一种用于坡地水田农业面源污染的生态治理结构的制作方法

本实用新型涉及生态环境领域，特别是涉及一种用于坡地水田农业面源污染的生态治理结构，尤其适用于坡地水田的农业面源污染生态治理与循环利用。

背景技术：

农业面源污染主要是指农业生产活动中农田的土壤泥沙颗粒、氮磷营养盐、农药、秸秆、农膜及其他有机或无机污染物质，在灌溉或降水过程中，通过农田排水、农田地表径流和地下渗漏，使得污染物进入水体，造成的水环境污染。近年来，农业面源污染已经成为我国水环境的主要污染源之一，处理好农业面源污染是水环境治理的关键。我国南方降雨充沛，大面积的水田主要集中于南方，是水稻的主要生产地区，由于降雨量大，水田排水量高，使得南方水田面源污染防治显得尤为重要。

农田排水沟一般布设在坡面截水沟的两端或较低的一端，用以排除截水沟不能容纳的地表径流。然而天然排水沟易淤积泥沙导致发臭，并且边坡容易坍塌，安全性能差；采用混凝土横断面衬砌的排水沟尽管其抗冲刷能力强，但它失去了生态功能和景观效果，植物不能在其中生长并且没有拦截泥沙的功能。当农田排水直接排入水塘、湿地或河流中时，大量的泥沙会带来堵塞以及污染问题。

陂塘是古人为了解决干旱季节的农业灌溉问题，在自然湖泽的基础上利用起伏的山势围堤筑坝，进而形成的一种农田水利设施。近年来城市化日趋稳定，生态意识得以被唤醒，陂塘景观的功能不能再局限于蓄水、灌溉、发电等小型水库的功能，而应在水文调蓄、面源污染控制、生态系统修复以及生物多样性保护等多方面的生态系统服务功能受到重视。陂塘系统具有建造运行成本低、耗能小、污染物去除率高、出水水质好、操作简单等优点，但其长久以来受到退化和堵塞问题使得该技术的推广受到限制，其中颗粒物是其堵塞的主要原因。

南方利用稻田水面养鱼的生态农业已屡见不鲜，然而该技术的在应用中也存在众多问题：(1)稻田施肥与喷洒农药对鱼的生存安全有严重威胁，有些农药喷洒后会在鱼体中富集，进而对食用该鱼的人们造成危害；(2)稻田所施肥料，一般只有40％氮营养物质左右能够被植物利用，其他氮素均溶于水中排出，而氨氮和亚硝态氮十分不利于鱼类的生长，对稻田养鱼带来困扰；(3)水稻在种植期间，对灌水深度及时间有严格的要求，植株分蘖期宜浅灌，当分蘖达一定数量时，应排干田水和晒田，控制其继续分蘖，而至伸长期和孕穗期均需较大水量，当稻田浅灌和晒田时，稻田中鱼类则难以生存。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对以上问题，利用坡地地势，将生态排水单元、陂塘单元和生态鱼塘单元加以完善并有机结合为一整套系统，形成一种用于坡地水田农业面源污染的生态治理结构，用以解决坡地水田农业面源污染治理问题，并将净化后的水用于鱼塘养殖，而鱼塘排出水则可继续用于水田灌溉，形成完整的生态农业链。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种用于坡地水田农业面源污染的生态治理结构，包括生态排水单元、陂塘单元以及生态鱼塘单元，所述生态排水单元包括设置在每块水田下侧的分排水沟、与所述分排水沟相连的主排水沟、设置在分排水沟与主排水沟之间的第一闸板、设置在主排水沟内用于分段的第二闸板，所述陂塘单元包括设置在所述主排水沟末端相连的第一坡塘、设置在水田沿坡下游的第二坡塘、与所述第一坡塘相连的第三坡塘，所述第三坡塘与所述生态鱼塘单元相连通，所述生态鱼塘单元的排水回灌入所述水田中。

优选地，所述主排水沟与分排水沟的断面为弧形或梯形；所述主排水沟沿坡地地势自上而下设置，上口宽70～80cm，底宽35～40cm，深45～50cm；所述分排水沟的坡度系数为0.1～0.2，上口宽50～60cm，底宽25～30cm，深25～30cm。

