CN114956340B - 一种硬化农田排水沟渠的生态化改造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种硬化农田排水沟渠的生态化改造方法，其特征是，在沟渠中设置固着藻类反应器区、水生植物种植区；所述固着藻类反应器区中，顺着水流方向依次设有上游挡格、固着藻类反应器和下游挡格；所述上游挡格由生态混凝土制成，将沟渠横向隔断；所述下游挡格由普通混凝土制成，将沟渠横向隔断；所述固着藻类反应器为半圆弧状的网格板，将其呈拱桥状横跨于沟渠底部两侧，使水流中藻类在网格板上自然固着生长、形成固着藻膜；所述固着藻类反应器区和水生植物种植区间隔设置，水生植物种植区设置于每两个固着藻类反应器区之间，其内种植有水生植物。以本发明方法进行改造的硬化农田排水沟渠，能够有效起到净化水质的作用，并且排水效率高。

Description

一种硬化农田排水沟渠的生态化改造方法

技术领域

本发明属于农业面源污染防治领域，具体涉及一种硬化农田排水沟渠的生态化改造方法。

背景技术

农田排水沟渠，是农田系统的重要组成部分，是农田地表径流汇入湖泊、河流的通道。目前常见的农田排水沟渠有两种：生态沟渠和硬化沟渠。生态沟渠是具有底泥、生长有水生植物的沟渠；生态沟渠内具有的植物-底泥-微生物系统，使得在水流缓慢的基流期，其能够发挥与生态湿地相似的功能。硬化沟渠采用混凝土板将沟渠渠底和坡面、甚至坡顶进行覆盖的沟渠，渠底仅淤积少量底泥，坡面坡度较大、且整体平面呈规则的直线或弧线，其主要是基于排水效率考量的农田排水沟渠。另外，常见的农田排水沟渠还有自然沟渠，即为依势就形的天然沟渠，主要特点为整体平面呈蜿蜒曲折状，沟渠底和坡面未经硬化处理，渠底为淤积的底泥，坡面和坡顶为自然土体，坡面坡度较小；自然沟渠符合生态沟渠的特点，可以将其视为一种生态沟渠。

其中，生态沟渠由于其具有植物-底泥-微生物系统，成为了控制农业面源污染、即控制氮磷污染的常用措施，而且由于建设成本低、污染去除效率高，其相较于人工湿地更适合在农村地区推广应用。在生态沟渠中，从农田排出的水流经泥沙拦截、植物吸收和微生物分解等作用，能够有效降低径流中携带的氮、磷浓度，达到“三清除”_——清除垃圾、淤泥、杂草，以及“三拦截”——拦截污水、泥沙、漂浮物的作用。相关研究表明，生态沟渠净化面源污染物氮磷的主要途径是通过沟渠底泥和土壤吸附、植物吸收利用以及微生物代谢，面源氮、磷污染的去除率分别达到48％～64％和41％～70％。同时，相关研究也表明：在不同的沟渠水速度、水位、干湿变化、植物品种、污染物浓度等因素中，生态沟渠对面源污染物氮磷的净化能力上，一般表现出以下几个特点：(1)低流速延长了水力停留时间，有利于沟壁土壤和沟底底泥对流水中氨态氮和磷酸盐的吸附截留，有利于沟底植物幼苗的保育，同时减缓对沟壁冲刷。(2)沟渠需要实施短期干涸再淹水，有利于沟渠底泥对氮的去除。这也表明排水沟渠因降雨径流出现的干湿交替过程有利于沟渠底泥对水中氮的去除。(3)排水沟渠长期保持高水位状态(水深超过0.3米以上)，由于流量较大、流速较快的原因，会减少底泥的沉积，导致底泥厚度不足；底泥厚度不足加上水流速度较大，会减少沟渠植物生物量、降低孔隙水中营养物质浓度、加速沟壁滑塌等。但亦有研究同时表明，高水位亦能提高水中磷酸盐去除速率，有利于水中磷素去除。(4)植物生长期末，植物茎叶中的营养物质会向根部、果实等营养器官转移，为了防止植株吸收的营养物质分解时再释放到沟渠系统，建议适时收割沟渠植物。(5)由多种植物组合而成组合型的水生植物生态沟渠系统，对氮磷的吸收效果优于单一的水生植物生态沟渠系统。(6)排水沟渠过水或积水促进了底泥中磷的释放，因此，沟渠适时清淤能减小沟渠底泥内源磷的释放。

硬化沟渠与生态沟渠相比较后，可以直观的比较出生态沟渠与硬化沟渠在生态效益、净水效果等方面有以下的差异：

1.动植物生态友好性方面：

在生态沟渠的渠底、坡面、坡顶生长有大量的各类植物，尤其是各类水生植物，种类和数量均类似于自然湿地。根据相关调研发现：生态沟渠内的水生植物种类较多，以挺水植物为优势种的植物群落，群落结构相对复杂且稳定，季节变化特征明显。同时，由于丰富的植物，生态沟渠附近栖息有多种陆生、两栖和水生小动物，形成了较为稳定的小型生物链。

