CN102249418B

CN102249418B - 一种用于拦截磷流失的抗冲刷型生态沟渠

Info

Publication number: CN102249418B
Application number: CN2011101425880A
Authority: CN
Inventors: 尹洪斌; 范成新
Original assignee: Nanjing Institute of Geography and Limnology of CAS
Current assignee: Nanjing Institute of Geography and Limnology of CAS
Priority date: 2011-05-30
Filing date: 2011-05-30
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2031-05-30
Also published as: CN102249418A

Abstract

一种用于拦截磷流失的抗冲刷型生态沟渠，依据自然地形地貌，开挖或改良自然沟渠形成干渠，干渠的沟壁由中空、底部带孔的脱碱水泥预制块排列形成；沟底用碎石铺设，耕作土覆于碎石表层；将固磷基质与耕作土混合均匀后覆于沟壁的预制块中，在沟渠底部和沟壁中播种着生植物；干渠上每隔一定的距离，设置水泥拦截坝。本发明的生态沟渠，通过对沟渠的形态、构造的设计，能够有效提高沟渠抗水力冲刷的能力，多个结构单元均具有对于磷素的吸收、拦截功能，通过植物吸收、底泥截留和固磷基质多种技术手段对纳污水体中的磷污染快速、有效地进行拦截，是解决富磷背景区高纳磷浓度、强水动力条件下磷输出控制、治理面源污染的有效方法。

Description

一种用于拦截磷流失的抗冲刷型生态沟渠

技术领域

本发明属于环境污染治理技术领域，涉及一种生态沟渠，尤其是涉及一种用于对富磷地质背景下集水区高磷通量输出进行拦截固定的抗冲刷型生态沟渠。

背景技术

磷已经被公认为是湖泊富营养化的主要限制因子，因此如何降低和消减磷向湖泊等集水区域的输入一直是世界科学家所关注的科学问题。目前，对于点源的污染，如工业或生活废水中磷的控制，主要采用化学沉淀法或生物处理等方法，且目前这些技术经过几十年的发展，方法已经非常成熟。然而，对于农业面源以及富磷背景区磷的输出控制问题一直没有得到很好的解决。

近些年来，国内外已经发展起来一些应用生态工程的手段来控制和降低来自面源污染中的磷含量，其中包括河口湿地、河湖滨岸带、农田生态沟渠等。研究结果表明，这些生态工程均可以有效降低来自面源污染中污染物质的含量，降低接受水体中污染物负荷。然而，对于富磷背景区集水域高磷输出的问题一直未找到一种有效的控制手段。因此，亟需相应的技术手段对该问题进行解决。

通常，沟渠被认为是农业生态系统中的主要景观，其在农业生产中主要起到灌溉、蓄水甚至防洪的作用。有关沟渠的定义至今国际上没有一个标准，但大部分学者认为沟渠是具有河流或湿地系统特征的生态工程系统，具有水生生态系统的生态功能。近些年来，国外的研究人员开始将沟渠作为一种控制农业面源污染（氮和磷）的主要手段之一，并且发现具有植物着生的沟渠可以起到较好的截磷以及截氮的效果，沟渠湿地可通过底泥截留吸附、植物吸收和微生物降解降低水体中的氮和磷。

已有相关专利披露了采用生态沟渠针对农业面源污染中的磷进行拦截的方法，如中国专利200910272338.1“一种阻控农业面源污染的生态沟渠”和201010524502.6“一种污水处理用生态沟渠及其构建方法和应用”。中国200610097845.2公开了一种生态沟渠污水净化方法，可将城镇生活污水与农田排水进行混合处理。但是，农田生态沟渠一般只是主要基于植物的生长来控制水体中的磷，纳污水体中磷的含量一般较低，且农田生态沟渠具有对水体净化效果缓慢的缺点。其次，农田生态沟渠通常是针对平原地区无强水动力的集水区域进行设计的，因而不具备较强的抗冲刷能力。

