CN105565502A - 一种处理农田排水水质的生态试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种处理农田排水水质的生态试验系统，包括人工生态沟渠、人工湿地和用于排水的排水渠，人工湿地包括多级集水区和配水渠，每一级集水区底部与其前的配水渠之间设有带第二控制阀门的混凝土管道，每一级集水区与其相邻两侧的配水渠之间通过混凝土墙隔离，每一级集水区与其前的配水渠之间混凝土墙比其后的混凝土墙高；第一级集水区前的配水渠为进水渠，最后一级集水区后的配水渠为退水渠，进水渠与所述人工生态沟渠尾端相连，退水渠与排水渠相连，人工生态沟渠包括渠顶、渠壁、渠底和竹笼石，其横断面形状为梯形，本发明经济可靠、节约用地，通过生态沟渠与人工湿地系统配合协调减少N、P排放量、提高农田排水水质处理效率。

Description

一种处理农田排水水质的生态试验系统

技术领域

本发明属于环境保护技术领域，尤其涉及一种处理农田排水水质的生态试验系统。

背景技术

近年来，随着农业生产中农药、化肥施用量的增加，农业面源污染问题日益突出，由氮、磷等营养元素引起的水体富营养化已成为水质污染的重要来源。农田中的氮、磷等污染物主要通过农田径流或淋洗渗漏等途径进入农田排水系统并污染湖泊、河道等水体,且其排放难以控制,不能集中处理。国内外研究与应用表明，将人工生态沟渠、人工湿地系统与农田灌排系统结合，净化处理农田排水水质，对提高污染物的去除率、降低水质成本、保护河湖水体质量和生态环境有重要的现实意义。

何元庆等（2012）的《珠三角典型稻田生态沟渠型人工湿地的非点源污染削减功能》提出了一种适应珠三角地区的生态沟渠型人工湿地构建技术,并进行了示范工程建设和防治效果评价,结果表明该沟渠对营养型和颗粒态污染物净化效果较好,对有机型污染物净化效果有限。潘乐等（2011）的《人工湿地对稻田氮磷污染的去除试验》表明人工湿地对农田排水中氮磷污染的去除净化效果显著，能明显改善农田排水水质。

现有技术中，与生态沟渠和人工湿地相关的系列发明为解决农业面源污染问题提供了很好的思路。公布号为CN103086513A、名称为《一种控制农业面源污染提高农田N、P利用率的生态沟渠》的中国专利公开了一种集约用地、可持续利用的控制农业面源污染提高农田N、P利用率的生态沟渠。公布号为CN104891661A、名称为《一种人工稻田湿地系统及控制农田面源污染的方法》的中国专利公开了一种采用人工稻田湿地来控制农田面源污染并提高稻田N、P利用率的方法。

然而，目前对于农田排水水质处理技术的研究多集中在人工生态沟渠或人工湿地系统的单一处理效果上，具有污染物去除率较低、处理后的水中氮、磷等污染物含量仍超标、结构复杂和普适性差等缺点，且所提出的生态沟、人工湿地占地面积较多，不便于在试验站点等小面积上开展实验。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种经济可靠的、节约用地的、生态沟渠与人工湿地系统配合协调的能有效处理农田排水水质、增加农田系统生物多样性的生态试验装置，该试验装置占地面积小、可根据流量大小开展湿地水平流或垂直流试验。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种处理农田排水水质的生态试验系统，其特征在于：包括人工生态沟渠、人工湿地和用于排水的排水渠，所述人工湿地包括多级集水区和配水渠，所述每一级集水区底部与其前的配水渠之间设有用于进水且带第二控制阀门的混凝土管道，所述每一级集水区与其相邻两侧的配水渠之间通过混凝土墙隔离，且所述每一级集水区与其前的配水渠之间混凝土墙比与其后的配水渠之间混凝土墙高；所述第一级集水区前的配水渠为进水渠，所述最后一级集水区后的配水渠为退水渠，所述进水渠与所述人工生态沟渠尾端相连，所述退水渠与具有排水作用的排水渠相连。

作为改进，所述每一级集水区底部为夯实黏土层，其内部的填料层从下往上分为四层，分别为：卵石层、碎石层、粗砂层和草木灰层，在所述草木灰层上铺设种植土，在带有种植土的草木灰层上种植能吸附水体污染物的水生植物。

作为改进，所述每一级集水区内的混凝土管道数量为3-7根且等距分布，所述混凝土管道上设有多个用于出水的渗水小孔。

作为改进，所述集水区上种植的水生植物为芦苇、茭白或美人蕉，形成栅栏结构，吸附水中污染物。

作为改进，所述人工生态沟渠包括渠顶、渠壁、渠底和竹笼石，其横断面形状为梯形，所述渠壁为带生态孔的预制混凝土板，所述生态孔内填充有便于水生植物生长的草籽和基质混合物，所述渠底为铺设有一定厚度的压实粗砂和卵石层，所述竹笼石是由竹笼框架包裹卵石组成的正四棱柱，所述竹笼石宽度小于渠底宽度，竹笼石一侧紧靠渠壁设置。

