CN114477618A - 一种耦合农田储水湿地的灌溉水循环利用系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种耦合农田储水湿地的灌溉水循环利用系统构建方法，包括储水湿地系统，水循环动力系统，灌排水生态沟渠系统，主要基于储水湿地系统储存及净化农田退水，并由水循环动力系统及灌排水生态沟渠系统连通及循环水体。优点：利用了农田区域内的水塘湿地形成储水湿地系统，农田与储水湿地系统相连接，使整个系统内的水体得到了循环，起到了有效的节水效果，大大降低施工成本，利用农田区域内原有的水塘湿地无需额外建设人工湿地，提高土地利用。同时，可有效增加水力停留时间，增强系统对污染物降解吸收的效果，实现整个储水湿地系统水质的净化与保持。
Description
技术领域
本发明是一种耦合农田储水湿地的灌溉水循环利用系统，属于农业节水净化技术领域。
背景技术
农田退水入河加速了湖泊、河流等封闭性水体和半封闭性水体富营养化。因而，针对农田灌溉退水回用的研究在提升农田灌溉水有效利用率方面具有重要的地位，同时减轻农田退水中的污染方案和田间人工湿地建设方式是开展水环境综合整治的前提和必要条件。
切实找准农业水环境问题所在，系统治理农田内部及周边水环境质量，能够为促进我国农业高质量发展提供基础支撑。目前针对农田退水的净化和再利用提出了较多的实用方案，如专利CN104773835A公开的一种灌区水田四周定点排水湿地构建系统、专利CN113620516A公开的一种净化农田退水的处理装置、专利CN104790698A公开的灌区旱地漫流式排水调蓄净化湿地构建方法均采用了在农田周围设置调节池、积水湿地等方式收集农田退水，再配合其他水质净化技术削减水体中的污染物达到净化水质的效果，经过净化的农田退水用于直接外排，这样的方案具有一定的净化效果，但是经净化的水外排或多或少还是会对自然水体造成污染，且没有起到节水的效果。专利CN112062275A公开的一种处理初期雨水和农田退水的农业灌溉回用生态系统改善了传统的农田灌溉系统、专利CN104895027A公开的自循环生态节水型灌溉排水体系及排水方法，这些技术采用在田边设置收集池等设施，对农田退水进行净化并循环至农田，这些技术起到了一定的节水净化效果，但是这些技术都没有考虑到科学的对收集池体积的科学计算，没有对回用水量的规划和科学估算，并且这些设施的建造需要额外利用耕地或耕地周围大量面积土地建设净水工艺，对土地资源要求较高；此外为了节约土地资源，这些技术的调蓄、净化系统在实际应用中往往难以满足预期容积从而使系统的节水净化效果大打折扣。针对农田退水，现有的技术往往考虑在田边设置收集系统，然而实际上，我国南方和东部农田区域均有一定面积的水塘湿地，可用于收集储存降雨径流和农田灌溉退水形成储水湿地，并起到净化水质的作用。在不额外占用耕地面积的基础上，当作物需水时，还可用于循环回用补充灌溉水源。这样不仅可以有效补充灌溉水量起到节水效果，还可减少农田灌溉退水外排造成的面源污染危害。
发明内容
本发明提出的是一种耦合农田储水湿地的灌溉水循环利用系统，其目的旨在克服现有技术所存在的上述缺陷，不造成土地资源浪费的前提下，适用于各类农田区域，生态修复效果好。
本发明的技术解决方案：一种耦合农田储水湿地的灌溉水循环利用系统，包括储水湿地系统、水循环动力系统、灌排水生态沟渠系统，所述储水湿地系统包括农田区域内的水塘，水循环动力系统包括提升泵，灌排水生态沟渠系统用于连接农田和储水湿地系统，所述储水湿地系统储存及净化农田退水，并由水循环动力系统及灌排水生态沟渠系统连通及循环水体。