目前，国内外学者就沟渠的研究主要集中在沟渠的水文效应、环境效应和生物效应，且主要集中在农田生态沟渠的研究上。而有关沟渠的截面形态设计、沟渠植物生长基质以及高纳磷浓度、强水动力条件下生态沟渠应用的研究则显得相对薄弱。

针对富磷背景区磷流失的问题，根据实际地形情况设计一种用于控制裸露山体富磷区高磷输出通量的生态沟渠，是解决富磷背景区磷输出控制、治理面源污染的有效方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于拦截磷流失的抗冲刷型生态沟渠，能够克服传统的农业生态沟渠的纳磷浓度低以及无显著的抗水力冲刷的缺点，是一种具有较强抗水流冲刷能力、较高吸磷能力的新型生态沟渠，特别适用于具有一定水流落差的富磷地质背景区，本发明的生态沟渠能有效控制富磷背景区高磷输出通量，治理面源污染。

实现本发明目的所采用的技术方案如下：

一种用于拦截磷流失的抗冲刷型生态沟渠，依据自然地形地貌，开挖或改良自然沟渠形成干渠，干渠包括沟壁和沟底，其特征在于：所述的沟壁由中空、底部带孔的脱碱水泥预制块排列形成；所述的沟底用碎石铺设，用耕作土覆于碎石表层；将固磷基质与耕作土混合均匀后覆于沟壁的预制块中，在沟底和沟壁中播种着生植物；干渠上每隔一定的距离，设置水泥拦截坝。

所述的预制块由脱碱后的水泥制成，预制块截面可设计成正六边形，可在沟渠侧壁上紧密堆砌、排列，形成抗冲刷的沟壁。为使沟渠壁中能够着生植物，并确保其中营养物质能够被及时吸收，所述的预制块内部中空，且底部带有筛网状分布的孔结构。筛网孔可以为圆孔、方孔或条形孔。预制块中空部份填充固磷基质与耕作土，既可以为植物着生提供基质，又可以利用沟壁有效固定、拦截水体中高通量的磷污染物。

所述的固磷基质与耕作土按质量比5～15：1混合。

所述的固磷基质为凹凸棒和海泡石黏土矿物，或改性的凹凸棒和海泡石黏土矿物。如具体实施方式中采用的热改性海泡石，通过将海泡石原土经过100～1000℃加热2h改性，所得到的改性海泡石具有较强的吸附磷的能力。

为抵御在丰水期水流对沟渠底部泥土的冲刷，沟底用碎石铺设。所述的碎石直径优选5～10cm。

本发明的生态沟渠可按照当地的实际情况和地势落差，在干渠上设置水泥拦截坝，用来蓄积水源和拦截水流，对于具有较大落差地势的富磷地质背景区，可有效提高所述生态沟渠的抗水力冲刷能力。所述的水泥拦截坝坝高度应该在该区域最大水深线以上。在拦截坝的上应具备2组多孔的排水孔，下方排水孔要高于当地枯水期水深高度，而上方排水孔要略低于当地丰水期水深高度。水泥拦截坝之间的距离通常设计为30～50米。

所述的沟渠沟壁坡面的坡度小于60°为宜。

为能够更好吸收沟渠中的营养物质以及颗粒态悬浮物，本发明的一个优选的实施方式是在沟渠的底部放置一些小型的生态拦截器。生态拦截器可由拦截箱体、固磷基质、耕作土以及着生植物构成，拦截箱体为脱碱水泥制成的四周具备小孔的箱体，箱体内填充固磷基质与耕作土，植物着生在拦截箱体上。生态拦截器的一个作用是弥补沟渠中其它结构单元对于水体营养物质吸收不完全，其中的固磷基质和植物可以吸收水体中的营养物质，以达到生态沟渠多方面拦截营养物质的效果；另一个作用是适当对丰水期中的水流速度进行阻挡，以降低流速，进一步提高沟渠的抗冲刷能力。

所述的着生植物可以依据当地的植物群落组成和植物生长的特点选取，包括狗牙根、黑麦草或马棘中的一种或几种。着生植物分别种植于沟渠的底部和侧壁，以及生态拦截器上。其播种密度为5g/m²～20g/m²。

