CN107368108A - 田沟塘一体化联合调控稻田面源污染的方法 - Google Patents

田沟塘一体化联合调控稻田面源污染的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种田沟塘一体化联合调控稻田面源污染的方法，涉及农业环境保护技术领域。该方法针对稻田径流水量水质耦合特征，结合现代测量技术、信息搜集传输技术和智能控制技术，实现稻田氮磷径流流失调控与循环利用，达到削减氮磷排放、净化水体、资源回用的目标。本发明的优点是：充分发挥稻田的自净功能，当氮磷浓度高于阈值时，不排或者减少田面水和塘堰水向外排放，延长氮磷在稻田中的停留时间；利用田面和塘堰消纳污染物含量较高的初期降雨径流，将后期多余的、不能消纳的、污染物含量较低的径流，通过外排通道，直接排放，最大限度的减少降雨径流对地表水体的污染。

Description

田沟塘一体化联合调控稻田面源污染的方法
技术领域
本发明涉及农业环境保护技术领域，具体是涉及田沟塘一体化联合调控稻田面源污染的方法。
背景技术
氮磷的过量输入是造成地表水体富营养化发生的重要原因。农业面源污染，作为地表水环境的重要威胁，已成为国内外相关研究人员关注的焦点(王静,郭熙盛,吕国安,等.农业面源污染研究进展及其发展态势分析[J].江苏农业科学, 2016,44(9):21-24)。与能纳入污水处理厂的城市生活点源污染和工业点源污染不同，农业面源污染并非单一污染源所造成的，它往往是由多种易扩散的污染源所引起的，在农村地区，降雨、积雪融化、灌溉等形成的地表径流使污染物从污染源头传播开来，染污物最终汇入河流、湖泊、天然湿地、海水、地下水等水体中，从而引起水体富营养化或其他形式的污染，对水资源造成了很大的危害。农业面源污染的主要来源有：种植业、养殖业、生活源以及大气中的污染物的降尘等(张维理,武淑霞,冀宏杰,等.中国农业面源污染形势估计及控制对策I.21世纪初期中国农业面源污染的形势估计[J].中国农业科学,2004,37(7):1008-1017)。
农田氮磷径流流失是指农业种植活动中投入的氮磷营养物质随降水或灌溉形成的地表径流流入地表水体。针对农田氮磷径流流失对地表水环境的严重威胁，国内外研究者提出了多种污染防治技术，例如：生态沟渠、生态塘、人工湿地等，利用水、土壤、填料、大气、动植物和微生物之间相互作用，这些系统内发生复杂的物理、化学及生物反应来达到削减氮磷、净化水体的目标(杨林章,施卫明,薛利红,等.农村面源污染治理的“4R”理论与工程实践——总体思路与“4R”治理技术[J].农业环境科学学报,2013,32(1):1-8)。但是，这些物理、化学及生物反应需要一定的停留时间，往往会因为来水水量过大，而无法有效净化水体。因此，利用农田沟塘系统来容纳地表径流、延长水力停留时间，达到农田面源污染防治的目的，成为了一种有效的方法(胡万里,刘宏斌,刘申,等.利用农田沟塘系统防治区域性农田面源污染的方法,CN104480920A[P].2015；刘宏斌, 翟丽梅,李旭东,等.利用沟塘系统防治平原水网区农田面源污染的方法, CN105236501A[P].2016)，但是，如何考虑稻田水量和水质特征，针对降雨和灌溉，充分发挥稻田的自净能力，尤其是当降雨量较大、无法容纳所有径流时，实现对稻田面源污染的精准、智能调控，还需进一步明确。
依据以往研究，从全年稻田氮磷流失时段分布来看，稻田施肥期和雨季是稻田氮磷径流流失的主要时期；从单场大、暴雨过程的氮磷流失规律来看，稻田排水氮磷浓度分布也存在时间差异性，初期降雨径流氮磷浓度大，后期氮磷浓度较小。由于这种稻田氮磷径流流失发生特征，会导致水体在生态沟渠、生态塘、人工湿地等处理系统中水力负荷过大、停留时间短等问题，使处理效率受较大影响。因此，基于稻田氮磷径流流失发生特征，结合现代测量技术、信息搜集传输技术和智能控制技术，开发稻田氮磷径流流失调控与循环利用技术，对于农业面源污染的有效防治，具有重要作用。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种田沟塘一体化联合调控稻田面源污染的方法。该方法针对稻田径流水量水质耦合特征，结合现代测量技术、信息搜集传输技术和智能控制技术，实现稻田氮磷径流流失调控与循环利用，达到削减氮磷、净化水体、资源回用的目标。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
