技术领域
[0001] 本
发明属于近自然水资源工程技术领域，具体涉及一种基于生物膜原理的生态过水堰。
背景技术
[0002] 传统水利工程主要侧重于工农业用水、发电和航运等方面，这些工程对我国经济发展做出了巨大的贡献。但由于水利工程在不同程度上阻断了生物与环境之间的有机联系，改变了自然水
生态系统的生境，从而导致
生物群落多样性下降，对
水体的自净能
力造成一定影响。与此同时，我国水污染问题日益突出，生存聚落区的湿地、库塘及河流等自然水体生态系统成为纳污水体，接受了大量的工农业
废水和生活污水，加之严重的生态破坏，造成水体自净能力持续低下，使得部分地区常年水质不达标(低于地表水Ⅲ类)。随着人们对水利工程弊端和水体污染危害认识的增加，如何在水利工程建设时，融入生态保护与治理的理念，强化水体自净能力，改善水质成为近年来
水处理领域的一个热点问题。
[0003] 传统的过水堰主要是指为了拦蓄水体，抬高上游水位，满足农田
灌溉、控制河道冲刷等需求而建造的临时性或永久性水利设施。在人工湿地、生态库塘和河流水体生态修复等工程的建设中，多处应用到了过水堰。在库塘中，通过过水堰的建设，可拦蓄水体，控制浅滩水域水位，增加水流在浅滩区的
停留时间，
净化库塘水体，改善水质；在渠道中，过水堰则主要应用为明渠的溢流堰或配水堰，以强化跌水曝气或实现均匀布水。这类过水堰主要是基于传统的水利工程设计思路，比如以化纤编织布和土料为材料的土石堰(CN 1209488，CN101614017，CN 20124582))、以
钢板和钢管为材料的钢
板桩堰(CN 1837512，CN 101368389)、以软质
橡胶防水材料制成的过水堰(CN 101205711)，没有考虑生态保护和生态治理的因素，不符合近自然水资源工程设计理念。为解决这一问题，有人将过水堰与水生
植物相结合，提出了水生植物床堰(CN 1776109,CN 2837378)，由于种植了水生植物，这种过水堰在挡水的同时，可达到净化水质的目的；但这种堰过水能力相对较低，抗冲性差，运行维护成本高。
发明内容
[0004] 本发明的目的是提出一种基于生物膜原理的生态过水堰。具体技术方案如下：
[0005] 一种基于生物膜原理的生态过水堰，包括堰体和堰体空隙处添加的合成
粘土矿物；所述堰体由竖向单排
木桩心墙以及心墙两侧的抛石组成，或竖向双排木桩心墙以及心墙之间和两侧的抛石组成。
[0006] 所述生态过水堰的边坡比不小于1:1.5，在水深更大的河流中，较大的边坡比可以增强堰体的
稳定性。
[0007] 所述生态过水堰整体的剖面呈梯形或三
角形。
[0008] 所述合成粘土矿物为赤泥、改性赤泥、
粉煤灰或炉渣，所述合成粘土矿物的添加量根据所需削减的污染负荷量计算得到。
[0010] 随着时间的发展，所述合成粘土矿物表面附着
微生物，形成生物膜。
[0011] 所述木桩底部植入地下，木桩之间采用
铁丝连接固定；木桩心墙的形状为直线形或弧形。
[0012] 所述生态过水堰的堰高根据污染负荷削减的要求来确定；木桩心墙基宽及木桩植入地下部分的长度根据心墙两侧水压平衡来确定。
[0014] 所述双排木桩心墙之间的抛石顶部铺设
混凝土预制板。
[0015] 本发明的有益效果为：
[0016] 1、本发明体现了当代近自然水资源工程学的核心理念，将水利工程与生态保护有机结合，提供一种基于生物膜原理的生态过水堰，该生态过水堰利用木桩和石
块构筑多孔介质的过水堰堰体，而不是直接拦蓄，在保持水体流动特性的同时，提高水位，有效扩充库容，提高
水力停留时间，强化自然水体生态系统的净化能力；借助抛石增加过流水体的复
氧面积和曝气时间，改善溶氧条件，为水生生物(动物、植物和微生物)提供生存栖息空间，保护水体生态系统的
生物多样性；利用合成粘土矿物构成微生物附着的生物膜，直接削减水体中的N、P污染负荷，强化水体自净能力，保障了冬季水质达标。
[0017] 2、本发明生态过水堰具有建筑成本低、可操作性强、适用范围广等特点，可应用于湿地、库塘、河流及景观水体的过水堰构筑中。
附图说明
[0018] 图1是双排木桩心墙生态过水堰的剖面示意图；
[0019] 图2是双排木桩心墙生态过水堰的平面示意图；
[0020] 图3是七星湖湿地库塘连接涵管处生态过水堰平面图；
[0021] 图4是七星湖湿地出水口生态过水堰平面图；
