CN110981097A - 一种阻控农业面源磷流失的多级生态系统 - Google Patents

一种阻控农业面源磷流失的多级生态系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种阻控农业面源磷流失的多级生态系统，由依坡地呈自然落差的梯田分布设置，包括：沉沙汇水系统，分布于整个坡地，包括截洪沟、排水沟及沉砂池；植物篱‑生态沟渠系统，分布于坡地梯田内；所述植物篱‑生态沟渠系统包括植物篱和生态沟渠；梯级坡岸湿地，位于所述梯田下部的坡地；富磷生态堤岸，位于所述坡地下部及消落带上方。本发明所述的阻控农业面源磷流失的多级生态系统能够对库区小流域坡耕地农业面源磷流失进行有效拦截和控制，减少水土流失，净化降雨径流，防控大型人工水库库区水体、特别是支流水体的富营养化。

Description

一种阻控农业面源磷流失的多级生态系统
技术领域
本发明涉及面源污染控制技术领域，尤其是一种阻控农业面源磷流失的多级生态系统。
背景技术
流域坡耕地水土和氮磷等面源流失治理是近几十年来水土保持和环境保护工作的重点。非点源污染主要来自周边农田径流和水土流失携带的营养物质，两者都产生于降雨径流过程中，尤其是强降雨条件下，随降雨径流泥沙携带氮磷等营养元素大量流失。农业面源磷流失主要采用人工湿地、生态沟、修筑梯田、植物篱等技术来控制，这些技术的特点主要是提高土壤涵养肥水能力，减少地表径流及径流中污染物的种类与含量。发明专利CN105776736B公开的“一种低山丘陵区农业面源磷流失治理的方法”、发明专利CN108191054A公开的“农村综合面源污染的生态控制体系及构建方法”、发明专利CN103918373A公开的“三峡库区小流域农业面源磷流失多重拦截消纳系统”，均将多种面源污染治理措施有机组合，形成了具有一定适应性的农村综合面源治理措施，且具有较好的治理效果。但是这些发明均未考虑强降雨条件下各处理措施对面源径流的消纳能力。因此，针对强降雨条件下陡坡耕地水土及氮磷流失量大的问题，开发一套既经济又具有稳定处理效果且能适宜库区降雨时期相对集中、强度大的环境特点的小流域坡耕地农业面源磷流失综合治理系统，阻断污染物的迁移和流失过程、控制和拦截陆源性污染向水体的输入扩散，对各类大型人工水库库区保土保肥、截流控污及水质提高具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种阻控农业面源磷流失的多级生态系统。本发明提供的技术方案如下：
一种阻控农业面源磷流失的多级生态系统，依自然落差的坡地分布设置，所述坡地依自然落差形成有多级梯田，所述坡地下方为消落带；
所述多级生态系统包括沿所述坡地自上而下依次设置的植物篱-生态沟渠系统、梯级坡岸湿地和富磷生态堤岸，及设置于多级所述梯田区域的沉沙汇水系统；
所述植物篱-生态沟渠系统，包括设置于所述梯田内的植物篱、及设置于每3至5级所述梯田交接处的生态沟渠；
所述梯级坡岸湿地和所述富磷生态堤岸设置于多级所述梯田区域下方的所述坡地上。
本发明提供的技术方案至少包括以下有益效果：
1、本发明是针对大型人工水库库区沿岸坡耕地化肥施用量及流失量大的特征研发的一种采取逐级阻控、阻断污染物迁移和流失以拦截和净化陆源性磷污染的多级生态系统，形成以“坡面汇水沉沙系统-坎篱组合-生态沟渠-径流坡岸湿地-富磷生态堤岸”的组合系统，采用了拦-蓄-生物净化多级组合的技术集成。
2、本发明实施例集成面源磷流失拦截阻控效果显著，根据监测结果显示，相比于示范工程建设前，示范区水体总磷年平均浓度由0.980mg/L减少到0.368mg/L，降幅62.45％；泥沙含量由7.041g/L降低至未检出。应用实例监测结果表明，采用本发明提供的阻控农业面源磷流失的多级生态系统后，泥沙拦截率达90％以上，径流水体总磷降低幅度达60％以上。
