[发明专利]一种天然河道污水防治系统和方法及设计方法

权利要求书

1.一种天然河道污水防治方法，所述方法所使用的系统包括：构成梯级人工湿地系统的自天然河道上游至下游跨河断面设置多个漫水低堰或分隔地梁，其间设置耦合型单元系列，包括：沿天然河道的横剖面自河岸坡顶至河道近岸区设置潜流边界层单元、沿天然河道的纵剖面自上游至下游在主河道区设置梯级表流人工湿地单元、沿河道近岸区设置耦合单元；所述的潜流边界层单元沿两岸并联布置，各单元从河岸到河道近岸区横向依次设置进水区、潜流区、出水区；所述的进水区布置在天然河道沿岸滨河路面及两侧堤防部位，下设粗碎石反滤层，上设植物隔离带；所述的潜流区布置在河道驳岸部位，采用下渗型生态护坡驳岸结构，下设中碎石潜流层，上设生态驳岸护砌层及生态植物；所述的出水区布置在坡脚近岸区，采用干砌块石结构；所述的表流人工湿地单元沿主河道从上游向下游纵向串联布置，各单元依次设置：长满植物区、敞水区、部分生长植物区，所述各区的水底面层为种植土层，所述的种植土层下方为河床砂砾石层；所述的耦合单元在河道近岸区纵横耦合搭接潜流边界层单元与表流人工湿地单元，耦合区由底层向表层依次设置：连接潜流边界层单元出水区的干砌石层、相对不透水层、连接表流人工湿地单元种植土层和水生植物；所述的干砌石层用于引导潜流边界层单元渗水延伸至主河道，所述的相对不透水层主要为压实壤土或粘土结构；

其特征在于，所述方法的步骤如下：

步骤1，污水汇入及运动过程：沿河各种污水污染源通过多个途径汇流进入河道并随河流输移运动，主要包括：沿岸面源污染下渗汇入过程，沿程子流域点源汇流汇入过程，沿程子流域污染物沉降过程，污染物在天然河道的迁移扩散过程；

步骤2，一级处理区：以潜流边界层单元为一级处理区，对沿岸外侧汇入的农村面源污染进行下渗初步处理；潜流边界层单元通过面层植物根系的沉淀和吸附、基层孔隙基质的絮凝、沉淀和过滤的拟潜流湿地机理，形成天然河道耦合型人工湿地系统的预处理区；同时，构造多样化、自然的植被固定型河流水体岸线，构造生态型水岸景观空间；

步骤3，纵横耦合区：以耦合单元为一级处理出水区和二级处理进水区，潜流边界层单元与表流人工湿地单元上下纵横搭接耦合，梯级水体在潜流区、长满植物区、敞水区、部分生长植物区交替循环运行，无动力设施的天然河道系统中发生硝化过程所需的大量氧气和水力停留时间分解到各个梯级，在有效消减水体中污染物的同时，避免单级人工湿地水力停留时间过长；

步骤4，二级处理区：以梯级表流人工湿地单元为二级处理区，对一级处理区出水以及天然河道沿程各子流域汇入的点源污染污水进行深入处理：

i.湿地1区：布置在河流近岸及表流人工湿地单元上游区域，为长满植物区，在植物生长季节整个湿地深度范围都是厌氧环境，该区主要处理机理是絮凝和沉淀，对TSS、微粒BOD、有机氮和有机磷、金属及某些半挥发有机化合物发挥处理效果；

ii.湿地2区：布置于主河槽区域，结合汛期行洪通道的预留，为敞水区面积100％的无挺水植物湿地区域，是好氧环境，可溶性BOD的减少和硝化作用在这里进行，处理机理与兼性氧化塘类似，把含碳化合物BOD氧化到很低的水平，促进NH₄-N进行硝化反应转化成NO₃-N；

iii.湿地3区：布置于跨河建筑物或分隔梁控制断面附近的上游区域，为部分生长植物区，是植物强化处理区域，通过反硝化作用能够进一步减少TSS及相关污染物和氮，反硝化的产物是N₂和N₂O气体。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的面源污染下渗汇入过程中，面源污染下渗汇入潜流边界层单元随次降雨产流迁移到径流中并沿天然河道两岸坡面下渗汇入的面源污染物负荷的计算：

式中，R₀为迁移到径流中的污染物负荷；为降雨下渗期间混合层中污染物的平均浓度；为产流期间混合层污染物的平均浓度；为降雨中污染物的浓度；EXK₁为反映污染物向下入渗释放系数；EXK₂为反映污染物在地表径流中释放系数；Q为径流量；k₁为污染物的向下释放率；k₂为污染物的径流释放率；F为下渗量，单位为mm；d为混合层厚度，模型视其为10mm；por为土壤孔隙度，为混合前表层土壤可交换态污染物含量。