CN101691265B - 地面源污染防控与饮水工程相结合的山区集中式饮用水水源的建造方法 - Google Patents

地面源污染防控与饮水工程相结合的山区集中式饮用水水源的建造方法 Download PDF

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Abstract

地面源污染防控与饮水工程相结合的山区集中式饮用水水源的建造方法：(1)采用间种或者套种模式种植山区作物；(2)利用施肥技术节氮控磷、改善土壤有机质；(3)从山顶至山底等距离等高建设3～6级植物篱；(4)建立生态沟渠：在沟底放置复合基质吸附坝；沟壁种植大型水生植物；沟渠出口端设置阀门；(5)建立生物塘：池塘水深不少于2.5m，具有进出水阀门；生物塘近水岸区域及池塘边坡种植大型水生植物；(6)建立土壤渗滤系统：选择在距离生物塘100m之内建设，排放的水直接进入土壤渗滤系统；(7)建立集水井；(8)在一定高度处建立蓄水池。本发明简单易行，防治水源地面源污染效果好，便于推广，同时解决了几千年贫困山区饮水困难的问题。

Description

地面源污染防控与饮水工程相结合的山区集中式饮用水水源的建造方法
技术领域
本发明涉及山区水源地水土流失防控以及山区饮用水工程建设领域，尤其涉及一种地面源污染防控与饮水工程相结合的山区集中式饮用水水源的建造方法，是一种饮用水水源建造的新模式。
背景技术
目前，饮用水资源污染问题已成为全球性问题，世界卫生组织(WHO)的调查表明：在发展中国家，各类疾病有80％是因为饮用了不安全、不卫生的水而传播的，每年大约有2000万人死于饮用不卫生的水。我国农村有3亿多人饮水不安全，其中约6300多万人饮用高氟水，200万人饮用高砷水，3800多万人饮用苦咸水，1.9亿人饮用水有害物质含量超标，血吸虫病区约1100多万人饮水不安全；相当一部分城市水源污染严重，威胁到饮水水质。
目前城镇和农村居民饮用水主要形式为集中式，饮用水资源污染分为点源污染和面源污染。面源污染(Diffused Pollution，DP)是相对于点源污染的一种水环境污染类型，又称为非点源污染(Non-point Source Pollution，NPS)，是指溶解和固体的污染物(如降雨冲击作用及地表径流冲刷而产生的土壤颗粒、土壤有机物、化肥、农药、有机肥料等)从非特定地点，在降水或融雪的冲刷作用下，通过径流过程而汇入受纳水体(包括河流、湖泊、水库和海湾等)并引起 有机污染、水体富营养化或有毒有害等其他形式的污染。这种污染比较分散，具有潜在性、复杂性、隐蔽性，发生区域的随机性、排放途径及排放污染物的不确定性及污染负荷空间分布的差异性等特点，因而不易得到有效控制。
由于点源污染防控技术相对简单，以及随着点源污染的大力度的治理，面源污染在水体污染中所占比呈上升趋势，现已逐渐成为导致水体污染的主要原因之一。因此，控制面源污染，保护水源地，是提高水资源利用效率，保障供水安全的源头防控之举。
目前，饮用水源地流域已经被列为国家生态建设重点工程，以小流域为单元采取综合措施防治水土流失和控制农业面源污染，积极推进生态清洁修复型小流域治理工程。恢复和重建河流与农田交界处的生态缓冲带，保护河流岸坡免遭侵蚀并对农田径流污染实施初级净化处理。进行江河清淤，河岸绿化、护坡建设，退耕还林，保持河岸水土，保护河流两岸与水域岸边的滩地、湿地植被，严禁放牧、开垦、挖沙等非法活动，防止新的人为破坏。对已经遭到破坏的滩地和湿地，采取封育保护和封禁治理，自然修复滩地植被与湿地景观。如南京大胜关，沿江修建了生态廊道、绿博园等一批生态公园，确保水质的安全。据跟踪监测表明，该保护区水质已达国家二类水质标准。
