本发明涉及一种用于入河降雨径流污染控制的生态丁坝群及其布设方法，属于河流污染治理与河道整治的。
背景技术：
1、初期雨水往往具有水量波动大、污染严重等特点，降雨径流入河对受纳河流水环境造成冲击。初期雨水径流污染已成为城市水环境治理中亟需解决的主要问题之一。降雨径流的治理措施主要分为源头控制、过程控制和末端控制。随着海绵城市的建设，降雨径流在源头和过程中得到了有效的控制。部分城市建成区海绵措施建设受到限制，降雨径流污染汇聚到末端，亟需末端处理措施对其进行控制。然而，当前末端治理措施缺乏，无法保障降雨径流入河后水环境不受到破坏。
2、丁坝作为一种常见的水工建筑物，被广泛应用于保护河岸不被冲刷。此外，丁坝还能“束水攻沙”，坝后区域水流速度大，形成冲刷深槽；坝田区域流速慢，促进泥沙淤积。丁坝使河流形成多样的河床形态，为水生生物提供丰富的栖息地环境。目前有研究发现，丁坝可以滞留污染物，防止污染物扩散。例如专利号为202110806081.4公布的一种提高溪流沟渠营养盐滞留潜力的调控方法，通过对溪流河道进行单侧丁坝构筑物群的设置调控，可以使得溪流水流形态发生改变，形成众多小涡流和流速快慢交错的流速布局，延长了营养盐在溪流中的水力停留时间。丁坝区域特殊的水流结构与物质分布情况，表明丁坝在污染控制方面的潜力尚未被发掘。合理利用丁坝对河流污染进行控制，充分发挥丁坝在水环境治理方面的功能，为河流水环境治理提供新的思路。
技术实现思路
1、为了解决上述存在的问题，本发明公开了一种用于入河降雨径流污染控制的生态丁坝群及其布设方法，其具体技术方案如下：
2、一种用于入河降雨径流污染控制的生态丁坝群的布设方法，包括如下步骤：
3、步骤一：选定研究区域，通过经验公式或者swmm模型模拟得到生态丁坝区域的调蓄容积v，根据调蓄容积以及河流深度与宽度初步计算生态丁坝区域长度s，计算公式如下：
4、
5、s为生态丁坝区域长度，m；h为受纳河流深度，m；b为河道宽度，m。
6、步骤二：确定生态丁坝群的参数范围：
7、2.1：生态丁坝群沿河流两岸交错布置，丁坝高度与河流常水位一致，减小汛期对河流行洪的影响；
8、2.2：丁坝挑角指的是丁坝与上游河岸的夹角。丁坝挑角θ选择正挑(θ＝90°)或者上挑(θ<90°)，此时生态丁坝坝后回流区面积较下挑(θ>90°)大，为污染物滞留与净化提供更长的水力停留时间；
9、2.3：丁坝的相对坝长指的是丁坝在河宽上的垂直投影l与河宽b的比值。丁坝相对坝长对坝后回流区面积影响较大，生态丁坝的相对坝长应在1/3-3/5范围内；
10、2.4：根据工程经验，丁坝的坝间距d一般在1.5-2.5倍的丁坝坝长；
11、2.5：丁坝个数n通过丁坝区域长度s和坝间距d计算得到，计算公式为：
12、
13、步骤三：模拟计算得到生态丁坝群的挑角、相对坝长、坝间距以及丁坝个数的具体值：
14、首先调研受纳河流地形条件以及水质水量条件，并在给定的丁坝参数范围内选择参数组合，确定模拟的边界条件与初始条件，构建模型并进行网格划分；
15、模拟计算采用流体力学理论构建水动力-水质数值模型，将不同参数组合的网格导入模型中进行计算，得到生态丁坝区域水动力与污染物迁移转化情况，通过对比水流的稳定情况以及污染物去除情况，优选水流条件稳定、悬浮物沉降以及污染物滞留效果最好的参数组合。
16、进一步的，初步调研区域管网与下垫面的情况，判断区域产汇流过程的复杂程度，据此选用生态丁坝群区域的调蓄容积v的计算方法；
