一种局部深水生态沟渠处理农田面源污染水体的方法与流程

本发明涉及一种局部深水生态沟渠处理农田面源污染水体的方法。

背景技术：

1.生态沟渠概述

沟渠，是农田系统的重要组成部分，是农田地表径流汇入湖泊、河流的通道。具有底泥、生长有水生植物的农田排水沟渠一般被称为农田生态沟渠。生态沟渠内具有的植物-底泥-微生物系统，使得在水流缓慢的基流期，沟渠能够发挥与生态湿地相似的功能。

在生态沟渠中，经泥沙拦截、植物吸收和微生物分解等作用，能够有效降低径流中携带的氮、磷浓度，达到“三清除”(清除垃圾、淤泥、杂草)和“三拦截”(拦截污水、泥沙、漂浮物)的作用。

中国是世界上化肥施用量最多的国家之一，但一直以来，农田中氮、磷肥的利用率却不高，经相关研究统计约为30％～35％和10％～20％。被施用在农田中的氮、磷肥，未被作物吸收利用的部分会因降雨和渗漏等途径进入地表水和地下水，从而造成污染。而农业非点源污染的控制措施主要分为源头控制和末端治理，其中源头控制最为有效。在源头控制中，植物缓冲带，人工湿地、生态沟渠等是最常见的几种做法。其中的生态沟渠，由于建设成本低、污染去除效率高，更适合在农村地区推广应用。

2.生态沟渠的一般做法

生态沟渠主要用于收集面源污染径流，并对收集的径流进行预处理，是一种典型的面源污染拦截形式。生态沟渠的开挖应因地制宜，等高开沟，目的是保证沟渠内有一定的水深，并保证水流平缓，延长滞留时间，提高拦截效果。为使生态拦截渠内水生植物具备基本的植生土，沟渠底施工采用素土夯实，并在其夯实层上方敷设100～200mm厚植生土。兼有灌溉或雨洪排水功能的沟渠两侧壁采用生态砖堆砌护壁其他采用阶梯式侧壁。沟渠底每隔一定距离设置拦水坎，使渠底起端水深大于0.1米，以满足作物区的植物生长用水。生态沟渠宽剖面一般呈倒梯形，上底一般宽2-3m，下底一般宽1-2米，深一般为0.9—1.2m，渠内种植吸附能力较强的水体植物以强化沟渠对氮磷等农田面源污染物质的拦截净化能力。

3.农田地区生态沟渠存在的问题

一般来说，为了维持生态沟渠内有一定的水深，并保证水流平缓，沟渠需要等高开沟。由于农田，尤其平原地区是大片的农田，一般都经过多年的开垦，地势较为平坦，高差较小，排水沟渠的整体坡度会比较小。而在生态沟渠的开挖建设中，是以等高开挖的形式来进行设计与施工，这样虽然有利于生态沟渠中的水流平缓，但由于生态沟渠内水量一般不大，一般仅能维持在10至20厘米的日常水深，这种较浅的水深、较缓慢的水流在基流期能够沉降水流中的杂质，形成底泥；但在雨洪期，由于沟渠内较大的水流会冲刷底泥，导致底泥的深度大量减少。这种较浅的水深、较浅的底泥深度是无法维持较大体量的水生植物、尤其是根系发达的水生植物生长的，这就导致生态沟渠内的植物种类较少，且一般都是根系较为浅、根系量不太大的植物品种，对沟渠水体中的氮磷污染物的吸收能力一般；同时，在农田生态系统中，生态沟渠又是极为重要的农田水生动植物的重要栖息地和农田生态系统中各类小型动物的迁移廊道，但由于农田生态沟渠这种等高开挖的特点，使其在枯水期极易干涸，在雨涝季则易形成较大的排水径流，这种旱涝交替的现象，不利于农田生态系统的稳定存在。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种局部深水生态沟渠处理农田面源污染水体的方法，以解决地势较为平坦的农田地区生态沟渠由于水流过浅、无法组合种植大中小体型的水生植物导致的面源污染氮磷去除净化能力不足的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种局部深水生态沟渠处理农田面源污染水体的方法，包括以下步骤：

(1)在生态沟渠中构建局部深水生态沟渠，所述局部深水生态沟渠设置有浅水段和与所述浅水段连接的深水段；所述深水段前端、后端与浅水段的连接处分别设置有挡泥挡水矮堤；所述深水段中部设置有多个水处理单元，每个所述水处理单元沿水流方向依次设置一个下部过水阻拦种植槽和一个上部过水阻拦种植槽；

