CN115465954A - 一种水力自适应式植物立体滤墙及其水净化处理系统和净化农田排水的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于环保技术领域，公开了一种水力自适应式植物立体滤墙及其水净化处理系统和净化农田排水的方法。包括立体滤墙、用于安装立体滤墙的基座，基座上设有驱动立体滤墙转动的防水电动转盘，立体滤墙设有与防水电动转盘配合的转轴；电源包括设置在立体滤墙顶部的太阳能电池板、给用电设备供电的蓄电池；立体滤墙上设有用于种植植物的管槽，管槽上开设的沟槽内放置栽种植物的定植篮；立体滤墙上设置有电源、水文监测仪器，以及控制器。本发明水力响应式滤墙满足汛期迅速排水，非汛期充分利用农田水肥和土地资源，通过进一步检测植物化感代谢物研发适用于南方种植的经济作物，同时定期收获经济作物，解决运行维护期滤墙植物枯萎堵塞的问题。

Description

一种水力自适应式植物立体滤墙及其水净化处理系统和净化 农田排水的方法

技术领域

本发明属于环保技术领域，具体涉及一种水力自适应式植物立体滤墙及其水净化处理系统和净化农田排水的方法。

背景技术

农田面源污染防治已变成当今我国水污染防治工作所面临的一项重要内容，也成为了制约我国农业可持续发展的重大问题。不同于工业废水、城市生活污水等点源污染，农田面源污染面广、量大，污染主体较多，污染发生的时间和空间具有较大的随机性，污染物不仅包括氮、磷等无机污染物，还包括农药带来的有机污染。因此，遵循农田面源污染特征，农田面源污染治理除了需要从源头上减少化肥、农药用量与灌溉用水以外，还需要采取行之有效的技术和工程措施对农田排水进行过程拦截和末端处理。

目前，人工湿地、生态沟、植物塘等串联或复合净化系统适用于农田面源末端处理的技术已成为农业面源污染治理的主流工艺之一。与传统污水处理工艺相比，具有投资少、工艺设备简单、运行维护管理方便、能耗低等优点。

其中，植物塘是一种以水生植物为主体的共生系统(浮游生物-水生植物-微生物群落)，能促进水中悬浮颗粒物(SS)的沉降并有效去除污水中有机物以及氮磷无机物等，出水稳定且具有较强的负荷能力，近年来在面源污染治理中得到广泛应用。生态沟和人工湿地是处理排水水质的重要环节，通过土壤吸附、植物吸收、生物降解等作用，降低进入下游水体中的氮磷量。现有技术将传统的排水沟通过生态护坡改造为生态沟，将塘堰、洼地、荒地等改造为人工湿地，以增强其水质净化的功能。然而，农村耕地资源宝贵，人工湿地和生态沟的面积有限，因此仅靠植物塘进行农田退水处理难度较大。

现有技术公开了一种基于海绵生态体系的处理农田面源污染的三级生态水塘，包括与农田连接的生态稳定沟，所述生态稳定沟通过提升泵连接种植有水生植物的一级生态过滤塘、一级生态过滤塘连通种植有沉水植物的二级生态净化塘、二级生态净化塘连通种植有沉水植物的三级生态景观塘；一级生态过滤塘和二级生态净化塘以及三级生态景观塘的面积比为1:4:3。

现有技术公开了一种基于生态沟渠技术的旱作农田氮磷拦截系统，包括生态沟渠、缓冲堰板和拦截组件，生态沟渠包括渠壁和渠底，渠壁卡接在渠底上，缓冲堰板倾斜设置在渠壁上，拦截组件包括拦截格栅、吸附块、生物浮板、生态滤墙和调节闸板，拦截格栅、吸附块、生物浮板、生态滤墙和调节闸板沿水流方向依次设置在渠底上。

现有技术公开了农田生态沟渠在入河湖口处的水质净化处理设备及处理方法，其包括引流池，所述引流池内壁的右侧设置有斜流块，所述引流池顶部的后侧从左往右依次设置有小型变压器一、小型变压器二和小型变压器三。

现有技术公开了一种用于生态沟渠净化的组合式脱氮除磷装置，包括底座，底座上固定安装有外池体，外池体内固定安装有四个隔板，四个隔板将外池体内划分为四个处理池，外池体外固定安装有进气管，进气管与其中一个处理池连通，进气管上安装有阀门。

现有技术公开了一种圩区水循环稻田面源污染治理系统，包括圩区；所述圩区由圩堤、圩区闸站、圩外河道和圩内河道组成；圩外河道和圩内河道连通处有圩区闸站；在圩区内有由田埂隔断构成、方向垂直于圩内河道的田块；田块内农作物灌溉通过灌溉泵站和灌溉管道从圩内河道引水，田块内农田退水经由生态沟渠退至圩内河道，构成水循环。

