一种局部大坡度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大坡度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150～200mm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.在南方丘陵农田地区生态沟渠存在的问题

(1)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。但在南方丘陵地区，由于地势的复杂及较大的高差，排水沟渠的整体坡度会比较大，在生态沟渠的开挖建设中，一般以局部等高开挖+局部较大坡度的形式来进行设计与施工，即在地势平缓区域平行于等高线设置沟渠，在地势高程变化较大的区域采用较大的坡度来保证沟渠的排水流向完整。这样就导致生态沟渠的有效净化长度和有效面积缩小，达不到生态沟渠对农田面源污染物质的拦截净化要求。这一问题在地势复杂的山地农田区域尤其明显。

(2)南方丘陵农田区域的沟渠，由于地势上的较大高差，导致沟渠的整体坡度较大，这样就会使沟渠中的水流速度加大。这种较大的水流速度导致水体中携带的淤泥、杂草、泥沙、漂浮物等杂志无法有效沉降，既不能有效的对水体进行杂质的去除，也不利于底泥的形成。底泥既是生态沟渠中水生植物生长的基础，也是沟渠中各种细菌生长的平台，同时，由于生态沟渠中反硝化过程需要碳源，在不能进行人工碳源补充的情况下，沉积的有机物将是反硝化碳源的主要来源，碳源的不稳定使得反硝化条件难以维持，造成硝酸盐氮和总氮去除率不稳定。因此，较大的水流速度会最终使生态沟渠难以达到预期的氮磷面源污染去除效果。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种局部大坡度生态沟渠处理农田面源污染水体的方法，以解决南方丘陵农田地区生态沟渠由于整体坡度较大、沟渠中水流速度较快而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：

一种局部大坡度生态沟渠处理农田面源污染水体的方法，包括以下步骤：

(1)在生态沟渠中陡坡段构建局部大坡度生态沟渠，所述局部大坡度生态沟渠依次设置有梯滚水坝、缓流池矮堤和阻流堤；在阶梯滚水坝的迎水面设置一个单向坡，在阶梯滚水坝的泄水面设置有多个多级跌水槽；阶梯滚水坝与沟渠边坡一起在阶梯滚水坝迎水面前形成沉降池；所述缓流池矮堤设置有泄流孔，在缓流池矮堤与多级跌水槽之间设置缓流池；在阻流堤与所述缓流池矮堤之间设置反硝化补碳池；

(2)在所述沉降池、多级跌水槽内种植水生植物，在缓流池内设置卵石层，反硝化补碳池内装填碳源；

(3)农田面源污染水体依次流经沉降池、多级跌水槽、缓流池和反硝化补碳池即完成对农田面源污染水体处理。

本发明中，陡坡段的坡度超过10％。

本发明中，所述阶梯滚水坝总高为沟渠整体深度的1/2-2/3，阶梯滚水坝的迎水面坡度300％-400％，泄水面整体坡度20％-30％。

本发明中，多级跌水槽为一槽状长条池，与沟渠边坡相交。

进一步地，所述跌水槽宽度为0.5米-1米，相邻多级跌水槽高度差不超过0.1米；槽状长条池池深为0.2米-0.3米。

进一步地，多级跌水槽槽内回填种植基质并种植浅根湿地植物。

本发明可以做以下改进，所述沉降池内种植大型湿地植物和沉水植物。

本发明中，所述缓流池矮堤高度与常水位高度相同。

本发明中，所述阻流堤与所述缓流池矮堤距离为3米-4米。

本发明中，所述碳源包括有机碳源和无机碳源。优选地，所述有机碳源与无机碳源的重量比为1:10-1:12。

进一步地，所述有机碳源包括树皮、木屑、落叶堆肥、报纸、麦秸秆、锯末、棉花、豌豆杆。

所述无机碳源采用元素硫以及硫-石灰(硫化碳化合物)混合物混合而成。

优选地，所述元素硫、硫-石灰重量比为1:5-1:6。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明局部大坡度生态沟渠处理农田面源污染水体的方法适合应用于地势复杂，尤其是地势变化较大的地区新建、改建的生态沟渠，能够在急流段对生态沟渠内的水流进行减速，有效减少生态沟渠在坡度较大区域因水流流速过大从而导致生态沟渠整体流速过大的问题；在减缓水流流速的同时能缓滞水流，能够对水流中的氮磷面源污染进行清除。

