一种利用蓄洪圩垸建设储备水源库的系统及方法
阅读说明：本技术 一种利用蓄洪圩垸建设储备水源库的系统及方法 (System and method for building reserve water source library by utilizing flood storage polder ) 是由 汤显强 王丹阳 黎睿 俞洋 于 2021-07-06 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种利用蓄洪圩垸建设储备水源库的系统及方法,该系统包括安全蓄洪模块、水质净化模块和水量调配模块,分别负责控制洪水引、蓄、排及堤防安全,分级净化和改善蓄滞洪水水质,以及协调防洪库容与储备水源库容。本发明各闸连通圩垸内外及圩垸内各渠、库,通过独立启闭运行,可精确控制引、蓄、排水的时间及水量,既保证汛时有充足库容调蓄洪水,又可在汛末蓄水补充储备水源,使圩垸蓄水空间得到了安全、合理、有序的运用；另外通过一系列物理、化学和生物分级水质净化措施的组合运用,将含沙量大、污染物多的蓄滞洪水净化至可供生产生活使用的水平,为圩垸内社会经济活动提供稳定的储备水源。(The invention provides a system and a method for building a reserve water source warehouse by utilizing a flood storage polder, wherein the system comprises a safe flood storage module, a water quality purification module and a water quantity allocation module, and is respectively responsible for controlling flood leading, storage, discharge and embankment safety, purifying and improving the water quality of the stored and stagnant flood in a grading way, and coordinating the capacity of the flood control warehouse with the capacity of the reserve water source warehouse. Each gate of the invention is communicated with the inside and outside of the polder and each canal and storehouse in the polder, and through independent on-off operation, the time and water amount of leading, storing and draining can be accurately controlled, thereby ensuring that the sufficient storehouse capacity is available for storing and regulating flood during flood, and replenishing reserve water source at the end of flood, and leading the polder to be safely, reasonably and orderly applied; in addition, by the combined