现有技术公开了一种用于生态沟渠净化的可升降式组合浮床装置，包括两个U型板，其中一个U型板内两侧之间焊接有固定杆，另一个U型板一侧表面开设有滑槽，滑槽内可滑动地安装有滑块，滑块一端焊接有固定块，固定块上表面贯穿螺纹安装有丝杆，丝杆一端套接有轴套，丝杆上端穿过对应U型板通过联轴器连接有电机，固定块一侧开设有卡槽，卡槽内卡接有与之相匹配的卡块，卡块一端焊接有安装块，安装块一端焊接有压板。

包括上述方案在内的现有技术，均应用农田沟渠作为污染物处理的场所，结合水生植物、微生物或水动力循环等，对氮磷等污染物进行拦截净化处理。但是，这些方法的应用受到水稻农业灌区排水量变化幅度大的环境限制，例如水稻受淹抢排渍水高峰期，不能有效满足涝期排水顺畅，也不能达到在涝情结束后氮磷去除能力迅速恢复。水稻种植用水量受到作物生长周期和天气等影响较为明显，如灌浆结实期和抽穗开花期需要充足水份，但在成熟期则相反。例如在农作物退水叠加降雨高峰期，如何在不影响农田除涝排渍功能的前提下，最大限度地保证农田排水处理效果？本发明旨在提供具有雨季不影响行洪、兼顾经济农用物收获的农田排水净化系统与方法。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的不足，本发明的首要目的在于提供一种水力自适应式植物立体滤墙。

本发明的另一目的在于提供一种具有水力自适应式植物立体滤墙的水净化处理系统。

本发明的另一目的在于提供一种水力自适应式植物立体滤墙净化农田排水的方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种水力自适应式植物立体滤墙，包括立体滤墙、用于安装立体滤墙的基座，所述基座上设有驱动立体滤墙转动的防水电动转盘，所述立体滤墙设有与防水电动转盘配合的转轴；所述立体滤墙上设有用于种植植物的管槽，所述管槽上开设的沟槽内放置栽种植物的定植篮；所述立体滤墙上设置有电源、用于测量水深和流速的水文监测仪器，以及用于通信和控制用电设备的控制器；所述电源包括设置在立体滤墙顶部的太阳能电池板、给用电设备供电的蓄电池。

本发明创新采用水力自适应式植物立体滤墙放置在沟渠(适用于灌区干支斗三级灌溉渠道)，利用立体垂向空间不同水深分层种植沉水植物和挺水植物，利用高生物量的立体空间去除农田排水的过多营养盐。

立体滤墙与沟渠水流方向角度可根据沟渠的水位、流速，考虑阻水比、滤墙与沟渠横断面比例等调整。

由于水田排水量在雨洪季倍增，再与农作物生长期间歇排水(如水稻在分蘖末期和黄乳后期量水量极小)需求叠加，水力自适应式立体滤墙按排水需求，调整立体滤墙与沟渠水流方向之间的夹角，通过转动立体滤墙的转轴，调整立体滤墙与流水方向角度，减少沟渠排水阻力，同步协调排水与净化水体。

所述水力自适应式植物立体滤墙的基座，固定在沟渠底部，不破坏沟渠的完整性。立体滤墙与水流方向的角度在排水期间需要调整。在沟渠内放置立体滤墙，由于立体滤墙及其基座等下部结构需占用沟渠部分过流面积，增大局部水流阻力，阻挡、阻滞了水流，对水流会产生阻水作用。

本发明创新地采用阻水比参数和经验系数来调控立体滤墙与沟渠水流方向之间的夹角。所述滤墙阻水面积(f)，即立体滤墙及其基座在某一水位(Z)时，阻挡水流所占的面积(在垂直水流方向的生态滤墙刚性材料塑料管投影面积，简称为滤墙阻水面积(f))，某一水位(Z)对应的沟渠断面面积(F)，阻水比参数(f/F)反映该立体滤墙占用沟渠的情况和阻水程度。通过设置不同的水位和流速，生态滤墙模型作为阻水装置垂直于水流放置在水槽中进行实验，得到阻水比参数。

优选地，所述阻水比参数(f/F)的计算方式：

1、所用的水槽、立体滤墙等实验条件

取水槽断面为矩形，水槽的长、宽和高适宜；取本发明的水力自适应式植物立体滤墙，长、宽和高适宜，采用长度相同的仿真植物，按设定的密度绑定在立体滤墙的塑料管。水槽与蓄水池相连，用水泵控制流速；设置适宜水位。