3、本发明为三峡库区某河流域农业面源磷流失治理提供了综合治理关键技术，为三峡库区控制农业面源磷流失、水土流失、涵养水源等提供技术支持，为控制库区农业面源磷流失战略决策提供科学支持，整体提升了该某河流域农村面源污染控制环境管理水平，实现了三峡库区农业面源磷流失的综合防治。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明提供的阻控农业面源磷流失的多级生态系统的技术流程图；
图2为本发明提供的阻控农业面源磷流失的多级生态系统平面布置图；、
图3为本发明实施例提供的排水沟截面图；
图4为本发明实施例提供的沉砂池截面图；
图5为本发明实施例提供的生态沟渠截面图；
图6为本发明实施例提供的梯级坡岸湿地截面示意图；
图7为本发明实施例提供的调节槽平面示意图；
图8为图7中1处剖面示意图；
图9为图7中2处剖面示意图；
图10为本发明实施例提供的富磷生态堤岸示意图；
图11为图10中的护土框格示意图；
图12为本发明提供的植物篱-生态沟渠系统示意图；
附图标记：1沉沙汇水系统、10截洪沟、11排水沟、12沉砂池、2植物篱-生态沟渠系统、21植物篱、22生态沟渠、3梯级坡岸湿地、4富磷生态堤岸、5坡地、6调节槽、60调节池、61布水槽、610自流管、62步梯、7梯田、70石埂。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种阻控农业面源磷流失的多级生态系统，依自然落差的坡地5分布设置，坡地5依自然落差形成有多级的梯田7，坡地5下方为消落带(附图未示出)，多级生态系统包括：沉沙汇水系统1，包括分别设置于坡地5不同位置的截洪沟10、排水沟11及沉砂池12；植物篱-生态沟渠系统2，包括设置于梯田7内的植物篱21，及设置于每3-5级梯田7交接处的生态沟渠22；梯级坡岸湿地3，设置于梯田7下方的坡地5上；富磷生态堤岸4，位于梯级坡岸湿地3与消落带之间。沿坡地5由上至下依次为退耕还林区、多级梯田7、梯级坡岸湿地3和富磷生态堤岸4，其中，沉沙汇水系统1和植物篱-生态沟渠系统2设置在多级梯田7区域，梯级坡岸湿地3和富磷生态堤岸4设置于多级梯田7区域下方的坡地5上。
具体的，截洪沟10沿坡地5等高线布设并位于多级梯田7区域的顶端，截断退耕还林区的地表径流，减少径流对梯田土壤的冲刷。截洪沟10与排水沟11相汇处是截洪沟最低点，坡降3％，安全超高0.2m。
具体的，排水沟11纵向穿过梯田5流通至梯级坡地湿地3，拦截坡面径流、减少耕地表面的冲刷，巩固和保护治坡成果。根据坡面长度确定排水沟数量，每100m布设一条排水沟。
具体的，沉砂池12分布在排水沟11与截洪沟10相汇处、及排水沟11与生态沟渠22相汇处，进出水口错开布置，达到减缓水流、沉降泥沙的目的。
如图12，植物篱-生态沟渠系统2分布在多级梯田7中，植物篱21设置在梯田7内，在梯田7与坡地5交接处横向设置生态沟渠22，生态沟渠22与排水沟11流通，生态沟渠22的沟底种植固氮控磷植物。
一般地，坡地坡度15°以下的梯田7内，地形起伏较小，梯田可使用土埂，并在此梯田7内设置植物篱21；坡地坡度在15°以上的梯田7内，地势有所抬高，采用石埂。从耕作、灌溉、修筑工程量出发，按照梯田工程标准，田面宽定在5-10m之间。在修平田面时，应清除梯田内石块、石砾，将表土放置梯田表面，其耕作层厚度应大于0.4m，对地中原有浅沟处、雨后产生不均匀沉陷、出现浅沟集流的应及时整平。对跨塌的田坎进行恢复，田坎沿等高线布置，并与原梯田线型保持一致，达到田坎顺势，田面水平，大弯就势，小弯取直，活土层不得小于0.4m。田坎高度以0.7-1.5m为宜，田坎高出梯田7的田面0.1m。田坎保持一定的侧坡，才能稳定安全，田坎侧坡坡度一般在70-80°。优选地，梯田7均采用石埂70作为田坎，可进一步减少水土流失。