在此类工程中，特别是滞蓄污染物而起到“汇”的作用的植被过滤带、人工湿地和暴雨蓄积池、沉淀塘等景观，控制水土流失和面源污染。利用植被缓冲带对污染物进行阻截、吸收和转化，利用自然和人工湿地使污染物在其中沉淀、降解或被水生生物吸收。这种工程技术又被称为前置塘、滞留塘、人工内湖、湖内湖和前置库技术[72]。王嵘等研究了串联式BMPs(滞留池/湿地、小土坝/缓冲草带)应用于单场暴雨面源污染控制，整个系统对TSS、BOD5和TN的 去除效率分别为90％、74％和61％。
其次，以坡耕地为重点，修梯田、地埂、改垄等防控坡面径流，采取减少径流产生的保护性耕作措施。比如美国实施的免耕-少耕法[7]；黑龙江省实施的等高耕作、水平梯田、坡式梯田、地埂植物带、营造水土保持乔木林、水土保持灌木林、栽植经济林果、封禁治理、治理侵蚀沟、修谷坊、开挖截水沟、修塘坝、修农道、建水保科技示范区、修围栏等措施，据统计，减少了土壤侵蚀量4.34×105t，保土效益达到90.64％，减少水库泥沙淤积，土壤中的氮、磷、钾、有机质也免于流失，延长了饮用水工程使用寿命，对改善流域水质和城市的饮用水安全发挥了重要作用。
虽然以上措施在一定程度上有效地拦截和处理了集中式饮用水水源地面源污染物中的颗粒态污染物质，但是由于工程措施的单一性，难以有效系统控制面源污染中可溶解态污染物质的下流。
同时，在我国西南山区，很多当地政府至今无法解决村民饮水不安全甚至困难的问题，因此，将防控面源污染与农村饮水工程建设相结合设计、建设，不但可以保护水源地，更是对当地做了一件功利千秋的事业。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺点，提供一种地面源污染防控与饮水工程相结合的山区集中式饮用水水源的建造方法。这是一种新的建设模式，它将达到控制集中式饮用水水源地面源污染和为山区村民修筑饮水工程的双重目的。本发明是以局域为面源污水防控目标，采用“分级、分区、分时、分段”和“源头固持养分，过程拦截养分，末端生态治理与修复”的防控思路，参照“种植模式改良-(土壤内部节氮控磷)-多级植物篱-生态沟渠-生物塘-土壤渗 滤-集水井-自动调控蓄水池(供水，灌溉、饮水)”的集成技术，开展以下所述的单元设计与建设。
本发明的目的是这样实现的，一种地面源污染防控与饮水工程相结合的山区集中式饮用水水源的建造方法，其特征在于，步骤如下(所述各步骤之间的顺序可以互换)：
(1)、采用控制水土流失的间种或者套种模式种植山区作物；所述间种作物面积与套种作物面积的比例，控制在1∶1～1∶3之间；
(2)、利用施肥技术节氮控磷、改善土壤有机质：
(2)-1、施用大颗粒有机-无机复合肥，施用量在200～400kg/亩/年；
(2)-2、碱性土壤采用施用惯用化肥量1～5％的硫酸铝，双氢氨(DCD)或元素硫(S0)；偏酸性土壤，施用惯用化肥量1～8％的五氯硝基苯或聚丙烯酰胺；
(3)、种植多级植物篱：从山顶至山底，等距离、等高建设3～6级植物篱，每条植物篱带宽50～150cm；
(4)、建立生态沟渠：在沟底每隔2m的地方放置一座0.04m3的复合基质吸附坝；在两边沟壁每间隔0.5m种植大型水生植物；并在生态沟渠出口端，设置阀门，目的在于调控生态沟渠内部水位高低；本申请推荐：生态沟渠依托山谷原有排水沟渠改造；