2、实验方法、过程参数

测定距离立体滤墙2～10m中某一距离的前后水流速度，取流速平均值v，同时测进入立体滤墙前10～30cm的水位Z₁，立体滤墙后10～30cm的水位Z₂。

3、计算公式

f/F＝(Z₁－Z₂)/v²

通过设置不同的水位和流速，立体滤墙模型垂直于水流方向放置在水槽中进行实验，得到阻水比参数(f/F)，该参数反映该立体滤墙占用沟渠的情况和阻水程度。

优选地，所述经验系数(k)的计算公式：

1、所用的水槽、立体滤墙等实验条件，与阻水比参数(f/F)的实验条件相同；

2、实验方法、过程参数

测量进入立体滤墙前10～30cm的水位Z₁，立体滤墙后10～30cm的水位Z₂，调整立体滤墙模型与水流方向的角度，当△Z＝Z₁－Z₂为最小值时，测量平均水位Z和流速v。

3、计算公式

优选地，当v≤0.2时，k为17.74-18.08；当0.2＜v≤0.5时，k为4.74-17.76；当0.5＜v≤1时，k为1.31-8.03；当1＜v≤1.5时，k为0.75-1.6；当1.5＜v≤2，k为0.32-0.94。

优选地，所述沟渠(干支斗三级灌溉渠道)的断面一般为有衬砌防渗的梯形或矩形，渠底宽度在0.5～5m。

优选地，所述转轴为套在工程塑料管内的实心不锈钢圆柱，实心不锈钢圆柱固定在防水电动转盘。

优选地，所述立体滤墙的管槽以转轴为中心左右对称排布，并在其左右两侧设有边框。

优选地，所述立体滤墙的边框上通过绳索设有浮球。所述立体滤墙中最底部的两侧管槽对称设置有配重物，例如实心球、重锤等。

本发明创新的设置有智能灌溉系统，当沟渠水位低于挺水植物根系时使用，水源来自沟渠里的水，通过沟渠底部的进水管和出水管，采用水泵抽至管槽，水泵运行与立体滤墙转动共用电源和控制器等。

优选地，所述立体滤墙上设有与控制器和电源连接的水泵，水泵的进水管沿转轴设置，并延伸至基座；所述进水管的入口处设有防堵塞过滤头；所述水泵通过出水管给各管槽供水。

优选地，在所述立体滤墙的竖直方向上设有不少于2排的用于种植植物的管槽，在不同水深的管槽内分层种植沉水植物、挺水植物；用于沉水植物的定植篮内有多孔基质球和/或生物炭，用于挺水植物的定植篮内装多孔陶粒和/或炉渣。

优选地，所述沉水植物为金鱼藻；所述挺水植物为西洋菜、空心菜和/或水芹。

优选地，所述定植篮内设有带有多孔基质球的植株。所述定植篮外套有网袋后，再放入立体滤墙内的管槽内。

优选地，所述网袋的孔径为50～100目。

优选地，所述多孔基质球由开孔的天然火山岩定植环和生物炭组成。多孔基质球的孔径为3～5cm，孔洞内填粒径为直径0.3～0.8cm的生物炭。优选地，经过琼脂液浸泡处理的生物炭重量与未经浸泡的生物炭重量比例约为1:1。

优选地，用于挺水植物的定植篮内放置用于植株扎根的海绵，海绵的上部放用于固定植株生长的多孔陶粒。所述定植篮外套有网袋后，再放入立体滤墙内的管槽内。

多孔陶粒用于吸附污染物，同时利于形成生物膜。所述海绵切成2.3*2.3*2.8cm的小块，海绵块中间切“十”字缝，以利植株扎根。

优选地，所述金鱼藻在管槽上的种植密度为25～35株/米；所述西洋菜在管槽上的种植密度为20～30株/米；所述水芹的在管槽上的种植密度为10～20株/米。

优选地，所述水文监测仪器包括设置在立体滤墙上的用于监测水深的水深传感器、用于监测流速的流速传感器，以及水质检测传感器。

优选地，所述水深传感器设置在立体滤墙顶部，并设有与水深传感器配合的垂直深入水面下的透明开口管道。

优选地，所述电源包括设置在立体滤墙顶部的太阳能电池板、给用电设备供电的蓄电池。所述太阳能电池板给蓄电池供电。

优选地，所述用于通信和控制用电设备的控制器，设有红外接收器、存储模块、无线通信模块。

一种使用所述水力自适应式植物立体滤墙的水净化处理系统，沿水流方向的设置若干个水力自适应式植物立体滤墙，并调节立体滤墙与水流方向的夹角。

优选地，所述立体滤墙沿水流方向的设置的间隔为0.5～3个/米。

一种使用所述水力自适应式植物立体滤墙净化农田排水的方法，包括以下步骤：

S1.在农田排水沟渠内沿水流方向的设置若干个水力自适应式植物立体滤墙；所述立体滤墙上栽种适宜的植物品种；

S2.测量沟渠内的水深和流速，控制器与水文监测仪器的输入接口连接，获取实时检测的沟渠水深和流速数据，输入阻水比参数(f/F)和经验系数k，计算出适宜的立体滤墙与水流方向的夹角，采用以下计算公式：