17、若区域管网布设简单、下垫面情况较为单一，则直接选用经验公式法进行计算，经验公式法需进一步调研区域的降雨情况以及下垫面分布情况，设计降雨量h选用研究区域两年一遇的降雨强度，综合雨量径流指数根据各下垫面的占比进行计算，单个下垫面的径流指数参照《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试行)》，
18、
19、式中：v为调蓄容积，m3；h为设计降雨量，mm；为综合雨量径流系数；f为汇水面积，hm2；
20、若区域管网布设复杂、下垫面类型多样，则选用swmm模型进行模拟计算，swmm模型模拟需要获取研究区域地形坡度、降雨数据、渗透系数、地表产汇流过程参数、管网汇流过程参数以及地表污染物累积与冲刷过程参数，首先需要进行研究区域子汇水区的概化，把较大面积的区域划分为一些较小的直接将地表降雨径流排放至单一排放点的水文单元，将参数输入到swmm模型中，构建研究区域swmm模型，在修正的摩尔斯分类筛选法确定好相关参数的灵敏度的基础上，对参数较高的参数进行重点识别，利用实测的水质水量数据进行率定，确定模型参数，运用swmm模型模拟分析，得到雨水排口水量与污染负荷情况，确定雨水截留量与调蓄容积。
21、所述步骤2.1中的河流常水位是指在江河、湖泊的某一地点，经过长时期对水位的观测后得出的，在一年或若干年中，有50％的水位等于或超过该水位的高程值。
22、进一步的，所述步骤三构建的水动力-水质模型的控制方程如下：
23、(1)水动力控制方程
24、
25、
26、式(4)为水流的连续性方程，式中xi为笛卡尔x、y、z方向，ui表示对应方向的流速；式(5)为动量方程，式中，g为重力加速度，ρ为水的密度，v为运动粘度，p为水压，为雷诺应力项；由于未知，采用湍流模型κ-ε模型进行求解，其控制方程包括：
27、
28、式中，κ为湍流动能，ε为能量耗散率，g为湍流动能产生项；g的计算为：
29、
30、
31、式中，cμ、c1、c2、σκ和σε均为常数；
32、(2)物质迁移转化过程控制方程
33、
34、式中，c为污染物的浓度，di为对应方向的扩散系数，sl为污染源项，k为污染物线性衰减系数；
35、悬浮物质主要考虑迁移过程，其控制方程为：
36、
37、式中，s、s*为水流中悬浮物浓度和水流饱和悬浮物浓度；εs为紊动扩散系数；ω为悬浮物沉降速度；α为悬浮物恢复饱和系数。
38、根据模型输出的生态丁坝区域水动力与污染物分布情况，绘制生态丁坝区域水动力与污染物分布图，比较不同丁坝挑角、相对坝长、坝间距以及丁坝个数情况下生态丁坝区域水流稳定程度p与污染物去除率q最高的丁坝参数组合，
39、
40、式中，v入、v出分别为生态丁坝入口与出口处的流速，c入、c出分别为生态丁坝入口与出口处的污染物浓度。
41、由上述的用于入河降雨径流污染控制的生态丁坝群的布设方法得到的用于入河降雨径流污染控制的生态丁坝群。
42、进一步的，包括若干个交错设置在河道两岸的生态丁坝，生态丁坝位于河道的雨水排口下游侧。