田沟塘一体化联合调控稻田面源污染的方法，该方法包含下列步骤：
a、利用卫星遥感影像和小型无人机航测，结合地面勘察，确定稻田灌排单元的平面布局和空间结构，得到稻田灌排单元中田面、沟渠和塘堰的面积，以及田面水位和塘堰水位所对应的容积；由水稻专家确定适宜水稻生长的各生育期的田面最高水位Lfh和最低水位Lfl；依据地方水环境保护目标确定氮排放阈值Nm和磷排放阈值Pm；
b、依据稻田灌排单元的平面布局和空间结构，规划田面和塘堰的通道，用沟渠连通田面和塘堰，形成田面-沟渠-塘堰循环通道，在沟渠与塘堰连接处设置直接连通到周边河流或湖泊的外排通道；
c、在田面和塘堰中安装水位传感器和水质传感器，在田面与沟渠连接处、沟渠与塘堰连接处、塘堰出水口及外排通道安装闸门，在塘堰中安装水泵；水位传感器和水质传感器将监测到的信息实时无线传输至信息处理模块，信息处理模块无线连接调控决策模块，调控决策模块无线连接径流流向流量控制模块，径流流向流量控制模块无线控制闸门和水泵；
d、计算稻田灌排单元汇水面积S、水稻各生育期所对应的田面最高水位Lfh的容积Qfh和最低水位Lfl的容积Qfl、塘堰最高蓄水位Lph的容积Qph和最低蓄水位Lpl的容积Qpl；
e、依据气象信息预测的降雨量或预计灌溉水量D调节田面水位Lf和塘堰水位Lp：
e1、当D＝0、且信息处理模块接收到塘堰水的氮磷浓度高于田面水的氮磷浓度时，信息处理模块指令调控决策模块，调控决策模块启动径流流向流量控制模块，径流流向流量控制模块无线控制闸门和水泵，采取自流或泵提的方式，开始田面-沟渠-塘堰的水流循环；当D＝0、且信息处理模块接收到塘堰水的氮磷浓度小于或等于田面水的氮磷浓度时，信息处理模块指令调控决策模块，调控决策模块终止田面-沟渠-塘堰的水流循环；
e2、当0＜D≤[(Qph－Qp)+(Qfh－Qf)]/(a×S)时，Qp为塘堰实时水位对应的容积、Qf为田面实时水位对应的容积、a为径流系数；在径流产生后，信息处理模块指令调控决策模块，调控决策模块启动径流流向流量控制模块，径流流向流量控制模块无线控制闸门和水泵，采取自流或泵提的方式，将径流全部纳入塘堰和田面；
e3、当[(Qph－Qp)+(Qfh－Qf)]/(a×S)＜D≤[(Qph－Qpl)+(Qfh－ Qfl)]/(a×S)时：
如果信息处理模块接收到塘堰水和田面水的氮浓度低于阈值Nm或者磷浓度低于阈值Pm时，信息处理模块指令调控决策模块，调控决策模块启动径流流向流量控制模块，径流流向流量控制模块无线控制闸门和水泵，采取自流或泵提的方式，提前外排塘堰水和田面水，将塘堰和田面分别降低至水位Lpn和Lfn，使塘堰和田面可以利用容积为Qpn和Qfn，Qpn+Qfn＝Qph+Qfh－a×D×S；在径流产生后，通过调控决策模块启动径流流向流量控制模块，径流流向流量控制模块无线控制闸门和水泵，将径流全部纳入塘堰和田面；
如果信息处理模块接收到塘堰水和田面水的氮浓度等于或高于阈值Nm或者磷浓度等于或高于阈值Pm时，不外排塘堰水和田面水；在径流产生后，信息处理模块指令调控决策模块，调控决策模块启动径流流向流量控制模块，径流流向流量控制模块无线控制闸门和水泵，采取自流或泵提的方式，将径流纳入塘堰和田面；当塘堰水位和田面水位分别达到Lph和Lfh时，通过外排通道，将其余的径流直接外排；
e4、D＞[(Qph－Qpl)+(Qfh－Qfl)]/(a×S)时：
如果信息处理模块接收到塘堰水和田面水的氮浓度低于阈值Nm或者磷浓度低于阈值Pm时，信息处理模块指令调控决策模块，调控决策模块启动径流流向流量控制模块，径流流向流量控制模块无线控制闸门和水泵，采取自流或泵提的方式，提前外排塘堰水和田面水，将塘堰和田面分别降低至最低水位Lpl和Lfl，在径流产生后，通过调控决策模块启动径流流向流量控制模块，径流流向流量控制模块无线控制闸门和水泵，将径流纳入塘堰和田面；当塘堰水位和田面水位分别达到Lph和Lfh时，通过外排通道，将其余的径流直接外排；