与水流方向的夹角；

f：立体滤墙的阻水面积，m²；F：测量水深对应的沟渠断面面积，m²；

f/F：阻水比参数，反映该立体滤墙占用沟渠的情况和阻水程度；

v：沟渠水的流速，m/s；Z：沟渠的测量水深，m；

k：经验参数，反映该立体滤墙与水流角度阻水程度；

S3.控制器通过控制防水电动转盘驱动转轴，调节立体滤墙与水流方向的夹角；并根据实时检测沟渠内的水深和流速变化，调整所述夹角。

优选地，所述控制器为可编程控制器。在所述控制器内置的开源过程控制系统软件ProviewR输入了上述公式(1)。

优选地，所述水文监测仪器获取实时检测的沟渠水深和流速数据，数据检测频次为1～36次/天。

优选地，所述植物品种为经济作物，包括金鱼藻、西洋菜、空心菜和/或水芹。本发明的用户通过定期收获经济作物，解决运行维护期立体滤墙上植物枯萎堵塞的问题。

优选地，所述立体滤墙的面积为沟渠横截面的0.5～0.8倍；优选地，所述立体滤墙的长宽比与处理场所的沟渠横截面的长/宽比相同。

优选地，水力响应式植物立体滤墙在不同农田排水流速时与沟渠水流方向之间的夹角不同角度，在排水流速>1.5时立体滤墙与沟渠水流方向接近平行(即立体滤墙与沟渠水流方向的夹角,<30°)，有助于排水流畅；在流速低于0.5m/s，立体滤墙与沟渠水流方向之间的夹角为45～90度，植物生长空间更大，氮磷等面源污染物去除效率高。

优选地，所述沉水植物，例如金鱼藻等，栽种至立体滤墙前先经过琼脂液浸入处理。进一步优选地，配制3％的琼脂液，加热至沸腾后冷却至室温待用，将沉水植物的植株插入凝固态琼脂静置4～8时，在立体滤墙放到沟渠前把沉水植物插入多孔基质球。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明的水力自适应式植物立体滤墙满足汛期迅速排水，非汛期充分利用农田水肥和土地资源。农田灌区排水量变化幅度大，例如水稻田在受淹抢排渍水高峰期，首要任务在涝期排水顺畅，其次是后继能迅速恢复氮磷的去除能力。

本发明的水力自适应式立体滤墙按排水需求，调整立体滤墙与沟渠水流方向之间的夹角，通过转动立体滤墙的转轴，调整立体滤墙与流水方向角度，减少沟渠排水阻力，同步协调排水与净化水体。本发明创新地采用阻水比参数等来调控立体滤墙与沟渠水流方向之间的夹角。

本发明创新的设置有智能灌溉系统，用于沟渠水位低于挺水植物根系时使用，水源来自沟渠里的水，通过沟渠底部的取水管和供水管道，采用小型水泵抽至管槽，水泵运行与立体滤墙转动共用电源和控制器等。

本发明创新地在所述立体滤墙的竖直方向上设有不少于2排的用于种植植物的管槽，在不同水深的管槽内分层种植沉水植物、挺水植物，一方面满足确保立体滤墙能够有适合的植物生长，以消除水体污染；另一方面通过创新栽培技术，使用定植篮以及基质等实现了植物优质栽培。

本发明通过植物化感代谢物检测实验研发适用于南方种植的经济作物，通过定期收获经济作物，解决运行维护期滤墙植物枯萎堵塞的问题。

通过使用所述水力自适应式植物立体滤墙净化农田排水的方法，实现了水体内总磷、总氮、硝态氮等浓度的显著下降，。同时，水体中微生物、原生动物和植物根系分泌分解氮素的脲酶和分解磷素的碱性磷酸酶大幅升高。

附图说明

图1为实施例1水力自适应式植物立体滤墙的结构示意图；

图2为实施例2水力自适应式植物立体滤墙的结构示意图；

图3为水力自适应式植物立体滤墙的水净化处理系统的结构示意图；

图4为水位-阻水比关系图，即阻水比参数；

图5为实施例3的检测结果；

图6为实施例4的检测结果；

图7为对比例1的检测结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

以下实施例及对比例所用的原材料均为市购。

实施例1

如图1所示，一种水力自适应式植物立体滤墙，包括立体滤墙1、用于安装立体滤墙的基座2，基座2上设有驱动立体滤墙1转动的防水电动转盘21，立体滤墙1设有与防水电动转盘21配合的转轴11。

立体滤墙1上设有用于种植植物的管槽12，管槽12上开设的沟槽内放置栽种植物的定植篮13；

立体滤墙1上设置有电源3、用于测量水深和流速的水文监测仪器4，以及用于通信和控制用电设备的控制器(未示出)。用于通信和控制用电设备的控制器设有红外接收器、存储模块、无线通信模块。