(5)、建立生物塘：生物塘建设的目的在于净化小流域的面源污水，保证后续集水井中有充足的水源。建设后的池塘水深不少于2.5m，具有进出水阀门，可以自动调控池塘水位；生物塘近水岸约1.0m区域及池塘边坡，种植大型水生植物；本申请推荐：生物塘建设在距离生态沟渠出水口至500m范围内。生物塘的建设容量，应至少满足容纳小流域内暴雨(按降雨强度10mm计算)初期前30min的雨量。
(6)、建立土壤渗滤系统：土壤渗滤系统的目的在于深度净化低浓度面源污水，达到可饮用的目的。土壤渗滤系统应选择在距离生物塘100m之内建设，四周采用砖混结构砌成墙，内部填充人工土壤，生物塘排放的水直接进入土壤渗滤系统；
(7)、建立集水井：集水井建设在土壤渗滤系统的出水口附近，约3～5m之内；集水井底部比土壤渗滤系统出水口低1～2m，土壤渗滤的出水经过自然土壤再次渗滤，进入集水井；
(8)、在一定高度处建立蓄水池：采用高压泵从集水井抽水至蓄水池，供作物灌溉或者利用管道引入村落供村民饮用。
本发明各步骤的进一步优化，具体操作如下：
步骤(1)所述的种植模式中，山区间套种主导作物以玉米、甘蔗、梨树、向日葵为主，比如“玉米”、“玉米+向日葵”，“玉米+梨树”，“辣椒+覆膜”四种水土流失控制模式。
步骤(3)所述的多级植物篱，考虑山区耕地少，经济欠发达的特点，植物篱植物采用经济作物型，这类植物包括金雀花、梨树、山楂、花椒、板栗、核桃、桃树和/或茶叶树；
多级植物篱可以依等高田埂建设，节省耕地面积。
步骤(4)所述的生态沟渠的建设方法为，先平整沟渠，清除沟底淤泥和两边沟壁的杂草等，在沟底每隔2m的地方放置一座0.04m3的复合基质吸附坝，然后在两边沟壁每间隔0.5m种植大型水生植物，这类植物有菖蒲、茭白、水葱、 旱伞草、马蹄莲和/或梭鱼草。
步骤(5)所述的生物塘所种植的大型水生植物，有菖蒲、茭白、水葱、旱伞草、马蹄莲和/或梭鱼草，种植密度为0.5m×0.5m。
步骤(6)所述的土壤渗滤系统中的人工土壤为：细沙∶土壤∶褐煤∶沸石＝3∶2∶1∶1；
步骤(7)所述的集水井，底部比土壤渗滤系统出水口低1～2m。
步骤(8)所述的蓄水池：考虑到山区饮水困难以及旱季作物缺水的现状，蓄水池建设在山顶或者山腰。为了减少蓄水池建设成本，采用自动液位调节器，自动控制蓄水池水量，因此可以建设小容量的蓄水池。
集中式饮用水水源地面源污水通过以上处理单元的一级一级处理，减少了面源污水的外排，最后达到了可饮用的目的。
本发明实施前后技术效果如下(根据实施前后分别9次现场采样和测试的结果)：实施前，小流域均有很强的总悬浮物、氮磷流失，本发明的工程实施后，总悬浮物、氮磷流失基本得到控制，削减率达85％以上(参见附图)。
本发明方法简单，易行，防治面源污染效果好，建造的生态工程如经济植物篱，可少量养鱼的生物塘，和农民利益挂钩，真正变污染为水资源，便于推广，它解决了几千年来山区农村面源污染防治和饮水困难的问题。
附图说明
图1为本发明工程实施前后总悬浮固体拦截效果对比图；
图2为本发明工程实施前后总氮和结合态氮削减率；
图3为本发明工程实施前后总悬浮物和氮磷的去除效果对比图。
具体实施方式
实施例1：滇池为昆明市重要的备用地表集中式饮用水水源地，在点源污染得到重视和有效控制后，面源污染问题越来越突出，有效控制面源污染将是保护好水源地的重要措施之一。昆明市晋宁县上蒜乡牧羊村位于滇池东岸，是典型的西南山区，也是滇池面源污染的主要贡献区域之一，氮磷污染负荷约占滇池面源氮磷污染负荷的30～40％。牧羊村为赤贫山区，人均收入远远低于全国农村人均收入水平。
