CN108557988A - 一种农业面源污染控制的旱地土壤渗滤系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种农业面源污染控制的旱地土壤渗滤系统，包括旱地、闸门、提升井、高位水箱和循环灌溉系统；在旱地排水沟设置闸门，将降雨产流收集至提升井中，利用水泵提升至高位水箱储存，于缺水期利用输水管道将收集雨水循环灌溉至旱地，从而达到减少旱地系统面源污染外排，提高水资源和肥料利用效率和节水灌溉的目的；利用旱地作为天然土壤渗滤系统，净化沟内雨水，补充地下水资源。本发明还涉及一种农业面源污染控制的旱地土壤渗滤方法，通过该方法对旱地面源污染进行控制，可以使降雨产流外排减少30％以上，削减面源污染30‑50％，且施工方便，成本低廉。

Description

一种农业面源污染控制的旱地土壤渗滤系统及方法

技术领域

本发明属涉及农业面源污染控制技术领域的系统，具体地说，涉及一种有利于农业面源污染防控和节水灌溉的旱地土壤渗滤系统及方法。

背景技术

随着工业废水和城市生活污水等点源污染得到有效控制，农业面源污染已经逐渐成为水环境污染的最重要来源。农业面源污染受到地形地貌、下垫面条件、农事活动、水文气象等多种因素复合影响，具有隐蔽性、分散性、面广量大等特点，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。由于化肥的过度投入，加之利用率仅为30-35％，大量氮磷等元素随地表径流冲刷和土壤水运动进入地表水体，在区域内产生巨大的污染负荷，造成水体富营养化、水质恶化等环境问题，严重威胁着农业生产和饮用水安全。

根据土地利用现状调查，我国旱地主要分布在东北、华北和西南地区，占耕地总面积的56％以上。与水田相比，天然降雨和引洪漫灌是旱地水资源补充的主要来源，故降雨产流是造成旱地面源污染的首要途径。与此同时，我国是一个水资源贫乏的国家，人均水资源量仅为世界的1/4，且存在水资源时空分布不均衡等特点，淮河以北的广大地区拥有全国60％的耕地，却只有15％的水资源，缺水季节的干旱少雨长期以来是威胁我国北方农业正常生产的问题之一。

大量研究表明，由土壤、农作物和土壤微生物构成的旱地是一种天然的地表土壤渗滤系统。雨洪水进入旱地系统后，农药化肥等随水流自地表向下迁移，依次经过农作物、表层土、植物根系和包气带，通过物理截留、植物吸收、土壤吸附和生物降解等方式，可以使污染物得到有效削减。若能通过农田工程和科学管理等方式，增加降雨产流在旱地系统中的停留时间，则可以在减少面源污染物外排的同时，充分利用旱地土壤渗滤系统对面源污染物进行处理，补充和恢复地下水资源，提高肥料和水资源的利用率，有利于保障粮食生产和环境安全。

目前针对农业面源污染控制的技术，主要包括人工湿地、生态沟渠、人工多水塘等。如申请号为CN201320195725.1的专利阐述了一种适用于旱地农田的高效生态拦截沟渠，其沟渠两侧的渠壁表面铺设有带孔洞的水泥板,孔洞中种植香菇草，沟渠的渠底铺设有植草砖,利用生态沟渠对面源污染物进行拦截，可有效解决旱地农田种植过程中氮磷等营养元素流失问题。申请号CN201611064219.3的专利阐述了一种处理农田地表径流污染物的改良表面流人工湿地，包括植物吸收区和终沉集水区,终沉集水区与植物吸收区之间设置有透水墙，终沉集水区设置有进水渠,在进水渠上连通有可开闭的溢流渠。通过对人工湿地的结构改良，可以有效解决人工湿地对地形的依赖，降低维护成本，提高污染物去除效率。

以上专利都是针对面源污染物迁移途径进行控制，利用农田沟渠或外部工程对农田尾水进行处理，并未充分利用旱地农田本身的污染物净化潜力。

进一步检索中，尚未发现在保证农业生产的前提下，同时达到面源污染控制、提高水资源和肥料利用效率的技术报道。

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业面源污染防控和节水灌溉的旱地土壤渗滤系统及方法，通过提高雨洪水在旱地田块单元内的停留时间及循环利用，释放旱地本身对面源污染物的净化潜力，在保证农业生产的前提下，达到面源污染控制和提高水资源与肥料利用效率的目的。

