本发明涉及一种天然河道污水防治系统和方法及设计方法，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，所述的各个单元系列和各个单元之间设有分隔梁。本发明针对中小天然河道涵盖沿岸面源污染、沿程点源污染、主河道紊流迁移扩散等多样性机理、又具有汛期行洪要求、水力条件和污染物运动规律复杂等特点，提出的系统和方法，能更为高效地达到净化河流水质、提升景观生态、确保度汛安全的目的。