application of a series of physical, chemical and biological grading water quality purification measures, the retention flood with large sand content and a large amount of pollutants is purified to the level capable of being used for production and life, and a stable reserve water source is provided for the social and economic activities in the polder.)
技术领域
本发明涉及防洪减灾及水资源利用领域，具体是一种利用蓄洪圩垸建设储备水源库的系统及方法。
背景技术
圩垸是长江流域的重要防洪工程，广泛分布于中游的洞庭湖、鄱阳湖区及下游平原水网。圩垸通过堤坝与外部河湖水体隔开，内部地势低平，人口聚居，农林牧渔和加工业发展。圩垸在平时开展正常的生产生活，汛期则可决堤进水，分泄河湖流量，减轻长江防洪压力。
在汛期，当圩垸外河湖水位超高、流量巨大时，圩垸堤防或因年久失修被洪水冲垮，或在洪水压力下被迫采取爆破手段决口分洪，其结果是洪水漫灌，淹没圩垸内基础设施，不仅造成大量经济损失，还可能诱使农田、鱼塘的污染物释放进入上覆水体，产生富营养化等水环境问题。
与此同时，在汛期过后，圩垸内生产生活往往面临用水短缺的问题。这主要是由于长江中下游水资源年内分配不均。以鄱阳湖支流饶河为例，其洪水期径流量占年径流总量约73.4％，而长达7个月的枯水期径流量却不足年总量的30％，另一方面，鄱阳湖区为浅碟形湖盆，小幅水位下降即可造成大面积洲滩出露，汛期过后水位快速下降，圩垸难以从外部水体取水，导致圩垸内稻田种植、渔产养殖等需水量大的生产活动乃至居民生活都受到一定限制。
可见，圩垸在当前的运用方式下，汛期洪水不仅可能对其造成破坏和损失，带来的丰富水资源也无法被储存和利用，而非汛期又存在水资源不足的问题，防洪与水资源利用的矛盾突出。因此，圩垸运用亟需转变方法，汛期主动蓄洪，利用蓄滞洪水建设储备水源库，一方面减轻防洪压力，另一方面解决圩垸生产生活用水短缺问题。
利用蓄洪圩垸建设储备水源库，需要解决三个主要问题。首先是蓄水安全，一方面引、蓄、排洪量要按需、有序、可控，实现安全蓄水、有序排水，有效约束洪水在圩垸内的运动；另一方面圩垸蓄洪后原有堤坝由单面阻挡圩垸外河湖水体变为一面阻挡外部水体、一面阻挡内部蓄水的双面挡水，堤防需采取措施加固。其次是水质净化，汛期圩垸上游来水浑浊，含沙量大，面源污染物多，需要借助一系列物理、化学和生物的技术，分级净化水体，使储备水源水质达到生产生活使用标准。最后是协调圩垸的蓄洪功能和用水需求，合理运用圩垸蓄水空间，汛前及时腾出库容，汛时调蓄洪水，汛末蓄洪补充储备水源，既要防止储备水源挤占蓄洪空间，又要避免蓄洪空间闲置而储备水源不足。对于以上三个问题，已有技术尚未给出解决方案。
综上，针对圩垸目前防洪和用水的矛盾，提出一种利用蓄滞洪水建设储备水源库的方法，统筹防洪和水资源供给，将有效协调圩垸的防洪减灾和经济社会发展，可产生较好的经济社会效益，具有较强的应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用蓄洪圩垸建设储备水源库的系统及方法，使圩垸主动进蓄洪水，并通过分级水质净化技术，提供可供圩垸生产生活使用的储备水源，从而统筹防洪和水资源供给，促进圩垸防洪减灾和经济社会协调发展。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案。
