专利名称：一种雨源性河流的生态补水系统及补水方法

专利号：ZL 2021 1 0622610.5

专利类型：发明专利

专利权人：中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司

发明人：唐颖栋，楼少华，周欣星，吕权伟，邵宇航，周梅芳，任珂君，黄灿强,，王飘

申请日期：2021年6月4日

授权日期：2022年6月28日

01发明创新点

1．技术背景

河流是流域水体的主要组成部分，其水生态功能完整性对流域高质量可持续发展至关重要。雨源性河流是指水源补给主要甚至全部来自大气降水的河流，该类河流丰水期和枯水期水量差异极大，尤其在枯水期生态基流难以保障，河流水环境容量较小，易引发一系列水生态环境问题，导致季节性甚至常年性水体黑臭现象频发，河流生态系统退化。对河道进行适时、适量的生态补水成为改善水体生态环境健康的重要手段之一。在区域水资源供需矛盾突出的背景下，再生水已逐渐成为河流生态补水的重要水源。形成以再生水为水源的流域河道生态补水系统与方法，对雨源性流域水环境治理与生态修复意义重大。

2．相似技术成果

以往关于河道生态补水的报道主要聚焦于补水过程中某一环节的方案设计或者技术研究，缺少系统的、全过程的方案与技术研究。经国内外检索，发现3项与本专利相类似专利：① “一种面向河流生态需水的多水源优化配置方法”（专利申请号202110310075）公开了一种面向河道生态需水的水资源配置方案，通过构建面向生态调度的水资源配置模型，实现多目标的长系列模拟过程，满足不同用水对象需求，在流域综合治理及在规划层面制定流域生态补水方案；②“一种给城市河流补水治理污染的方法”（专利申请号200610062548）公开了一种设置水闸、泵站、河中心间隔坝实现从下游河口外水源给城市河流补水的方法；③“一种应用于封闭河流补水的污水厂尾水净化旁路复合系统”（专利申请号2017111202180）公开了一种利用岸坡、河滩空间，构建滤床和植物净化系统的补水方法，将污水厂尾水进行生态净化，最后补给至河道。

3．本发明新颖性和创造性

本发明针对雨源性河流特征，开展时空多点动态调配补水技术研发，在国内首次采用“尾水资源利用-流域转输配置-生态环境修复”的设计思路，将污水厂尾水资源化用于河道生态补水。

（１）新颖性

污水厂尾水资源化利用，还原水生态原始样貌。城市河湖基流不足、生态脆弱，以合适水源进行生态补水迫在眉睫。为缓解生态需水与区域水资源匮乏的矛盾，本发明提出将不低于四类标准的污水厂尾水资源化利用，作为河流生态补水水源，保障生态基流，提升水体自净能力，恢复健康完整的水生生物栖息圈。

全流域系统谋划，多途径水资源综合蓄用。针对城市河湖破碎，生态基底脆弱问题，统筹流域内河流、湖泊、湿地等水生态要素，依据河流缺水程度、地理位置及重要性等开展层次分析，将雨水、污水厂尾水等水资源要素层层梳理，全域布局生态补水系统，形成安全可靠互补的城市水链，提升河湖生态韧性。

（２）创造性

泵管选型冗余设计、全过程补水安全保障。分别通过预留应急排水通道、管网环状枝状融合、泵站管网冗余设计、末端雨水应急蓄用及河湖入口水质监测等关键技术环节，实现全过程安全稳定补水。本专利技术可充分应对突发性污染事件，并为远期补水规模扩张与多场景、多工况灵活应用提供条件。

多场景灵活应用、全时段水质达标保障。为解决城市河湖先天性基流不足引发水体黑臭问题，进行全域灵活补水，提升水环境容量，恢复水体自净能力，实现旱雨季全时段水质达标。水压水量灵活控制、入口水质实时监控、预留远期接口，为应对突发污染事故,远期补水等多工况场景提供条件。