43、进一步的，所述生态丁坝包括松木桩、竹片、彩条布、填充土、碎石、上方种植的挺水植物以及铁钉，生态丁坝最外围采用松木桩固定，松木桩沿着丁坝外围成排打入地下，松木桩打入地下深度为1/2的丁坝高度，所用松木桩直径约为5-10cm，松木桩内层使用竹片进行加固，竹片同样成排打入地下，打入地下深度为1/3的丁坝高度，所用竹片宽度约为4-8cm，厚度大于0.8cm，竹片内层采用彩条布进行隔离，防止丁坝内部土壤流失，彩条布上端采用铁钉固定在竹片上，每隔3-4片竹片钉一个铁钉，彩条布下端埋入填充土下进行固定，填充土可就地采用底泥晒干，控制含水率大约在40-60％，填充土压实填入丁坝中，填充土上方堆填2-3cm厚的碎石子，填充土上方种植本地具有景观效果的挺水植物。
44、本发明的有益效果是：
45、本发明在城市河流中利用生态丁坝群原位进行入河降雨径流污染控制，不仅可以对大水量的降雨径流进行缓冲，而且可以促进降雨径流中的悬浮物质快速沉降以及溶解性污染物滞留，降低降雨径流对受纳河流水环境的冲击。
46、本发明生态丁坝结构简单、所用材料环境友好，不会对河流水环境造成二次污染，且具有一定的景观效益。利用数值模型模拟计算得到生态丁坝群的布设方式，可以更加准确高效的对降雨径流污染进行控制，减少丁坝布设较多带来的浪费以及布设较少导致的降雨径流污染河流水环境的风险。本发明利用受纳河流对降雨径流进行原位调蓄与净化，一定程度上缓解了传统调蓄设施在城市建成区占地难、投资成本高等问题。在雨水排口对降雨径流污染进行截留与控制，减轻降雨径流携带的污染物对受纳河流水环境的影响，同时丁坝群可以调整水动力条件，减少大水量对河流水生态系统的冲击。
1.一种用于入河降雨径流污染控制的生态丁坝群的布设方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的用于入河降雨径流污染控制的生态丁坝群的布设方法，其特征在于，初步调研区域管网与下垫面的情况，判断区域产汇流过程的复杂程度，据此选用生态丁坝群区域的调蓄容积v的计算方法；
3.根据权利要求1所述的用于入河降雨径流污染控制的生态丁坝群的布设方法，其特征在于，所述步骤三构建的水动力-水质模型的控制方程如下：
4.根据权利要求1所述的用于入河降雨径流污染控制的生态丁坝群的布设方法，其特征在于，根据模型输出的生态丁坝区域水动力与污染物分布情况，绘制生态丁坝区域水动力与污染物分布图，比较不同丁坝挑角、相对坝长、坝间距以及丁坝个数情况下生态丁坝区域水流稳定程度p与污染物去除率q最高的丁坝参数组合：
5.由权利要求1-4任一所述的用于入河降雨径流污染控制的生态丁坝群的布设方法得到的用于入河降雨径流污染控制的生态丁坝群。
6.根据权利要求5所述的用于入河降雨径流污染控制的生态丁坝群，其特征在于，包括若干个交错设置在河道两岸的生态丁坝，生态丁坝位于河道的雨水排口下游侧。
7.根据权利要求5所述的用于入河降雨径流污染控制的生态丁坝群，其特征在于，所述生态丁坝包括松木桩、竹片、彩条布、填充土、碎石、上方种植的挺水植物以及铁钉，生态丁坝最外围采用松木桩固定，松木桩沿着丁坝外围成排打入地下，松木桩打入地下深度为1/2的丁坝高度，所用松木桩直径约为5-10cm，松木桩内层使用竹片进行加固，竹片同样成排打入地下，打入地下深度为1/3的丁坝高度，所用竹片宽度约为4-8cm，厚度大于0.8cm，竹片内层采用彩条布进行隔离，防止丁坝内部土壤流失，彩条布上端采用铁钉固定在竹片上，每隔3-4片竹片钉一个铁钉，彩条布下端埋入填充土下进行固定，填充土可就地采用底泥晒干，控制含水率大约在40-60％，填充土压实填入丁坝中，填充土上方堆填2-3cm厚的碎石子，填充土上方种植本地具有景观效果的挺水植物。