电源3包括设置在立体滤墙1顶部的太阳能电池板31、给用电设备供电的蓄电池32。太阳能电池板31给蓄电池32供电。

本发明创新的采用水力自适应式植物立体滤墙放置在沟渠10(适用于灌区干支斗三级灌溉渠道)，利用立体垂向空间不同水深分层种植沉水植物和挺水植物，利用高生物量的立体空间去除农田排水的过多营养盐。

立体滤墙1与沟渠10的水流方向之间的角度可根据沟渠10的水位、流速和阻水比等调整。

由于水田排水量在雨洪季倍增，再与农作物生长期间歇排水(如水稻在分蘖末期和黄乳后期量水量极小)需求叠加，水力自适应式立体滤墙按排水需求，调整立体滤墙1与沟渠10的水流方向之间的夹角，通过转动立体滤墙的转轴11，调整立体滤墙与流水方向角度，减少沟渠排水阻力，同步协调排水与净化水体。

水力自适应式植物立体滤墙的基座2，固定在沟渠10的底部，不破坏沟渠的完整性。立体滤墙1与水流方向的角度在排水期间需要调整。在沟渠10内放置立体滤墙1，由于立体滤墙1及其基座2等下部结构需占用沟渠部分过流面积，增大局部水流阻力，阻挡、阻滞了水流，对水流会产生阻水作用。

本发明创新地采用阻水比参数等来调控立体滤墙1与沟渠10的水流方向之间的夹角。阻水比参数(面积阻水比，f/F)，即在农田灌区的灌溉水位(Z)时，立体滤墙生态滤墙刚性材料塑料管其基座、以及柔性材料植物在垂直于水流方向上的投影面积与无滤墙同一过水断面面积(F)之比。该意义下的阻水比参数实际上反映的是生态滤墙障碍(或压缩)水流的程度，该参数能够直接评估该装置阻水效应，对于调整滤墙与水流方向的夹角

达到不影响农田除涝排渍功能，最大限度地保证农田排水处理效果有重要作用。

阻水比参数(f/F)的计算方式：

1、所用的水槽、立体滤墙等实验条件

水槽断面为矩形，宽80cm，高100cm，长度20m，立体滤墙用塑料管(外径200mm)，宽60m，高50cm，结构按图1，设置水位在60cm，采用长度相同的仿真植物，按设定的密度绑定在立体滤墙的塑料管。水槽与蓄水池相连，用水泵控制流速。

2、实验方法、过程参数

测定距离立体滤墙约10m的前后水流速度，取流速平均值v，同时测进入立体滤墙前20cm的水位Z₁，立体滤墙后20cm的水位Z₂。

3、计算公式等

f/F＝(Z₁－Z₂)/v²

通过设置不同的水位和流速，立体滤墙等量阻水装置放置在水槽中进行实验，得到图4的阻水比参数(f/F)。该参数反映该立体滤墙占用沟渠的情况和阻水程度。

经验系数(k)的计算公式：

1、所用的水槽、立体滤墙等实验条件，与阻水比参数(f/F)的实验条件相同；

2、实验方法、过程参数

测量进入立体滤墙前10～30cm的水位Z₁，立体滤墙后10～30cm的水位Z₂，调整立体滤墙模型与水流方向的角度，当△Z＝Z₁－Z₂为最小值时，测量平均水位Z和流速v。

4、计算公式

当v≤0.2时，k为17.74-18.08；当0.2＜v≤0.5时，k为4.74-17.76；当0.5＜v≤1时，k为1.31-8.03；当1＜v≤1.5时，k为0.75-1.6；当1.5＜v≤2，k为0.32-0.94。