图1 潭头渠补水前实景图

图2 潭头渠补水后实景图

图3 茅洲河支流塘下涌补水点实景图

图4 万丰湖补水图实景图

02应用领域和范围

本专利为解决城市河湖先天性基流不足引发水体黑臭、生态系统退化系列问题，提出一种雨源性河流的生态补水系统及补水方法 ，将污水资源化用于河湖补水，其中包括水厂取水系统、补水管道系统、补水综合利用系统和雨水蓄用系统。

本专利已运用在雨源性河流水环境治理、水生态恢复和常规市政等工程领域，主要应用于工程勘察设计和工程建设等方面，尤其在城市水环境治理领域，其效果已经经过多项工程验证，技术实用性强。

本发明还可应用于市政中水回用工程，包括工业用水和建成区中水回用等。同时，还可应用于智慧城市中智能补水，因而可同时服务于城市管理和建设领域。

1．专利实施案例

深圳市内河流大多属于雨源性河流，旱季生态基流不足，雨季溢流污染严重。本发明首次应用于国内最大的水环境综合整治工程——茅洲河流域水环境综合整治工程中，利用茅洲河流域内6座水质净化厂尾水，对茅洲河28条支流进行补水，补水总规模为155万吨/日，铺设补水管道67km，补水范围覆盖163.2km²。

本专利的使用突破了仅依靠控源截污、原位治理等工程措施在雨源性流域效果欠佳的局限，充分保障河道生态基流，实现中小雨源性年旱季径流量提升53%-86%；解决城市河湖脆弱、自净能力不足等问题，促进流域水网生态健康恢复，河流综合污染指数较实施前下降72.7%。

在茅洲河流域的成功应用证明，本专利相关技术是正确的、科学的、实用的、可行的。

图5  生态补水系统平面图

2．国内应用与推广情况

除了茅洲河以外，成功应用至深圳天鹅湖治理、吉林市黑臭水体整治、通州漷牛黑臭水体治理、南京金川河水质提升等24个项目，工程整治效果明显，新增产值约44.9亿元。

除了工程应用以外，针对流域季节性差异特征，本方法实现运维期间水资源调配管理，采用不同时空多点再生水资源科学灵活调配，已在珠海前山河流域、顺德联围水域、福建东西溪流域等10多个流域推广，提升区域水环境容量，恢复全时段流域自净能力，构建清流畅活的人居环境。

03实施效果

本发明首次应用于深圳茅洲河流域宝安片区水环境综合整治工程中。针对茅洲河旱季生态基流匮乏、多支汊河网水动力条件不同等问题，基于专利技术，设计实施了茅洲河流域再生水补水工程，提出了以雨后河道水质改善为目标的生态补水优化调度策略，建立了以旱雨季、雨情、涨退潮等为依据的再生水补水智能化自动调节机制，通过可调配补水通道、高低压分区并联配水路线，建立了全流域再生水时空利用体系，全流域再生水补水规模达155万吨/日。实施效果显著，河道生态基流量增加53%-85%，河流综合污染指数较实施前下降72.7%，流域水生生物多样性指数提高43%。应用本技术的节点工程——燕罗尾水利用湿地公园被选为2018年“6.5环境日”广东省公益宣传活动主会场，举办燕罗草地音乐会、粤港澳龙舟赛等多次活动，茅洲河再生尾水利用工程被央视等官方媒体多次宣传报道。

除了茅洲河流域以外，在广东省其他流域也同步开展了生态补水系统建设与补水工作，包括深圳市麒麟山庄天鹅湖流域、深圳河流域（龙岗区）、龙华区观澜街道小微水体以及珠海市前山河流域、佛山市顺德群力围石笼围等典型雨源性流域，整治效果明显，助力广东省打赢水污染防治攻坚战；在南京的金川河整治的过程中，本专利技术也同样应用于河流生态补水的过程中，金川河水质提升显著，实现水清岸绿，当地流域水环境得到显著改善，对于当地生态环境保护和生态经济建设工作起到了良好的促进作用。

