CN106258814A - 一种智慧型水作田面浅水湿地氮磷流失防控系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种智慧型水作田面浅水湿地氮磷流失防控系统，包括中央控制系统，泵站，灌溉系统，水田和水位调节闸门；中央控制系统包括数据采集分析模块、控制基站和信号接收器；数据采集分析模块综合分析水生作物水肥管理和生长阶段确定所需田面水位，并传导至泵站和水位调节闸门，控制泵站的水泵启闭，调节水位调节闸门的闸门水位；数据采集分析模块结合天气预报，在降雨前对水田水位进行预降，使系统尽量不产生被动排水；当需主动排水时尽量保证水在田间停留时间不少于所需时间，以避免含高浓度氮磷的尾水大量流出。本发明利用农田本身对氮磷的消纳、净化，在保证作物稳产高产的前提下达到农业面源污染物最少限度向区域外排放。

Description

一种智慧型水作田面浅水湿地氮磷流失防控系统

技术领域

本发明涉及一种水作田面浅水湿地系统，具体地，涉及一种有利于防控农田氮磷流失和面源污染的智慧型水作田面浅水湿地系统。

背景技术

随着点源污染的逐步有效控制，农业面源污染对水环境的污染贡献逐年提高。农业面源污染具有“随机性大，影响因子复杂；分布范围广，影响深远；形成过程复杂，机理模糊；潜伏周期长，危害大”等特点，由此导致对农业面源污染的监测和治理相对都比较困难，其长期无序排放引起的环境问题日趋严重。

由不合理的施肥和灌溉排水模式造成农田尾水氮磷超标是农业面源污染的主要成因之一。我国农业生产普遍存在过量施用化肥农药现象，以太湖流域为例，农田肥料年用量平均为氮肥570～600kg/hm²，磷肥79.5～99kg/hm²，大大超过了合理施用量范围，化肥平均利用率仅为30％～35％。过量的化肥投入提高了土壤的氮磷背景值，增加了氮磷向水体流失的风险和流失量。此外，传统的农田灌溉和排水方式比较粗放，以水稻田为例，需要灌排水时农民在田埂开挖缺口，连通农田沟渠，保水期则用木板、瓦片等对缺口进行简单围堵，劳动强度大，无法精准控制，而且渗漏严重。稻田施肥后如发生较大降雨，则稻田排水携带高浓度的氮磷直接流入环境水体，不仅造成肥料的浪费，更给河流、湖泊等受纳水体带来严重的环境压力。因此，为了实现对农田氮磷流失和面源污染的有效防控，遏制水环境富营养化趋势，对稻田的灌溉施肥和排水的时机和总量进行管理具有重要的意义。

根据水生作物的生理特性，在一个种植季中，水田大部分时间保有2-15cm的田面水，由水、土壤、田埂、水生作物、微生物和其他动植物共同构成一个水作田面浅水湿地系统。在系统内部，氮磷并非污染物，而是必须的营养物质，为保证水田的稳产高产，必须施加基肥，蘖肥和穗肥等。除了化肥以外，灌溉水、沼液、农村生活污水等均可成为氮磷的来源。根据文献报道，进入水田的营养物质在7-15天后可大幅度降低并保持稳定，此后的稻田排水环境风险大幅降低，氮磷等污染物浓度甚至可低于周围环境水体，水田湿地可以成为氮磷的消纳汇。然而，由于过量施肥、施肥后遭遇暴雨、土壤渗漏、无序排放等导致系统中的营养物大量流出，这种情况下水田则转变为环境水体的污染源。如何弱化水田负面影响、强化水田生态功能是防控农业面源污染的重要途径。

目前，建设生态农田的措施多集中于农田水系改造、生态沟渠、生态库塘等。如申请号201410036964.1的专利公开了一种灌区稻田排水沟串联湿地净污系统，其结构包括灌水渠、稻田、排水沟，含湿地净污池，在每块稻田退水口下方设置湿地净污池，多级串联应用，形成“珍珠链”式灌区稻田排水沟串联湿地净污系统，农田退水经逐级净化后排入临近水体。在保持排水沟有效输水的基础上，同时还能有效减少农田退水中的有害物质和N、P等营养元素，避免临近接纳水域的水质恶化。