沟渠10(干支斗三级灌溉渠道)的断面一般为有衬砌防渗的梯形或矩形，渠底宽度在0.5～5m。

转轴11为套在工程塑料管内的实心不锈钢圆柱，实心不锈钢圆柱固定在防水电动转盘21。

立体滤墙1的管槽12以转轴11为中心左右对称排布，并在其左右两侧设有边框16。

立体滤墙1的边框16上通过绳索设有浮球14。立体滤墙1中最底部的两侧管槽12对称设置有配重物15，例如实心球、重锤等。

在立体滤墙的竖直方向上设有4排的用于种植植物的管槽12，在不同水深的管槽12内分层种植沉水植物、挺水植物。

沉水植物为金鱼藻；挺水植物为西洋菜、空心菜和/或水芹。

用于沉水植物的定植篮13内设有带有多孔基质球的植株。定植篮13外套有网袋后，再放入立体滤墙内的管槽12内。

网袋的孔径为50～100目。

多孔基质球由开孔的天然火山岩定植环和生物炭组成。多孔基质球的孔径为3～5cm，孔洞内填粒径为直径0.3～0.8cm的生物炭。

经过琼脂液浸泡处理的生物炭重量与未经浸泡的生物炭重量比例约为1:1。

用于挺水植物的定植篮13内放置用于植株扎根的海绵，海绵的上部放用于固定植株生长的多孔陶粒。定植篮13外套有网袋后，再放入立体滤墙内的管槽12内。

多孔陶粒用于吸附污染物，同时利于形成生物膜。海绵切成2.3*2.3*2.8cm的小块，海绵块中间切“十”字缝，以利植株扎根。

金鱼藻在管槽12上的种植密度为25～35株/米；西洋菜在管槽12上的种植密度为20～30株/米；水芹的在管槽12上的种植密度为10～20株/米。

水文监测仪器4包括设置在立体滤墙上的用于监测水深的水深传感器41、用于监测流速的流速传感器。

水深传感器41设置在立体滤墙1顶部，并设有与水深传感器配合的垂直深入水面下的透明开口管道411。

实施例2

如图2所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，水力自适应式植物立体滤墙还设置有智能灌溉系统，用于沟渠水位低于挺水植物根系时使用，水源来自沟渠里的水，通过沟渠底部的进水管51和出水管52，采用水泵53抽至管槽12，水泵53运行与立体滤墙1转动共用电源3和控制器(未示出)等。

具体的，立体滤墙1上设有与控制器和电源3连接的水泵53，水泵53的进水管51沿转轴11设置，并延伸至基座2；进水管51的入口处设有防堵塞过滤头511；水泵53通过出水管52给各管槽12供水。

实施例3

如图3所示，本实施例使用实施例2的水力自适应式植物立体滤墙的水净化处理系统，沿水流方向的设置若干个水力自适应式植物立体滤墙，并调节立体滤墙与水流方向的夹角。

立体滤墙沿水流方向的设置的间隔为0.5～3个/米。

植物品种为经济作物，包括金鱼藻、西洋菜、空心菜和/或水芹。本发明的用户通过定期收获经济作物，解决运行维护期立体滤墙上植物枯萎堵塞的问题。

立体滤墙的面积为沟渠横截面的0.5～0.8倍；立体滤墙的长宽比与处理场所的沟渠横截面的长/宽比相同。

一种使用水力自适应式植物立体滤墙净化农田排水的方法，包括以下步骤：

S1.在农田排水沟渠内沿水流方向的设置若干个水力自适应式植物立体滤墙；立体滤墙上栽种适宜的植物品种；

S2.测量沟渠内的水深和流速，控制器与水文监测仪器的输入接口连接，获取实时检测的沟渠水深和流速数据，通过不同水深和立体滤墙与水流方向夹角的阻水比关系，计算出适宜的立体滤墙与水流方向的夹角，采用以下计算公式：

与水流方向的夹角；

f：立体滤墙的阻水面积，m²；F：测量水深对应的沟渠断面面积，m²；

f/F：阻水比参数，反映该立体滤墙占用沟渠的情况和阻水程度；

v：沟渠水的流速，m/s；Z：沟渠的测量水深，m；

k：经验参数，反映该立体滤墙与水流角度阻水程度；

当v≤0.2时，k为17.74-18.08；当0.20＜v≤0.50时，k为4.74-17.76；当0.50＜v≤1时，k为1.31-8.03；当1＜v≤1.5时，k为0.75-1.6；当1.5＜v≤2，k为0.32-0.94；

当流速等于0.2m/s，0.5m/s，0.8m/s，1.0m/s，1.5m/s，2.0m/s时，f/F值查图4可得，在0-2.0m/s区间，采用实施例1的方法测得；

在实施过程中，当v≤0.2时，k为17.5；当0.20＜v≤0.50时，k为10；当0.5＜v≤1，k为7.5；当1＜v≤1.5时，k为1。

S3.控制器通过控制防水电动转盘驱动转轴，调节立体滤墙与水流方向的夹角；并根据实时检测沟渠内的水深和流速变化，调整至具体的夹角。

控制器为可编程控制器。在控制器内置的开源过程控制系统软件ProviewR输入了上述公式(1)。

水文监测仪器获取实时检测的沟渠水深和流速数据，数据检测频次为1～36次/天。

沉水植物栽种至立体滤墙前先经过琼脂液浸入处理。进一步配制3％的琼脂液，加热至沸腾后冷却至室温待用，将沉水植物的植株插入凝固态琼脂静置4～8时，在立体滤墙放到沟渠前把沉水植物插入多孔基质球。

水力响应式植物立体滤墙可根据沟渠流速调整立体滤墙与沟渠水流方向的夹角，当水流速度增加，夹角自动调整变小，有助于排水流畅；当水流速度变小，夹角自动调整变大，植物生长空间更大，氮磷等面源污染物去除效率高。

本实施例选取一段水稻灌区沟渠，宽度80cm，长度约300m，试验段50m，共放置实施例2的立体滤墙45个，规格为60*40cm，滤墙放置密度为1.1个/m(渠道长度)。

沟渠试验段出口处建有小型节制闸，用于维持水位在50～70cm，流速为0～1.5m/s。

立体滤墙与沟渠水流方向之间的夹角为39.4-85.2度，水位和流速数据通过水文监测仪器获取，通过可编程控制器内置的计算公式(1)得到夹角数据，按1次/小时自动设置夹角。