植物篱21设置在坡地5的坡面较缓的位置，与径流流向垂直布置。在坡地5长度允许的情况下，沿坡地5等高线设置多条固氮控磷的植物篱，以削减水流的能量。固氮控磷植物选择金银花、栀子花、香根草等，每带1-2行，株距0.2m，行距0.2m。
生态沟渠22设置在梯田7与坡地交接处，根据当地的地形地貌以及水文特征布设3～4条。生态沟渠22的坡降比大约为1:100，可以保持水在沟渠中有一定的停留时间，一方面种植植物减缓水流、净化水质，另一方面通过截砂坎将流进生态沟渠的泥沙进行泥沙拦截，最后将净化的水排入到排水渠里面进行下一步处理。沟渠为矩形断面，渠壁由M7.5浆砌块石铸成，渠底采用厚碎石压底，并用改性土壤覆盖。沟底植物要求选择对氮磷营养元素具有较强吸收能力、生长旺盛、具有一定经济价值或易于处置利用、并可形成良好生态景观的植物。植物的选配应注意以下要点：适应当地气候条件、根系发达、具有一定经济价值和观赏价值、生长周期长、植物配置要合理。
如图2，梯级坡岸湿地3位于库区正常蓄水位以上3-7m，采用两级梯级深度处理模式，根据湿地面积设置若干单元，每个单元沿高度分布分为上下两级，每个单元的每级尺寸长宽比为10:1。梯级坡岸湿地3内由底至顶面依次设置有填料层和种植层，填料为石灰石碎石和改性除磷粉，种植层内种植富磷植物。根据除磷需求，梯级坡岸湿地4内填料选取石灰碎石和改性除磷粉混合填料，加入湿地中，增强填料对磷的吸附，从而减少面源磷流失量，梯级坡岸湿地4内的种植层种植富磷植物，富磷植物选取水生菖蒲和美人蕉，种植行距和株距均为0.4m。
本发明提供的多级生态系统还包括设置于梯级坡岸湿地3前端的调节槽6，调节槽6包括由高至低依次流通的调节池60和布水槽61，使得由排水沟11的排水先经过调节池6，对降雨径流中的泥沙进行进一步沉降后排入布水槽61，再汇至梯级坡岸湿地3。布水槽61两端设阀门和自流管进行控制。当降雨强度大且历时长时，30min后打开阀门让降雨径流直接流到富磷生态堤岸4。
富磷生态堤岸4位于库区正常蓄水位以上0-3m，采取混凝土框架结构，框架内顶部种植多排富磷植物，如金银花、狗牙根草，株距和行距均为0.3m，行与行之间成“品”字形搭配，金银花下方种植狗牙根草皮。富磷生态堤岸4发挥面源污染最后一个环节的治理效果。
本发明是针对大型人工水库库区沿岸坡耕地化肥施用量及流失量大的特征研发的一种采取逐级阻控、阻断污染物迁移和流失以拦截和净化陆源性磷污染的多级生态系统，形成以“坡面汇水沉沙系统-坎篱组合-生态沟渠-径流坡岸湿地-富磷生态堤岸”的组合系统，采用了拦-蓄-生物净化多级组合的技术集成。
本发明的直接有益效应体现在对农业面源磷流失的生态拦截，控制水土流失，缓解土壤磷素流失，减少农业面源磷流失随降雨径流对库区水体的磷污染，改善生态环境。
下面结合实施例及附图对本发明做进一步详细说明。
实施例：
本实施例为三峡库区的某河流域农业面源磷流失综合治理项目。该项目的汇水面积为757亩，其中海拔280m以上部分为退耕还林区域，植被覆盖度达到80％以上，故在经济作物与林草区域之间设置截洪沟10一条，库区的正常蓄水位175m。截洪沟10总长度为320m，浆砌石梯形断面，顶宽1m，底宽为0.6m，高0.8m，内边坡1:0.2，截洪沟10坡降比例为3％。
如图3所示，排水沟11纵向分布在石埂梯田中，排水沟为明渠矩形断面，采用1:2防水砂浆砌沟渠壁，沟底为0.1m厚素砼(C25)，毛石基础高0.2m，沟渠壁高0.5m，壁宽0.12mm，排水沟宽0.4mm。根据坡面实际地形条件，建设排水沟2条，总长度为789m。
如图4所示，沉砂池12分布在排水沟11与生态沟渠22相汇处、及排水沟11与截洪沟10的相汇处，有效容积为4.8m3，长2.0m，宽2.0m，高1.2m，就地开挖后用条石衬砌。根据坡面及沟渠数量，共建沉砂池6座。