与生态沟渠相比较，硬化沟渠仅有很少的沉水植物附着于沟底浅薄的底泥层，硬化后的坡面和坡顶上生长有少量植物，同时，坡顶两外侧的土地上生长的各类植物有可能会蔓延到硬化后的坡面和坡顶，但生长势和总量都比较小，群落结构单一，稳定形差，很少有小型动物生存与此。同时，由于较大的坡度和硬化的渠底、坡面，沟杀(各类动物误入沟渠后因无法爬出而导致的死亡)现象较为严重。

2.水化特征：

经过调研发现，生态沟渠内水流中的总氮(TN)、总磷(TP)含量常年显著低于硬化沟渠，水体的PH值也较硬化沟渠内的水体更接近7，呈现出更佳的水质特点。主要原因是生态沟渠中较大的植物总量，尤其是水生植物总量较大，各类植物通过吸收利用、拦截、吸附、遮光、化感作用等方式对水质进行净化。同时，植物根系形成的微环境是各自微生物生存的场所，进一步降低了水体中的氮磷含量。

而水流中的溶氧(DO)情况则是：一般情况下，生态沟渠因各类植物，尤其是水生植物总量较大，使得硬化沟渠水流中的总溶氧含量明显高于生态沟渠。

3.排水效率：

由于生态沟渠内植物种类和数量，尤其使水生植物的种类和数量比较大，一般会有一些竞争能力极强的优势种，极端情况下，可能会出现某些水生植物品种过度生长和蔓延，导致生态沟渠排水效率不高等问题。而硬化沟渠则在排水效率上有较大的优势。

虽然生态沟渠能够有效控制农业面源污染，但是由于我国长期以来农田水利设施建设着重于农田沟渠的灌溉和排水功能，忽视了农田排水沟渠生态环境保护的作用，因此我国的农田排水沟渠多为硬化沟渠。因此，近来的农田排水沟渠基本都开始进行生态沟渠化设计，以应对农业面源污染。但对于那些总量巨大的、已建成的硬化农田排水沟渠，如果进行拆除后再按照生态沟渠的标准来重新建设，势必造成巨大的浪费，以及产生巨大费用。因此，为应对这一问题，本发明提出一种硬化农田排水沟渠的生态化改造方法。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种硬化农田排水沟渠的生态化改造方法，以该方法进行改造的硬化农田排水沟渠，能够有效起到净化水质的作用，并且排水效率高。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：

一种硬化农田排水沟渠的生态化改造方法，其特征是，在沟渠中设置固着藻类反应器区、水生植物种植区；

所述固着藻类反应器区中，顺着水流方向依次设有上游挡格、固着藻类反应器和下游挡格；所述上游挡格由生态混凝土制成，将沟渠横向隔断；所述下游挡格由普通混凝土制成，将沟渠横向隔断；所述固着藻类反应器为半圆弧状的网格板，将其呈拱桥状横跨于沟渠底部两侧，使水流中藻类在网格板上自然固着生长、形成固着藻膜；

所述固着藻类反应器区和水生植物种植区间隔设置，水生植物种植区设置于每两个固着藻类反应器区之间，即上游端的固着藻类反应器区的下游挡格与下游端的固着藻类反应器区的上游挡格之间，其内种植有水生植物。

采用本发明方法生态化改造后硬化农田排水沟渠的工作原理：

基流状态：

如图1所示，基流状态下，沟渠中的水量较小，水流被上游挡格阻挡后，经上游挡格的生态混凝土中的孔隙渗透流入固着藻类反应器。

1.水流透过由生态混凝土制成上游挡格，强制水流交混，使水流均匀进入固着藻类反应器区，避免出现水流污染浓度分层的现象，从而保证水流能够在固着藻类反应器区得到有效净化；

水流顺利进入固着藻类反应器区后，水流中藻类在网格板上形成固着藻膜；由于固着藻类反应器所在沟渠段未种植水生植物，阳光充足，固着藻类充分利用了太阳光能进行光合作用，释放对沟渠水质有益的溶氧，起到复氧的效果；并且，由于固着藻类进行光合作用消耗了沟渠流水中的二氧化碳，打破该段沟渠流水的碳酸盐平衡，使该段沟渠流水的pH值会少许上升、并呈碱性；这种微碱性水体对水体中的各类病毒病菌有很好的杀灭作用，有助于减少沟渠水体中有害细菌的滋生，改善沟渠及最终接纳水体的微生物环境。