优选地，所述主排水沟与分排水沟底部均铺设有10～15cm厚的砾石层，砾石层中砾石的粒径为20～30mm，所述砾石层上覆盖5～10cm的种植土层，所述种植土层内种植挺水植物，所述主排水沟与分排水沟的边坡设置有碎石层，所述碎石层内种植有草本植物。

优选地，所述第一坡塘包括与所述主排水沟相连的消能池、设置在所述消能池上部的进水口、纵横设置且与所述第一进水口相连的第一布水管，所述消能池的深度与第一坡塘相同，所述消能池的进水口设有格栅，所述第一布水管下侧自下而上依次设有第一砾石布水层、第二净化层、第一净化层，所述第一砾石布水层底部设有第一排水口。

优选地，所述第一净化层由第一净水模块铺装而成，所述第一净水模块整体为具有边长为0.5cm开孔的金属网格；所述第一净水模块长25cm，宽25cm，总高度为30cm；所述第一净水模块上层为高10cm的矩形中空结构，中空内部填充粒径为10～15mm的石英砂；所述第一净水模块下层为高20cm的中空矩形结构，中空为直径15cm的空心圆柱，所述空心圆柱与第一净水模块外层矩形边之间的中空部分填充10～15mm的石英砂。

优选地，所述第二净化层由第二净水模块铺装而成，所述第二净水模块整体为具有边长为0.5cm开孔的金属网格；所述第二净水模块长宽为25cm，总高度为50cm；所述第二净水模块上层高20cm，下层高30cm，下层结构中间为直径15cm的空心圆柱体，所述第二净水模块除空心圆柱体以外的空间填充净水填料，所述净水填料为石英粉改性的牡蛎壳与沸石按体积比1：(2～3)的混合物，其中，石英粉改性的牡蛎壳为直径10mm的球状颗粒，沸石的粒径为10～15mm。

优选地，所述石英粉改性的牡蛎壳的制备步骤包括：

A、将清洗后的牡蛎壳干燥后于200℃预煅烧，研磨后过60目筛后放于干燥器内，制备成牡蛎壳粉末备用；

B、将石英粉与牡蛎壳粉按照重量比为4:6配比混合均匀，加入去离子水进行造粒，粉末与水的质量比为1：3，然后用模具压成球状颗粒；

C、将球状颗粒以200℃/h的升温速率，于800℃烧成，煅烧2h，保温1h后自然冷却，烧成后的物质进行水热处理，水热温度为180℃，保温15h，冷却后即得到所需要的石英粉改性牡蛎壳填料。

优选地，所述第二坡塘截面为梯形，底部构建坡度系数为0.1～0.2的坡度使第二坡塘中的废水汇集流入到第一坡塘中；所述第二坡塘底部铺设有第二砾石布水层，所述第二砾石布水层上铺设有第三净化层；所述第三净化层由第三净水模块铺装而成，所述第三净水模块的规格结构与二净水模块相同，且所述第三净水模块内填充有粒径为10～15mm的石英砂；所述第二砾石布水层靠近第一坡塘的底侧设有出水管，所述出水管与所述第一坡塘相连通。

优选地，所述第三坡塘的截面为梯形，所述第三坡塘自下而上依次设有第三砾石布水层、厌氧层、石英砂层，所述第三砾石布水层内设有第二布水管，所述第二布水管与第三坡塘进水的第二进水口相连，所述第二进水口与所述第一排水口相连，所述石英砂层内设有第二排水口，所述第二排水口与所述生态鱼塘单元相连。

优选地，所述第三砾石布水层由粒径为25～30mm的砾石铺设而成，铺设高度为60～70cm；所述厌氧层选用粒径5～10mm的陶粒铺设而成，铺设高度为180～200cm；所述石英砂层由颗粒粒径为10～15mm的石英砂铺设而成，铺设高度为30～40cm。

基于上述技术方案，本实用新型的优点是：

(1)本实用新型以生态排水沟代替自然排水沟和混凝土排水沟，即具有传统排水沟传输农田排水和雨水径流的功能，还具有洪峰延缓、滞蓄、截留大颗粒泥沙、吸收部分氮磷营养盐的作用，此外还保障了农田的生态功能和景观效果。