项目区内现有部分坡面梯田因年久失修，毁坏严重，采用0.2m素砼(C10)将田面较陡的田坎改造为石埂进行加高加固，加固高度不高于2m，顶宽0.86m。对坍塌的田坎进行恢复，石埂沿等高线布置，并与原梯田线型保持一致。田坎高度0.7-1.5m，田坎高出梯田面0.1m，活土层小于0.4m。田坎保持一定的侧坡，田坎侧坡坡比为1:0.2-1:0.3，田坎外侧坡比采用1:0.15。根据项目区石埂损毁情况，共重修石埂梯田64534m2。
植物篱21设置在坡面较缓的位置，与径流流向垂直。选取金银花为植物篱作物，每带种植1行或2行，株距0.2m，行距0.2m，合计1.52km。
如图5所示，生态沟渠22为明渠矩形断面，沟渠壁高0.5m，宽0.64m，毛石基础厚度0.3m，横向坡降比约为1:100，渠壁由M7.5浆砌块石铸成，渠底采用厚碎石和素土压底，特效除磷粉改性的土壤覆盖厚度5cm，铺设100cm厚度的种植土层，选取根系旺盛、固氮除磷效果较好的狗牙根和多花黑麦草为沟渠植被。生态沟渠总长844.6m。
如图6所示，梯级坡岸湿地3位于182m水位线高度，根据暴雨径流中污染物浓度变化特点，坡岸湿地表面积约为400m2。采用两级梯级深度处理模式，共2个单元，每级尺寸为30*3m，每级湿地由底至顶面依次铺设150mm厚C25混凝土层，三个除磷填料层，填料为特效除磷粉改性的土壤并混合不同粒度的石灰石，除磷粉可选用聚合硫酸铁、三氯化铁、硫酸铝、聚合氯化铝或微生物絮凝剂等；填料层的厚度由湿地底至顶面依次为200mm、600mm、200mm，三个填料层中石灰石粒度由底至顶面依次依次为40-50mm，20-30mm，5-10mm，最上层为植被层，种植富磷植物菖蒲和美人蕉。
如图6所示，梯级坡岸湿地3内设置流通上方布水槽61的Φ50PVC布水管，两级湿地内设置相互流通的Φ110PVC布水管，每隔10m预留一孔洞供布水管安装；湿地底部采用粘土防渗，底部积水区应能保留部分水，防止湿地内种植的植被因缺水死亡。湿地出水均匀布置在第二级湿地内，均分分布自流管，流入富磷生态堤岸4。
根据除磷需求，梯级坡岸湿地3内填料选取石灰石碎石，利用特效除磷粉进行改性后加入湿地中，增强填料对磷的吸附，从而减少面源磷流失量。富磷植物选取水生菖蒲和美人蕉，种植株距和行距均为0.3m，植株种植于石灰石填料上部，其根系可以纵向生长贯穿于整个填料区，栽种后保持湿地内有水，确保湿地内植物成活。
如图7-9，调节槽6位于梯级坡岸湿地3前端，包括调节池60和布水槽61，将排水沟11内的水汇集进入调节池60内，在调节池60和布水槽61存在高差的部位设置步梯62流通。布水槽61内均匀分布自流管610，让径流均匀进入梯级坡岸湿地3内部。布水槽61总长65m，排水沟11内的水经过调节池60进一步沉降泥沙汇集后经过布水槽61均匀进入梯级坡岸湿地3内。布水槽61两端设置调节阀门，长历时暴雨时降雨30min后将阀门打开，让降雨径流直接流入富磷生态堤岸4。
如图10-11，富磷生态堤岸4位于坡岸湿地下侧，海拔高度175m，主要分为护土框格和框格植被，用于拦截坡面系统中产生的径流和泥沙，同时使径流湿地系统中的出水得到进一步净化。混凝土框架由长方形框格组成，框格宽2m，长度经过小试试验计算得到至少需要5m，根据具体地形特征设置5-7m，在横向方向上每隔4000mm设置1条宽度为15mm的伸缩缝。框架采用普通的硅酸盐水泥现场浇筑而成，设计抗压强度为15MPa。顶部约0.8m缓冲带用马尼拉草皮铺满，接收到来自梯级坡岸湿地3的出水；混凝土框架内顶部种植2排金银花，株距和行距均为0.3m，行与行之间成“品”字形搭配，其余位置种植根系较为发达的多年生草本植物狗牙根(行成草坪)。根据项目区地形特点，生态堤岸总长1.618km，占地面积约为12000m2。
