CN108862861B - 一种农村面源污染的复合生态阻控系统及方法 - Google Patents

一种农村面源污染的复合生态阻控系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种农村面源污染的复合生态阻控系统，属于生态工程技术领域，所述复合生态阻控系统包括支沟(1)、支沟阻滞区(2)、主沟(3)、沉砂池(4)、河道湿地(5)和溢流堰(6)；所述河道湿地(5)、溢流堰(6)和沉砂池(4)顺次设置在主沟上，位于支沟和支沟阻滞区下游；农田或村落的排水依次经过所述支沟(1)、支沟阻滞区(2)汇入主沟后，经过河道湿地(5)、溢流堰(6)和沉砂池(4)的除杂与净化。本发明中，所述整个复合生态阻控系统全面综合的提高了处理农村面源污染的能力，不占用土地资源、基本不需要管理维护。

Description

一种农村面源污染的复合生态阻控系统及方法
技术领域
本发明属于生态工程技术领域，尤其涉及一种农村面源污染的复合生态阻控系统和方法。
背景技术
农村面源污染是指农村生活和农业生产活动中，溶解的固体污染物，如农田中的土粒、氮素、磷素、农药重金属、农村禽畜粪便与生活垃圾等有机或无机物质，在降雨或灌溉的冲刷作用下，通过农田地表径流和农田径流等，使大量污染物进入受纳水体(河流、湖泊、水库、海湾)所引起的污染。由于过去农业生产片面强调产量，长期过量的使用农药、化肥、饲料等农业投入品，同时，畜禽粪便、农作物秸秆和农田残膜等农业废弃物处置不合理，使得有机物、无机物和重金属等残积物不断在土壤中沉积，加剧农村面源污染，严重威胁了水体环境的健康。
目前，农村面源污染已成为了我国流域性水体污染的主要根源和空气污染的重要来源，且农村面源污染具有分散性、隐蔽性和空间异质性，不利于集中处理。据相关研究表明，农村面源污染主要是在降雨和灌溉冲刷作用下，通过农田径流等途径，进入受纳水体，为此对农村面源污染的防控主要是对农田径流污染进行生态拦截。随着生态工程技术的兴起，国内外许多国家进行了试验研究及实践，产生了丰盛的硕果，主要包括生态拦截带技术、生态沟渠技术、湿地工程技术等。其中，生态拦截带需占用大量土地，工程量大，工程措施覆盖范围有限，且还会有部分径流流入渠道，不利于大范围的推广；生态沟渠技术主要用于收集面源污染径流，并对收集的径流进行预处理，但水体滞留时间较短，对氮素、磷素拦截效果不突出；湿地工程技术，水力负荷小时，占地面积较大，对高负荷污拦截效果有限。
这三种生态工程技术各有优缺点，且单一形式的生态工程技术无法有效解决日益增长的农村面源污染问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种针对农村面源污染的复合生态阻控方法，因地制宜的对现有土地进行微地形生态化改造，克服了单一形式的生态工程技术的局限性和不足，全面综合的提高了处理农村面源污染的能力，不占用土地资源、基本不需要管理维护。本发明所述方法对农田径流和村落污水进行了全面综合的拦截和消纳，能够强化农村面源污染的阻控，有效削减农田径流和农村生活污水污染物的输出。
为了实现上述目的，本发明提供了一种农村面源污染的复合生态阻控系统，包括支沟(1)、支沟阻滞区(2)、主沟(3)、沉砂池(4)、河道湿地(5)和溢流堰(6)；所述河道湿地(5)、溢流堰(6)和沉砂池(4)顺次设置在主沟内，位于支沟和支沟阻滞区下游；农田或村落的排水依次经过所述支沟(1)、支沟阻滞区(2)汇入主沟后，经过河道湿地(5)、溢流堰(6)和沉砂池(4)的除杂与净化。
优选的，所述支沟阻滞区(2)位于支沟(1)与主沟(3)连接处，当所述支沟(1)与农田径流连接时，所述支沟阻滞区(2)由支沟(1)到主沟(3)的方向依次包括第一植被区(7)、透水墙(8)、第二植被区(9)和反硝化过滤墙(10)。
优选的，当所述支沟(1)与村落径流连接时，所述支沟阻滞区(2)由支沟(1)到主沟(3)的方向依次包括第一植被区(7)和透水墙(8)。
优选的，所述第一植被区和第二植被区种植湿地植物。
优选的，所述反硝化过滤墙(10)包括外侧无砂混凝土衬砌和位于所述无砂混凝土衬砌内部的反硝化填料；所述反硝化填料包括木屑和土壤。
