WO2020094086A1

WO2020094086A1 - 现代节水技术与循环农业体系及其构建方法

Info

Publication number: WO2020094086A1
Application number: PCT/CN2019/116186
Authority: WO
Inventors: 张锦宇; 张颖; 罗旭辉
Original assignee: 福建省农业科学院农业生态研究所
Priority date: 2018-11-08
Filing date: 2019-11-07
Publication date: 2020-05-14
Also published as: CN109845439A; CN109845439B

Abstract

提供一种现代节水技术与循环农业体系及其构建方法。该体系包括种植系统（1）、设置于坡地及坡耕地上的引排水和水土保持系统（7）、与引排水和水土保持系统（7）相连接并用于集蓄雨水的集水池（4）、布设于种植系统（1）上的节水灌溉系统（6），节水灌溉系统（6）将集水池（4）内收集的水肥经过肥化后引流回种植系统（1）。构建方法为根据坡地的各个条件进行计算，确定不同系统的规格要求，整个系统的建立，提高耕地总体利用率，达到增加耕地质量和补充耕地面积的功效。同时田间植物间作，改善田间气候生态环境，形成保护坡耕地的生态屏障。

Description

现代节水技术与循环农业体系及其构建方法

技术领域

本发明涉及一种水土流失治理技术，尤其涉及高标准农田建设、现代节水技术与循环农业体系及其构建方法。

背景技术

坡耕地是我国水土流失的重要策源地，也是目前广大山丘区群众赖以生存和发展的生产用地。大量的坡耕地导致严重的水土流失，破坏耕地资源，降低土地生产力，危及国家粮食安全、生态安全和防洪安全，制约经济社会的可持续发展。

因地制宜地建设雨水集蓄利用工程、蓄排引灌、田间生产道路、地埂梯壁种植利用等配套措施，是《全国水土保持规划(2015-2030)年》和《水利改革发展“十三五”规划》，国家发展改革委、水利部联合编制印发了《全国坡耕地水土流失综合治理“十三五”专项建设方案》的核心内容。也是《国家农业综合开发高标准农田建设规划》的重要组成。

发明内容

本发明的目的在于提供一种现代节水技术与循环农业体系及其构建方法，让其形成保护坡耕地的生态屏障，利用高标准农田建设的水肥灌溉系统来控制田间水土流失与水肥供给间的平衡。通过水肥循环和有机肥下田，保育田间土、肥、水等条件,耦合水土保持与现代高效栽培农业，增加田埂作物种植面积和收入，提高土地利用率,达到增加耕地的功效。

本发明的目的是这样实现的：现代节水技术与循环农业体系，它包括种植系统、设置于坡地及坡耕地上的引排水和水土保持系统、与引排水和水土保持系统相连接并用于集蓄雨水的集水池、布设于种植系统上的节水灌溉系统，节水灌溉系统将集水池内收集的水肥经过肥化后引流回种植系统。

一种现代节水技术与循环农业体系的构建方法如下：

步骤1：根据坡耕地或坡地上的地形和气候条件选择种植物；并初步确定灌溉工程需水量；

步骤2：根据各年、各旬降水量和旬集流效率公式计算各年单位径流面积上的径流量以及暴雨条件下的暴雨强度公式；

步骤3：对各年径流量或暴雨进行频率分析，求得设计频率下单位径流面积上的水土径流量；

步骤4：按照坡耕地或坡地上径流面积计算各年、旬或暴雨条件下雨水径流总入流量；

步骤5：按地形、种植物和区域灌溉划分条件、预设定几个蓄水标准容积，并分别进行水量平衡计算；

步骤6：

计算在预定蓄水容积下发生缺水的年数，凡年内有一个计算时段发生缺水的，即应认为该年发生了缺水；各蓄水容积下的供水保证率可按下式计算：

式中：R—供水保证率(％)；

n—年数；

m—计算得到的在某个蓄水容积下的缺水年数；

步骤7：计算与设计保证率相应的蓄水容积，为所求的蓄水容积；

步骤8：对不同径流面积和蓄水容积组合进行经济比较，求得造价最小的径流面积和蓄水容积组合，其中径流面积采用符合坡地崩岗沟管网防护体系统的经济和技术要求修正划分保护区域；

步骤9：各年、各旬、降水径流总量与步骤1种植物灌溉工程需水量的差，为溢流排出，为下游人工湿地系统的入流量；

步骤10：根据溢流排出与入流量及常年面源污染的测定值，确定人工湿地系统大小。

本发明的优点在于：

1、充分利用田埂梯壁种植物工程来保持田间水、土、肥，在达到保水、保土、保肥的同时,耦合水土保持与现代农业，增加田埂作物收入,提高耕地总体利用率，达到增加耕地质量和补充耕地面积的功效。同时田间植物间作，改善田间气候生态环境，形成保护坡耕地的生态屏障。