如果信息处理模块接收到塘堰水和田面水的氮浓度等于或高于阈值Nm或者磷浓度等于或高于阈值Pm时，不外排塘堰水和田面水；在径流产生后，通过调控决策模块启动径流流向流量控制模块，径流流向流量控制模块无线控制闸门和水泵，将径流纳入塘堰和田面；当塘堰水位和田面水位分别达到Lph和Lfh时，通过外排通道，将其余的径流直接外排。
本发明的优点：
因为氮磷在稻田中是营养物质，而将其排放到河流或湖泊中时，氮磷就成了污染物，是造成水体富营养化的关键因素。本发明充分发挥稻田的自净功能，当氮磷浓度高于阈值时，不排或者减少塘堰水和田面水向外排放，延长氮磷在稻田中的停留时间；针对初期降雨径流氮磷浓度大、后期氮磷浓度较小的特点，本发明利用田面和塘堰消纳污染物含量较高的初期降雨径流，将后期多余的、不能消纳的、污染物含量较低的径流，通过外排通道，直接排放，最大限度的减少降雨径流对地表水体的污染。
附图说明
图1为田沟塘一体化联合调控稻田面源污染工作示意图。
其中：1为田面，2为沟渠，3为塘堰，4为周边河流或湖泊，5为外排通道， 6为水位传感器，7为水质传感器，8为闸门，9为水泵，10为信息处理模块， 11为调控决策模块，12为径流流向流量控制模块。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明作进一步的说明。
由图1可知，田沟塘一体化联合调控稻田面源污染的方法，该方法包含下列步骤：
a、利用卫星遥感影像和小型无人机航测，结合地面勘察，确定稻田灌排单元的平面布局和空间结构，得到稻田灌排单元中田面1、沟渠2和塘堰3的面积，以及田面1水位和塘堰3水位所对应的容积；由水稻专家确定适宜水稻生长的各生育期的田面1最高水位Lfh和最低水位Lfl；依据地方水环境保护目标确定氮排放阈值Nm和磷排放阈值Pm；
b、依据稻田灌排单元的平面布局和空间结构，规划田面1和塘堰3的通道，用沟渠2连通田面1和塘堰3，形成田面-沟渠-塘堰循环通道，在沟渠2与塘堰 3连接处设置直接连通到周边河流或湖泊4的外排通道5；
c、在田面1和塘堰3中安装水位传感器6和水质传感器7，在田面1与沟渠2连接处、沟渠2与塘堰3连接处、塘堰3出水口及外排通道5安装闸门8，在塘堰3中安装水泵9；水位传感器6和水质传感器7将监测到的信息实时无线传输至信息处理模块10，信息处理模块10无线连接调控决策模块11，调控决策模块11无线连接径流流向流量控制模块12，径流流向流量控制模块12无线控制闸门8和水泵9；
d、计算稻田灌排单元汇水面积S、水稻各生育期所对应的田面1最高水位 Lfh的容积Qfh和最低水位Lfl的容积Qfl、塘堰3最高蓄水位Lph的容积Qph和最低蓄水位Lpl的容积Qpl；
e、依据气象信息预测的降雨量或预计灌溉水量D调节田面1水位Lf和塘堰 3水位Lp：
e1、当D＝0、且信息处理模块10接收到塘堰水的氮磷浓度高于田面水的氮磷浓度时，信息处理模块10指令调控决策模块11，调控决策模块11启动径流流向流量控制模块12，径流流向流量控制模块12无线控制闸门8和水泵9，采取自流或泵提的方式，开始田面-沟渠-塘堰的水流循环，优化稻田水力条件，增强净化效果；当D＝0、且信息处理模块10接收到塘堰水的氮磷浓度小于或等于田面水的氮磷浓度时，信息处理模块10指令调控决策模块11，调控决策模块11 终止田面-沟渠-塘堰的水流循环；
e2、当0＜D≤[(Qph－Qp)+(Qfh－Qf)]/(a×S)时，Qp为塘堰3实时水位对应的容积、Qf为田面1实时水位对应的容积、a为径流系数；在径流产生后，信息处理模块10指令调控决策模块11，调控决策模块11启动径流流向流量控制模块12，径流流向流量控制模块12无线控制闸门8和水泵9，采取自流或泵提的方式，将径流全部纳入塘堰3和田面1，在雨水短缺期无水外排，延长污染物的停留时间，充分发挥稻田自净能力；