该水净化处理系统运营30天，每天采样在滤墙上游和出口处取水样进行水质检测，检测指标有总磷、总氮。同时，检测植物根系附近水体的脲酶(Urease)和碱性磷酸酶(Alkaline phosphatase)。检测结果如图5所示。

该水净化处理系统运营30天，每天采样在滤墙上游和出口处取水样进行水质检测，检测指标有总磷、总氮。同时，检测植物根系附近水体的脲酶(Urease)和碱性磷酸酶(Alkaline phosphatase)。检测结果如图5所示。图5的横坐标为运行时间，左侧纵坐标为总氮(总磷)削减量＝进口总氮(总磷)浓度(mg/L)-出口总氮(总磷)浓度(mg/L)，即立体滤墙的污染去除能力，右侧纵坐标为脲酶和碱性磷酸酶浓度(采样位置在沟渠试验段中心)。

从图5可知，一方面，与滤墙上游浓度相比，总磷、总氮的出口浓度显著下降，其中总氮削减量为1.7-6.3mg/L，削减率为33.1-72.7％，总磷削减量为2.7-5.0mg/L，削减率为8.3-45.7％。脲酶的浓度在1.9-6.9ug/L,碱性磷酸酶的浓度在0.3-7.8ug/L，浓度有显著增加。

从图5可知，一方面随着水净化处理系统运营时间增加，总磷、总氮的浓度差越显著，表明了运营时间增加，处理效果也不断提升；另一方面，水体中的各种酶的积累，是由微生物、原生动物和植物根系生命活动的结果，它们参与了许多重要的生物化学过程，植物在吸收水中的含氮无机盐合成细胞物质，降低水中氮磷的含量的同时，而代谢产物则能够促进根际微生物生长，刺激脲酶和碱性磷酸酶合成及活性增强，分解水中有机氮磷，释放无机氮磷供植物利用。

实施例4

如图3所示，本实施例使用实施例2的水力自适应式植物立体滤墙的水净化处理系统，沿水流方向的设置若干个水力自适应式植物立体滤墙，并调节立体滤墙与水流方向的夹角。

植物品种为经济作物，包括金鱼藻、西洋菜、空心菜、水芹。本发明的用户通过定期收获经济作物，解决运行维护期立体滤墙上植物枯萎堵塞的问题。

立体滤墙的面积为沟渠横截面的0.5～0.8倍；立体滤墙的长宽比与处理场所的沟渠横截面的长/宽比相同。

一种使用水力自适应式植物立体滤墙净化农田排水的方法，包括以下步骤：

S1.在农田排水沟渠内沿水流方向的设置若干个水力自适应式植物立体滤墙；立体滤墙上栽种适宜的植物品种；

S2.测量沟渠内的水深和流速，控制器与水文监测仪器的输入接口连接，获取实时检测的沟渠水深和流速数据，通过不同水深和立体滤墙与水流方向夹角的阻水比关系，计算出适宜的立体滤墙与水流方向的夹角，采用以下计算公式：

与水流方向的夹角；

f：立体滤墙的阻水面积，m²；F：测量水深对应的沟渠断面面积，m²；

v：沟渠水的流速，m/s；Z：沟渠的测量水深，m；

k：经验参数，反映该立体滤墙与水流角度阻水程度；

在实施过程中，当1＜v≤1.5时，k为1.2；当1.5＜v≤2时，k为0.87。

S3.控制器通过控制防水电动转盘驱动转轴，调节立体滤墙与水流方向的夹角；并根据实时检测沟渠内的水深和流速变化，调整至具体的夹角。

控制器为可编程控制器。在控制器内置的开源过程控制系统软件ProviewR输入了上述公式(1)。

水文监测仪器获取实时检测的沟渠水深和流速数据，数据检测频次为1～24次/天。

本实施例选取一段水稻灌区内直立型挡墙的支渠，宽度120m，长度约800m，试验段500m，共放置实施例2的立体滤墙50个，规格为100*80cm，滤墙放置密度为1个/m(渠道长度)。沟渠试验段流速为1.2-2m/s，水深约为70-80cm。

立体滤墙与沟渠水流方向之间的夹角为8.9-35.1度，水位和流速数据通过水文监测仪器获取，通过可编程控制器内置的计算公式(1)得到夹角数据，按1次/小时自动设置夹角。

该水净化处理系统运营30天，每天采样在滤墙上游和出口处取水样进行水质检测，检测指标有总磷、总氮。同时，检测植物根系附近水体的脲酶(Urease)和碱性磷酸酶(Alkaline phosphatase)。检测结果如图6所示。图6的横坐标为运行时间，左侧纵坐标为总氮(总磷)削减量＝进口总氮(总磷)浓度(mg/L)-出口总氮(总磷)浓度(mg/L)，即立体滤墙的污染去除能力，右侧纵坐标为脲酶和碱性磷酸酶浓度(采样位置在沟渠试验段中心)。

