一种适用于多雨地区农田面源污水集蓄用系统及改造方法与流程

本发明涉及一种污水集蓄用系统及改造方，具体涉及一种适用于多雨地区农田面源污水集蓄用系统及改造方法。

背景技术

近20年来，为了保证农产品产量的持续增长，农药、化肥等农业投入品的投加数量也不断增加，施加量远超植物生长所需。研究表明，农业面源污染已成为我国水污染的主要来源，农业面源中化学需氧(cod)、总氮(tn)、总磷(tp)污染负荷分别占水体污染负荷的43.7％、57.2％和67.4％，其中农田污染是农业面源污染的主要贡献(陈重军等人农田面源污染生态沟渠生态净化效能评估

[j].江苏农业科学，2015，43(11):472～474)。农田污染流失的的主要途径是农田渗漏和地表径流流失，其中暴雨侵蚀是农田污染物流失的主要方式。国内外开展的大量关于农田污染物流失特征研究表明，径流污染物浓度峰值出现在产流后半小时内，因此对初期雨水径流(初期径流)的截留至关重要。

目前对农田面源污染治理的研究主要集中在对农田径流的净化方面，例如生态沟渠的改造、建立滨岸缓冲带、人工湿地和设置人工多水塘等，在农田径流进入水体前通过植物、微生物和基质吸附降解来拦截农田径流中的污染物。

中国发明专利(申请号201410794856.0)公开了一种利用农田沟塘系统防治区域性农田面源污染的方法，该发明在原有农田沟渠的基础上整理完善，在沟渠上添加生态塘对农田径流污染进行削减，但未能进行清污分流并分开蓄存，没有针对性的处理初期径流和后期径流，当遇到暴雨时水塘已满或者进塘水量超过水塘蓄存容积，超出的水量未经净化直接排入水体会形成污染。

中国发明专利(申请号201610019955.0)公开了一种水稻种植区农业面源污染生态治理方法,该发明通过三道防线(源头控制、生态沟、塘堰湿地)串联达到削减和治理农业面源污染的目的，但该发明未能清污分流，没有考虑初期径流的回用，土质生态沟运行时间长后清理维护较为困难。

中国实用新型专利(申请号201720292836.9)公开了一种防治农业面源污染的清污分流装置，该装置利用旋转翻板进行清污分流，但需要人为控制，且缺乏径流收集和后续净化系统。

我国南方地区降雨量大，农业发达，农田面源污染流失现象尤为严重。为了满足农田的用水要求，农田都配备了完善的灌排沟渠系统，但存在部分沟渠布置不合理，导致农田径流收集不完全和排水不畅，产生漫溢现象，另外土质沟渠易受冲刷，需要定期维护，而硬质化沟渠虽不需维护，但截留污染物能力差；另外，为了充分利用雨水资源和避免旱季无水，农民通常会开挖一些水塘用来收集农田径流及蓄存雨水，在需要灌溉时可以就近供水，但降雨时农田径流清污混流，超出水塘容积后直接排入水体造成污染。

目前，基于对我国南方多雨地区沟塘系统进行改造，将农田径流自动进行清污分流并进行蓄存回用的系统及方法还尚未报道。

技术实现要素：

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种适用于多雨地区农田面源污水集蓄用系统及改造方法。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种适用于多雨地区农田面源污水集蓄用系统，包括沿水流方向依次连通的集水沟渠系统、沉沙井、分流井、初雨塘、生态塘和排水生态沟渠；

农田排出的雨水径流由集水沟渠系统快速汇集；经沉沙井去除可沉降泥砂后，再经过分流井将初期径流与后期径流分离并分别排入初雨塘、生态塘进行蓄存；经生态塘净化后的雨水排至排水生态沟渠，进一步净化后排入附近水系。

上述集水沟渠系统包括集水干渠和若干设置于农田中的集水支渠，雨水经集水支渠向集水干渠汇集。按照地形进行整理优化，通过农田中的集水支渠尽可能多的收集本区域内产生的农田径流到集水干渠。