图6 潭头河整治前

图7   沙井河整治前

图8茅洲河流域水系补水前

图9茅洲河流域水系补水后

图10 燕罗草地音乐会

图11粤港澳龙舟赛

04产业化及市场应用情况

1．应用情况

本补水方法在茅洲河先试先行，实现城市水环境品质显著提升后，陆续推广应用至深圳市麒麟山庄天鹅湖水环境治理、深圳河流域黑臭水体治理（龙岗区）、珠海前山河流域水环境治理、南京金川河水质提升等23个项目，取得了显著的社会与生态环境效益。

2.经济效益

华东院利用该专利技术，实施了深圳茅洲河宝安片区、光明片区以及东莞片区水环境治理项目，还包括了深圳南山区、龙岗区，珠海市香洲区前山河治理，佛山市顺德区水环境治理等累计10余个地区的生态补水工程中。实施日至2022年底，由本项目延伸的项目新增销售额累计约449304.58万元，新增利润16778.47万元。

本发明解决了城市水生态系统水资源匮乏问题，恢复流域水生态系统，产生了积极的社会影响，创造了极大的经济效益、社会和环境效益。政府、央视、社会媒体多级正向宣传推广，社会认可度高。另外，本专利在国内城市水环境治理项目中具有潜在应用价值，预计可综合节约投资数十亿元。

随着国家对于生态环境治理保护的提升，华东院在华东、华南等地区创立治水行业标杆，在城市水环境治理领域经济效益会更加明显。

05技术优势

1．同类技术情况

传统河流生态补水水源常包括水库下泄、跨区域调水及抽取地下水等，成本较高，难以形成覆盖全流域形成大规模补水；且传统补水方式缺乏韧性，较难应对流域内各支汊流缺水及污染程度呈现时空差异性分布的特点。

2．本发明技术优势

水资源要素合理分配成为影响区域高质量发展的关键环节。与已有相关技术相比，本发明的技术优势主要体现在以下方面：

（１）全过程补水安全保障，泵管选型冗余设计。通过水量、水压动态调节、水质传输控制、管道冗余设计、补水接口预留等关键技术，充分应对突发性污染事件，为远期补水规模扩大预留空间，避免因工程多次实施而产生重复投资，为城市河湖综合运维管理系统中多场景多工况应对提供条件。

（２）全时段水质达标，多场景智能应用。通过多层级系统布局，于入、出流口设置水质水压水量智能调控装置，针对全流域、全时段各支汊流缺水情况、水质情况实现灵活补水，提升水体自净能力，实现旱雨季全时段达标。

（３）降低运行费用，助力城市高质量发展。通过以水质恢复为目标的生态补水优化调度策略，建立了以旱雨季、雨情、涨退潮等为依据的再生水补水智能化调节机制，采用了可调配补水通道、高低压分区并联补配水方案，为水环境精细化调度管理提供了支撑，可综合降低能耗23%以上，减少年运行费用30%以上。

06专利运用及保护

1．专利运用

专利权人对一种雨源性河流的生态补水系统及补水方法开展了大规模的研究与推广工作。本专利在广东省深圳市、佛山市、珠海市等10余个城市进行了工程应用和推广，尤其在深圳市宝安区、光明区等大中型高密度建成区水环境治理应用。通过本专利的运用，极大程度提高河道水环境容量，恢复全时段流域自净能力，为构建清流畅活的人居环境提供重要保障。根据统计，深圳市再生水补水工作走在全国前列，已利用再生水为105条河道提供生态基流，补水设计规模290.58万吨/日，极大程度提高河道水环境容量，大幅增强流域水质的稳定性，生态环境效益显著。

专利权人作为水环境治理头部企业，以“产-学-研-用”思路为指导，将工程建设与科学研究紧密结合，结合国家重点研发计划《城市雨水资源利用新模式研发和效益评价与示范》（2018YFE0206200）、广东省重点领域研发计划《茅洲河水体综合治理与生态修复技术集成与示范》（2019B110205005）等科研课题，深入研究雨源性河流生态补水系统建设与方法，相应成果出版专著《尾水人工湿地设计与实践》；支撑团体标准《城市河湖水环境治理工程生态补水专题报告编制指南》（Q/PWEG 025-2019）的发布；发表（含录用）《茅洲河流域再生水补水方案研究与实践》等4篇论文。该技术结合生态修复、内源治理等工程手段，可显著改善流域水环境质量，对于城市水环境技术领域做出重要贡献。