2.由于下游挡格由普通混凝土制成，具有较好的水密性，水流不能直接渗透，因此水流积聚、升高，由下而上的翻越下游挡格进入水生植物种植区；在此过程中，固着藻类反应器区渠底积聚的少量底泥会被搅动，随水流排入水生植物种植区，避免固着藻类反应器区产生积泥而造成堵塞；同时，固着藻类反应器上脱落死亡的固着藻类也可随水流排入水生植物种植区。

3.当水流进入水生植物种植区后，变为表面流，且流速降低，减少对种植基质的冲击，避免种植基质的流失；

此时，水流不但会与水生植物种植区的水生植物根系充分接触，而且还要与水生植物的种植基质充分接触，而后产生较好的氮磷清除效果；同时，水生植物种植区的水生植物能起到较明显阻挡水流作用，使水流中的杂质、固着藻类反应器上脱落死亡的固着藻等沉积到沟渠底，最终变为该区的底泥，进而促进氮磷的吸附、增加生物量等。

雨洪期：

在雨洪期，沟渠内的水量大，流速高，而由于固着藻类反应器区所设置的阻隔较少，与没有进行生态沟渠化改造的硬化沟渠区别不大，能够基本满足沟渠的排水效率不受太大的影响。

所述的上游挡格高0.3～0.4m。

所述下游挡格较上游挡格低0.1m。

所述固着藻类反应器区长度，即上游挡格与下游挡格之间的距离，为20～30m。本发明所述固着藻类反应器区能够在不同地形灵活设置，对沟渠整体形态没有特殊要求。

所述水生植物种植区中铺满种植基质，种植基质厚度与下游挡格的高度相当。

所述种植基质为粒径5～15mm连续级配的轻质石。本发明采用的种植基质具有孔隙率大、透水强、适合植物根系生长容易等优点，同时，其有利于沟渠维护过程中重新翻覆，避免孔隙被水流带来的杂质、泥沙堵塞。

所述水生植物种植区中种植3～4种小体型根系发达水生植物，水生植物种植区设置小体型的水生植物组团，对水流的阻挡作用不强烈，保证沟渠的排水效率。

所述水生植物种植区设置于沟渠的平缓段；平缓段水流速度小，水量均匀稳定，保证氮磷的清除效果。

进一步，本发明在沟渠中间隔设置多个固着藻类反应器区和水生植物种植区，使其布满所述沟渠的全段。这能够充分利用硬化沟渠的线状特点，进而对水质长效净化。

对于采用本发明方法改造后的沟渠的维护方式为：(1)定期清理沟渠内的浮叶杂质；(2)每年冬季人工收割水生植物种植区内水生植物的地上部分，并根据种植基质的堵塞程度适度对其进行翻挖，去除杂质。

所述网格板由聚乙烯制成。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明的方法基于硬化农田排水沟渠基流状态水量少、阳光直射等特点，采用简单的固着藻类反应器进行固藻，利用固着藻类光合作用过程中对水体起到的补充溶氧、杀灭病菌的特点，对水质进行净化。净化后的水进入水生植物种植区后，大量的植物和种植基质可消耗水体中的氮磷，同时，植物遮光后，该区内的生物会消耗掉一部分溶氧，避免水中溶氧过饱和。

本发明对多个固着藻类反应器区与水生植物种植区循环间隔设置，可有效降低水体污染程度；首先，两个区间隔设置，共同作用，互相制约各自的缺陷，水生植物种植区抑制固着藻类反应器区的水华现象，固着藻类反应器区抑制本区和水生植物种植区水体中浮游藻类的生长，减少水华现象导致的二次污染；其次充分利用硬化沟渠的线状特点，对水质起到长效的净化。

本发明方法可有效缓解现有硬化农田排水沟渠植物品种和数量过少，尤其是水生植物过少的问题，同时可使硬化农田排水沟渠的水流在沟渠中滞留时间加长，通过上游挡格控制沟渠内常水位深度保持在最佳状态，以及强制水流交混，进而实现对水质的净化的目的。

本发明方法中的固着藻类反应器区只需完全浸泡在水中就可充分发挥效能，对沟渠整体形态没有特殊要求，可以适合各种地形，适合全段设置，水生植物种植区则要求设置于沟渠平缓段，因此，固着藻类反应器区和水生植物种植区可根据各自特点，布满整个硬化沟渠。本发明的硬化农田排水沟渠的生态沟渠化改造方法，充分发挥了生态沟渠的生态友好和控制污染的特点，而且改造后的排水沟渠能够长效净化水质，具有净化效率高以及排水效率高的特点。与此同时，本发明的方法改造施工较为简单，改造成本大概只需拆除、重建费用的10％，还避免了资源浪费，而且其维护方式简单。