进一步的，集水干渠的改造方法为：

在土质沟渠的基础上改造，边坡坡度为1:0.25～1:1，采用生态混凝土浇筑，厚度为10～20cm，配合比(kg/m³)为水泥：水：卵石＝200:80:1549；集水干渠的底部预留若干孔径为5～10cm的圆孔，孔距为20～30cm。

改造能够最短最快得将农田径流全部收集到本系统中进行处理，不因排水不畅而产生外溢污水。

上述沉沙井由进口、沉沙井体、出口组成，底部与水平面呈45°～60°，水流流速不大于0.3m/s，最大流量的停留时间不少于30s。具体的，沉沙井的尺寸根据进水水量计算。

进一步的，沉沙井设于集水干渠中，将可沉降泥砂收集并定期去除，可减少农田泥土流失和水塘的淤积。

上述分流井与沉沙井的改造方法为：分流井与沉沙井一体建制，包括带进水口的分流井体；进初雨塘管设于分流井体的底部，进生态塘管设于分流井体的上部；且，进初雨塘管的管口设有带浮球的球塞。

分流井根据水位变化自动进行清污分流，将初期径流与后期径流分别排入初雨塘、生态塘蓄存。

球塞与浮球之间通过绳索相连，其长度根据初雨塘的初期径流蓄存量与初雨塘面积确定。径流通过分流井的进水口进入，从底部的进初雨塘管排入初雨塘进行蓄存，此时初雨塘水位较低，球塞与浮球的重力大于其浮力，球塞与进初雨塘管不密封，进水可进入初雨塘；随着初雨塘水位上升，浮球带动球塞上升，当达到对应设计调蓄容量的水位高度时，球塞与进初雨塘管密封，进水不能进入初雨塘，分流井内水位上升至上部的进生态塘管，进入生态塘蓄存，从而实现初期径流与后期降雨径流随水位变化自动分流的目的。如此，当一场暴雨发生时，将污染物浓度高的初期径流被截留于初雨塘，而溢流进入生态塘的后期径流的污染物浓度较低，即使超出蓄存容积产生溢流，也可通过排水生态沟渠的净化功能进一步将污染物的排放量减至最小。

上述排水生态沟渠的改造方法为：

c1、在土质沟渠的基础上改造，边坡坡度为1:0.25～1:1，采用生态混凝土浇筑，厚度为10～20cm，配合比(kg/m³)为水泥：水：卵石＝200:80:1549；排水生态沟渠的底部预留若干孔径为5～10cm的圆孔，孔距为20～30cm；

c2、生态系统：圆孔内种植的经济水生植物，包括茨菰、茭白、空心菜、水芹。

上述初雨塘和/或生态塘设有通农田的回水泵。蓄存水在需要灌溉和施肥时可用泵回用至农田，且优先使用营养物质浓度高的初雨塘水，便于为下一次降雨腾空蓄存容积，同时可以减少源头肥料使用量，提高资源的重复利用率，具有一定的经济效益。

初雨塘、生态塘的改造方法为：

b1在原有水塘的基础上改造，通过隔水膜将原有水塘分为初雨塘和生态塘；

b2、生态系统：

生态塘内种植的经济水生植物，包括荷花、菱角；

生态塘边种植的经济水生植物，包括茨菰、茭白、空心菜、水芹；

生态塘内养殖的经济鱼类，包括鲢鳙、鲫鱼；

生态塘边坡水位以上播种的根系发达草种，包括狗牙根。

上述生态塘与生态沟渠连接处设置溢流堰，溢流堰下方设有泄水阀门。

阀门与溢流堰顶之间的蓄存容积为调蓄容积，当农户不需要回用水时可放空调蓄容积内的水，为下次降雨蓄存腾出空间，调蓄容积根据收集径流水量确定，超过水塘蓄存容积的径流将通过溢流堰溢流至排水生态沟渠进一步净化。在需要灌溉和施肥时可用泵回用至农田，且优先使用营养物质浓度高的初雨塘水，便于为下一次降雨腾空蓄存容积。