选择牧羊村一处100hm2小流域，实施了本发明的模式，具体实施过程如下：
1)种植模式改良：在小流域坡耕地上实施间种、套种，间套种作物面积比例为1∶2，间套种模式有“玉米”、“玉米+向日葵”，“玉米+梨树”，“辣椒+覆膜”四种，四种模式从山顶依次向山底等比例设计。
2)土壤内部节氮控磷：由于当地坡耕地为碱性土壤，在施肥过程中，采用5％的元素硫(S0)代替化肥施用在坡耕地中，施用底肥时施用元素硫。同时在施用底肥时，一次性施入大颗粒有机-无机复合肥，施用量200kg/亩/年。
3)多级植物篱：结合当地气候和地理情况，选择了金雀花、梨树和花椒为植物篱带植物。从山顶至山底等间距建设了6条等高植物篱带，从山顶至山底依次种植2条金雀花植物篱带，2条梨树植物篱带，2条花椒植物篱带。每条植物篱带带宽1.2m，采用起垄方式种植植物，垄高0.3m。
4)生态沟渠：生态沟渠依山谷原有的沟渠改造而成，总长560m，沟底均宽0.8m。先平整沟渠，清除沟底淤泥和两边沟壁的杂草等，在沟底每隔2m的地方放置一座0.04m3的复合基质吸附坝，然后在两边沟壁每间隔0.5m种植大型水生植物，种植的植物有菖蒲、茭白、旱伞草，其比例为1∶1∶1。在生态沟渠出口端，设置了阀门，可以调控生态沟渠内部水位高低。
5)生物塘：生物塘结合小流域山谷口的地形开挖而成，建设后的生物塘平均水深为3.0m，安装了进出水涵管，可以自动调控池塘水位。生物塘近水岸约1.0m区域种植了大型菖蒲、茭白、旱伞草、梭鱼草，种植密度为0.5m×0.5m。池塘边坡种植了黑麦草。
6)土壤渗滤系统：在距离生物塘排水口14m的附近建设了土壤渗滤系统，四周采用砖混结构砌成墙，内部填充人工土壤(细沙∶土壤∶褐煤∶沸石＝3∶2∶1∶1)，生物塘排放的水直接进入土壤渗滤系统。
7)集水井：在距离土壤渗滤系统的出水口5m之处，开挖了一座集水井，集水井底部比土壤渗滤系统出水口低1.5m，土壤渗滤的出水可以经过自然土壤再次渗滤，进入集水井。
8)蓄水池：在小流域的半山腰，高程约42m的地方建设了一座35m3的蓄水池，蓄水池采用自动液位调节器控制水位。集水井的水采用高压泵抽至蓄水池，供作物灌溉或者利用管道引入村落供村民饮用。
小流域内的面源污水经过“种植模式改良-(土壤内部节氮控磷)-多级植物篱-生态沟渠-生物塘-土壤渗滤-集水井-自动调控蓄水池”处理后，达到了村民饮用和作物灌溉的双重目的，同时减少了面源污水的外排。
实施例2：江西安福县为我国重要的丘陵地区，土壤为红壤，酸性。为了减少社上水库面源污染，保护社上水库水资源，同时解决山区100多人的饮水问题，在水库上游面积为500亩的小流域也实施了本发明的模式。除了以下两点不同之外，其它具体实施过程同实施例1。
1)土壤内部节氮控磷：由于当地坡耕地为酸性土壤，在施肥过程中，采用3％的聚丙烯酰胺(S0)代替化肥施用在坡耕地中，施用底肥时施用元素硫。 同时在施用底肥时，一次性施入大颗粒有机-无机复合肥，施用量300kg/亩/年。
2)多级植物篱：结合当地气候和地理情况，选择了甘蔗、桃树为植物篱带植物。从山顶至山底等间距建设了3条等高植物篱带，从山顶至山底依次种植2条桃树植物篱带，1条甘蔗植物篱带。每条植物篱带带宽2.0m，采用起垄方式种植植物，垄高0.5m。
本发明的模式实施后，水土流失量显著减少，面源污水实现零排放。解决了当地村民雨季饮水不安全的问题。