(2)本实用新型设置不同类型的陂塘，赋予了陂塘系统调蓄、净化、生态修复以及增加生物多样性等多方面的生态系统服务功能。经陂塘单元净化后的农田废水，大颗粒泥沙、氮磷营养盐以及有机物均得到良好的去除，不必担心排入生态鱼塘中会对鱼的生存安全造成威胁。

(3)陂塘中净水模块的设计，能够有效去除颗粒物，防止因颗粒物堵塞而造成陂塘系统的退化。与传统铺设一层填料去除颗粒物不同的是，该结构即实现了截留颗粒物作用，中空圆柱体又能滞蓄部分水，使得陂塘储蓄空间增大，且实现了垂直方向和水平方向均对颗粒物进行截留，保障了净化效果。此外，模块化设计方便定期将其取出清洗及更换填料。

(4)本实用新型将生态排水、陂塘和生态鱼塘三项单元结构加以完善并有机结合为一整套系统，利用自然坡地地势，有效地解决了水田农业面源污染问题，使得农田排水及雨水径流污染物得到有效削减，并利用净化后的污水发展生态渔业，而鱼塘排水又回灌于水田，最终形成完整的生态农业链，赋予了农田、陂塘和鱼塘新的生态功能和景观功能，实现了环境效益和经济效益的统一。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为用于坡地水田农业面源污染的生态治理结构示意图；

图2为一种主排水沟与分排水沟断面示意图；

图3为另一种主排水沟与分排水沟断面示意图；

图4为第一坡塘剖面示意图；

图5为净水模块俯视示意图；

图6为第二坡塘剖面示意图；

图7为第三坡塘剖面示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

本实用新型提供了一种用于坡地水田农业面源污染的生态治理结构，如图1～图7所示，其中示出了本实用新型的一种优选实施方式。本实用新型利用坡地地势，将生态排水单元、陂塘单元和生态鱼塘单元加以完善并有机结合为一整套系统，形成一种用于坡地水田农业面源污染的生态治理结构，用以解决坡地水田农业面源污染治理问题，并将净化后的水用于鱼塘养殖，而鱼塘排出水则可继续用于水田灌溉，形成完整的生态农业链。

具体地，用于坡地水田农业面源污染的生态治理结构，包括生态排水单元、陂塘单元以及生态鱼塘单元9，所述生态排水单元包括设置在每块水田1下侧的分排水沟2、与所述分排水沟2相连的主排水沟4、设置在分排水沟2与主排水沟4之间的第一闸板3、设置在主排水沟4内用于分段的第二闸板5。所述陂塘单元包括设置在所述主排水沟4末端相连的第一坡塘6、设置在水田沿坡下游的第二坡塘7、与所述第一坡塘6相连的第三坡塘8，所述第三坡塘8与所述生态鱼塘单元9相连通，所述生态鱼塘单元9的排水回灌入所述水田1中。

针对天然排水沟和混凝土排水沟出现的问题，本实用新型根据坡地地势设计了排水单元，如图1所示，给出了一种设计形式。每块水田1下部均有一条分排水沟2，分排水沟2将水田1排水引入主排水沟4内排出。分排水沟2与主排水沟4之间有第一闸板3，主排水沟4由第二闸板5分段，闸板可调节排水沟水位。

如图2、图3所示，其中示出了两种主排水沟4与分排水沟2的断面结构。优选地，所述主排水沟4与分排水沟2的断面为弧形或梯形。所述主排水沟4沿坡地地势自上而下设置，上口宽70～80cm，底宽35～40cm，深45～50cm；所述分排水沟2的坡度系数为0.1～0.2，上口宽50～60cm，底宽25～30cm，深25～30cm，越靠近主排水沟4地势越低，使分排水沟2中的水汇入到主排水沟4中。