(2)在下部过水阻拦种植槽内种植小体型根系发达水生植物，上部过水阻拦种植槽内种植中体型根系发达水生植物，在下部过水阻拦种植槽和上部过水阻拦种植槽之间种植高体型挺水植物；

(3)农田面源污染水体流经所述局部深水生态沟渠过程中形成连续的弯折水流路径，与植物植株、植物根系、种植基充分接触，从而实现对氮磷的清除，即完成对农田面源污染水体处理。

本发明中，所述下部过水阻拦种植槽底部为基座，中部设置有过水涵洞，顶部设置有种植槽；所述种植槽的侧壁和底部上都设置有通孔，所述种植槽通过其底部的通孔与所述过水涵洞连通。

本发明中，所述下部过水阻拦种植槽总体高度为深水段的深度与挡泥挡水矮堤的高度之和。

进一步地，所述下部过水阻拦种植槽宽度为30-50厘米，基座高度为20-30厘米，其内种植槽深度为30-40厘米。

本发明中，所述挡泥挡水矮堤的高度为浅水段底泥厚度与要求正常的积水高度之和。

本发明中，所述上部过水阻拦种植槽底部为基座，顶部为种植槽，所述种植槽侧壁设置有通孔。

本发明中，所述上部过水阻拦种植槽总体高度与深水段的深度一致。

进一步地，所述上部过水阻拦种植槽宽度为30-50厘米，基座高度为20-30厘米，其内种植槽深度为30-40厘米。

本发明中，所述深水段长度为20-30米。

本发明中，每个所述水处理单元中下部过水阻拦种植槽和上部过水阻拦种植槽的间距为0.5-1米左右。

进一步地，第一个水处理单元距深水段前端的挡泥挡水矮堤1-2米。

本发明可以做以下改进，所述深水段后端在所有水处理单元之后还设置有一个下部过水阻拦种植槽。

进一步地，深水段最后一个下部过水阻拦种植槽距深水段后端的挡泥挡水矮堤1-2米。

本发明中，所述小体型根系发达水生植物包括野姜花、皇竹草、薏苡、水葱、黄菖蒲。

本发明中，所述中体型根系发达水生植物包括香蒲、泽泻、水芹菜、再力花、美人蕉。

本发明中，所述高体型挺水植物包括芦苇、卢竹、纸莎草。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明方法中构建的局部深水生态沟渠设置的挡泥挡水矮堤能够保持沟渠浅水段最低的水位，使沟渠能够保持底泥深度，有利于水生植物的生长；下部过水阻拦种植槽、上部过水阻拦种植槽这两种种植槽在深水段的依次摆置，不但能够减缓水流流速，延长水流流动路径，还能够强制水流在深水段流动过程中形成弯折水流路径，减少深水区域常见的面源污染氮磷分层的现象，能增强对面源污染氮磷去除净化能力，有效增加沟渠的氮磷吸附和还原能力，同时不会对农田生态沟渠的其他功能，如雨洪期排水等，产生影响。

(2)本发明中局部深水生态沟渠深水段段底铺设的底泥厚度能够维持大体型的水生植物生长，下部过水阻拦种植槽、上部过水阻拦种植槽上可种植根系发达的中小型水生植物，在下部过水阻拦种植槽、上部过水阻拦种植槽壁板上设置的壁板过水根系生长孔能够使植物根系直接升入水体中，创造出多种适合不同体量水生植物生长生活的基层，充分发挥组合型水生植物对面源污染物氮磷的吸收效果。

(3)本发明深水段水深较大，植物对上部水流的遮挡效果较好，深水段的底泥不会被上部水流搅动，避免雨洪期常见的生态沟渠底泥被搅动从而导致底泥中的固结磷释放造成水体再次污染的问题；在枯水期，生态沟渠中的基流可保证在沟渠内的深水段存在能够维持一定深度的水体，为原生动物创造取水和生存场所，可避免旱季生态沟渠中原生生物由于缺水导致的大面积死亡现象。同时，由于生态沟渠深水段在非旱季还要作为原生动物，特别是洄游型生物的洄游通道，深水段可为这些洄游生物提供一定的产卵或休息场所，保持生态系统的稳定。