本发明的生态沟渠，通过对沟渠的形态、构造的设计，能够有效提高沟渠抗水力冲刷的能力，特别适合于在高水位落差条件下通过生态沟渠工程对面源水污染进行治理；生态沟渠的多个结构单元均具有对于磷素的吸收、拦截功能，通过植物吸收、底泥截留和固磷基质多种技术手段对纳污水体中的磷污染快速、有效地进行拦截，较现有的生态沟渠水体净化效果显著提高，能够有效控制高磷输出通量，是解决富磷背景区高纳磷浓度、强水动力条件下磷输出控制、治理面源污染的有效方法。

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。本发明的保护范围并不以具体实施方式为限，而是由权利要求加以限定。

附图说明

图1 本发明的生态沟渠结构示意图。

图2 沟壁预制块排列方式示意图。

图3 预制块结构示意图。

图4 生态拦截器结构示意图。

图5 悬浮物浓度变化趋势曲线图。

图6 总磷浓度变化趋势曲线图。

图7 颗粒态磷浓度变化趋势曲线图。

图8 磷酸根浓度变化趋势曲线图。

具体实施方式

将本发明的生态沟渠应用于巢湖流域某地磷拦截工程进行实验研究。研究地域范围长1700m，宽约590m，总面积1.0km²。据相关的研究表明，该区域（研究示范区）坡面土壤的平均流失厚度为0.41cm/a，平均流失量为5412 t/(km·a)，磷素的平均流失量为2.30 t／(km·a)，若对全流域富磷地质区保守估算，来自地质背景的磷每年将达到上百吨。这对磷容量仅有每年400多吨的巢湖而言，来自地质背景的磷量是不可忽略的。

就该区域磷流失严重的情况，因地制宜地根据本发明设计一条用于磷拦截的生态沟渠。

所述的生态沟渠，依据自然地形地貌，开挖或改良自然沟渠形成干渠，如图1所示，所述的干渠包括沟壁1和沟底5，沟渠的沟壁1由正六边形脱碱水泥预制块2排列形成，沟底5用碎石6铺设，用耕作土覆于碎石6表层；将固磷基质与耕作土7混合均匀后覆于沟壁1的预制块中，在沟底5和沟壁1中播种着生植物8，并在沟底5放置多个小型生态拦截器4；干渠上每隔一定的距离，设置一个水泥拦截坝3。

下面对生态沟渠各工程结构单元进行详细描述。

天然沟渠的沟壁是经过长期的水力冲刷而形成的，由当地土壤和砂石构成，生态条件好的区域还有当地土著植物着生。这些土著植物经过长期的生长演化已经可以固定和吸收来自雨水冲刷的颗粒悬浮物和营养物质。但是，位于山体裸露集水区的沟渠在丰水期大量汇集来自各个区域的水源，水量和水体流速陡然加大，必然会对沟渠的侧壁进行冲刷，导致大量泥沙颗粒水质随营养物质一起进入河道，增加了水体中的泥沙负荷以及水体营养负担。所以，针对具有落差地势的沟渠设计必须保证沟壁具有足够的强度以来抵御强大的水体冲刷力。本发明的生态沟渠在考虑上述因素后，用脱碱后的水泥制作成水泥预制块2。预制块2其结构如图3中所示,形状为正六边行，边长54cm，对角距离108cm，夹角120℃。为能够使沟壁1中着生植物，并能确保其中营养物质能够被及时吸收，将预制块2设计为内部中空，且底部为筛网行的预制块。预制块2总厚度20cm，底部厚度10cm。将每个预制块2单元按照图2所示的组合方法排列，置于一定坡度的沟渠框架中，即成为人工设计构造的沟渠的沟壁1。

为抵御在丰水期水流对沟渠底部泥土的冲刷，将沟底设计成用直径5～10cm的碎石6铺设，同时为确保有一定植物的着生，用耕作图覆于碎石6表层。

干渠依据自然沟渠的自然地理地貌状况，用大型机械设备对沟渠进行开挖或改良。沟的深度为1m，够底宽1m，沟壁坡面与水平夹角为30°。将设计好的沟壁预制块2铺设于沟渠中，具体排列方式如图2所示。沟渠的底部按上文所述的方法设计和制作。