图12  深圳河道生态补水前实景图

图13  深圳河道生态补水后实景图

2．专利保护

专利权人建立了系列知识产权保护的制度文件，加大专利权管理和保护力度。在企业内部加强了安全保密教育，对从事技术开发和管理的员工，要求与公司签订保密协议，明确创新技术成果先申请专利保护再发表论文等。对公司内部的技术档案管理，进一步完善了规章制度，强调严格执行。对能接触到公司内部保密技术资料的人员，进一步重申保密规定，做到管理严格、使用有序。该专利未发生过诉讼和维权情况。

针对城市河湖治理、生态补水系统构建等相关技术，专利权人除了申请一种雨源性河流的生态补水系统及补水方法外，先后申请流域综合治理绩效评估的关键水质因子变化趋势分析方法（ZL202010359639.4）、消除感潮河道黑臭水体的河道生态处理系统（CN201711454687.6）、顶管接驳导排结构（CN202021947741.8）、顶管接驳导排结构及顶管接驳方法（CN202010933903.0）、雨水径流污染治理的缓冲带(CN202221330332.2)适用于市政管道的管桥固定装置(202120845927.0)、一种新型沉井改造立壁式跌水井（202023120380.2)等多项相关专利，处于水环境整治领域的领先地位，拥有成功的相关领域专利保护经验。

3．制度建设及条件保障和执行情况

专利权人作为国家高新技术企业，一直明列中国工程设计企业20强、中国国际承包商80强，一直将知识产权纳入企业核心战略。新“二三三”战略，明确企业发展战略的主要任务是围绕工程技术能力和数字化智慧化能力，聚焦以专利为主要载体的核心技术发展，以此为原则，专利权人建立了“技术委员会+总经理办公会”的专利导航决策机制。在战略规划中设置《核心技术培育专项规划》，分3大业务板块、11大技术领域，进行海外和国内行业技术竞争分析，明确核心技术培育方向，实施企业技术战略的专利导航。

（１）制度建设

①发布知识产权管理制度

根据国家知识产权局颁布的《国家知识产权示范企业培育工作方案》，制定并全面实施了华东院知识产权示范企业培育方案，将知识产权纳入企业核心战略。

表1 华东院知识产权管理制度清单

②培育高价值专利

为了推进和培育高价值专利，建立了成果遴选与评估工作机制，通过常态征集，双创大赛，部门推荐等多各渠道培育高价值成果，形成完整孵化-商业培育-商业推广的全链条价值产出体系。同时，在项目立项、研发、应用推广等技术全生命周期，挖掘和培育高价值专利，并主动申报精品专利簇，作为华东院各类奖项申报和成果转化的储备。

③加大知识产权转化力度

专利权人拥有健的全知识产权有偿使用机制，完善许可、转让等工作流程，制定了新技术推广目录，开展了分级管理，盘活了存量资源。为了将科技资源优势转化为产业发展优势，建立“产品化导向、产业化驱动、人才培养型”创新创业机制，成立了创新创业中心，用于创新研发，项目孵化，成果转化以及人才引进为一体的科研中试基地和产业孵化园，加强知识产权转化力度。

④构建知识产权运营服务体系

建立服务于成果转化的知识产权运营服务平台，为公司知识产权提供咨询、评估、交易、信息、代理等“一站式”服务。专利权人还加入了“杭州知识产权促进会”、“浙江省产品与工程标准化协会”等协会，积极推动建立行业知识产权维权协作机制。

⑤建立完善的激励考核机制

制订成果转化应用激励措施，赋予知识产权发明人成果收益权，鼓励单位员工积极进行创新创造和成果转化应用，发布《优秀成果评选奖励办法》、《知识产权管理规定》、《专利工作实施细则》等制度，详细规定了知识产权奖励内容。通过综合运用绩效考核、院内产值核算、个人奖励、培训交流等手段，营造了全院良好的知识产权创造氛围。