(4)本发明局部深水生态沟渠能够利用现有的生态沟渠进行改造，施工较为简单，有利于大规模实施，降低沟渠建设成本。

附图说明

图1为本发明实施例局部深水生态沟渠的整体结构示意图；

图2为图1的a-a视图；

图3为本发明实施例局部深水生态沟渠种植水生植物的示意图；

图4为本发明实施例局部深水生态沟渠基流状态水流流动路径示意图；

图5为本发明实施例局部深水生态沟渠雨洪期水流流动路径示意图；

图6为图1的b-b视图；

图7为图1的c-c视图；

图8为本发明实施例局部深水生态沟渠下部过水阻拦种植槽整体结构示意图；

图9为本发明实施例局部深水生态沟渠下部过水阻拦种植槽主视图；

图10为本发明实施例局部深水生态沟渠下部过水阻拦种植槽俯视图；

图11为本发明实施例局部深水生态沟渠下部过水阻拦种植剖视图；

图12为本发明实施例局部深水生态沟渠上部过水阻拦种植槽整体结构示意图；

图13为本发明实施例局部深水生态沟渠上部过水阻拦种植槽主视图；

图14为本发明实施例局部深水生态沟渠上部过水阻拦种植槽俯视图；

图15为本发明实施例局部深水生态沟渠上部过水阻拦种植剖视图；

图中附图标记如下：1-局部深水生态沟渠；2-浅水段；3-深水段；4-挡泥挡水矮堤；5-下部过水阻拦种植槽；6-上部过水阻拦种植槽；7-壁板过水根系生长孔；8-底板过水根系生长孔；9-过水涵洞；10-高体型挺水植物；11-小体型根系发达水生植物；12-中体型根系发达水生植物；13-沟渠底泥。

具体实施方式

以下结合具体的实施例对本发明作进一步的说明，以便本领域技术人员更好理解和实施本发明的技术方案。

一种局部深水生态沟渠处理农田面源污染水体的方法，包括以下步骤：

(1)在生态沟渠中构建如图1-15所示局部深水生态沟渠1，包括浅水段2和深水段3。

生态沟渠浅水段2，与普通农田沟渠在剖面上相同，呈倒梯形，上表面宽约2-3米，下底宽约1-2米，深约1.5米。在较长的生态沟渠(一般一个平直段超过50米)，每隔约25米，设置一个长约20-30米的2深水段3。深水段3的上半段与浅水段2相同，共用护坡，但在深水段3，自沟渠下底继续向下开挖1米左右的深度，四壁及段底按照长期水下环境进行设计和施工。

浅水段2与深水段3交接处，在浅水段2末端设置挡泥挡水矮堤4，挡泥挡水矮堤4的高度为浅水段2底泥厚度与要求正常的积水高度之和。挡泥挡水矮堤4的作用一是保证生态沟渠浅水段2内的底泥不会顺水流流入生态沟渠深水段3，二是使浅水段2能够在枯水期基流状态下保持一定的水深。

深水段3内设置下部过水阻拦种植槽5与上部过水阻拦种植槽6。设置顺序为：距挡泥挡水矮堤4约1米处，设置下部过水阻拦种植槽5，之后按照一个上部过水阻拦种植槽6、一个下部过水阻拦种植槽5的顺序进行种植槽的设置，两者之间间距控制在0.5米左右，最后在距下段浅水段2的挡泥挡水矮堤4约1米处设置下部过水阻拦种植槽5。

下部过水阻拦种植槽5横跨深水段3及部分浅水段2，总体高度为深水段3的深度与挡泥挡水矮堤4的高度之和，宽度约为30厘米，材料为混凝土。下部过水阻拦种植槽5顶部为一深约30厘米的种植槽，在种植槽的前后壁板上设置下部过水阻拦种植槽5壁板过水根系生长孔7，在种植槽的底板上设置下部过水阻拦种植槽5底板过水根系生长孔8；下部过水阻拦种植槽5底部为基座，高度约25厘米；基座与种植槽之间设置有下部过水阻拦种植槽5下底过水涵洞9。

上部过水阻拦种植槽6横跨深水段3，总体高度为深水段3的深度一致，宽度约为30厘米，材料为混凝土。上部过水阻拦种植槽6顶部为一深约40厘米的种植槽，在种植槽的前后壁板上设置下部过水阻拦种植槽5壁板过水根系生长孔7；上部过水阻拦种植槽6的底部为基座，高度约40厘米。