优选地，所述主排水沟4与分排水沟2底部均铺设有10～15cm厚的砾石层10，砾石层10中砾石的粒径为20～30mm，所述砾石层10上覆盖5～10cm的种植土层11，所述种植土层11内种植菖蒲、旱伞草、鸢尾、千屈菜等挺水植物。所述主排水沟4与分排水沟2的边坡设置有碎石层12，由碎石或卵石堆砌，排水沟边坡碎石层12内可种植矮蒲苇、狼尾草、针茅等草本植物。

由所述主排水沟4与分排水沟2构成的生态排水沟不仅可以传输农田排水和雨水径流，此外还能实现洪峰延缓、滞蓄以及净化功能，经该排水沟传输的农田排水和雨水，大颗粒泥土得到部分截留，少量的氮磷营养盐能够被排水沟中的植物吸收利用得以去除。

如图1所示，所述陂塘单元包括设置在所述主排水沟4末端相连的第一坡塘6、设置在水田沿坡下游的第二坡塘7、与所述第一坡塘6相连的第三坡塘8。

如图4所示，所述第一坡塘6包括与所述主排水沟4相连的消能池13、设置在所述消能池13上部的第一进水口15、纵横设置且与所述第一进水口15相连的第一布水管16，所述消能池13的深度与第一坡塘6相同，所述消能池13的进水口设有格栅14，所述第一布水管16下侧自下而上依次设有第一砾石布水层19、第二净化层18、第一净化层17，所述第一砾石布水层19底部设有第一排水口20。所述第一坡塘6设置为长方形，其大小可根据水田1的面积计算排水量具体而定，其长宽比为3：1，深度约为1.5m，常水位约1m。

主排水沟4流出的污水首先流入第一坡塘6的消能池13，消能池13中设有格栅14，能够拦截污水中的秸秆、农膜、垃圾等废弃物。第一进水口15处设有水泵，用以控制污水流量，均匀流入第一布水管16中。第一布水管16有横向和纵向两种管，直径均约为10cm，管中均匀设置开孔，开孔可设置的大一些，开孔直径约2～4cm，方便管中水流出。所述第一布水管16与第一净化层17之间可铺设一层碎石，起到稳固第一布水管16的作用。

优选地，所述第一净化层17由第一净水模块铺装而成，净水模块如图5所示，所述第一净水模块整体为具有边长为0.5cm开孔的金属网格。所述第一净水模块长25cm，宽25cm，总高度为30cm。所述第一净水模块上层为高10cm的矩形中空结构，中空内部填充粒径为10～15mm的石英砂。所述第一净水模块下层为高20cm的中空矩形结构，中空为直径15cm的空心圆柱，所述空心圆柱与第一净水模块外层矩形边之间的中空部分填充10～15mm的石英砂。

所述第二净化层18也是由净水模块组成，净水模块如图5所示，不同的是所述第二净化层18的净水模块尺寸和填充填料不同。优选地，所述第二净化层18由第二净水模块铺装而成，所述第二净水模块整体为具有边长为0.5cm开孔的金属网格；所述第二净水模块长宽为25cm，总高度为50cm。所述第二净水模块上层高20cm，下层高30cm，下层结构中间为直径15cm的空心圆柱体，所述第二净水模块除空心圆柱体以外的空间填充净水填料，所述净水填料为石英粉改性的牡蛎壳与沸石按体积比1：(2～3)的混合物，其中，石英粉改性的牡蛎壳为直径10mm的球状颗粒，沸石的粒径为10～15mm。

优选地，所述石英粉改性的牡蛎壳的制备步骤包括：

A、将清洗后的牡蛎壳干燥后于200℃预煅烧，研磨后过60目筛后放于干燥器内，制备成牡蛎壳粉末备用；

B、将石英粉与牡蛎壳粉按照重量比为4:6配比混合均匀，加入去离子水进行造粒，粉末与水的质量比为1：3，然后用模具压成球状颗粒；

C、将球状颗粒以200℃/h的升温速率，于800℃烧成，煅烧2h，保温1h后自然冷却，烧成后的物质进行水热处理，水热温度为180℃，保温15h，冷却后即得到所需要的石英粉改性牡蛎壳填料。