所述储水湿地系统包括农田区域内的水塘，串联或并联连接，所需串、并联的水塘体积根据V=S ȹ t1 +( Qin– Qlos) t2-Qout t3计算，其中V为贮存池体积以m3为单位，S为贮水池所涉及农田区域的面积以m2为单位，ȹ为农田区域降水强度以m/h为单位，Qin为单位时间的农田灌溉水量以m3/h为单位，Qlos为单位时间的农田区域水量损失以m3/h为单位，Qout为单位时间的农田区域外排水量以m3/h为单位，t1为农田区域降水历时以h为单位，t2为农田灌溉时长以h为单位，t3为超额降水外排历时以h为单位。
所述储水湿地系统中水塘深度根据地形、用地紧张度，在计算得储水湿地系统体积的情况下，采用控深的方式节省农用占地，科学规划水面与体积比例并保障水深多样化。
所述储水湿地系统应依据当地的地势地形、土壤特性、田块形状及进出水位置结合根据计算所得的灌溉或循环流量，因地制宜地进行规划设计水塘串并联组合的形式及储水湿地系统的整体形态，保障水体流速的多样性及生态性。
所述储水湿地系统包含填充基质，为氮磷去除率高的生态砖，并配合高效微生物的降解及湿地植物的吸收去除水体中的污染物，
所述储水湿地系统中还包括风光电一体化驱动的微气泡强化溶氧的微循环交换系统或水景观浮床装置，使储水湿地系统具有三维水动力微循环交换特征，增强系统净化效果。
所述的水循环动力系统根据农田区域的地形地势设置，将水体提升至生态灌溉渠中形成水体循环。
所述的灌排水生态沟渠系统用于连接农田和储水湿地系统，并在沟渠内设置可供微生物附着的多孔生态填料及湿地植物，在水循环过程中进一步去除水体中的污染物。
本发明的有益效果：
1）该构建方法利用了农田区域内的水塘湿地形成储水湿地系统，农田与储水湿地系统相连接，使整个系统内的水体得到了循环，起到了有效的节水效果，大大降低施工成本，利用农田区域内原有的水塘湿地无需额外建设人工湿地，提高土地利用。
2）该构建方法所设置的储水湿地系统为大面积水域，可有效增加水力停留时间，此外，将水塘湿地以串并联合用的方式连接可使得系统内水体存在多种流态，增强系统对污染物降解吸收的效果。
3）该构建方法科学的制定了储水湿地系统的体积计算，可有增加土地的有效利用率，节省农用地，同时还保障了该构建方法的节水净化效果。
4）该构建方法在储水湿地系统中设置了氮磷去除率高的生态砖、高效微生物及湿地植物，对农田退水进行了全面综合的拦截和净化，有效改善水体水质。
5）该构建方法设置了风光电一体化驱动的微气泡强化溶氧的微循环交换系统、水景观浮床等装置，使储水湿地系统中的上层水体和下层水体，中间区和四周区水体的全面交换净化，实现整个储水湿地系统水质的净化与保持。
6）该构建方法的水体循环设计可更加有效的利用生态沟渠，在水体循环的过程中反复的净化改善水体水质。
附图说明
附图1：本发明各系统的关系框图。
图中：1是储水湿地系统，2是水循环动力系统，3是灌排水生态沟渠系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明技术方案进一步说明
如附图1所示，一种耦合农田储水湿地的灌溉水循环利用系统构建方法，包括储水湿地系统1，水循环动力系统2，灌排水生态沟渠系统3，主要基于储水湿地系统1储存及净化农田退水，并由水循环动力系统2及灌排水生态沟渠系统3连通及循环水体。
储水湿地系统1主要由农田区域内的水塘构成，所利用的水塘体积应根据V=S ȹt1 +( Qin– Qlos) t2-Qout t3估算，其中V为贮存池体积以m3为单位，S为贮水池所涉及农田区域的面积以m2为单位，ȹ为农田区域降水强度以m/h为单位，Qin为单位时间的农田灌溉水量以m3/h为单位，Qlos为单位时间的农田区域水量损失以m3/h为单位，Qout为单位时间的农田区域外排水量以m3/h为单位，t1为农田区域降水历时以h为单位，t2为农田灌溉时长以h为单位，t3为超额降水外排历时以h为单位。