（２）条件保障措施和执行

①明确核心技术培育方向

专利权人通过制定知识产权发展规划和知识产权管理制度，在战略规划中设置《华东院核心技术培育专项规划》和《知识产权建设五年行动方案》，明确核心技术培育方向，实施企业技术战略的专利导航。积极开展海外知识产权布局，设立海外事业部与海外事业部技术委员会，负责海外技术输出与海外专利布局策略研究。

②体系与制度保障措施

按“全员、全业务、全过程”原则，建立了完善的知识产权管理制度体系、管理组织体系、管理人员体系和创造团队体系。

③高效便捷的申报途径

建立了完善的知识产权管控系统，形成了以面向知识产权高效运营的专利、软件著作权和注册商标的数据库，与多家专利事务所形成长效合作。

（３）执行效果

专利权人通过近几年的努力，知识产权成果持续快速增长，截止2022年12月，累计专利申请6000余项，授权4700余项，获国家科学技术奖13项、中国专利奖3项、浙江省专利奖5项、行业高价值专利大赛奖等10余项，获省部级科学技术奖近400项。2019年获得国家知识产权示范企业。

07效益分析

1．社会效益状况

在水资源短缺及再生水利用政策要求双重背景下，“产-学-研”理念相互融合,本专利提出污水厂尾水资源化布局方案，统筹流域水生态系统，串联城市水动脉，取得了显著的社会与生态环境效益。

（１）实现雨源性河流全时段水质达标

全域灵活补水，解决雨源性河流、城市河湖生态脆弱水环境治理难题，提升水体自净能力，保证水质达标，本工程结合控源截污、内源治理措施实施后，茅洲河已实现了全面消除黑臭，截止2019 年上半年，茅洲河干流综合污染指数与 2015 年实施前相比下降 72.7%，本发明通过多层级系统布局、多场景灵活调度，灵活应对雨后污染，实现旱雨季全时段达标。

图14 19-22年茅洲河宝安片区各支流雨季（4-9月）、旱季（1-3月&10-12月）氨氮平均值对比

（２）生态基底恢复，人居幸福指数提升

结合控源截污、内源治理措施实施后，茅洲河已实现了全面消除黑臭，通过利用本技术恢复生态基流，提升水体自净能力，流域水生生物多样性指数提高43%。“六•五”世界环境日广东分会场的启动仪式安排在了整治一新的茅洲河畔，向社会公众展现成效。沿岸环境的改善也吸引了各类文体活动来此举办。已停办了十余年的粤港澳龙舟赛已连续两年在茅洲河上开赛，再现了龙舟竞渡、百舸争流的盛景。

图15  居民河畔游玩实景图

图16  茅洲河活动实景图

（３）促进技术进步，提升行业科学管理水平

本发明结合国家重点研发计划《城市雨水资源利用新模式研发和效益评价与示范》（2018YFE0206200）、广东省重点领域研发计划《茅洲河水体综合治理与生态修复技术集成与示范》（2019B110205005）等科研课题，深入研究雨源性河流生态补水系统建设与方法，相应成果出版专著《尾水人工湿地设计与实践》；支撑团体标准《城市河湖水环境治理工程生态补水专题报告编制指南》（T/WEGU 0012-2020）的发布；发表（含录用）《茅洲河流域再生水补水方案研究与实践》等4篇论文。该技术结合生态修复、内源治理等工程手段，可显著改善流域水环境质量，对于城市水环境技术领域做出重要贡献。

图17 《尾水人工湿地设计与实践》

图18 团体标准发布

2．行业影响力状况

茅洲河治理项目多次获得各级荣誉，具有显著的社会影响价值。茅洲河水环境综合整治对雨源性河流的水环境自净能力提升、水生态修复得益于尾水资源化用作生态补水。深圳市茅洲河流域应用专利技术，由“墨水河”实现了“水清岸绿、鱼翔浅底、水草丰美、白鹭成群”的华丽蝶变，获评住建部宣传的“黑臭水体治理十四大案例”，入选生态环境部发布的首批全国美丽河湖案例，成为全国的治水典范。