牡蛎壳的主要成分为碳酸钙，占牡蛎壳质量的90％以上，并且牡蛎壳表面含有大量2～10μm的微孔，具有较大的比表面积，其经粉碎、活化后具有十分良好的吸附功能，尤其吸附废水中磷的效果十分良好。本实用新型选用石英粉对牡蛎壳进行改性，得到的改性物料与废水中的磷接触后生成羟基磷灰石，相比未改性的牡蛎壳其除磷效果更好。该材料选用牡蛎壳为原料，实现了废物的利用，又不会产生二次污染，且该材料能够多次回收利用，具有一定机械强度，遇水不会化为粉末，能够长期保持较高的除磷效率。

第一坡塘6的最下层铺设20～30cm的第一砾石布水层19，粒径为20～30mm，所述第一砾石布水层19底部设有第一排水口20。第一坡塘6可种植一些漂浮植物，例如凤眼莲、槐叶萍等。

经过第一坡塘6的污水，其垃圾废弃物、大颗粒泥沙、COD、磷营养盐均得到了有效的去除，而氨氮在第二净化层18中转化为硝态氮。净水模块的设置，不仅对泥沙、氮磷营养盐具有良好的去除效果，且方便定期从第一坡塘6中取出，清洗或更换填料后循环利用，有效地解决了堵塞问题，并使得污水也得到一定净化。

在水田1沿坡下游的位置，距离水田1一定距离，在所述第一坡塘6的两侧设置狭长的第二坡塘7。所述第二坡塘7的设置是为了收集上方水田1中未流入排水沟渠的污水，进一步控制面源污染。第二坡塘7与上方水田1之间可种植灌草，从而削减径流。

如图6所示，所述第二坡塘7截面为梯形，上开口约180～200cm，底部宽约90～100cm，深约90～100cm，底部构建一定坡度使得第二坡塘7中的废水汇集流入到第一坡塘6中，坡度系数0.1～0.2。所述第二坡塘7底部铺设有第二砾石布水层21，所述第二砾石布水层21上铺设有第三净化层22。

所述第三净化层22由第三净水模块铺装而成，所述第三净水模块的规格结构与二净水模块相同，且所述第三净水模块内填充有粒径为10～15mm的石英砂。所述第三净水模块下部铺设15～20cm的砾石起到均匀布水作用，第二砾石布水层21靠近第一坡塘6的一侧设有出水管，所述出水管与所述第一坡塘6相连通，可将出水管中的水引入第一坡塘6中，经进一步净化后排出。第二坡塘7两侧边坡可堆砌小型生态袋，生态袋中装有混有草籽的种植土，草籽可选矮蒲苇、狼尾草、针茅等。第二坡塘7内可种植一些漂浮植物，例如凤眼莲、槐叶萍等。

进一步，如图7所示，所述第三坡塘8的截面为梯形，设计总深度为4～5m，上口宽与底边比为(1.5～2):1。所述第三坡塘8自下而上依次设有第三砾石布水层28、厌氧层27、石英砂层25，所述第三砾石布水层28内设有第二布水管29，第二布水管29上均匀分布出水孔，出水孔的孔径为大小5～10mm。所述第二布水管29与第三坡塘8进水的第二进水口24相连，所述第二进水口24与所述第一排水口20相连，所述石英砂层25内设有第二排水口26，所述第二排水口26与所述生态鱼塘单元9相连。

优选地，所述第三砾石布水层28由粒径为25～30mm的砾石铺设而成，铺设高度为60～70cm；所述厌氧层27选用粒径5～10mm的陶粒铺设而成，铺设高度为180～200cm；所述石英砂层25由颗粒粒径为10～15mm的石英砂铺设而成，铺设高度为30～40cm。所述石英砂层25一侧设置排水口，经第三坡塘8净化后的水流入生态鱼塘单元9中。

经第一坡塘6净化后的废水，大颗粒泥沙、磷营养盐得以有效去除，氨氮由于微生物的氧化作用转化为硝态氮，第三坡塘8中主要为厌氧反应，农业面源污染中常有难以去除的农药有机物，只有通过厌氧作用才能得以去除，因此废水于第三坡塘8中难降解有机物通过厌氧反应被降解，且硝态氮由于反硝化作用转化为氮气排出，进而去除废水中的氮营养盐。