储水湿地系统1中水塘深度可根据地形、用地紧张度，在计算得储水湿地系统体积的情况下，采用控深的方式节省农用占地，科学规划水面与体积比例并保障水深多样化。
储水湿地系统1依据当地的地势地形、土壤特性、田块形状及进出水位置结合根据计算所得的灌溉或循环流量，因地制宜地进行规划设计水塘串并联组合的形式及储水湿地系统的整体形态，保障水体流速的多样性及生态性。
储水湿地系统1中的填充基质优选氮磷去除率高的生态砖，并配合高效微生物的降解及湿地植物的吸收去除水体中的污染物，在以基质为主的人工湿地中，挺水植物应用较多，故优选美人蕉、菖蒲、芦苇等植物进行种植。
此外，根据实际水质状况，可选择设置风光电一体化驱动的微气泡强化溶氧的微循环交换系统，该系统可以在实现污染水体局部溶解氧强化提升的同时，改善水池不同深度和区域水体的水动力条件，达到整个水池水质的高效改善，也可选用其他类型的技术应用于水动力微循环和水质净化的耦合，如水景观浮床等装置，可使得水体在垂向进行交换，同时，浮床植物可以吸收过量的营养物质和农药等污染物，植物根系的微生物可对污染物进行降解去除。
所述的水循环动力系统2应根据农田区域的地形地势设置，如一般在地势平坦的平原地区和地势低洼的南方圩区，储水湿地系统1中收集的水体经水循环动力系统提升至生态灌溉渠，再次进入农田灌溉的系统中，而在有一定坡度的丘陵地区和梯田区，农田退水经生态排水沟通过水循环动力系统2提升储水湿地系统1收集净化。
所述的灌排水生态沟渠系统3用于连接农田和储水湿地系统，并在沟渠内设置可供微生物附着的多孔生态填料及湿地植物，在水循环过程中进一步去除水体中的污染物。
实施例1
上海市崇明区三星镇玉海棠生态农业园区，位于上海市崇明区的三星镇，是一座以农业为主集农田、果园、林地和湖塘养殖一体的生态农业园区。其中示范区水稻田占地面积195亩。在水循环利用系统构建时根据崇明当地的气候特征、降水条件、土壤特性及水稻灌溉排水要求等计算储水湿地系统的蓄水体积。根据公式V=S ȹ t1 +( Qin– Qlos) t2-Qoutt3估算得到储水湿地系统1的蓄水体积为31199.6m3，根据计算结果，选取区域内的大小水塘，并以串联+并联的形式将各水塘进行连接。在水塘内填充生态砖以精确蓄水体积，所填充的生态砖的体积为水塘总体积-估算水塘体积。进一步的，根据当地地形条件和土壤特性，为创造良好的三维流态，取平均水深3m，在较深的水塘中填充相对较多的生态砖。填充结束后，在水塘中添加经筛选的高效微生物并种植有美人蕉、菖蒲和芦苇。在面积超过5亩的水塘设置风光电一体化驱动的微气泡强化溶氧的微循环交换系统，在面积小于5亩的水塘设置水景观浮床增加水体三位交换能力。在连接水塘-水塘、水塘-农田的沟渠中设置火山岩、石灰石和砾石混合基质，并种植狗牙根、菖蒲及千屈菜对水体进行强化净化。由于此处水塘地势相对较低，故在湿地系统1末端设置水循环动力系统2将水体提升至生态灌溉渠中形成水体循环。经一段时间的运行，灌溉水有效利用率可提升至80%，污染物外排削减率可达95%。
Claims (8)
1.一种耦合农田储水湿地的灌溉水循环利用系统，其特征是包括储水湿地系统、水循环动力系统、灌排水生态沟渠系统，所述储水湿地系统包括农田区域内的水塘，水循环动力系统包括提升泵，灌排水生态沟渠系统用于连接农田和储水湿地系统，所述储水湿地系统储存及净化农田退水，并由水循环动力系统及灌排水生态沟渠系统连通及循环水体。
2.根据权利要求1所述的一种耦合农田储水湿地的灌溉水循环利用系统，其特征是所述储水湿地系统包括农田区域内的水塘，串联或并联连接，所需串、并联的水塘体积根据V=S ȹ t1 +( Qin – Qlos) t2-Qout t3计算，其中V为贮存池体积以m3为单位，S为贮水池所涉及农田区域的面积以m2为单位，ȹ为农田区域降水强度以m/h为单位，Qin为单位时间的农田灌溉水量以m3/h为单位，Qlos为单位时间的农田区域水量损失以m3/h为单位，Qout为单位时间的农田区域外排水量以m3/h为单位，t1为农田区域降水历时以h为单位，t2为农田灌溉时长以h为单位，t3为超额降水外排历时以h为单位。