(2)本发明中局部大坡度生态沟渠设置的滚水坝，一方面可以在上端形成水流平缓的深水区，促进径流中的杂质等沉积，同时促进径流中的水质进行分层，上层的高浓度污水经滚水坝坝顶下行；另一方面，滚水坝下端设置的层级跌水，能够有效对径流效能，减少水流的势能，同时，多级跌水槽中的每一级都可充分发挥对氮磷的吸附吸收能力，进一步减少面源污染物氮磷。

(3)本发明方法通过设置的反硝化补碳池，能促进反硝化作用的发生，提高反硝化作用效率，缓解急流处碳元素沉积少，碳氮比不佳导致反硝化作用效率低的问题，从而提高沟渠对氮磷面源污染的处理能力，又能够有效阻止人工补充的碳源顺水流逝，对下游水体产生二次污染的问题。

(4)本发明局部大坡度生态沟渠能够有效减缓生态沟渠大坡度段的水流流失，能够为洄游的水生动物提供一个较好的洄游路径，减少洄游动物的死亡率；同时在枯水期，因设置滚水坝而形成的深水区，只要生态沟渠中有最基本的基流，就可保证在沟渠内的深水区存在并维持一定深度的水体，可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。

附图说明

图1为现有的南方丘陵地区农田生态沟渠整体坡度走向示意图；

图2为本发明实施例局部大坡度生态沟渠的整体结构示意图；

图3为本发明实施例局部大坡度生态沟渠的俯视图；

图4为图3局部大坡度生态沟渠的a-a剖面示意图；

图中附图标记如下：1-局部大坡度生态沟渠；2-阶梯滚水坝；3-多级跌水槽；4-缓流池矮堤；5-阻流堤；6-台阶；7-沉降池；8-缓流池；9-反硝化补碳池；10-沟渠底泥；11-种植基质；12-卵石；13-人工碳源。

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。

一种局部大坡度生态沟渠处理农田面源污染水体的方法，包括以下步骤：

(1)构建图1-4所示局部大坡度生态沟渠1，与普通农田沟渠在剖面上相同，包括等高开挖段和陡坡段。

呈倒梯形，上表面宽约2-3米，下底宽约1-2米，深约1.5米。在沟渠陡坡段坡度较大的位置(坡度超过10％)设置一至多个阶梯滚水坝2，每个2阶梯滚水坝2的高差需保证在2米以上，以保证足够的间距。本实施例中，阶梯滚水坝2数量为1个。阶梯滚水坝2总高为生态沟渠整体深度的1/2；阶梯滚水坝2的迎水面坡度约300％，为一个完整的单向坡，这一单向坡与沟渠的两个边坡共同在水流上方组成一个深约1米的沉降池7；阶梯滚水坝2的泄水面整体坡度约20％，由多个多级跌水槽3，每一级多级跌水槽3宽度约0.5米，相邻多级跌水槽3整体高度递减设置，高度差不超过0.1米，形成跌水高度不超过0.1米，每一级多级跌水槽3为一槽状长条池，与沟渠边坡相交，槽状长条池深0.2米，槽内回填种植基质11，种植基质11回填深度与槽边平齐；阶梯滚水坝2泄水方向约2米远处设置缓流池矮堤4，缓流池矮堤4高度与常水位高度相同，一般为约0.2米，在缓流池矮堤4堤身上，设置了多个浸泡在常水位之下的泄流孔；缓流池矮堤4与阶梯滚水坝2的多级跌水槽3之间形成缓流池8，缓流池8池底硬化处理；缓流池矮堤4下游约3米的位置设置阻流堤5，阻流堤5剖面形状与缓流池矮堤4相同，但不设置泄流孔；缓流池矮堤4与阻流堤5共同围出反硝化补碳池9，反硝化补碳池9两侧沟渠边坡设置台阶6，方便人员进行补碳池的碳源更换。