一种利用蓄洪圩垸建设储备水源库的系统，包括安全蓄洪模块、水质净化模块和水量调配模块，分别负责控制洪水引、蓄、排及堤防安全，分级净化和改善蓄滞洪水水质，以及协调防洪库容与储备水源库容；
所述安全蓄洪模块包括多孔进洪闸、前置库、双面挡水堤坝、干渠、多孔退洪闸，多孔进洪闸为开挖河道上游圩垸堤岸修建，多孔退洪闸为开挖河道下游圩垸堤岸修建，所述前置库在多孔进洪闸后修建，用于储存由多孔进洪闸引入圩垸的洪水，所述双面挡水堤坝为前置库倚靠的圩垸原有堤坝，多孔进洪闸和多孔退洪闸由干渠连通；
所述水质净化模块包括位于多孔进洪闸下的格栅、沿前置库岸线置放的石笼、以及修建于干渠两侧的水源库，前置库内投放化学吸附材料，沿水源库岸线种植挺水和浮水植物，在水源库底部铺设卵砾石层，上覆淤泥层，淤泥层上种植沉水植物，在水源库内投放耐污大型底栖动物；
所述水量调配模块包括连通干渠和水源库的支渠、修建于水源库两侧的取水渠，所述取水渠的渠首位于水源库，渠尾位于圩垸内各类用水区域。
进一步的，所述安全蓄洪模块还包括位于干渠渠首的多孔干渠闸，所述多孔干渠闸用于控制干渠和前置库连通，各孔独立启闭，调节由前置库进入干渠的水量。
进一步的，所述双面挡水堤坝采用混凝土六棱网格护坡，网格内种植深根草本植被。
进一步的，所述干渠采用生态混凝土固岸，上覆深根型草本、灌木植被。
进一步的，所述前置库一侧倚靠圩垸原有堤坝，原有堤坝变为双面挡水，另一侧采用生态混凝土堤坝。
进一步的，格栅负责一级物理净化、前置库负责二级物理化学净化，水源库负责三级生物净化。
进一步的，所述格栅用于拦截由圩垸外河湖进入前置库水体中的较大体积漂浮物，所述前置库沿岸线置放的石笼用于消减进入前置库的洪水动能，沉降悬移质；前置库内投放的化学吸附材料用于削减重金属及有机污染物含量，水源库内投放额耐污大型底栖动物用于削减营养盐含量。
进一步的，所述水量调配模块还包括在支渠渠尾修建的多孔支渠闸以及在取水渠渠首修建的取水闸，所述多孔支渠闸用于控制支渠和水源库连通，各孔独立启闭，调节由干渠经支渠进入水源库的水量，所述取水闸用于控制取水渠和水源库连通。
进一步的，所述支渠和所述取水渠采用夯实土方固坡，上种植深根型草本、灌木植被。
一种利用蓄洪圩垸建设储备水源库的方法，其采用上述系统进行，所述方法包括：
汛前，关闭多孔进洪闸、多孔支渠闸，开启多孔干渠闸、多孔退洪闸，前置库中蓄滞水经多孔干渠闸、干渠、多孔退洪闸排出圩垸，腾出前置库库容；
汛时，开启多孔进洪闸，关闭多孔干渠闸，洪水由多孔进洪闸进入前置库，前置库蓄洪，双面挡水堤坝保证前置库堤防安全；
汛末，开启多孔进洪闸、多孔干渠闸、多孔支渠闸，关闭多孔退洪闸、取水闸，洪水由多孔进洪闸进入，经格栅一级净化后，进入前置库，由前置库中石笼、化学吸附材料二级净化，后经多孔干渠闸、干渠、支渠和多孔支渠闸，进入水源库，由水源库中水生动植物三级净化；
枯水期，开启取水闸，储备水源由水源库经取水闸进入取水渠，向圩垸内供水。
由于采用了上述系统和方法，本发明具有如下有益效果：
一是各闸连通圩垸内外及圩垸内各渠、库，通过独立启闭运行，可精确控制引、蓄、排水的时间及水量，既保证汛时有充足库容调蓄洪水，又可在汛末蓄水补充储备水源，使圩垸蓄水空间得到了安全、合理、有序的运用；二是通过一系列物理、化学和生物分级水质净化措施的组合运用，将含沙量大、污染物多的蓄滞洪水净化至可供生产生活使用的水平，为圩垸内社会经济活动提供稳定的储备水源。
附图说明
图1为本发明利用蓄洪圩垸建设储备水源库的系统其中一个实施例的俯视图，箭头表示水流方向；
图2为本发明前置库的横截面示意图；
图3为本发明水源库的横截面示意图；
图4为本发明利用蓄洪圩垸建设储备水源库的系统在汛前的运用方法示意图，黑色底框表示闸关闭，白色底框表示闸开启，虚线外框表示在该时期不运用，实线外框表示在该时期运用；