e3、当[(Qph－Qp)+(Qfh－Qf)]/(a×S)＜D≤[(Qph－Qpl)+(Qfh－ Qfl)]/(a×S)时：
如果信息处理模块10接收到塘堰水和田面水的氮浓度低于阈值Nm或者磷浓度低于阈值Pm时，信息处理模块10指令调控决策模块11，调控决策模块11启动径流流向流量控制模块12，径流流向流量控制模块12无线控制闸门8和水泵 9，采取自流或泵提的方式，提前外排塘堰水和田面水，将塘堰3和田面1分别降低至水位Lpn和Lfn，使塘堰3和田面1可以利用容积为Qpn和Qfn，Qpn+Qfn＝ Qph+Qfh－a×D×S；在径流产生后，通过调控决策模块11启动径流流向流量控制模块12，径流流向流量控制模块12无线控制闸门8和水泵9，将径流全部纳入塘堰3和田面1；
如果信息处理模块10接收到塘堰水和田面水的氮浓度等于或高于阈值Nm或者磷浓度等于或高于阈值Pm时，不外排塘堰水和田面水；在径流产生后，信息处理模块10指令调控决策模块11，调控决策模块11启动径流流向流量控制模块12，径流流向流量控制模块12无线控制闸门8和水泵9，采取自流或泵提的方式，将径流纳入塘堰3和田面1；当塘堰水位和田面水位分别达到Lph和Lfh时，通过外排通道5，将其余的径流直接外排，利用田面和塘堰消纳污染物含量较高的初期降雨径流，将后期多余的、不能消纳的、污染物含量较低的径流，通过外排通道，直接排放，最大限度的减少降雨径流对地表水体的污染；
e4、D＞[(Qph－Qpl)+(Qfh－Qfl)]/(a×S)时：
如果信息处理模块10接收到塘堰水和田面水的氮浓度低于阈值Nm或者磷浓度低于阈值Pm时，信息处理模块10指令调控决策模块11，调控决策模块11启动径流流向流量控制模块12，径流流向流量控制模块12无线控制闸门8和水泵 9，采取自流或泵提的方式，提前外排塘堰水和田面水，将塘堰3和田面1分别降低至最低水位Lpl和Lfl，在径流产生后，通过调控决策模块11启动径流流向流量控制模块12，径流流向流量控制模块12无线控制闸门8和水泵9，将径流纳入塘堰3和田面1；当塘堰3水位和田面1水位分别达到Lph和Lfh时，通过外排通道5，将其余的径流直接外排；
如果信息处理模块10接收到塘堰水和田面水的氮浓度等于或高于阈值Nm或者磷浓度等于或高于阈值Pm时，不外排塘堰水和田面水；在径流产生后，通过调控决策模块11启动径流流向流量控制模块12，径流流向流量控制模块12 无线控制闸门8和水泵9，将径流纳入塘堰3和田面1；当塘堰3水位和田面1 水位分别达到Lph和Lfh时，通过外排通道5，将其余的径流直接外排。

Claims (1)

1.田沟塘一体化联合调控稻田面源污染的方法，其特征在于，该方法包含下列步骤：
a、利用卫星遥感影像和小型无人机航测，结合地面勘察，确定稻田灌排单元的平面布局和空间结构，得到稻田灌排单元中田面(1)、沟渠(2)和塘堰(3)的面积，以及田面(1)水位和塘堰(3)水位所对应的容积；由水稻专家确定适宜水稻生长的各生育期的田面(1)最高水位Lfh和最低水位Lfl；依据地方水环境保护目标确定氮排放阈值Nm和磷排放阈值Pm；
b、依据稻田灌排单元的平面布局和空间结构，规划田面(1)和塘堰(3)的通道，用沟渠(2)连通田面(1)和塘堰(3)，形成田面-沟渠-塘堰循环通道，在沟渠(2)与塘堰(3)连接处设置直接连通到周边河流或湖泊(4)的外排通道(5)；
c、在田面(1)和塘堰(3)中安装水位传感器(6)和水质传感器(7)，在田面(1)与沟渠(2)连接处、沟渠(2)与塘堰(3)连接处、塘堰(3)出水口及外排通道(5)安装闸门(8)，在塘堰(3)中安装水泵(9)；水位传感器(6)和水质传感器(7)将监测到的信息实时无线传输至信息处理模块(10)，信息处理模块(10)无线连接调控决策模块(11)，调控决策模块(11)无线连接径流流向流量控制模块(12)，径流流向流量控制模块(12)无线控制闸门(8)和水泵(9)；