从图6可知，与滤墙上游浓度相比，总磷、总氮的出口浓度显著下降，其中总氮削减量为1.2-5.8mg/L，削减率为23.5-65.6％，总磷削减量为0.2-2.9mg/L，削减率为10.4-43.8％。脲酶的浓度在1.7-3.0ug/L，碱性磷酸酶的浓度在2.7-5ug/L，浓度有显著增加。

对比例1

在于实施例3相同的沟渠段条件下，无立体滤墙。在无立体滤墙的300m沟渠段进行水质采样检测，检测结果见图7。

然而，从图7可知，沟渠段上下游的总氮、总磷含量变化小，有时甚至出现负值，可能存在从沟泄两侧排入的分散式面源污染，而水体中的各种酶含量一直在极低水平。

因此，相比图5、6和图7可知，本发明的水净化处理系统取得了显著的效果。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种水力自适应式植物立体滤墙，其特征在于，包括立体滤墙、用于安装立体滤墙的基座，所述基座上设有驱动立体滤墙转动的防水电动转盘，所述立体滤墙设有与防水电动转盘配合的转轴；

所述立体滤墙上设有用于种植植物的管槽，所述管槽上开设的沟槽内放置栽种植物的定植篮；

所述立体滤墙上设置有电源、用于测量水深和流速的水文监测仪器，以及用于通信和控制用电设备的控制器；

所述电源包括设置在立体滤墙顶部的太阳能电池板、给用电设备供电的蓄电池。

2.根据权利要求1所述水力自适应式植物立体滤墙，其特征在于，所述立体滤墙的管槽以转轴为中心左右对称排布，并在其左右两侧设有边框。

3.根据权利要求1所述水力自适应式植物立体滤墙，其特征在于，还设有智能灌溉系统，用于沟渠水位低于挺水植物根系时使用，水源来自沟渠里的水；所述立体滤墙上设有与控制器和电源连接的水泵，水泵的进水管沿转轴设置，并延伸至基座；所述进水管的入口处设有防堵塞过滤头；所述水泵通过出水管给各管槽供水；通过进水管和出水管，采用水泵抽至管槽。

4.根据权利要求1所述水力自适应式植物立体滤墙，其特征在于，在所述立体滤墙的竖直方向上设有不少于2排的用于种植植物的管槽，在不同水深的管槽内分层种植沉水植物、挺水植物；

用于沉水植物的定植篮内有多孔基质球和/或生物炭，用于挺水植物的定植篮内装多孔陶粒和/或炉渣。

5.根据权利要求4所述水力自适应式植物立体滤墙，其特征在于，所述多孔基质球由开孔的天然火山岩定植环和生物炭组成；多孔基质球的孔径为3～5cm，孔洞内填粒径为0.3～0.8cm生物炭。

6.根据权利要求1所述水力自适应式植物立体滤墙，其特征在于，所述水文监测仪器包括设置在立体滤墙上的用于监测水深的水深传感器、用于监测流速的流速传感器，以及水质检测传感器。

7.根据权利要求6所述水力自适应式植物立体滤墙，其特征在于，所述水深传感器设置在立体滤墙顶部，并设有与水深传感器配合的垂直深入水面下的透明开口管道。

8.一种使用权利要求1～7任意一项所述水力自适应式植物立体滤墙的水净化处理系统，其特征在于，沿水流方向的设置若干个水力自适应式植物立体滤墙，并调节立体滤墙与水流方向的夹角。

9.一种使用权利要求1～7任意一项所述水力自适应式植物立体滤墙净化农田排水的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.在农田排水沟渠内沿水流方向的设置若干个水力自适应式植物立体滤墙；所述立体滤墙上栽种适宜的植物品种；

S2.测量沟渠内的水位和流速，控制器与水文监测仪器输入接口连接，获取实时检测的沟渠水深和流速数据，通过不同水位和立体滤墙与水流方向夹角的阻水比关系，计算出适宜的立体滤墙与水流方向的夹角，采用以下计算公式：

与水流方向的夹角；

f：立体滤墙的阻水面积，m²；F：测量水深对应的沟渠断面面积，m²；

f/F：阻水比参数，反映该立体滤墙占用沟渠的情况和阻水程度；

v：沟渠水的流速，m/s；Z：沟渠的测量水深，m；

k：经验参数，反映该立体滤墙与水流角度阻水程度；

S3.控制器通过控制防水电动转盘驱动转轴，调节立体滤墙与水流方向的夹角；并根据实时检测沟渠内的水位和流速变化，调整所述夹角。

10.根据权利要求9所述净化农田排水的方法，其特征在于，所述立体滤墙的面积为沟渠横截面的0.5～0.8倍；所述立体滤墙的长宽比与处理场所的沟渠横截面的长/宽比相同。

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