Claims (4)

1.一种地面源污染防控与饮水工程相结合的山区集中式饮用水水源的建造方法，其特征在于，步骤如下，所述各步骤之间的顺序可以互换：
(1)、采用控制水土流失的间种或者套种模式种植山区作物；所述间种作物面积与套种作物面积的比例，控制在1∶1～1∶3之间；
(2)、利用施肥技术节氮控磷、改善土壤有机质：
(2)-1、施用大颗粒有机-无机复合肥，施用量在200～400kg/亩/年；
(2)-2、碱性土壤采用施用惯用化肥量1～5％的硫酸铝，双氢氨或元素硫；偏酸性土壤，施用惯用化肥量1～8％的五氯硝基苯或聚丙烯酰胺；
(3)、种植多级植物篱：从山顶至山底，等距离、等高建设3～6级植物篱，每条植物篱带宽50～150cm；
(4)、建立生态沟渠：在沟底每隔2m的地方放置一座0.04m3的复合基质吸附坝；在两边沟壁每间隔0.5m种植大型水生植物；并在生态沟渠出口端，设置阀门，调控生态沟渠内部水位高低；(5)、建立生物塘：生物塘水深不少于2.5m，具有进出水阀门，自动调控池塘水位；生物塘近水岸约1.0m区域及池塘边坡，种植大型水生植物；
(6)、建立土壤渗滤系统：土壤渗滤系统选择在距离生物塘100m之内建设，四周采用砖混结构砌成墙，内部填充人工土壤，生物塘排放的水直接进入土壤渗滤系统；
(7)、建立集水井：集水井建设在土壤渗滤系统的出水口附近，3～5m之内；集水井底部比土壤渗滤系统出水口低1～2m，土壤渗滤的出水经过自然土壤再次渗滤，进入集水井；
(8)、建立蓄水池：采用高压泵从集水井抽水至蓄水池，供作物灌溉或者利用管道引入村落供村民饮用；
步骤(1)所述的种植模式中，山区间套种主导作物选自：玉米、甘蔗、梨树和/或向日葵；
步骤(3)所述的多级植物篱，采用经济型作物；
步骤（4)所述的生态沟渠中所述的种植大型水生植物选自：菖蒲、茭白、水葱、旱伞草、马蹄莲和/或梭鱼草；
步骤(5)所述的生物塘所种植的大型水生植物，选自：菖蒲、茭白、水葱、旱伞草、马蹄莲和/或梭鱼草；
步骤(6)所述的土壤渗滤系统中的人工土壤为：细沙∶土壤∶褐煤∶沸石＝3∶2∶1∶1；
步骤(7)所述的集水井，底部比土壤渗滤系统出水口低1～2m；
步骤(8)所述的蓄水池：蓄水池建设在山顶或者山腰。
2.根据权利要求1所述的地面源污染防控与饮水工程相结合的山区集中式饮用水水源的建造方法，其特征在于，
步骤(1)所述的种植模式中，山区间套种主导作物分别采用“玉米”、“玉米+向日葵”，“玉米+梨树”，“辣椒+覆膜”四种水土流失控制模式中的一种或多种；
步骤(3)所述的多级植物篱中的经济型作物，选自：金雀花、梨树、山楂、花椒、板栗、核桃、桃树和/或茶叶树；
步骤(4)所述的生态沟渠中种植大型水生植物选自菖蒲、茭白、水葱、旱伞草、马蹄莲和/或梭鱼草；
步骤(5)所述的生物塘所种植的大型水生植物，种植密度为0.5m×0.5m；
步骤(8)所述的蓄水池，采用自动液位调节器，自动控制蓄水池水量。
3.根据权利要求1或2所述的地面源污染防控与饮水工程相结合的山区集中式饮用水水源的建造方法，其特征在于，
步骤(3)所述的多级植物篱，是依等高田埂建设；
步骤(4)所述的生态沟渠的建设中增加有以下步骤：先平整沟渠，清除沟底淤泥和两边沟壁的杂草。
4.根据权利要求3所述的地面源污染防控与饮水工程相结合的山区集中式饮用水水源的建造方法，其特征在于，
所述步骤(4)的建立生态沟渠，是依托山谷原有排水沟渠改造；
所述步骤(5)的生物塘，是建设在距离生态沟渠出水口至500m范围内；生物塘的建设容量，应至少满足容纳小流域内暴雨初期前30min的雨量。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Assignee: Jiangsu Shanshui Construction Group Co., Ltd.

Assignor: Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences

Contract record no.: 2012320000558

Denomination of invention: Building method combining centralized drinking water head site plane source pollution prevention and control in mountainous areas with drinking water engineering

Granted publication date: 20111026

License type: Exclusive License

Open date: 20100407

Record date: 20120427

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
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Granted publication date: 20111026

Termination date: 20170925