优选的，所述透水墙采用石块堆砌而成，所述石块之间留有缝隙。
优选的，所述河道湿地内设置多个平行的导流埂(11)，所述导流埂(11)分别与主沟的两侧边垂直连接，交错设置；所述导流埂(11)的长度为主沟宽的75～85％。
优选的，所述导流埂的间距为1.8～2.5m。
优选的，所述河道湿地内导流埂之间形成导流槽为第三植被区(12)；所述第三植被区(12)交叉种植不同种类的湿地植物。
优选的，所述导流埂为断面梯形，所述导流埂顶面种植植物。
本发明提供的农村面源污染的复合生态阻控系统，包括支沟(1)、支沟阻滞区(2)、主沟(3)、沉砂池(4)、河道湿地(5)和溢流堰(6)；所述河道湿地(5)、溢流堰(6)和沉砂池(4)顺次设置在主沟上，位于支沟和支沟阻滞区下游；农田或村落的排水依次经过所述支沟(1)、支沟阻滞区(2)汇入主沟后，经过河道湿地(5)、溢流堰(6)和沉砂池(4)的除杂与净化。
在本发明中，农田径流和村落径流由支沟汇入、在支沟阻滞区内进行预处理，能够初步拦截水体中氮素、磷素等；然后，水体汇入主沟，通过河道湿地进行深度处理，强化氮素、磷素的拦截和吸收作用，溢流堰保证了上游水体有一定的壅高，延长水体在河道湿地中的滞留时间；最后，河道湿地出水进入沉砂池，沉砂池能较大程度的沉淀水体中的颗粒物。本发明中，整个复合生态阻控系统全面综合的提高了处理农村面源污染的能力，不占用土地资源、基本不需要管理维护。
附图说明
图1为实施例1中的复合生态阻控系统结构示意图；
图2为实施例2中的复合生态阻控系统结构示意图；
图3为实施例1中河道湿地、溢流堰和沉砂池的剖面图。
具体实施方式
本发明提供了一种农村面源污染的复合生态阻控系统，结构如图1所示，包括支沟(1)、支沟阻滞区(2)、主沟(3)、沉砂池(4)、河道湿地(5)和溢流堰(6)；所述河道湿地(5)、溢流堰(6)和沉砂池(4)顺次设置在主沟上，位于支沟和支沟阻滞区下游；农田或村落的排水依次经过所述支沟(1)、支沟阻滞区(2)汇入主沟后，经过河道湿地(5)、溢流堰(6)和沉砂池(4)的除杂与净化。
在本发明中，所述支沟优选为现有沟渠经过微调获得的，本发明对所述支沟的宽度没有特殊限定，现有沟渠的宽度即可。本发明中所述支沟与主沟连接，本发明对所述支沟的个数没有特殊限定，视具体情况而定。
本发明中，所述支沟阻滞区(2)位于支沟(1)与主沟(3)连接处，当所述支沟(1)与农田径流连接时，所述支沟阻滞区(2)由支沟(1)到主沟(3)的方向依次包括第一植被区(7)、透水墙(8)、第二植被区(9)和反硝化过滤墙(10)。本发明中，当所述支沟(1)与村落径流连接时，所述支沟阻滞区(2)由支沟(1)到主沟(3)的方向依次包括第一植被区(7)和透水墙(8)。
在本发明中，所述第一植被区和第二植被区种植植物，本发明对所述种植植物品种没有特殊限定，采用本领域常规的植物即可。
本发明中，所述透水墙优选的采用石块堆砌而成，所述石块之间留有缝隙；在本发明具体实施过程中，所述块石的平均直径优选为25～35cm，更优选为30cm，本发明在所述石块堆砌过程中，优选的采用水泥固定，以保持一定的强度；本发明中所述透水墙留有缝隙，保证墙体的透水性。本发明中，所述透水墙的高度优选为0.4～0.6m，更优选为0.5m；所述透水墙的宽度优选为0.25～0.35m，更优选为0.3m。本发明中所述透水墙位于支沟与主沟的交汇处，对支沟形成围挡，所述透水墙的作用为初步拦截上游水体中的颗粒物。
在本发明中，由于农田径流，氮素含量较大，因此设置反硝化过滤墙来增强反硝化作用，促进氮素的拦截和消纳。在本发明中，所述反硝化过滤墙(10)包括两侧无砂混凝土衬砌和位于所述无砂混凝土衬砌内部的反硝化填料。本发明中，所述反硝化墙的宽度优选为0.5～0.7m,更优选为0.6m，所述反硝化墙的高度优选为1.2～1.8m，更优选为1.5m，本发明所述反硝化墙地下部分高度优选的为0.8～1.2m，更优选为1m，所述反硝化墙地上部分优选为0.4～0.6m，更优选为0.5m。本发明中，所述无砂混凝土衬砌的厚度优选为8～12cm，更优选为10cm；本发明中，所述无砂混凝土是一种没有细骨料，只用粗骨料的混凝土，具有一定的强度，同时具有良好的透水性；本发明对所述无砂混凝土的来源没有特殊限定，采用本领域常规的无砂混凝土即可，在本发明具体实施过程中，所述无砂混凝土为现场制作并浇筑。本发明中所述反硝化填料包括木屑和土壤，所述木屑和土壤的体积比优选为1：(1.5～3)，更优选为1:2；本发明所述木屑还可替换为锯末，本发明利用木屑或锯末提供有机质，强化土壤中的反硝化过程。