待沟渠整体框架搭建好后，将固磷基质与耕作土质量比10：1的混合物7混合均匀后并掺拌一定比例的水覆于沟壁中的预制块2中。固磷基质为热改性海泡石黏土矿物，将海泡石原矿（取自河南南阳）600～1000℃加热2h进行改性，对于1000mg/L的含磷废水，改性海泡石投加量为20g/L的情况下，其吸附磷的能力为32～42mgP/g。随后，在沟底5和沟壁1中播种一定量的着生植物8狗牙根和黑麦草，其播种密度分别为15g/m²和35g/m²。

按照当地的实际情况和地势落差，每隔30～50米的距离，设置一个水泥拦截坝3用来蓄积水源和拦截水流，水泥拦截坝3的高度应该在该区域最大水深线以上。水泥拦截坝3上具备2组多孔的排水孔，下方排水孔要高于当地枯水期水深高度，而上方排水孔要略低于丰水期水深高度。

为能够更好吸收沟渠中的营养物质以及颗粒态悬浮物，在沟渠的底部放置一些小型的生态拦截器4。生态拦截器4由拦截箱体和固磷基质、耕作土以及植物构成，拦截器4可以弥补沟渠中其它结构单元对于水体营养物质吸收不完全的特点，同时拦截器4又可以适当对丰水期中的水流速度进行阻挡，以适当降低流速。拦截器4内中的固磷基质和植物可以吸收水体中的营养物质，以达到生态沟渠多方面拦截营养物质的效果。生态拦截器4其结构如图4所示。拦截器4的箱体由脱碱水泥制成，为边长8cm的四周具备小孔的正方体形。拦截器内部表层用100目的滤布包裹，以确保内部的固磷基质和耕作土不散落。

依据当地的植物群落组成和植物生长的特点，选取沟渠着生植物。根据试验地区植物生长的特点和生长习性，选择狗牙根和黑麦草为工具植物种，分别种植于沟渠的底部和侧壁。植物的生长基质为当地耕作土壤混合热改性海泡石，其中，耕作土和固磷基质的比例按10：1质量比配比。

生态沟渠建成后，种植于生态沟渠底、壁的工具植物，经过60天的生长，各种植物都表现出良好的生长情况，其中采集20株植物的平均生长指标情况如表1所示。从表1中可知，两种植物在60天的生长后，覆盖度分别可以达到60%和56％，已经完全可以形成良好的植物覆盖度。从野外的监测数据来看，狗牙根和黑麦草的地下的根长分别为3.04cm和3.62cm，地下生物量也分别达到了17.42g和16.57g。着生植物的这种情况，已经完全可以达到固土保水的目的。

表1 生态沟渠底壁植物着生60天生长情况表

2010年3月对位于巢湖流域的实验区进行施工，其中实验区施工的沟渠总长度为100米，经过如上所述的施工程序和方法，于5月初完成沟渠的全部工程，并对沟渠进行科学合理的管理。由于生态沟渠建设在过水性区域，即该区域在枯水期，沟渠基本没有水流，只有在下雨且形成径流的情况下，沟渠中才维持有一定的水量和水流。在沟渠的建设前后，分别选取下雨期间对沟渠的进口和出口端进行取水，取水期为地表形成径流后1小时取样，水样于室内分别测定了悬浮物浓度（SS）、总磷、颗粒态磷以及磷酸根磷。测定结果参见图5-图8。