本发明是通过以下技术方案实现的：

根据本发明的第一方面，提供一种农业面源污染控制的旱地土壤渗滤系统，包括：

旱地，为一水力系统封闭的田块单元，设有多个垄、多个沟和排水沟，多个所述垄用于种植旱作农作物；多个所述沟均与所述排水沟相通，产流自所述沟与土壤中进入所述排水沟；

闸门，安装于所述旱地中排水沟与所述旱地上一级干沟出口处，用于控制降雨产流向旱地外的排放，在产流多的情况下，利用所述闸门维持所述沟和所述排水沟中的水位，作为土壤渗滤系统；

提升井，包括过滤网、集水井、提升管和水泵；所述过滤网将排水沟中杂物和/或砾石截留，污水通过所述过滤网重力自流入所述集水井，并在所述集水井中停留沉淀，再由所述水泵经所述提升管提升至所述高位水箱中储存；

高位水箱，存储所述提升管提升的水，所述高位水箱的出水口高于旱地；所述高位水箱在丰水季节储存农田排水，在缺水季节提供灌溉水；

循环灌溉系统，用于将灌溉水自所述高位水箱中引出，灌溉旱地。

优选地，所述循环灌溉系统，包括一条总输水管和若干分水管；总输水管将灌溉水自所述高位水箱中引出，分配至各分水管；分水管位于所述旱地垄上，走向与垄一致，与总输水管之间以三通相连。

优选地，所述高位水箱底端设置进水口，该进水口连接所述提升管，所述出水口连接总输水管，所述高位水箱与所述总输水管驳接处设置流量阀。

优选地，所述总输水管沿所述排水沟走向平行布设，所述分水管与所述总输水管之间通过三通相连。

更优选地，所述分水管沿田垄走向平行布设，每隔20-50cm设置直径2-5mm排水孔，所述排水孔间隔与孔径根据作物需要进行调整。

优选地，所述闸门的高度高于排水沟的底板，所述过滤网设置于所述排水沟与所述集水井交汇截面，且所述过滤网高度高于排水沟底板；所述过滤网的高度高于所述闸门的高度。

优选地，所述集水井和高位水箱，其设计容积根据当地农田径流系数和汇水旱地面积计算确定，同时兼顾成本和污染负荷削减量。

更优选地，所述集水井的容积，按以下方法确定：

V₁＝0.015RA

其中，V₁为集水井容积(m³)，R为当地农田降雨径流系数，A为该排水沟接纳污水的汇水旱地面积(m²)；

更优选地，所述高位水箱的容积，按以下方法确定：

V₂＝0.5V₁

其中，V₁为集水井容积(m³)，V₂为高位水箱容积(m³)。

优选地，发生大于临界产流降雨量的降雨后，降雨产流自所述旱地的沟与土壤中进入所述排水沟，通过所述过滤网流入所述集水井，经所述提升管提升至所述高位水箱储存，于缺水季节使用，水流通过循环灌溉系统回用灌溉至农田；

在超出所述闸门内旱地可容纳的降雨发生后，降雨超出所述闸门的产流则溢流入上一级干沟，所述旱地的沟内的水位维持在所述闸门顶端的水平，水流持续向所述旱地下入渗，经过植物吸收、土壤吸附和/或微生物降解作用，起到净化的效果，补充地下水资源。

根据本发明的第二方面，提供一种采用上述系统的农业面源污染控制的旱地土壤渗滤方法，包括：

在旱地中排水沟与旱地上一级干沟出口处设置闸门，用于控制降雨产流向田块外的排放；

在旱地设置高位水箱和提升井，所述高位水箱的出水口高于旱地，所述高位水相位于所述提升井上方；

将降雨产流收集至所述提升井中，利用水泵将收集的雨水提升至所述高位水箱储存；

在缺水期时，利用循环灌溉系统将所述高位水箱中的雨水循环灌溉至旱地，从而达到减少旱地系统面源污染外排，提高水资源和肥料利用效率和节水灌溉的目的。

本发明所述系统以当地气候条件和单元田块实际规模为基础，通过闸门对于农田排水的管控，利用提升井、高位水箱和循环灌溉系统对单元田块内的降雨径流污水进行循环利用，并且在产流较多情况下维持沟中水位进行土壤渗滤，充分释放农田本身对污染物的消纳和净化潜力，达到减少旱地面源污染物排放，提高水资源和肥料利用率的目的。