申请号201310016873.7的专利公开了一种控制农业面源污染提高农田N、P利用率的生态沟渠，渠壁上部由中部具有孔的生态混凝土预制板块排列而成，渠壁下部和渠底用碎石或卵石铺设，空隙处填充耕作土，种植挺水植物，在渠底养殖浅水类水产品，沟渠侧壁每隔30～50米设置生态阶梯种植浅水水底菌藻，在沟渠沿水流方向每隔50～100米设置生态混凝土制成的生态板，形成植物栅栏。通过提高沟渠湿地生态系统生物量，利用系统协同作用，实现对水体污染物质的阻挡、降解、吸收、利用，达到减少排出水体中污染物质，提高农田氮、磷利用率。

以上专利都是在田块外部，利用农田沟渠、塘或新建生态处理设施等，对农田尾水进行生态处理，然而利用农田本身对氮磷的消纳、净化，在保证作物稳产高产的前提下达到农业面源污染物最少限度向区域外排放的工艺和技术尚未有涉及。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种有利于农田氮磷流失和面源污染防控的智慧型水作田面浅水湿地系统，利用农田本身对氮磷的消纳、净化，在保证作物稳产高产的前提下达到农业面源污染物最少限度向区域外排放。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种智慧型水作田面浅水湿地氮磷流失防控系统，包括中央控制系统，泵站，灌溉系统，水田和水位调节闸门；所述中央控制系统包括数据采集分析模块、控制基站和信号接收器；其中：

所述数据采集分析模块综合分析水生作物水肥管理和生长阶段确定所需田面水位，并将水位控制信息传导至泵站和水位调节闸门，控制泵站的水泵启闭，调节水位调节闸门的闸门位置；所述数据采集分析模块结合天气预报，在降雨前对水田水位进行预降，增加田间水容量以接纳初期雨水，使系统尽量不产生被动排水；当需主动排水时保证水在田间停留时间不少于所需时间，避免含高浓度氮磷的尾水大量流出；

所述控制基站安装在水田附近，将数据采集分析模块发出的水位控制信息转化为无线信号；

所述信号接收器与控制水泵、水位调节闸门的开关串联，接收控制基站发送的无线信号控制水泵或闸门的启闭，实现无线全自动控制。

优选地，所述泵站，用于灌溉和循环，农灌水可来源于外部水系，也可以来源于水田系统内部循环。结合水肥一体化技术，还可添加肥料、沼液和农村生活污水等，经稀释无害化等预处理，达到农灌水标准后由泵站按照中央控制系统的指令输入水田。

优选地，所述灌溉系统因地制宜，可采取暗渠，明渠，管道等不同形式，将泵站输送的灌溉水肥迅速均匀的分布到各个田块，各田块之间不产生明显的灌溉时间差。

优选地，所述水田可种植水稻或其他水生作物(如水稻、茭白、慈姑、红菱、荸荠、莼菜、莲藕等等)，无需改变原有耕种制度。

优选地，所述水位控制闸门，设置自动控制模式与手动控制模式，自控模式下由安装在闸门驱动元件上的信号接收器自动接收数据采集分析模块控制信号并调整控制水位，手动模式由手轮进行人工操作。

本发明所述系统结合天气预报，施肥周期和水生作物生长各阶段的特性，进行数据分析，通过中央控制器发出指令给安装在稻田的远程控制水位调节闸门，合理、精确调节水田水位，达到强化水田湿地功能，管理田面水滞留时间，充分消纳营养物质，减少水田氮磷流失的目的。与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明适用于各种种植模式的水作田面，无需新建沟渠，池塘和其他处理设施，不占用宝贵的耕地资源，节约工程投资。

(2)本发明不影响农作物的正常生产，无需调整种植模式和生长周期，在保证水生作物产量稳定的情况下可减少农民的劳动强度，完善农田水利设施。

(3)农田排水量以及灌溉用水量可降低30％以上，有效利用农田自身调蓄功能，节约灌溉用水，大幅降低初期雨水环境风险。

(4)农田氮磷流失可降低50％以上，强化水作田面浅水湿地氮磷汇的功能，充分消纳营养物质，节约化肥投入，防控农田面源污染。

(5)适应现代农业的建设趋势，依托物联网新技术，实现农田管理的精准化，自动化，智能化。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明系统的结构示意图；