从图5中可以看出，无论是生态沟渠建设前还是建设后，沟渠出口悬浮物的浓度要始终大于进口的浓度，这是因为沟渠是建设在有一定落差的地形之下，地表水在形成径流后，形成一定的冲刷力，致使上游沟渠中的泥沙基本都冲刷到下游，导致出水口悬浮物浓度增加。颗粒态磷和总磷在工程前后的变化趋势基本相同，并且在不同的采样期间表现出不同的浓度含量。从图6、图7、图8中可知，在生态沟渠工程初期植物生长约40天的时候，出水口中总磷和颗粒态磷均要高于入水口，出水口总磷和颗粒态磷的浓度分别是出入水口浓度的1.6倍和2.6倍，而出口处磷酸根的浓度是入口处磷酸根浓度的0.51倍。这可能是因为在工程建设初期，整个沟渠系统未达到良好的运行状态，植物不能有效拦截由于强大的水流冲击所形成的颗粒物，而颗粒态磷占据约80％的总磷。出口处的磷酸根磷降低的原因可能是因为沟渠中的固磷基质以及土壤植物等对其吸收所致。在工程运行2个月后，则表现出一定的截磷效果，尤其是总磷和颗粒态磷，从出口和入口的浓度来看，总磷和颗粒态磷的拦截效率分别可达16.5％和23.1％。这是因为沟渠底壁生长的植物已经具备很好的拦截颗粒物的能力，表现出一定的拦截效果。沟渠对溶解态磷酸根磷的拦截则相对较强，拦截效率达到了约60％。

研究结果表明，针对富磷背景区磷流失问题设计的生态沟渠完全能够适应该区域水污染问题的治理，工具种植物狗牙根和黑麦草表现出良好的适生性，具备一定的固土和拦截颗粒物能力。沟渠建设后并调试运行40天后，已经具备一定的拦截磷能力，其中总磷和颗粒态磷的拦截效率分别可达16.5％和23.1％，而磷酸根磷的拦截能力达60％。随着沟渠中植物以及水利条件的成熟后，沟渠将具备更优秀的拦截磷的能力。

Claims

1.一种用于拦截磷流失的抗冲刷型生态沟渠，依据自然地形地貌，开挖或改良自然沟渠形成干渠，干渠包括沟壁和沟底，其特征在于：所述的沟壁由中空、底部带孔的脱碱水泥预制块排列形成；所述的沟底用碎石铺设，耕作土覆于碎石表层；将固磷基质与耕作土混合均匀后覆于沟壁的预制块中，在沟底和沟壁中播种着生植物；干渠上每隔一定的距离，设置水泥拦截坝。

2.根据权利要求1所述的抗冲刷型生态沟渠，其特征在于：所述的预制块截面为正六边形，内部中空，且底部带有筛网状分布的孔结构。

3.根据权利要求1所述的抗冲刷型生态沟渠，其特征在于：所述的固磷基质与耕作土按质量比5～15：1混合。

4.根据权利要求1所述的抗冲刷型生态沟渠，其特征在于：所述的固磷基质选自凹凸棒或海泡石黏土矿物，或改性的凹凸棒或海泡石黏土矿物。

5.根据权利要求4所述的抗冲刷型生态沟渠，其特征在于：所述的固磷基质为改性海泡石黏土矿物，将海泡石经过100～1000℃加热2h改性制得。

6.根据权利要求1所述的抗冲刷型生态沟渠，其特征在于：所述的碎石直径为5～10cm。

7.根据权利要求1所述的抗冲刷型生态沟渠，其特征在于：所述的水泥拦截坝高度在生态沟渠所在区域最大水深线以上；拦截坝的上具备2组多孔的排水孔，下方排水孔高于当地枯水期水深高度，上方排水孔略低于当地丰水期水深高度。

8.根据权利要求1所述的抗冲刷型生态沟渠，其特征在于：所述的水泥拦截坝之间的距离为30～50米。

9.根据权利要求1所述的抗冲刷型生态沟渠，其特征在于：所述的生态沟渠的底部放置生态拦截器，生态拦截器由箱体、固磷基质、耕作土和着生植物构成，箱体为脱碱水泥制成的四周开设小孔的箱体，箱体内填充固磷基质和耕作土，植物着生在拦截箱体上。

10.根据权利要求1所述的抗冲刷型生态沟渠，其特征在于：所述的着生植物选自狗牙根、黑麦草和马棘中的一种或几种，播种密度为5g/m²～20g/m²。