与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：

(1)本发明适用于各种种植模式和作物种类的旱地，无需新建沟渠、人工湿地等其他处理设施，占地面积小，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，在保证农作物稳定产量的情况下，通过循环灌溉，提高水资源和肥料利用率，降低生产成本和劳动强度。

(3)农田排水量可降低30％以上，有效利用本系统的调蓄功能，降低农田暴雨产流的环境风险，预防地表水富营养化。

(4)农田面源污染物可削减30-50％，并释放旱地作为土壤渗滤系统的污染物消纳潜力，补充地下水资源，提高旱地生态系统稳定性。

(5)本发明通过降雨产流的储存和再利用，更好的保障缺水地区的农业生产。

(6)本发明采用半封闭储水方式，减少水资源的蒸发流失。

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为本发明的一实施例中系统的结构俯视图；

图2为本发明的一实施例中系统的结构剖面图；

图中：1.垄，2.沟，3.排水沟，4.闸门，5.过滤网，6.集水井，7.高位水箱，8.提升管，9.总输水管，10.流量阀，11.分水管，12.水流方向，13.水泵。

具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。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，为本发明的一实施例中农业面源污染控制的旱地土壤渗滤系统的结构俯视图，其中包括：旱地、闸门4、提升井、高位水箱7以及循环灌溉系统。其中：

所述旱地，为一水力系统封闭的田块单元，设有多个垄1、多个沟2和一排水沟3，所述垄用于种植旱作农作物；所述沟均与所述排水沟相通，用于农田排水或渗滤，旱地不改变原有耕作制度；

所述闸门4，安装于所述旱地中排水沟3与旱地上一级干沟出口处，用于控制降雨产流向旱地外的排放，保障污水向提升井中流动，在产流较多的情况下，利用闸门维持沟2和排水沟3中的水位，作为土壤渗滤系统；

所述提升井，包括过滤网5、集水井6、提升管7和水泵13；所述过滤网5将排水沟3中杂物和/或砾石截留，污水通过所述过滤网5重力自流入所述集水井6，以容纳降雨后的产流；降雨结束后，污水在所述集水井6中停留以进行沉淀，再由所述水泵13经所述提升管7提升至所述高位水箱中储存；

高位水箱7，存储所述提升管8提升的水，所述高位水箱7的出水口高于旱地；所述高位水箱7在丰水季节储存农田排水，在缺水季节提供灌溉水；

循环灌溉系统，用于将灌溉水自所述高位水箱7中引出，灌溉旱地。

进一步的，所述循环灌溉系统，包括一条总输水管9和若干分水管11，总输水管将灌溉水自所述高位水箱7中引出，分配至各分水管11，分水管11位于所述旱地的垄1上，走向与所述垄1一致。

基于上述的系统，本发明农业面源污染控制的旱地土壤渗滤方法，按照以下步骤进行：

在旱地中排水沟3与旱地上一级干沟出口处设置闸门4，用于控制降雨产流向田块外的排放；

在旱地设置高位水箱7和提升井，所述高位水箱7的出水口高于旱地，所述高位水箱7位于所述提升井上方；

将降雨产流收集至所述提升井中，利用水泵将收集的雨水提升至所述高位水箱7储存；

在缺水期时，利用循环灌溉系统将所述高位水箱7中的雨水循环灌溉至旱地，从而达到减少旱地系统面源污染外排，提高水资源和肥料利用效率和节水灌溉的目的。

以下对本发明上述系统和方法中各个细节进行详细描述，应当理解的是，以下具体描述仅是本发明部分实施例中的实施情况，并不用于限定本发明范围，在其他实施例中，也可以有其他的实现方式。

本发明在旱地排水沟设置闸门，将降雨产流收集至提升井中，利用水泵提升至高位水箱储存，于缺水期利用输水管道将收集雨水循环灌溉至旱地，从而达到减少旱地系统面源污染外排，提高水资源和肥料利用效率和节水灌溉的目的；利用旱地作为天然土壤渗滤系统，净化沟内雨水，补充地下水资源。