本发明的有益之处在于：

一种适用于多雨地区农田面源污水集蓄用系统，与现有技术相比，具有以下优点：

1、本发明将农田径流通过集蓄用系统最大化的利用起来，在水量和污染物浓度上双重削减，减少污染物的排放。

2、本发明通过分流井根据水位变化自动进行清污分流，将污染物浓度高的初期径流与污染物浓度低的后期降雨径流分别排入初雨塘和生态塘进行蓄存及回用，减少源头肥料使用量，资源重复利用率高，从而减少农田径流污染排放，同时可以采收经济植物和鱼类，具有一定的经济效益。

3、本发明材料易得，结构简单巧妙，在农田原有沟渠和水塘的基础上进行改造，不多占土地资源，自动运行无需人来控制，改造及运行成本低，易于在南方多雨农村地区推广。

本发明从源头开始按照地形收集农田径流，通过简易分流井装置自动进行清污分流，将初期径流和后期径流分别排入由原有水塘分隔成的初雨塘和生态塘进行蓄存回用，超出蓄存容积的后期径流在经过生态塘和排水生态沟渠的净化后排放到附近水体。以最小的改造投入，因地制宜，最大化收集、蓄存农田径流，从水量和浓度两方面双重削减农田径流污染物，在需要灌溉和施肥时期优先回用营养物质浓度高的初雨塘水，减少源头施肥用量，实现了农田径流集蓄用一体化的目的，具有很强的适用性和广泛的适用性。

附图说明

图1为本发明的农田面源污水集蓄用系统的高程示意图。

图2为本发明的农田面源污水集蓄用系统的平面示意图。

附图中标记的含义如下：1、农田，2、集水沟渠系统，3、沉沙井，4、进口，5、沉沙井体，6、进水口，7、分流井体，8、分流井，9、进生态塘管，10、进初雨塘管，11、浮球，12球塞，13、初雨塘，14、隔水膜，15、生态塘，16、溢流堰，17、阀门，18、排水生态沟渠，19、植物。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

如图1和图2所示，一种适用于多雨地区农田面源污水集蓄用系统，尤其是南方多雨地区，由沿水流方向的农田1、集水沟渠系统2、沉沙井3、分流井8、初雨塘13、生态塘15和排水生态沟渠18组成。

集水沟渠系统2按照地形进行优化设计，将农田1产生的雨水径流(降雨径流)尽可能多的快速收集到本系统内进行处理，集水干渠在原有土质沟渠的基础上进行上述生态化改造，边坡坡度为1:0.25～1:1，采用生态混凝土浇筑，厚度为10～20cm，配合比(kg/m³)为水泥(品种32.5)：水：卵石＝200:80:1549。

收集的农田径流通过沉沙井3去除可沉降泥砂，沉沙井3由进口4、沉沙井体5、出口6组成，底部与水平面呈45°-60°，水流流速不大于0.3m/s，最大流量的停留时间不少于30s，沉沙井3的尺寸根据进水水量计算。去除可沉降泥砂后的径流再经过分流井8自动进行清污分流，将初期径流与后期雨水径流自动分离分别排入初雨塘13、生态塘15进行蓄存，超出生态塘15蓄存容积的水量经过净化后，通过溢流堰16溢流到排水生态沟渠18进一步净化后排放。

蓄存水在需要灌溉和施肥时可用回水泵20回用至农田，且优先使用营养物质浓度高的初雨塘水，便于为下一次降雨腾空蓄存容积，同时可以减少源头肥料使用量，提高资源的重复利用率，具有一定的经济效益。

分流井8由进水口6、分流井体7、进初雨塘管10、进生态塘管9、浮球12和球塞11组成，径流通过进水口6进入分流井8，从底部的进初雨塘管10排入初雨塘13进行蓄存，此时初雨塘13水位较低，球塞11与浮球12的重力大于其浮力，球塞11与进初雨塘管10不密封，进水可进入初雨塘13；随着初雨塘13水位上升，浮球12带动球塞11上升，当达到对应设计调蓄容量的水位高度时，球塞11与进初雨塘管10密封，进水不能进入初雨塘13，分流井8内水位上升至上部的进生态塘管9，进入生态塘16蓄存，从而实现初期降雨径流与后期降雨径流分流的目的。球塞11与浮球12之间通过绳索相连，其长度根据初雨塘13的初期径流蓄存水量与初雨塘13面积确定。