(2)在下部过水阻拦种植槽5内回填种植土，并种植小体型根系发达水生植物11，如野姜花、皇竹草、薏苡、水葱、黄菖蒲等。在上部过水阻拦种植槽6内回填种植土，并种植中体型根系发达水生植物12，如香蒲、泽泻、水芹菜、再力花、美人蕉等。在下部过水阻拦种植槽5和上部过水阻拦种植槽6之间回填20厘米厚的种植土，并种植高体型挺水植物10，如芦苇、卢竹、纸莎草等。

(3)农田面源污染水体流经局部深水生态沟渠1过程中形成连续的弯折水流路径，与植物植株、植物根系、种植基充分接触，从而实现对氮磷的清除，即完成对农田面源污染水体处理，具体如下：

基流状态下，生态沟渠中的水量较小，挡泥挡水矮堤4可有效维持浅水段2的水流深度；而只要沟渠中能够有最基本的水流，深水段3就可保持约1米的水深。从浅水段2经挡泥挡水矮堤4流入深水段3的水流，因下部过水阻拦种植槽5的上端面与基流状态下的水流平高，因此，水流向下游流动的途径有两条，一条是通过下部过水阻拦种植槽5下底过水涵洞9，由于此路径的组成包括下部过水阻拦种植槽5上的下部过水阻拦种植槽5壁板过水根系生长孔7，通过下部过水阻拦种植槽5下底过水涵洞9后还有上部过水阻拦种植槽6上的下部过水阻拦种植槽5壁板过水根系生长孔7，在种植槽中种植的各种水生植物的根系会穿过这些生长孔，这样，经此路径的水流会与根系有充分的接触，产生较好的氮磷清除效果；而另一路径则是通过下部过水阻拦种植槽5两壁板上的下部过水阻拦种植槽5壁板过水根系生长孔7，经此路径的水流不但会与种植槽内的植物根系充分接触，而且还要与种植槽的种植基充分接触，也能产生较好的氮磷清除效果。

当水流通过下部过水阻拦种植槽5后，由于上部过水阻拦种植槽6高度较水面低约20厘米，从下部过水阻拦种植槽5下底过水涵洞9和下部过水阻拦种植槽5壁板过水根系生长孔7涌出的水流会被迫转向，一部分向上流动，穿过2.2上部过水阻拦种植槽6的上端，继续向下流动，另一部分则会穿过下部过水阻拦种植槽5壁板过水根系生长孔7。与前述类似，经这样流动的水流能够获得较好的氮磷清除效果。

在穿过第一个下部过水阻拦种植槽5后，水流将会遇见第二个上部过水阻拦种植槽6，周而复始，直至经由最后一个上部过水阻拦种植槽6，水流在下端经由挡泥挡水矮堤4流入浅水段2。在这个流淌过程中，由于下部过水阻拦种植槽5、上部过水阻拦种植槽6、在深水段3种植的各类水生植物、植物根系等的阻滞，水流速度极慢，且在此过程中，水流会充分的与植物根系、植物生长基质、植物植株接触，对氮磷的清除效果能够优于普通的浅生态沟渠。

在雨洪期，生态沟渠内的水量大，流速高。而因为深水段3的水深较深，深水段3内设置的下部过水阻拦种植槽5、上部过水阻拦种植槽6槽内种植的水生植物及两种种植槽之间的渠底种植的水生植物，能够有效阻拦水流对底泥的冲刷，减少底泥被水流翻搅而导致底泥中固结的磷被再次释放到水流中从而造成二次污染的的概率。

本发明中，当增加水深时，由于水深加深，底泥水流速度变缓，磷沉积的效果较浅水时能提高约20-30％，但需要注意的是，磷的最终去除还是需要依靠人工挖除底泥；深水段上部过水阻拦种植槽与一个下部过水阻拦种植槽使深水段形成一个人工表面流湿地、人工潜流湿地，并加长了径流通过距离，不同的污染浓度、水流速度、温度、植物种类、种植槽尺寸、槽内基质等对清除效率均有影响，总的来说，其对径流中氮的去除率可提高20-60％。因此，本发明局部深水生态沟渠节点，可提高径流中氮的去除率约20-50％，磷的去除率可提高约30-50％。

以上实施实例对本发明不同的实施过程进行了详细的阐述，但是本发明的实施方式并不仅限于此，所属技术领域的普通技术人员依据本发明中公开的内容，均可实现本发明的目的，任何基于本发明构思基础上做出的改进和变形均落入本发明的保护范围之内，具体保护范围以权利要求书记载的为准。