具体的，在本发明部分实施中：

旱地垄1沟2排水沟3平面尺寸以原有农田为准，不做改变，垄沟垂直高差＞40cm；

闸门4采用木制闸门或铸铁闸门，设置于排水沟3与上级干沟交汇处，宽度适合实际排水沟3尺寸，高度高于排水沟3底板20cm；

过滤网5采用不锈钢材质，网孔公称直径1cm，设置于排水沟与集水井6交汇截面，宽度适合实际排水沟3尺寸，高度高于排水沟3底板30cm；

集水井6采用树脂混凝土材质，集水井6容积参考以下方法确定：

V₁＝0.015RA

其中，V₁为集水井容积(m³)，R为当地农田降雨径流系数，A为该排水沟接纳污水的汇水旱地面积(m²)。

例如：对于面积为1亩的粉砂质土壤旱地，R＝0.3，集水井容积设计为3m³；对于面积为1亩的黄土或亚粘土旱地，R＝0.5，集水井容积设计为5m³。

基于集水井6的设计容积，结合当地农田实际利用情况及地层岩性，秉着节约耕地、控制成本的原则，可适当调整集水井6的长宽高比例；高位水箱7采用PE材质，底面高度高于垄1表面20cm以上，顶端设置通气孔，容积按以下方法确定：

V₂＝0.5V₁

其中，V₁为集水井容积(m³)，V₂为高位水箱容积(m³)。

高位水箱7底端设置进水口接提升管8，出水口接总输水管9，高位水箱与总输水管驳接处设置流量阀10；

总输水管采用PVC硬质管，公称外径50mm，沿排水沟走向平行布设；总输水管与分水管11之间以PVC三通连接，分水管采用PVC软管，公称外径25mm，沿田垄1走向平行布设，每隔20-50cm设置直径2-5mm排水孔，排水孔间隔与孔径根据作物需要进行调整。

如图2所示，水泵13采用无堵塞排污泵，扬程大于高位水箱7顶端与水泵13间相对高差；集水井6中的农田排水由水泵13经提升管8提升至高位水箱7中储存，提升管8采用不锈钢材质，公称直径与水泵相适应。

系统中的水流方向12为：发生大于临界产流降雨量的降雨后，降雨产流自沟2与土壤中进入排水沟3，通过过滤网5流入集水井6，经水泵13通过提升管8提升至高位水箱7储存，于缺水季节打开流量阀10，水流通过总输水管9和分水管11回用灌溉至农田；

在大于50mm降雨发生后，超出闸门4的产流溢流入上一级干沟，系统内沟2水位维持在闸门4顶端的水平，水流持续向下入渗，经过植物吸收、土壤吸附、微生物降解等作用，起到净化的效果，补充地下水资源。

本发明上述的各个部件优选的特征可以单独使用，在互相不矛盾的情况下也可以任意组合使用，组合使用时效果更好。

实施效果：

原旱地年排水量约160m³/亩，TN浓度0.5-70mg/L，TP浓度0.02-0.3mg/L，COD浓度20-500mg/L，年内尾水TN污染负荷4.8kg/亩，TP污染负荷0.02kg/亩，COD污染负荷42kg/亩。

应用本发明系统后，旱地年排水量约100m³/亩，比实施前削减约38％；TN浓度0.2-70mg/L，TP浓度0.06-0.12mg/L，COD浓度120-440mg/L，年内尾水TN污染负荷2.1kg/亩，TP污染负荷0.0097kg/亩，COD污染负荷28.6kg/亩，比实施前分别削减56.25％、51.5％和36.67％。

可见，本发明在旱地排水沟设置闸门，将降雨产流收集至提升井中，利用水泵提升至高位水箱储存，于缺水期利用输水管道将收集雨水循环灌溉至旱地，从而达到减少旱地系统面源污染外排，提高水资源和肥料利用效率和节水灌溉的目的。

本发明利用旱地作为天然土壤渗滤系统，净化沟内雨水，补充地下水资源。通过该方法对旱地面源污染进行控制，可以使降雨产流外排减少30％以上，削减面源污染30-50％，且施工方便，成本低廉。

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 (10)

1.一种农业面源污染控制的旱地土壤渗滤系统，其特征在于：包括：

旱地，为一水力系统封闭的田块单元，设有多个垄、多个沟和排水沟，多个所述垄用于种植旱作农作物；多个所述沟均与所述排水沟相通，产流自所述沟与土壤中进入所述排水沟；

闸门，安装于所述旱地中排水沟与所述旱地上一级干沟出口处，用于控制降雨产流向旱地外的排放，在产流多的情况下，利用所述闸门维持所述沟和所述排水沟中的水位，作为土壤渗滤系统；