作为改进，所述竹笼石顶部高程等于人工生态沟渠的排渍设计水位，多个竹笼石沿着人工生态沟渠流向左右相间、等距离设置，通过绕流、潜流以延长水流路径、增加排水的停留时间以及与卵石表面生物膜的接触面积，增强污染物吸附和处理效果。

作为改进，所述渠顶为混凝土水平衬砌，后与一定坡度的原有田埂连接，以在保证稳定性的基础上便于通行，渠顶高程等于排涝设计水位加上安全超高。

作为改进，沿着人工生态沟渠流向，在渠底等间距的设置用于支护渠壁的现浇支护混凝土块。

作为改进，所述人工生态沟渠和进水渠及排水渠之间均通过第一控制阀门相连。

作为改进，所述集水区有3到8级。

本发明有益效果是：

1、本发明将人工生态沟渠和人工湿地有效结合，经济可靠、节约用地，通过生态沟渠与人工湿地系统配合协调减少N、P排放量、提高农田排水水质处理效率。

2、本发明采用带孔的预制混凝土管作为过水管道，可以实现人工湿地垂直流和水平流的相互转换，具有控制方便灵活、污染物削减率高等优点。

3、本发明采用在人工生态沟渠内设置竹笼石，在沟渠内通过绕流、潜流以延长水流路径、增加排水的停留时间以及与卵石表面生物膜的接触面积，增强污染物吸附和处理效果。

附图说明

附图1是本发明的整体平面布置图。

附图2是人工湿地的剖面图。

附图3是人工生态沟渠的横向剖面图。

附图4是人工生态沟渠的俯视局部放大图。

其中，1-人工生态沟渠，2-排水渠，3-人工湿地，4-第一控制闸门，5-渠顶，6-进水渠，7-混凝土管道，8-配水渠，9-退水渠，10-第二控制阀门，11-混凝土墙，12-夯实黏土层，13-集水区，14-填料层，15-渠壁，16-现浇支护混凝土块，17-竹笼石，18-渠底。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1-4所示，一种处理农田排水水质的生态试验系统，包括人工生态沟渠1和人工湿地3。本具体实施中，人工生态沟渠1包括渠顶5、渠壁15、渠底18和竹笼石17，断面形状为梯形，人工生态沟渠1尾端与排水渠2和人工湿地3相连，并在各自连接处设置第一控制闸门4，人工湿地3包括进水渠6、配水渠8和退水渠9，退水渠9通过第一控制闸门4与排水渠2相连。

如图3-4所示，人工生态沟渠1的渠顶5由C20混凝土水平衬砌，后与适宜坡度的原有田埂连接，以在保证稳定性的基础上便于通行，渠顶高程等于排涝设计水位加上安全超高。为减少水流对沟渠侧壁的冲刷,保障沟渠侧壁两侧的物质能量交换，渠壁15由带生态孔的预制混凝土板铺设，板上的生态孔尺寸为2cm×10cm，且生态孔内填充有草籽及基质混合物，以便水生植物的生长。渠底18等间距地设置现浇支护混凝土块16，以固定两侧渠壁15的预制混凝土板、防止其变形，同时为防止冲刷，在渠底18铺设有一定厚度的压实粗砂和卵石层，并通过种植水草等水生植物来吸附污染物。竹笼石17是由竹笼框架和卵石组成的正四棱柱，竹笼石17宽度小于渠底18宽度，竹笼石17一侧紧靠渠壁15设置，所述竹笼石17顶部高程等于人工生态沟渠1的排渍设计水位，其左右相间、等距离（每隔70cm）在渠道中设置，以便形成绕流延长水流路径和增加污染物吸附。

如图2所示，人工湿地3主要分为配水区和三级集水区13，大小为3m×10m，所述配水区包括一个进水渠6、二个配水渠8和一个退水渠9，其大小尺寸相同均为300cm×60cm×100cm，主要起到蓄水与配水的作用，与集水区13之间通过C20的混凝土墙11相隔，混凝土墙11高低相间布置，高、低混凝土墙11顶部高程分别等于周围农田的排渍水位和排涝水位。在集水区13的混凝土墙底部，每隔65cm布置一根φ80的混凝土管道7，每级集水区13布置有3-7根，本实施例为5根，混凝土管道7管壁上分布有大量的渗水小孔，混凝土管道前端进水口处设置有第二控制阀门10，以便控制水流方向，实现垂直流与水平流的转换。集水区13底部由夯实黏土层12组成，内部的填料层14从下往上分为四层，分别为：卵石层15cm、碎石层20cm、粗砂层20cm和草木灰层15cm，上部铺设5cm厚的种植土后种植能吸附水体污染物的芦苇、美人蕉等水生植物。