该实施例集成面源磷流失拦截阻控效果显著，根据监测结果显示，相比于示范工程建设前，示范区水体总磷年平均浓度由0.980mg/L减少到0.368mg/L，降幅62.45％；泥沙含量由7.041g/L降低至未检出。应用实例监测结果表明，采用本发明提供的阻控农业面源磷流失的多级生态系统后，泥沙拦截率达90％以上，径流水体总磷降低幅度达60％以上。
由以上实施例可知，本发明所述的阻控农业面源磷流失的多级生态系统能够对该三峡库区的某流域坡耕地农业面源磷流失进行有效拦截和控制，减少水土流失，净化降雨径流，起到有效防控库区水体、特别是支流水体的富营养化作用。
本发明为三峡库区某河流域农业面源磷流失治理提供了综合治理关键技术，为三峡库区控制农业面源磷流失、水土流失、涵养水源等提供技术支持，为控制库区农业面源磷流失战略决策提供科学支持，整体提升了该三峡库区某河流域农村面源污染控制环境管理水平，实现了三峡库区农业面源磷流失的综合防治。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种阻控农业面源磷流失的多级生态系统，依自然落差的坡地分布设置，所述坡地依自然落差形成有多级梯田，所述坡地下方为消落带，其特征在于，
所述多级生态系统包括沿所述坡地自上而下依次设置的植物篱-生态沟渠系统、梯级坡岸湿地和富磷生态堤岸，及设置于多级所述梯田区域的沉沙汇水系统；
所述植物篱-生态沟渠系统，包括设置于所述梯田内的植物篱、及设置于每3至5级所述梯田交接处的生态沟渠；
所述梯级坡岸湿地和所述富磷生态堤岸设置于多级所述梯田区域下方的所述坡地上。
2.根据权利要求1所述的多级生态系统，其特征在于，所述沉沙汇水系统包括截洪沟、排水沟及沉砂池；所述截洪沟沿所述坡地等高线布设并位于多级所述梯田区域的顶端，所述排水沟穿过多级所述梯田区域流通至所述梯级坡岸湿地，所述沉砂池分布在所述排水沟与截洪沟相汇处、及所述排水沟与所述生态沟渠相汇处，所述沉砂池的进、出水口错开布置。
3.根据权利要求1所述的多级生态系统，其特征在于，所述植物篱设置多带，每带均沿所述梯田等高线设置且与径流流向垂直；所述生态沟渠沿所述梯田与所述坡地的交接处横向设置，所述植物篱内和所述生态沟渠沟底面均种植有固氮控磷植物，所述固氮控磷植物选自金银花、栀子花或香根草中的一种或几种。
4.根据权利要求3所述的多级生态系统，其特征在于，所述生态沟渠具备矩形断面，所述生态沟渠渠壁由浆砌石块铸成，渠底采用厚碎石压底，并用改性土壤覆盖。
5.根据权利要求1所述的多级生态系统，其特征在于，所述梯级坡岸湿地位于库区正常蓄水位以上3-7m，设置有若干单元，每个所述单元分上下两级。
6.根据权利要求5所述的多级生态系统，其特征在于，所述梯级坡岸湿地内由底至顶面依次设置有填料层和种植层，所述填料为石灰石碎石和改性除磷粉，所述种植层内种植富磷植物。
7.根据权利要求1所述的多级生态系统，其特征在于，所述富磷生态堤岸位于库区正常蓄水位以上0-3m，采取混凝土框架结构，框架内顶部种植富磷植物。
8.根据权利要求1-7任一项所述的多级生态系统，其特征在于，包括设置于所述梯级坡岸湿地前端的调节槽。
9.根据权利要求8所述的多级生态系统，其特征在于，所述调节槽包括由高至低依次流通的调节池和布水槽，所述排水沟流通至所述调节池，所述布水槽流通至所述梯级坡岸湿地。
10.根据权利要求1-7任一项所述的多级生态系统，其特征在于，所述梯田的田面宽度为5-10m，所述梯田的耕作层和活土层厚度均大于0.4m，所述梯田的田坎沿所述坡地的等高线布置，所述梯田的田坎高度为0.7-1.5m，所述田坎高出所述梯田面0.1m，所述田坎侧坡坡度为70-80°。
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