d、计算稻田灌排单元汇水面积S、水稻各生育期所对应的田面(1)最高水位Lfh的容积Qfh和最低水位Lfl的容积Qfl、塘堰(3)最高蓄水位Lph的容积Qph和最低蓄水位Lpl的容积Qpl；
e、依据气象信息预测的降雨量或预计灌溉水量D调节田面(1)水位Lf和塘堰(3)水位Lp：
e1、当D＝0、且信息处理模块(10)接收到塘堰水的氮磷浓度高于田面水的氮磷浓度时，信息处理模块(10)指令调控决策模块(11)，调控决策模块(11)启动径流流向流量控制模块(12)，径流流向流量控制模块(12)无线控制闸门(8)和水泵(9)，采取自流或泵提的方式，开始田面-沟渠-塘堰的水流循环；当D＝0、且信息处理模块(10)接收到塘堰水的氮磷浓度小于或等于田面水的氮磷浓度时，信息处理模块(10)指令调控决策模块(11)，调控决策模块(11)终止田面-沟渠-塘堰的水流循环；
e2、当0＜D≤[(Qph－Qp)+(Qfh－Qf)]/(a×S)时，Qp为塘堰(3)实时水位对应的容积、Qf为田面(1)实时水位对应的容积、a为径流系数；在径流产生后，信息处理模块(10)指令调控决策模块(11)，调控决策模块(11)启动径流流向流量控制模块(12)，径流流向流量控制模块(12)无线控制闸门(8)和水泵(9)，采取自流或泵提的方式，将径流全部纳入塘堰(3)和田面(1)；
e3、当[(Qph－Qp)+(Qfh－Qf)]/(a×S)＜D≤[(Qph－Qpl)+(Qfh－Qfl)]/(a×S)时：
如果信息处理模块(10)接收到塘堰水和田面水的氮浓度低于阈值Nm或者磷浓度低于阈值Pm时，信息处理模块(10)指令调控决策模块(11)，调控决策模块(11)启动径流流向流量控制模块(12)，径流流向流量控制模块(12)无线控制闸门(8)和水泵(9)，采取自流或泵提的方式，提前外排塘堰水和田面水，将塘堰(3)和田面(1)分别降低至水位Lpn和Lfn，使塘堰(3)和田面(1)可以利用容积为Qpn和Qfn，Qpn+Qfn＝Qph+Qfh－a×D×S；在径流产生后，通过调控决策模块(11)启动径流流向流量控制模块(12)，径流流向流量控制模块(12)无线控制闸门(8)和水泵(9)，将径流全部纳入塘堰(3)和田面(1)；
如果信息处理模块(10)接收到塘堰水和田面水的氮浓度等于或高于阈值Nm或者磷浓度等于或高于阈值Pm时，不外排塘堰水和田面水；在径流产生后，信息处理模块(10)指令调控决策模块(11)，调控决策模块(11)启动径流流向流量控制模块(12)，径流流向流量控制模块(12)无线控制闸门(8)和水泵(9)，采取自流或泵提的方式，将径流纳入塘堰(3)和田面(1)；当塘堰水位和田面水位分别达到Lph和Lfh时，通过外排通道(5)，将其余的径流直接外排；
e4、D＞[(Qph－Qpl)+(Qfh－Qfl)]/(a×S)时：
如果信息处理模块(10)接收到塘堰水和田面水的氮浓度低于阈值Nm或者磷浓度低于阈值Pm时，信息处理模块(10)指令调控决策模块(11)，调控决策模块(11)启动径流流向流量控制模块(12)，径流流向流量控制模块(12)无线控制闸门(8)和水泵(9)，采取自流或泵提的方式，提前外排塘堰水和田面水，将塘堰(3)和田面(1)分别降低至最低水位Lpl和Lfl，在径流产生后，通过调控决策模块(11)启动径流流向流量控制模块(12)，径流流向流量控制模块(12)无线控制闸门(8)和水泵(9)，将径流纳入塘堰(3)和田面(1)；当塘堰(3)水位和田面(1)水位分别达到Lph和Lfh时，通过外排通道(5)，将其余的径流直接外排；
如果信息处理模块(10)接收到塘堰水和田面水的氮浓度等于或高于阈值Nm或者磷浓度等于或高于阈值Pm时，不外排塘堰水和田面水；在径流产生后，通过调控决策模块(11)启动径流流向流量控制模块(12)，径流流向流量控制模块(12)无线控制闸门(8)和水泵(9)，将径流纳入塘堰(3)和田面(1)；当塘堰(3)水位和田面(1)水位分别达到Lph和Lfh时，通过外排通道(5)，将其余的径流直接外排。
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