本发明中，所述河道湿地(5)、溢流堰(6)和沉砂池(4)顺次设置在主沟上，位于支沟和支沟阻滞区下游。本发明中，所述河道湿地内设置多个平行的导流埂。在本发明中，所述导流埂优选为开挖的土方堆叠而成，更优选为断面梯形，本发明中，所述导流埂两侧采用浆砌石堆砌，所述导流埂的顶部宽优选为0.8～1.2m，更优选为1m，所述导流埂的底部宽优选为1.2～1.8m，更优选为1.5m，所述导流埂的高优选为0.3～0.5m，更优选为0.4m；本发明中，所述导流埂的长度优选为主沟宽的75～85％，更优选为主沟宽的80％。本发明中，所述导流埂分别与主沟的两侧连接，交错设置；所述导流埂的间距优选为1.8～2.5m，更优选为2m；所述导流埂的顶面种植植物，所述植物优选为狗牙根，所述狗牙根的种植密度优选为40～60株/m2，更优选为50株/m2，本发明中所述狗牙根能够起到美观的作用。本发明中，所述导流埂的数目由上游来水量和水体滞留时间来确定，所述导流埂主要用来延长水体滞留时间。本发明中，所述河道湿地主要从农村面源污染的传播途径对水体中氮素和磷素进行强化处理。
在本发明中，所述河道湿地内导流埂之间形成导流槽为第三植被区(12)；所述第三植被区(12)交叉种植不同种类的湿地植物。本发明对所述湿地植物的种类没有特殊限定，采用本领域常规湿地植物即可，例如香蒲和美人蕉。
本发明在所述河道湿地下游，设置溢流堰(6)和沉砂池(4)。本发明中，所述溢流堰横跨在主沟内，两侧优选的采用石块堆砌，石块与石块间留有过水通道，所述溢流堰的宽度优选为3.5～4.5m，更优选为4m；所述溢流堰的高度优选为0.8～1.2m，更优选为1.0m。本发明中所述的溢流堰主要作用是减缓上游水体流速，延长水体滞留时间，促进沉砂池内颗粒物的沉降和河道湿地对氮素、磷素的拦截和消纳作用。本发明中，所述沉砂池内进行土方开挖，种植水生植物；本发明中，所述沉砂池主要用来沉淀上游污水中的颗粒物，促进磷素的沉降。
本发明对所述河道湿地、溢流堰和沉砂池的数量没有特殊限定，所述河道湿地、溢流堰和沉砂池优选的每0.7～1.3公里建设一个。
本发明在现有地形基础上进行微地形生态化改造得到的支沟阻滞区、河道湿地、溢流堰和沉砂池，村落径流和农田径流由支沟汇入、在支沟阻滞区内进行预处理，在河道湿地、沉砂池内沉淀强化处理的三级复合生态阻控系统，对农村面源污染进行了全面综合的拦截和消纳，其有益作用如下：首先，上游村落和农田径流水体汇入支沟，进入支沟阻滞区，依次途径第一植被区、透水墙、第二植被区和反硝化墙，第一植被区和第二植被区能够初步拦截水体中氮素、磷素等；然后，水体汇入主沟，河道湿地依靠第三植被区和多级导流埂的功能能对污水进行深度处理，强化氮素、磷素的拦截和吸收作用，溢流堰保证了上游水体有一定的壅高，延长水体在河道湿地中的滞留时间；最后，河道湿地出水进入沉砂池，沉砂池能较大程度的沉淀水体中的颗粒物。整个阻控系统全面综合的提高了处理农村面源污染的能力，不占用土地资源、基本不需要管理维护。
下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
一种针对农村面源污染的复合生态阻控系统，由支沟、支沟阻滞区、主沟、沉砂池、溢流堰、河道湿地和近自然湿地构成。结构如图1所示，图1中包括支沟(1)、支沟阻滞区(2)、主沟(3)、沉砂池(4)、河道湿地(5)、溢流堰(6)构成；支沟阻滞区(2)由第一植被区(7)、透水墙(8)、第二植被区(9)和反硝化过滤墙(10)组成，河道湿地(5)由多级导流埂(11)和第三植被区(12)组成。