茅洲河治理项目多次得到主流媒体连续报道，具有社会推广价值：CCTV-13《焦点访谈——“为有源头清水来”》对本技术典型示范工程茅洲河流域再生水利用工程进行专题报道；CCTV-13《走进科学——“诊病黑臭水”》中提出“缺少生态补水，要生态补水，恢复河流的流动性”，并介绍了本专利技术在茅洲河流域的应用；CCTV-1《美丽中国》第一集中对生态补水措施对茅洲河治理效果进行了大篇幅报道；新华社《为有源头清水来——深圳“驯水记”》也对本技术开展情况进行了详细报道。同时，人民日报、新华日报等官方也多次对茅洲河治理过程与成效进行了成效宣传。

图19《焦点访谈-为有源头清水来》

图20 深圳“驯水记”

图21 CCTV-13《走进科学》提“生态补水”

图22 《美丽中国》提出“活源”

08应用前景

1．已经应用的领域和范围

本专利已运用在雨源性河流水环境治理、水生态恢复和常规市政等工程领域，主要应用于工程勘察设计和工程建设等方面，尤其在城市水环境治理领域，其效果已经经过多项工程验证，技术实用性强。

2．其他可应用的领域和范围

本发明还可应用于市政中水回用工程，包括工业用水和建成区中水回用等。同时，还可应用于智慧城市中智能补水，因而可同时服务于城市管理和建设领域。

3．政策适应性

本方法多应用生态环境领域，该领域在近几年得到了国家的大力支持，对近三年生态环境版块政策进行分析，本方法响应近年政策，属于国家推荐引导方向。近三年国家对于生态环境板块的政策具体如下：

（１）2022年提出更高要求，在水资源精细化管控、提升再生水利用率的背景之下，推动绿色发展，提升生态系统的保护修复功能，促进人与自然和谐共生。2022年2月，生态环境部发布《国务院办公厅转发国家发展改革委等部门关于加快推进城镇环境基础设施建设指导意见的通知》，提出“新建、改建和扩建再生水生产能力不少于1500万立方米/日”；2022年2月，水利部制定印发2022年水资源管理工作要点，提出“推进河湖生态环境复苏、提高水资源管理精细化水平”。

（２）党的二十大报告明确提出实施全面节约战略，推进各类资源节约集约利用。加快水资源利用方式转变，进一步提升水资源利用效率和效益，是实施全面节约战略的重要内容。2023年10月，国家发展改革委、水利部、等部门联合印发《关于进一步加强水资源节约集约利用的意见》（发改环资〔2023〕1193号，以下简称《意见》），对全面推进我国水资源节约集约利用工作提出了具体要求。

（３）2024年1月，国家发展改革委、住房城乡建设部、生态环境部联合印发《关于推进污水处理减污降碳协同增效的实施意见》（发改环资〔2023〕1714号，以下简称《实施意见》），提出对再生水管网、再生水厂的规划、布局、建设进行系统安排，减少再生水运输距离，有序建设区域再生水循环利用工程。2024年3月，国家发展改革委、水利部联合印发《推进重点城市再生水利用三年行动实施方案》。遴选50个地级及以上城市，重点推进再生水利用工作。《实施方案》提出到2026年，重点城市在强化再生水配置管理、完善再生水利用设施、拓展再生水利用场景、健全再生水利用机制等方面取得积极成效。

本方法将水质净化厂尾水资源化用于城市河湖补水，实现水资源利用最大效益化的同时，恢复河湖生态基流，贯通生物通道，恢复生物多样性，构建清流畅活的河湖生态环境，提升人居幸福指数。

综上所述，本方法在国家的各级政策支撑下具有十分广阔的应用前景。

09获奖情况

采用本专利作为关键技术获得的科技类、勘察设计类奖项：