图2为本发明系统农田水处理流程图；

图3-4为本发明一实施例中水位调节闸门的结构示意图；

图中：中央控制系统1、泵站2、灌溉系统3、水田4、水位调节闸门5；

升降螺杆51，手轮52，框架53，翻板54，密封橡胶55，底轴56，侧板57，底板58，传动臂59，螺杆接口510，刻度条511。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，将所述智慧型水作田面浅水湿地氮磷流失防控系统系统应用到位于江苏省某农场的稻田，系统主要包括中央控制系统1、泵站2、灌溉系统3、水田4(稻田)和水位调节闸门5。

其中，稻田共包含五个田块，总面积120亩，每年种植单季水稻，冬闲时种植绿肥。

所述中央控制系统1包括数据采集分析模块、控制基站和信号接收器；所述数据采集分析模块综合分析水稻水肥管理和生长阶段确定所需田面水位，并将该水位控制信息传导至泵站和水位调节闸门，控制泵站的水泵启闭，调节水位调节闸门的闸门水位；所述数据采集分析模块结合天气预报，在降雨前对水田水位进行预降，增加湿地水容量以接纳初期雨水，使系统尽量不产生被动排水；当需主动排水时尽量保证水在田间停留时间不少于所需时间(比如7天)，避免含高浓度氮磷的尾水大量流出；

控制基站安装在水田4附近，可将数据采集分析模块发出的控制信息转化为无线信号。根据控制面积可选用不同功率的基站。

信号接收器与控制水泵2和水位调节闸门5的开关串联，接收基站发送的无线信号控制水泵或闸门的启闭，实现无线全自动控制。

所述泵站2用于灌溉和循环，所述灌溉系统3，采取管道形式，将泵站输送的灌溉水肥迅速均匀的分布到各个田块。农灌水来源于附近湖荡，养殖场沼液和农村生活污水三个部分，经预处理达到农灌水水质标准(GB5084-2005)后，通过泵站2和灌溉管道系统3进入稻田。在满足水稻生长所需的同时，借助水田中土壤－水稻生态系统的蒸发、吸附、过滤、吸收、生化反应等作用对田面水进行深度处理。一般在施肥7～15天后，田面水中的污染浓度即可降至相对稳定的低位。

所述水田4，种植水稻，不改变原有耕种制度。水稻季田面水位保持在2-15cm。五个田块共有安装了水位调节闸门5的排水口39个。中央控制系统1结合天气预报，渗漏/蒸腾速率和农作物生长规律等计算田面水位，反馈给泵站2和水位调节闸门5。在暴雨来临前将田内低浓度田面水排出，闸门控制水位高于田面最高水位100mm以上。在水稻生长期，单场可控雨量不小于大雨水平(24小时内降雨量50mm)。使农田排出的尾水在水量和水质方面达到最低值(甚至不排出)。排出的农田尾水将进入沟渠塘系统进一步处理。目前泵站和水位调节闸门采用手动控制模式，远期规划采用自动控制模式。

所述水位控制闸门5安装在田块出水口，高程相同的连片田块可连通水系，多个出水口统一进行控制。具体的，水位控制闸门5可实现从全开至指定水位的连续控制的闸门，所需水位由中央控制系统计算，根据不同作物和生长时期的特点可实现单场可控雨量50mm(大雨)-100mm(大暴雨)。闸门可设置自动控制模式与手动控制模式，自控模式下由安装在闸门驱动元件上的信号接收器自动接收数据采集分析模块的控制信号并调整控制水位，手动模式可由手轮进行人工操作。

如图3-4所示，在一优选实施例中，所述水位调节闸门5可以采用201620181407.3中的闸门，包括：升降螺杆51，手轮52，框架53，翻板54，密封橡胶55，底轴56，侧板57，底板58，传动臂59，螺杆接口510，刻度条511；其中：