提升井，包括过滤网、集水井、提升管和水泵；所述过滤网将排水沟中杂物和/或砾石截留，污水通过所述过滤网重力自流入所述集水井，并在所述集水井中停留沉淀，再由所述水泵经所述提升管提升至所述高位水箱中储存；

高位水箱，存储所述提升管提升的水，所述高位水箱的出水口高于旱地；所述高位水箱在丰水季节储存农田排水，在缺水季节提供灌溉水；

循环灌溉系统，用于将灌溉水自所述高位水箱中引出，灌溉旱地。

2.如权利要求1所述的农业面源污染控制的旱地土壤渗滤系统，其特征在于：所述循环灌溉系统，包括一条总输水管和若干分水管，总输水管将灌溉水自所述高位水箱中引出，分配至各分水管，分水管位于所述旱地的垄上，走向与所述垄一致。

3.如权利要求2所述的农业面源污染控制的旱地土壤渗滤系统，其特征在于：所述高位水箱底端设置进水口，该进水口连接所述提升管，所述出水口连接总输水管，所述高位水箱与所述总输水管驳接处设置流量阀。

4.如权利要求2所述的农业面源污染控制的旱地土壤渗滤系统，其特征在于：所述总输水管沿所述排水沟走向平行布设，所述分水管与所述总输水管之间通过三通相连。

5.如权利要求2所述的农业面源污染控制的旱地土壤渗滤系统，其特征在于：所述分水管沿田垄走向平行布设，每隔20-50cm设置直径2-5mm排水孔，所述排水孔间隔与孔径根据作物需要进行调整。

6.如权利要求1所述的农业面源污染控制的旱地土壤渗滤系统，其特征在于：所述闸门的高度高于排水沟的底板，所述过滤网设置于所述排水沟与所述集水井交汇截面，且所述过滤网高度高于排水沟底板；所述过滤网的高度高于所述闸门的高度。

7.如权利要求1-6任一项所述的农业面源污染控制的旱地土壤渗滤系统，其特征在于：所述集水井和高位水箱，其设计容积根据当地农田径流系数和汇水旱地面积计算确定，同时兼顾成本和污染负荷削减量。

8.如权利要求7所述的农业面源污染控制的旱地土壤渗滤系统，其特征在于：

所述集水井的容积，按以下方法确定：

V₁＝0.015RA

其中，V₁为集水井容积(m³)，R为当地农田降雨径流系数，A为该排水沟接纳污水的汇水旱地面积(m²)；

所述高位水箱的容积，按以下方法确定：

V₂＝0.5V₁

其中，V₁为集水井容积(m³)，V₂为高位水箱容积(m³)。

9.如权利要求1所述的农业面源污染控制的旱地土壤渗滤系统，其特征在于：所述系统中的水流方向为：

发生大于临界产流降雨量的降雨后，降雨产流自所述旱地的沟与土壤中进入所述排水沟，通过所述过滤网流入所述集水井，经所述提升管提升至所述高位水箱储存，于缺水季节使用，水流通过循环灌溉系统回用灌溉至农田；

在超出所述闸门内旱地可容纳的降雨发生后，降雨超出所述闸门的产流则溢流入上一级干沟，所述旱地的沟内的水位维持在所述闸门顶端的水平，水流持续向所述旱地下入渗，经过植物吸收、土壤吸附和/或微生物降解作用，起到净化的效果，补充地下水资源。

10.一种采用上述权利要求1-9任一项所述系统的农业面源污染控制的旱地土壤渗滤方法，其特征在于：包括：

在旱地中排水沟与旱地上一级干沟出口处设置闸门，用于控制降雨产流向田块外的排放；

在旱地设置高位水箱和提升井，所述高位水箱的出水口高于旱地，所述高位水相位于所述提升井上方；

将降雨产流收集至所述提升井中，利用水泵将收集的雨水提升至所述高位水箱储存；

在缺水期时，利用循环灌溉系统将所述高位水箱中的雨水循环灌溉至旱地，从而达到减少旱地系统面源污染外排，提高水资源和肥料利用效率和节水灌溉的目的。