综上所示，经陂塘单元的净化作用，废水中的大颗粒泥沙、氮磷营养盐以及有机物均得到了有效的去除，最终排入到生态鱼塘单元9中。

进一步，所述生态鱼塘单元9位于第三坡塘8的下游，所述第三坡塘8与所述生态鱼塘单元9相连通，所述生态鱼塘单元9的排水回灌入所述水田1中。所述生态鱼塘单元9设计特点为深度浅(约1m)，面积大，鱼塘中种植黑藻、眼子菜等沉水植物，该鱼塘可混养鲫鱼、草鱼、鲢鱼。所述生态鱼塘单元9类似好氧塘，由于深度浅，且有大量沉水植物及藻类，白天水生植物进行光合作用水中溶解氧浓度较高，好氧微生物通过好氧代谢分解氧化有机污染物，从而使塘水进一步得到净化。通过合理进行鱼类的放养，使得塘中形成稳定的食物链达到生态平衡，发挥各类生物的联合作用，即净化了污水又能发展生态渔业，且不会造成二次污染。

白天，生态鱼塘单元9由于藻类和沉水植物进行光合作用，水中溶解氧含量充足，而鱼塘中由于水生植物多，可能导致夜晚塘水中溶解氧浓度过低，引起鱼塘中水生生物因缺氧而窒息死亡。因此于鱼塘中需设置增氧机，主要选用喷水式增氧机，于夜间开启，保证鱼塘水溶解氧含量。生态鱼塘单元9排出的水，可经适当除藻后回灌水田1，形成完整的生态农业链。

本实用新型的用于坡地水田农业面源污染的生态治理结构至少具有如下优点：

本实用新型以生态排水沟代替自然排水沟和混凝土排水沟，即具有传统排水沟传输农田排水和雨水径流的功能，还具有洪峰延缓、滞蓄、截留大颗粒泥沙、吸收部分氮磷营养盐的作用，此外还保障了农田的生态功能和景观效果。

本实用新型设置不同类型的陂塘，赋予了陂塘系统调蓄、净化、生态修复以及增加生物多样性等多方面的生态系统服务功能。经陂塘单元净化后的农田废水，大颗粒泥沙、氮磷营养盐以及有机物均得到良好的去除，不必担心排入生态鱼塘中会对鱼的生存安全造成威胁。

陂塘中净水模块的设计，能够有效去除颗粒物，防止因颗粒物堵塞而造成陂塘系统的退化。与传统铺设一层填料去除颗粒物不同的是，该结构即实现了截留颗粒物作用，中空圆柱体又能滞蓄部分水，使得陂塘储蓄空间增大，且实现了垂直方向和水平方向均对颗粒物进行截留，保障了净化效果。此外，模块化设计方便定期将其取出清洗及更换填料。

进一步，本实用新型的用于坡地水田农业面源污染的生态治理结构可参照如下方式进行运行：

第1步：沿地势依次构建生态排水单元、陂塘单元和生态鱼塘单元9。

第2步，打开第一闸板3，水田1排水经分排水沟2流入主排水沟4中，再打开第二闸板5，使得污水由主排水沟4排入第一坡塘6中；废水经第一坡塘6、第三坡塘8的净化后排入生态鱼塘单元9中。

第3步：在生态鱼塘单元9中养殖金鱼、草鱼、鲢鱼等水生动物，构建稳定的鱼塘生态系统，并于夜晚打开喷水式增氧机，保证鱼塘水中溶解氧含量。

第4步：生态鱼塘单元9出水经除藻处理后，回灌于农田1中，形成完整的生态农业链。

本实用新型的生态治理结构将生态排水、陂塘和生态鱼塘三项单元结构加以完善并有机结合为一整套系统，利用自然坡地地势，有效地解决了水田农业面源污染问题，使得农田排水及雨水径流污染物得到有效削减，并利用净化后的污水发展生态渔业，而鱼塘排水又回灌于水田，最终形成完整的生态农业链，赋予了农田、陂塘和鱼塘新的生态功能和景观功能，实现了环境效益和经济效益的统一。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。