(2)沉降池7内种植体型较大的挺水湿地植物(如芦苇等)及沉水植物(如狐尾藻等)，在多级跌水槽内种植浅根湿地植物，如美人蕉、大花萱草等，在缓流池内满置粒径5至10cm的卵石12，反硝化补碳池9内人工填入碳源，在实际运用过程中，可根据实际条件仅补充有机碳源。但添加无机碳源可提高生物絮团降氮性能，迅速去除亚硝态氮。因此，为促生态沟渠对氮的去除效率，需定期补充无机碳源，但无机碳源的施放需少量多次，而不能一次施放。碳源中有机碳源与无机碳源的重量比为1:10-1:12，有机碳源可以为树皮、木屑、落叶堆肥、报纸、麦秸秆、锯末、棉花、碗豆杆等，无机碳源主要采用元素硫以及硫-石灰混合物等混合而成，元素硫、硫-石灰重量比为1:5-1:6。为防止碳源随水流流失，人工补充碳源需进行压实，并使用密目渔网或透水良好的厚麻布覆盖，上压重物，如石块等，使人工碳源13完全被水浸泡。

(3)农田面源污染水体依次流经沉降池、多级跌水槽、缓流池和反硝化补碳池即完成对农田面源污染水体处理，具体处理过程如下：

阶梯滚水坝2设置于沟渠内之后，在迎水方向，与沟渠的两个边坡一起形成一个水深较深(约为沟渠深度的1/2，一般为1米左右)、水流较为平缓的沉降池7。在沉降池7内，由于水流较为平缓，且水面较大，水中的杂物、颗粒物可以得到有效沉降，杂物、颗粒物的沉积，与原有的种植土一起形成一个厚度较大的底泥层，由于沉降池7面积较大(宽度不变，但长度较长)，在沉降池7内，适合种植芦苇等体型较大的湿地植物和狐尾藻等沉水植物；同时，由于在水位较深的区域内，受面源污染物氮磷污染的水体，尤其是污染较重的水体，会明显呈现出分层，高水层的水体中氮磷含量会明显高于低水层的水体氮磷含量，因此，经过沉淀池的水，经过第一步的沉淀、氮磷清除后，水体会自然的进行分层，上层水体中未处理的较多的氮磷污染物将经阶梯滚水坝2向下排出，从而避免氮磷污染物的积存。

经过初步杂物、颗粒物沉降及氮磷清除的农田污水，经阶梯滚水坝2的顶端流向多级跌水槽3，多级跌水槽3中的每一级都相当于一个小型的人工湿地，依靠跌水踏步上槽状长条池内的基质与基质内种植的小体量湿地植物，对流经的农田污水中的部分氮磷元素进行吸收吸附，植物根系对基质内进行补氧，促进部分氮元素硝化作用的发生。同时，这种层级跌水由于每级的高度都控制在0.1米左右，槽内的植物对水流进行缓冲，使水流速度不会特别快，这样，使得下游的洄游鱼类能够安全的、快速的进行洄游，促进上游生态系统的完善。

缓流池8的作用是使经由阶梯滚水坝2流下的农田污水能够有一个缓冲，成为平缓径流，减少水中的气泡，避免水体携带气泡，经过缓流的水流经缓流池矮堤4堤身上的泄流孔进入反硝化补碳池9，这样既可减少水流与空气的接触，避免水中氧含量过高，从而影响水体中所含的硝态氮或亚硝态氮在下一步反硝化作用的效率，又能减少水流从上而下的流淌，影响人工补充碳源的致密度。缓流池8中满置的鹅卵石12既能够起到减缓水流的作用，又能避免水流与空气的充分接触，同时还能作为细菌的生长基床。

经阶梯滚水坝2流下的污水，在富氧环境中经硝化作用产生的硝态氮或亚硝态氮在反硝化池中的厌氧状态下，利用人工补充的碳源，维持反硝化条件，使反硝化反应充分发生，高效去除水体中的氮元素；同时，人工补充的碳源具有极高的体表比，也能够部分吸附磷元素。

本实施例中，当增加水深时，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；多级跌水槽类似于多级人工表面流湿地，不同的污染浓度、水流速度、温度、植物种类、跌水槽尺寸、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％；当补充人工碳源时，碳源不同的材料种类、配比、水流速度、温度等都有影响，总的来说，其对径流中氮的去除率可提高30-90％。因此，本发明所述的生态沟渠节点，可提高径流中氮的去除率约30-70％，磷的去除率可提高约20-50％。

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。