本发明中，当农田处于排渍状态时，排水流量较小，农田中的水通过人工生态沟渠1汇集，同时一部分污染物被人工生态沟渠1内的水生吸收、降解，然后进入人工湿地3，这时由于水流量小，第二控制阀门10处于打开状态，配水区的水进入混凝土管道7，由混凝土管道7管壁上的渗水小孔流出，依次向上通过各个填料层，当集水区13水位达到一定高度后，水流越过低混凝土墙11进入下一级配水渠8，在此过程中，水流方向为垂直潜流，通过填料层的过滤作用和水生植物的吸收作用实现水质的净化。当农田处于排涝状态时，排水流量较大，人工生态沟渠1内的水水位上涨至竹笼石顶部以上，生态沟过流能力加大，这时由于水流量较大，第二控制阀门10处于关闭状态，配水区的水位达到一定高度后，水流直接越过高混凝土墙11进入集水区13，以此类推，在此过程中，水流为表面水平流，主要通过填料层的过滤作用水生植物的吸收作用实现污染物的吸收，在水流较小时，也可以根据试验需要开启或者关闭第二控制阀门10，实现人工湿地3的表面水平流或者垂直潜流的功能。当不需要实验室，开启第一控制阀门4，关闭进水渠6和退水渠9与排水渠2相连的阀门。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种处理农田排水水质的生态试验系统，其特征在于：包括人工生态沟渠(1)、人工湿地(3)和用于排水的排水渠(2)，所述人工湿地(3)包括多级集水区(13)和配水渠(8)，所述每一级集水区(13)底部与其前的配水渠(8)之间设有用于进水且带第二控制阀门(10)的混凝土管道(7)，所述每一级集水区(13)与其相邻两侧的配水渠(8)之间通过混凝土墙(11)隔离，且所述每一级集水区(13)与其前的配水渠(8)之间混凝土墙(11)比与其后的配水渠(8)之间混凝土墙(11)高；所述第一级集水区(13)前的配水渠(8)为进水渠(6)，所述最后一级集水区(13)后的配水渠(8)为退水渠(9)，所述进水渠(6)与所述人工生态沟渠(1)尾端相连，所述退水渠(9)与具有排水作用的排水渠(2)相连。

2.如权利要求1所述一种处理农田排水水质的生态试验系统，其特征在于：所述每一级集水区(13)底部为夯实黏土层(12)，其内部的填料层(14)从下往上分为四层，分别为：卵石层、碎石层、粗砂层和草木灰层，在所述草木灰层上铺设种植土，在带有种植土的草木灰层上种植能吸附水体污染物的水生植物。

3.如权利要求2所述一种处理农田排水水质的生态试验系统，其特征在于：所述每一级集水区(13)内的混凝土管道(7)数量为3-7根且等距分布，所述混凝土管道(7)上设有多个用于出水的渗水小孔。

4.如权利要求3所述一种处理农田排水水质的生态试验系统，其特征在于：所述集水区(13)上种植的水生植物为芦苇、茭白或美人蕉。

5.如权利要求1所述一种处理农田排水水质的生态试验系统，其特征在于：所述人工生态沟渠(1)包括渠顶(5)、渠壁(15)、渠底(18)和竹笼石(17)，其横断面形状为梯形，所述渠壁(15)为带生态孔的预制混凝土板，所述生态孔内填充有便于水生植物生长的草籽和基质混合物，所述渠底(18)为铺设有一定厚度的压实粗砂和卵石层，所述竹笼石(17)是由竹笼框架包裹卵石组成的正四棱柱，所述竹笼石(17)宽度小于渠底(18)宽度，竹笼石(17)一侧紧靠渠壁(15)设置。

6.如权利要求5所述一种处理农田排水水质的生态试验系统，其特征在于：所述竹笼石(17)顶部高程等于人工生态沟渠(1)的排渍设计水位，多个竹笼石(17)沿着人工生态沟渠(1)流向左右相间、等距离设置。

7.如权利要求5所述一种处理农田排水水质的生态试验系统，其特征在于：所述渠顶(5)为混凝土水平衬砌，后与一定坡度的原有田埂连接，以在保证稳定性的基础上便于通行，渠顶高程等于排涝设计水位加上安全超高。

8.如权利要求5所述一种处理农田排水水质的生态试验系统，其特征在于：沿着人工生态沟渠(1)流向，在渠底(18)等间距的设置用于支护渠壁(15)的现浇支护混凝土块(16)。

9.如权利要求1至8任意一种处理农田排水水质的生态试验系统，其特征在于：所述人工生态沟渠(1)和进水渠(6)及排水渠(2)之间均通过第一控制阀门(4)相连。

10.如权利要求9所述一种处理农田排水水质的生态试验系统，其特征在于：所述集水区(13)有3到8级。