图1中0后面的数字代表该类型结构的编号，如101为1#支沟，102为2#支沟。1#支沟汇水区以农田耕地为主，径流氮磷含量较高，支沟阻滞区为透水墙加反硝化墙加植被；2#支沟为汇水区以村落为主，径流颗粒物较多，支沟阻滞区为透水墙加植被。
其中主沟渠宽20m，1号支沟阻滞区长15m，宽10m，2号支沟阻滞区长8m，宽5m，1号支沟阻滞区设计有反硝化过滤墙、植被区、透水墙和植被区，2号支沟阻滞区设计有透水墙和植被区；河道湿地位于支沟阻滞区下游处，河道湿地长100m，共建有28个导流埂，导流埂与导流埂之间形成导流槽，内部种植水生植物；溢流堰共五个。沉砂池设计在溢流堰下游主沟内，沉砂池两侧为石块堆砌而成，石块与石块间留有缝隙，沉砂池内部进行开挖。
实施例2
一种针对农村面源污染的复合生态阻控系统，由支沟、支沟阻滞区、主沟、沉砂池、溢流堰、河道湿地和近自然湿地构成。主沟渠宽20m，支沟共五条，其中，1号支沟滞留区长15m，宽10m，2号支沟滞留区长8m，宽5m，3号支沟滞留区长8m，宽5m，4号支沟滞留区长10m，宽8m，5号支沟滞留区长10m，宽5m，1号与4号支沟滞留区设计有反硝化过滤墙、植被区、透水墙和植被区，2号、3号和5号支沟滞留区设计有透水墙和植被区；沉砂池五个，分别设计在支沟滞留区下游主沟内，沉砂池两侧为石块堆砌而成，石块与石块间留有缝隙，沉砂池内部进行开挖；河道湿地共五个，分别位于沉砂池下游处，其中，1号河道湿地长100m，共建有28个导流埂，2号河道湿地长50m，共建有14个导流埂，3号河道湿地长50m，共建有14个导流埂，4号河道湿地长70m，共建有9个导流埂，5号河道湿地长33m，共建有9个导流埂，导流埂与导流埂之间形成导流槽，内部种植水生植物；溢流堰共五个。
该系统面源污染阻控效果明显，监测结果显示，系统处理前水体总氮为3mg/L，总磷0.08mg/L，高锰酸盐指数3.12mg/L，处理后水体总氮0.7mg/L，总磷0.02mg/L，高锰酸盐指数1.91mg/L。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种农村面源污染的复合生态阻控系统，由支沟(1)、支沟阻滞区(2)、主沟(3)、沉砂池(4)、河道湿地(5)和溢流堰(6)组成；所述河道湿地(5)、溢流堰(6)和沉砂池(4)顺次设置在主沟内，位于支沟和支沟阻滞区下游；农田或村落的排水依次经过所述支沟(1)、支沟阻滞区(2)汇入主沟后，经过河道湿地(5)、溢流堰(6)和沉砂池(4)的除杂与净化；
所述支沟阻滞区(2)位于支沟(1)与主沟(3)连接处，当所述支沟(1)与农田径流连接时，所述支沟阻滞区(2)由支沟(1)到主沟(3)的方向依次包括第一植被区(7)、透水墙(8)、第二植被区(9)和反硝化过滤墙(10)；
当所述支沟(1)与村落径流连接时，所述支沟阻滞区(2)由支沟(1)到主沟(3)的方向依次包括第一植被区(7)和透水墙(8)；
所述河道湿地内设置多个平行的导流埂，所述导流埂分别与主沟的两侧边垂直连接，交错设置；所述导流埂的长度为主沟宽的75～85％；
所述溢流堰的宽度为3.5～4.5m；所述溢流堰的高度为0.8～1.2m。
2.根据权利要求1所述的复合生态阻控系统，其特征在于，所述第一植被区和第二植被区种植湿地植物。
3.根据权利要求1所述的复合生态阻控系统，其特征在于，所述反硝化过滤墙(10)包括外侧无砂混凝土衬砌和位于所述无砂混凝土衬砌内部的反硝化填料；所述反硝化填料包括木屑和土壤。
4.根据权利要求1所述的复合生态阻控系统，其特征在于，所述透水墙采用石块堆砌而成，所述石块之间留有缝隙。
5.根据权利要求1所述的复合生态阻控系统，其特征在于，所述河道湿地内导流埂之间形成导流槽为第三植被区(12)；所述第三植被区(12)交叉种植不同种类的湿地植物。
6.根据权利要求5所述的复合生态阻控系统，其特征在于，所述导流埂(11)的间距为1.8～2.5m。
7.根据权利要求6所述的复合生态阻控系统，其特征在于，所述导流埂(11)为断面梯形，所述导流埂(11)顶面种植植物。
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