3.根据权利要求1或2所述的一种耦合农田储水湿地的灌溉水循环利用系统，其特征是所述储水湿地系统中水塘深度根据地形、用地紧张度，在计算得储水湿地系统体积的情况下，采用控深的方式节省农用占地，科学规划水面与体积比例并保障水深多样化。
4.根据权利要求1或2所述的一种耦合农田储水湿地的灌溉水循环利用系统，其特征是所述储水湿地系统应依据当地的地势地形、土壤特性、田块形状及进出水位置结合根据计算所得的灌溉或循环流量，因地制宜地进行规划设计水塘串并联组合的形式及储水湿地系统的整体形态，保障水体流速的多样性及生态性。
5.根据权利要求1或2所述的一种耦合农田储水湿地的灌溉水循环利用系统，其特征是所述储水湿地系统包含填充基质，为氮磷去除率高的生态砖，并配合高效微生物的降解及湿地植物的吸收去除水体中的污染物。
6.根据权利要求1或2所述的一种耦合农田储水湿地的灌溉水循环利用系统，其特征是所述储水湿地系统中还包括风光电一体化驱动的微气泡强化溶氧的微循环交换系统或水景观浮床装置，使储水湿地系统具有三维水动力微循环交换特征，增强系统净化效果。
7.根据权利要求1所述的一种耦合农田储水湿地的灌溉水循环利用系统，其特征是所述的水循环动力系统根据农田区域的地形地势设置，将水体提升至生态灌溉渠中形成水体循环。
8.根据权利要求1所述的一种耦合农田储水湿地的灌溉水循环利用系统，其特征是所述的灌排水生态沟渠系统用于连接农田和储水湿地系统，并在沟渠内设置可供微生物附着的多孔生态填料及湿地植物，在水循环过程中进一步去除水体中的污染物。
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| CN202111572288.6A Pending CN114477618A (zh) | 2021-12-21 | 2021-12-21 | 一种耦合农田储水湿地的灌溉水循环利用系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114477618A (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104480920A (zh) * | 2014-12-18 | 2015-04-01 | 云南省农业科学院农业环境资源研究所 | 利用农田沟塘系统防治区域性农田面源污染的方法 |
| CN106934534A (zh) * | 2017-02-28 | 2017-07-07 | 武汉大学 | 长藤结瓜灌区灌溉水有效利用系数计算方法 |
| CN111955387A (zh) * | 2020-08-10 | 2020-11-20 | 安徽大学 | 一种圩区水稻田耦合池塘、沟渠三级湿地系统 |
| CN112358053A (zh) * | 2020-10-20 | 2021-02-12 | 沈阳大学 | 一种用于拦截农田退水污染物的复合生态处理方法 |
| CN113772817A (zh) * | 2021-09-07 | 2021-12-10 | 河海大学 | 一种强化农田退水氮磷去除的塘堰湿地系统 |
-
2021
- 2021-12-21 CN CN202111572288.6A patent/CN114477618A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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