在原有水塘的基础上进行改造，通过隔水膜14将水塘分为初雨塘13和生态塘15，生态塘15中间可种植经济水生植物如荷花、菱角等经济植物，塘边可种植经济水生植物如茨菰、茭白、空心菜、水芹等，并可养殖一些经济鱼类如鲢鳙、鲫鱼等，水位以上播撒狗牙根等根系发达草种进行护坡。在生态塘15与生态沟渠18连接处设置溢流堰16，溢流堰16下方设置阀门17，阀门17与溢流堰顶16之间的蓄存容积为调蓄容积，当农户不需要回用水时可放空调蓄容积内的水，为下次降雨蓄存腾出空间，调蓄容积根据收集径流水量确定，超过生态塘15蓄存容积的径流将溢流至排水生态沟渠18进一步净化后排放到附近水体，排水生态沟渠18按集水干渠改造方式进行改造。

实施例1：

江苏省镇江句容市白兔镇**生态农庄农田面源污染控制工程。

江苏省镇江句容市白兔镇位于南方多雨地区，句容年平均气温为15.5℃，年降水量为1099.1mm。该项目工程在**生态农庄内选择一处无花果园作为示范工程，面积为2100m²。为了防止雨季田内积水，田里顺地势挖有一些土质排水沟渠，部分汇集的径流顺坡排放到路旁的排洪沟，最终排入附近河道，对河流产生比较严重的污染，同时农田水土流失比较严重；另外，为了充分利用丰富的雨水资源进行灌溉，农户开挖了一条土质沟渠来收集果园内排水沟排出的雨水径流并储存在一个面积约为300m²、深度约1.5m的水塘。

本项目工程将果园内原有的土质排水沟进行整理优化，将连接水塘的收集干渠进行上述改造，边坡坡度为1:0.25，采用生态混凝土浇筑，厚度为15cm，配合比(kg/m³)为水泥(品种32.5)：水：卵石＝200:80:1549。改造后集水干渠系统能够尽可能多的收集农田径流，以最快最短的路线全部收集到本系统进行处理，削减部分污染物，并防止其直排入河形成污染。

将原有的水塘分隔成初雨塘和生态塘，生态塘内种植经济水生植物和养殖鲢鳙、鲫鱼等经济鱼类，初雨塘蓄存容积根据当地暴雨公式截留30min计算得到，即初雨塘蓄存容积＝暴雨强度×农田面积×径流系数×30min，生态塘蓄存容积根据当地降雨量最大月每次平均降雨量计算得到，即生态塘蓄存容积＝每次平均降雨量×农田面积×径流系数，初雨塘与生态塘的蓄存容积分别为15m³和20m³。

在集水干渠与水塘之间布置沉沙井和分流井，沉沙井尺寸为1m×1m×1.7m，沉沙斗坡度为60°，分流井尺寸为1m×1m×1m，去除可沉降泥砂并将初期径流与后期径流分别排入初雨塘和生态塘蓄存，将水塘出水口改造成溢流堰并设置阀门，排水生态沟渠按集水干渠改造。通过截留污染物浓度高的初期径流和污染物浓度低的后期径流，超出生态塘蓄存容积发生溢流，污染物浓度低的后期径流通过生态塘和排水生态沟渠的净化后排放。

经过一次实际检测，前0.5h和后1.5h的降雨量分别为45mm和75mm，前0.5h和后1.5h进入系统前径流中的tn、tp浓度平均值分别为8.64mg/l、0.91mg/l和5.79mg/l、0.46mg/l，径流系数取0.15，后期径流经过本系统净化后tn、tp去除率为30％，本系统建造后对tn、tp的削减情况如下表：

本发明从水量和污染物浓度上双重削减污染物排放量，同时能根据水位变化自动进行清污分流，分别蓄存初期径流和后期径流，优先回用初雨塘水，减少农田施肥量，提高资源利用率，并能采收经济水生植物和鱼类，具有一定的经济效益。本发明以最小的改造投入，因地制宜，最大化削减污染物排放量，达到保护水环境和提高资源重复利用率的目的。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。