附图说明

图1是本发明方法生态化改造后硬化农田排水沟渠在基流状态下的水流示意图；

图2是实施例1的生态化改造后硬化农田排水沟渠示意图；

图3是图2中网格板的主视图；

图4是图2中网格板的左视图。

附图标记：1-固着藻类反应器区；2-水生植物种植区；3-上游挡格；4-下游挡格；5-固着藻类反应器。

具体实施方式

以下实施例仅用于阐述本发明，而本发明的保护范围并非仅仅局限于以下实施例。所述技术领域的普通技术人员依据以上本发明公开的内容和各参数所取范围，均可实现本发明的目的。

如图2所示，本发明的硬化农田排水沟渠的生态化改造方法，在沟渠中间隔设置多个固着藻类反应器区1、水生植物种植区2，布满全段的沟渠。

其中，固着藻类反应器区1中，顺着水流方向依次设有上游挡格3、固着藻类反应器5和下游挡格4；固着藻类反应器区1长度为20～30m不等，即该固着藻类反应器区1中上游挡格3与下游挡格4之间的距离为20～30m；本领域技术人员可根据沟渠的地形以及污染物浓度的高低设置不同长度的固着藻类反应器区，在污染物浓度较高的水流段，可设置更为密集的固着藻类反应器区，以及适当增加其长度。上游挡格3采用生态混凝土、即多孔种植混凝土制成，其高度可为0.3～0.4m，本实施例的上游挡格3采用0.3m高，将沟渠横向隔断；下游挡格4由普通混凝土制成，高度为0.2m，将沟渠横向隔断；如图3～4所示，固着藻类反应器5为由聚乙烯制成半圆弧状的网格板，使其在上游挡格3和下游挡格4之间、呈拱桥状横跨于沟渠底部两侧，使沟渠水流中藻类在网格板上自然固着生长、形成固着藻膜，固着藻反应器即完成。

水生植物种植区2设置于每两个固着藻类反应器区1之间的沟渠平缓段，即设置在上游端的固着藻类反应器区1的下游挡格4与下游端的固着藻类反应器区1的上游挡格3之间。水生植物种植区2中铺满粒径5～15mm连续级配的轻质石作为种植基质，其厚度约为0.2m，然后种植有3～4种小体型根系发达水生植物。

改造后的沟渠需要进行简单维护，主要是：定期清理沟渠内的浮叶杂质；每年冬季人工收割水生植物种植区内水生植物的地上部分，并根据种植基质的堵塞程度适度对其进行翻挖，去除杂质。

本发明可用其他的不违背本发明的精神或主要特征的具体形式来概述。本发明的上述实施例都只能认为是对本发明的说明而不是限制。因此凡是依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种硬化农田排水沟渠的生态化改造方法，其特征是，在沟渠中设置固着藻类反应器区、水生植物种植区；

所述固着藻类反应器区中，顺着水流方向依次设有上游挡格、固着藻类反应器和下游挡格；所述上游挡格由生态混凝土制成，将沟渠横向隔断；所述下游挡格由普通混凝土制成，将沟渠横向隔断；所述固着藻类反应器为半圆弧状的网格板，将其呈拱桥状横跨于沟渠底部两侧，使水流中藻类在网格板上自然固着生长、形成固着藻膜；

所述固着藻类反应器区和水生植物种植区间隔设置，水生植物种植区设置于每两个固着藻类反应器区之间，即上游端的固着藻类反应器区的下游挡格与下游端的固着藻类反应器区的上游挡格之间；

所述水生植物种植区中铺满种植基质，种植基质厚度与下游挡格的高度相当，并种植有3~4种小体型根系发达水生植物。

2.根据权利要求1所述的硬化农田排水沟渠的生态化改造方法，其特征是，所述的上游挡格高0.3~0.4m。

3.根据权利要求2所述的硬化农田排水沟渠的生态化改造方法，其特征是，所述下游挡格较上游挡格低0.1m。

4.根据权利要求3所述的硬化农田排水沟渠的生态化改造方法，其特征是，所述固着藻类反应器区长度，即上游挡格与下游挡格之间的距离，为20~30m。

5.根据权利要求4所述的硬化农田排水沟渠的生态化改造方法，其特征是，所述种植基质为粒径5~15mm连续级配的轻质石。

6.根据权利要求5所述的硬化农田排水沟渠的生态化改造方法，其特征是，所述水生植物种植区设置于所述沟渠的平缓段。

7.根据权利要求6所述的硬化农田排水沟渠的生态化改造方法，其特征是，在所述沟渠中间隔设置多个固着藻类反应器区和水生植物种植区，使其布满所述沟渠的全段。

8.根据权利要求1-7任一项所述的硬化农田排水沟渠的生态化改造方法，其特征是，所述沟渠在改造后的维护方式为：（1）定期清理沟渠内的浮叶杂质；（2）每年冬季人工收割水生植物种植区内水生植物的地上部分，并根据种植基质的堵塞程度适度对其进行翻挖，去除杂质。