图5为本发明利用蓄洪圩垸建设储备水源库的系统在汛时的运用方法示意图，黑色底框表示闸关闭，白色底框表示闸开启，虚线外框表示在该时期不运用，实线外框表示在该时期运用；
图6为本发明利用蓄洪圩垸建设储备水源库的系统在汛末的运用方法示意图，黑色底框表示闸关闭，白色底框表示闸开启，虚线外框表示在该时期不运用，实线外框表示在该时期运用；
图7为本发明利用蓄洪圩垸建设储备水源库的系统在枯水期的运用方法示意图，黑色底框表示闸关闭，白色底框表示闸开启，虚线外框表示在该时期不运用，实线外框表示在该时期运用。
图中：1—多孔进洪闸，2—前置库，3—双面挡水堤坝，4—干渠，5—多孔退洪闸，6—多孔干渠闸，7—格栅，8—水源库，9—支渠，10—多孔支渠闸，11—取水渠，12—取水闸，21—石笼，81—深根草本植被，82—挺水和浮水植物，83—卵砾石层，84—淤泥层，83—沉水植物。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合本发明中的附图1-3，以位于江西省鄱阳县饶河支流昌江与乐安河尾闾之间冲积三角洲的饶河联圩为例，构建一种利用蓄滞洪水建设储备水源库的系统及方法，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
饶河联圩位于江西省鄱阳县饶河支流昌江与乐安河尾闾之间冲积三角洲，始建于1954年，现有堤顶高24.0-24.5m，顶宽8.0m，可抵御20年一遇洪水。饶河联圩于2020年7月洪水期间被迫决口分洪。
本发明实施例提供一种利用蓄洪圩垸建设储备水源库的系统，包括安全蓄洪模块、水质净化模块和水量调配模块，分别负责控制洪水引、蓄、排及堤防安全，分级净化和改善蓄滞洪水水质，以及协调防洪库容与储备水源库容。下面对各模块具体介绍如下(如图1所示)：
(1)安全蓄洪模块，负责洪水引蓄与堤防安全，包括多孔进洪闸1(本实施例为十孔)、前置库2、双面挡水堤坝3、干渠4、多孔退洪闸5(本实施例为十孔)、多孔干渠闸6(本实施例为五孔)，其中多孔进洪闸1、前置库2、干渠4、多孔退洪闸5、多孔干渠闸6负责控制洪水的引入、蓄滞和排出，双面挡水堤坝3负责堤防安全。
开挖昌江上游饶河联圩堤岸，修建多孔进洪闸1，用于引入圩外昌江水体，闸长60m，单孔过洪能力60m3/s，各孔独立启闭，调节入圩水量，使多孔进洪闸1过洪能力0-600m3/s；
开挖昌江下游饶河联圩堤岸，修建多孔退洪闸5，用于下泄饶河联圩内水体，闸长60m，单孔过洪能力60m3/s，各孔独立启闭，调节出圩水量，使多孔退洪闸5过洪能力0-600m3/s。
在多孔进洪闸5后，修建前置库2，库深10m，容积2×108m3，用于储存和初步处理引入圩垸的洪水；前置库2一侧倚靠圩垸原有堤岸，原有堤岸双面挡水，另一侧采用生态混凝土堤坝。
双面挡水堤坝3采用混凝土六棱网格护坡，上覆深根草本植被，包括香根草、桂郁金、牛蒡，三者数量比例1:1:1，种植密度5-8株/m3，用于加固堤防，防止溃堤。
在前置库2开挖干渠4，渠宽30m、深3m，通向多孔退洪闸5，干渠4连通多孔进洪闸1和多孔退洪闸5，采用生态混凝土固岸，上覆深根型草本、灌木，草本植物包括香根草、桂郁金、牛蒡，三者数量比例1:1:1，种植密度5-8株/m3；灌木包括小叶女贞、石楠、大叶黄杨，三者数量比例1:1:1，种植密度2株/m3；草本、灌木相间种植，占地面积比例2:1。
在前置库2与干渠4渠首连接处，修建多孔干渠闸6，控制干渠4与前置库2连通，闸长30m，单孔过洪能力60m3/s，各孔独立启闭，调节入圩水量，使多孔干渠闸6过洪能力0-300m3/s。
(2)水质净化模块，负责分级净化和改善蓄滞洪水水质，包括格栅7、前置库2、水源库8。
多孔进洪闸孔1下，布设格栅7，格栅7间隙0.05m，拦截塑料瓶、垃圾袋、木块碎屑等较大体积漂浮物，起第一次过滤作用。
