域，在各湾区离岸边10m左右处共设置12台提水式曝气机3-4，每台功率为0.37kw，增氧能力1.2kgo2/h，循环通量150m3/h，均布置在浮床上，浮床底部牵引固定在湖底。
59.对比例
60.为测试实施例1所述系统的整体性效果，在该区域中设置3个对照组。
61.对照组1选取具有该场地原貌代表性的山洪汇水区，不做任何处理，保留场地原状。
62.对照组2选取具有该场地原貌代表性的山洪汇水区，在场地山洪汇水区处仅设置陆上消能过滤带和水陆交错带，不设置水下生态净化带。
63.对照组3选取具有该场地原貌代表性的山洪汇水区，采用现有常用的湖库生态修复技术，构建湖库清水型水生态体系并在岸边设置生态植草沟。
64.在汇水区入水口设置流量计，水质数据大雨后3天进行取样检测，7月数据如表1所示(不考核总氮)。
65.表1不同治理手段所得监测效果
[0066][0067]
上述结果表明，采用本发明所述治理手段处理后，入水水量峰值＜0.1m3/s，经山洪冲击后库区水体无明显浑浊现象，透明度达2m以上，水质稳定达标ⅳ类水。
[0068]
对比对照组1，cod去除率达34.9％、nh
3-n去除率达53.0％、tp去除率达89.3％、ss去除率达71.2％；
[0069]
对比对照组2，ss拦截效果相近，但由于增加了水下净化段，水质改善明显，因此本系统别与一般的常规植物拦截方式，增设了山洪入水水质净化的“最后一公里”，具有生态、低成本、可持续、高效、美观、水质净化效果好等优点。
[0070]
对比对照组3，说明采用本发明所述治理方法，ss、透明度和山洪峰值、水下生态净化带的水质净化效果优于传统的清水型水生态构建。
[0071]
综上，本发明为针对山地型深水景观湖库受山洪影响的一种多界面梯度生态治理和修复方法，能够有效削弱山洪动能、拦截山洪所携带的泥沙量，并起到一定的水体净化作用，具有生态、低成本、高效、美观的特点。
[0072]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。