侧板57和底板58为一体结构，一块底板58和两块侧板57构成“凹”字形状结构；框架53为凹槽形结构，其呈倒“凹”字状扣于侧板57外部，且框架53下部内侧与两边侧板57焊接为一体；框架53高度为侧板57高度的2倍；翻板54的底边通过底轴56与底板58铰连；翻板54与侧板57接触部位、翻板54与底板58链接的部分有密封橡胶55；翻板54的中前部通过支铰与传动臂59的一端铰连；传动臂59的另一端和升降螺杆51通过螺杆接口510铰连；框架53的顶端中部开孔，升降螺杆51从该孔中穿过；手轮52安装在框架53顶端中部开孔处上方，通过转动手轮52提升或者降下升降螺杆51，升降螺杆51的提升或者降下运动通过传动臂59带动翻板54的中上部提起或者放下，从而实现闸门从全开至指定水位之间的连续调节；刻度条511用于标示实测控制水位，可喷印或预刻在框架53或靠近翻板54顶端一侧的侧板57外侧。

所述闸门在使用时水流方向与翻板一般成钝角，可减小冲击力矩、减轻闸门翻板振荡、增加使用寿命，并且可以避免因为水中杂物淤积影响翻板开合。所述传动臂为圆弧形，力矩传递效率高，通过优化设计，减小摩擦力，使手轮可以轻松转动，设计手动操作力不大于100牛顿。

实施效果：原稻田排水口年均排水总量约90,000m³，尾水COD_Cr浓度30～100mg/L，氨氮浓度1.8～2.2mg/L，TN浓度2～4mg/L，TP浓度为0.5～1.5mg/L。年均排放COD_Cr5.40吨，总氮0.27吨，总磷0.07吨。

应用智慧型水作田面浅水湿地系统以后，稻田尾水排放量约50,000m³，尾水COD_Cr浓度15～40mg/L，氨氮浓度0.5～1.5mg/L，TN浓度1.2～2.0mg/L，TP浓度为0.1～0.5mg/L。年均排放COD_Cr 2.80吨，总氮0.18吨，总磷0.03吨。分别比实施前削减了62.96％，52.38％和69.39％。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种智慧型水作田面浅水湿地氮磷流失防控系统，其特征在于，包括中央控制系统，泵站，灌溉系统，水田和水位调节闸门；所述中央控制系统包括数据采集分析模块、控制基站和信号接收器；其中：

所述数据采集分析模块综合分析水生作物水肥管理和生长阶段确定所需田面水位，并将水位控制信息传导至泵站和水位调节闸门，控制泵站的水泵启闭，调节水位调节闸门的闸门位置；所述数据采集分析模块结合天气预报，在降雨前对水田水位进行预降，增加田间水容量以接纳初期雨水，使系统尽量不产生被动排水；当需主动排水时保证水在田间停留时间不少于所需时间，避免含高浓度氮磷的尾水大量流出；

所述控制基站安装在水田附近，将数据采集分析模块发出的水位控制信息转化为无线信号；

所述信号接收器与控制水泵、水位调节闸门的开关串联，接收控制基站发送的无线信号控制水泵或闸门的启闭，实现无线全自动控制。

2.根据权利要求1所述的智慧型水作田面浅水湿地氮磷流失防控系统，其特征在于，所述泵站，用于农田灌溉和循环，水来源于外部水系或者来源于水田系统内部循环。

3.根据权利要求2所述的智慧型水作田面浅水湿地氮磷流失防控系统，其特征在于，所述泵站，其灌溉用水中添加肥料、沼液和农村生活污水，经稀释无害化处理，达到标准后由泵站按照中央控制系统的指令输入水田。

4.根据权利要求1所述的智慧型水作田面浅水湿地氮磷流失防控系统，其特征在于，所述灌溉系统为暗渠、明渠、管道中一种或几种，将泵站输送的灌溉水/水肥迅速均匀的分布到各个田块。

5.根据权利要求1所述的智慧型水作田面浅水湿地氮磷流失防控系统，其特征在于，所述水位控制闸门安装在田块出水口，高程相同的连片田块可连通水系，多个出水口统一进行控制。

6.根据权利要求5所述的智慧型水作田面浅水湿地氮磷流失防控系统，其特征在于，所述水位控制闸门，实现从全开至指定水位的连续控制，所需水位由中央控制系统计算，根据不同作物和生长时期的特点实现单场可控雨量50mm-100mm。

7.根据权利要求5所述的智慧型水作田面浅水湿地氮磷流失防控系统，其特征在于，所述水位控制闸门，设置自动控制模式与手动控制模式，自控模式下由安装在闸门驱动元件上的信号接收器自动接收数据采集分析模块控制信号并调整控制水位，手动模式由手轮进行人工操作。