沿前置库2岸线，置放石笼21，网丝直径3.0mm，网孔60×80mm，用于削减进入前置库的洪水动能，使水中悬移杂质沉降，澄清水体，起第二次过滤作用；在前置库2内部，投放投放化学吸附材料，包括活性炭、沸石、微电解生物膜，削减重金属及有机污染物含量。
于干渠4两侧各修建水源库8一个，用于储存储备水源，库深2m，容积0.1×106m3；水源库8采用生态混凝土固岸，上覆深根草本植被81，包括香根草、桂郁金、牛蒡，三者数量比例1:1:1，种植密度5-8株/m3；
水源库8沿岸线种植挺水和浮水植物82，用于水源储备期间净化，防止水体污染；挺水植物包括睡菜、水竹、灯芯草，三者数量比例1:1:2，种植密度7-10株/m3，浮水植物包括睡莲、水禾、圆币草，三者数量比例2:1:1，种植密度2-3株/m3，挺水、浮水植物占地面积比例1:1。
水源库8底部，布设厚0.1m卵砾石层83，卵石粒径60-200mm，砾石粒径2-60mm，卵石：砾石体积比6:4；卵砾石层83上覆厚0.2-0.3m淤泥层84，淤泥层84上种植沉水植物85，例如狸藻、苦草、温丝草，三者数量比例1:1:1，水源库内部，投放耐污大型底栖动物，包括河蟹、沙蚕、水蛏，三者数量比例2:1:1，投放密度0.2kg/m2，用于水源储备期间净化，防止水体污染。
(3)水量调配模块，负责协调防洪库容与储备水源库容，包括支渠9、多孔支渠闸10、取水渠11、取水闸12。
开挖支渠9，渠宽10m，深2m，渠首位于干渠，渠尾位于水源库，连通干渠和水源库，采用夯实土方固坡，上种植深根型草本、灌木，上覆深根型草本、灌木；草本植物包括香根草、桂郁金、牛蒡，三者数量比例1:1:1，种植密度5-8株/m3；灌木包括小叶女贞、石楠、大叶黄杨，三者数量比例1:1:1，种植密度2株/m3；草本、灌木相间种植，占地面积比例2:1。
在支渠9渠首修建多孔支渠闸10(例如两孔)，控制支渠9与水源库8的连通，闸长10m，单孔过洪能力60m3/s，各孔独立启闭，可调节进入水源库水量，使两孔支渠闸过洪能力0-120m3/s。
开挖取水渠11，渠宽3m，深1m，渠首位于水源库8，通向圩垸内各类用水区域，包括农业种植区、渔业养殖区、水体景观区和亲水活动区；采用夯实土方固坡，上种植深根型草本、灌木；草本植物包括香根草、桂郁金、牛蒡，三者数量比例1:1:1，种植密度5-8株/m3；灌木包括小叶女贞、石楠、大叶黄杨，三者数量比例1:1:1，种植密度2株/m3；草本、灌木相间种植，占地面积比例2:1。
在取水渠11渠首修建单孔取水闸12，控制取水渠和水源库连通，闸长1m，过洪能力20m3/s。
请参阅图4-7，本发明实施例还提供一种利用蓄洪圩垸建设储备水源库的方法，采用上述利用蓄洪圩垸建设储备水源库的系统进行，所述系统在不同时期的运用如下；
汛前，关闭多孔进洪闸1、多孔支渠闸10，开启多孔干渠闸6、多孔退洪闸5，前置库2中蓄滞水经多孔干渠闸6、干渠9、多孔退洪闸5排出圩垸，腾出前置库2库容；
汛时，开启多孔进洪闸1，关闭多孔干渠闸10，洪水由多孔进洪闸1进入前置库2，前置库2蓄洪，双面挡水堤坝3保证前置库2堤防安全；
汛末，开启多孔进洪闸1、多孔干渠闸6、多孔支渠闸10，关闭多孔退洪闸5、取水闸12，洪水由多孔进洪闸1进入，经格栅7一级净化后，进入前置库2，由前置库2中石笼、化学吸附材料二级净化，后经多孔干渠闸6、干渠4、支渠9和多孔支渠闸10，进入水源库8，由水源库8中水生动植物三级净化；
枯水期，开启取水闸12，储备水源由水源库8经取水闸进入取水渠12，向圩垸内供水。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
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