[0022] 图5是七星湖湿地库塘连接涵管处生态过水堰剖面图；
[0023] 其中：1-木桩心墙，2-混凝土预制板，3-合成粘土矿物，4-抛石，5-素土，6-涵管口，7-挡土墙，8-路面；数据单位采用工程制图标准单位(mm)。
具体实施方式
[0025] 实施例1
[0026] 图1为双排木桩心墙生态过水堰的剖面示意图，图2为双排木桩心墙生态过水堰的平面示意图。其构筑方法具体包括如下步骤：
[0027] (1)在原河床上竖向构建透水过水双排木桩心墙1，圆木桩插入地下，木桩之间采用铁丝连接并固定，心墙整体形状可为直线形、弧形等；在木桩心墙1之间及两侧堆砌抛石4，以保障过水堰堰体的物理稳定性，抛石4可为花岗岩、石灰岩等质地致密、坚硬、耐久性能好、易于选材的块石，堆积抛石4后生态过水堰的边坡比一般应为1:1.5，以增加水流与抛石
4的
接触面积，提高跌水曝气效果。
[0028] 木桩直径及堰高(堰高指堰底至抛石顶部的高度)主要由COD、NH4--N等主要污染物的污染负荷削减的要求来确定，结合相关行洪要求来计算强化后的自然水体生态系统(建设生态过水堰后的水体)削减污染物负荷所需水力停留时间，进而确定堰高。心墙基宽及木桩植入地下部分的长度主要根据心墙两侧水压平衡来确定。
[0029] 对于简单的库塘，堰高h＝V/a，(V表示库容，a表示建设过水堰后所形成的库塘面积)，V＝Q*HRT，Q表示进水流量，HRT表示污染负荷削减所需的水力停留时间。如果底面有坡度，则需要上游底面高程；如果底面不平，还需要进行测绘或已知平均底面高程(可参照水力学相关公式计算)。
[0030] 木桩的地上高度为堰高加上堰顶以上高度，如果心墙中间作为行人
桥梁使用，可以按照一般护栏的标准，堰顶以上高度为1.1m；如果不作为行人道，堰顶以上高度可设计20-30cm，以增加景观效果。木桩地下长度：地上高度一般为1:1左右，根据
土壤底质类型，如果土质比较松软，该比值可以略大于1:1；如果土质比较紧实，该比值可以略小于1:1，以保证堰体的稳定性。
[0031] (2)在木桩心墙1及抛石4缝隙处添加合成粘土矿物3(合成粘土矿物可以形成微生物适宜生存的环境，随着时间发展，会有微生物种群在其上生存繁衍)，从而构成微生物膜削减水体污染负荷，尤其是N、P污染负荷。合成粘土矿物3可为富含
钙、铁、
铝等离子、
比表面积大、结构松散的粘土材料，如赤泥、改性赤泥、粉煤灰、炉渣等，其添加量根据所需削减的污染负荷量计算得到，公式为m＝q/a，其中，m为投加量，q为污染负荷削减量，a为单位重量合成粘土矿物污染物削减量(合成粘土矿物的类型和性质不同，其污染物削减能力不同，a需要进行率定)。
[0032] (3)在双排木桩心墙1之间的抛石顶部铺设常规12cm混凝土预制板2，一方面稳定抛石，减小土壤冲蚀；另一方面可提供亲水平台，实现人与景观和谐。
[0033] 实施例2
[0034] 在滕州市泉上煤矿塌陷区七星湖湿地五处库塘的连接涵管口6迎水面处，构建半圆形单排木桩心墙的生态过水堰(如图3)。生态过水堰心墙采用直径15cm圆木桩建造，木桩长85-95cm，长短木桩间隔布置，木桩植入地下长度为45cm；相邻木桩采用钢丝
捆绑固定，形成直径1m的半圆形木桩心墙1，心墙两端采用双排4mm角钢固定于涵管两侧挡土墙7
墙壁上；木桩两侧堆放直径10-20cm抛石4作为堰体，既保证了生态过水堰的稳定性，又通过抛石缝隙形成了生物学空间；在抛石缝隙处按照堰体表面积添加了10kg/m2的酸改性赤泥。
[0035] 在库塘出水口，构建直线形双排木桩心墙的生态过水堰(如图4和图5)。该生态过水堰心墙采用直径15cm、长1.2m圆木桩建造，木桩植入地下长度为0.8m，双排木桩间隔0.5m；相邻木桩之间紧密排列，并采用钢丝捆绑固定，形成长15m的直线形双排木桩心墙1；
在双排木桩中间及两侧堆放直径10-20cm抛石作为堰体既保证了生态过水堰的稳定性，又
2
通过抛石缝隙形成了生物学空间；在抛石缝隙处按照堰体表面积添加了10kg/m 的酸改性赤泥。
[0036] 通过上述生态过水堰的构建，提高库塘平均水位10cm，扩大有效库容10万m3，增加总水力停留时间5d，添加的合成粘土矿物3直接削减N、P污染负荷，实现了强化水体净化效果的目标。根据第三方检测机构出具的连续8个月的水质监测结果，计算得到该生态过水堰增加了该湿地污染物综合削减能力的20％以上。