2、利用高标准农田建设坡耕地上的雨水集蓄利用工程建设，依山就势、科学合理配置坡地崩岗沟管网防护体系统以及集水池，构建成一个水土保持和土壤改良体系，有效控制项目区内地表雨水径流和土壤肥力保育，形成“涝能排、旱能灌”的水土流失雨水集蓄利用工程和土壤保育体系。

3、通过技术集成，在坡耕地田埂梯壁上采用梯壁种植系统，如：坡地崩岗土壤改良系统，将原系统上的水肥富集层，替换为垫料、秸秆、锯末、菇渣、糖渣、煤灰、垃圾等可再生废弃物制作富养基质层，使之成为坡耕地田埂梯壁上种植物生长的沃土，使用一定时间后，田埂梯壁网、草护坡“富养基质”更新、旧料下地做园地有机肥，有效改良土壤，增强地力,促进坡耕地提质增效。

4、节水灌溉系统将集水池的水、肥送回坡地和坡耕地上形成区域水肥流失和补充的平衡，田间水、土、肥动态通过互联网平台如：<一种农业成果转化与生产营销体系及其使用方法>平台的<节水灌溉与水肥一体控制系统>实行远程控制。

5、设置人工湿地。如：潮汐混合流人工湿地，当区域暴雨使水土流失量大于集水量或坡耕地施肥与面源污染导致集水池中污染水不能满足灌溉条件时，集水排到潮汐混合流人工湿地，由人工湿地系统处理后向江河排放。

附图说明

图1是本发明各个设备或系统之间的连接关系图。

图2是本发明各个设备或系统之间的具体位置关系图。

图3是坡耕地俯视图以及A-A面的侧剖图；

图4是梯壁种植系统中设置坡地崩岗土壤改良系统的俯视图；

图5图4中B-B处的剖面图。

图6图4中C-C处的剖面图。

图7是所述坡地崩岗沟管网防护体系统的俯视图。

图8是图7中D-D处的剖面图。

图9人工湿地系统中人工湿地的截面图。

图10人工湿地系统的整体结构示意图。

图11现代节水技术与循环农业体系的构建方法流程图。

标号说明：1种植系统、2坡地崩岗土壤改良系统、3坡地崩岗沟管网防护体系统、4集水池、5人工湿地系统、6节水灌溉系统、7水土保持系统、21富养基质层、22覆膜网面层、23加强固定网、24植物、31水平排水沟、32竖向排水沟、33集水井、41人工湿地、411溢流通道、42循环过滤系统、43基质层A、44基质层B、45基质层C、46基质层D、421进水管、422出水管、49分隔网。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明内容进行详细说明：

如图1-3所示：一种现代节水技术与循环农业体系，其特征在于：它包括种植系统2、设置于坡地及坡耕地上的引排水和水土保持系统、与引排水和水土保持系统相连接并用于集蓄雨水的集水池4、布设于种植系统上的节水灌溉系统6，节水灌溉系统将集水池内收集的水肥经过肥化后引导回种植系统。

这里的坡耕地主要指坡地、梯田等。集水池可以为指水窖、塘堰、水池或水箱。

所述的引排水和水土保持系统分为引排水系统和水土保持系统7，所述引排水系统包括坡地崩岗沟管网防护体系统3或砖、石、混凝土以及土渠类的引排水沟；所述水土保持系统包括坡地崩岗水土保持系统以及田间台地蓄渗系统。

田间台地蓄渗系统为鱼鳞坑、水平沟、竹节沟、水平阶。

所述种植系统包括位于种植于坡耕地上的植物、种植于坡地崩岗土壤改良系统上的植物或种植于田埂壁上的植物。

所述坡地崩岗土壤改良系统记载于ZL2014 2 0268813.4的专利中，它包括覆盖在坡地坡面上的富养基质层21以及覆盖在富养基质层21上的覆膜网面层22，所述富养基质层21为海绵、吸水性树脂或超轻量营养基质层；所述覆膜网面层22为遮阳网布、农用网布、编织PE布或家用网布。富养基质层为土壤湿度和肥料分布变化的控制传递层,水肥分布变化只是该富养基质层在土壤改良过程中的一种运动形式；覆膜网面层一方面是解决富养基质层结构松散,避免松散位移问题，保证土壤富养基质层功能正常工作。另一方面是用土壤加筋法改变土壤力学性状，用于加固土壤，达到平衡坡耕地梯壁或坡地坡面上的水力侵蚀、重力侵蚀和风力侵蚀对土壤表面和整体的土力学影响，从而治理水土流失和土壤保育的双重作用。所述富养基质层21的表面或其内部设置有加强固定网23，所述加强固定网23为由若干根经线和若干根纬线相互横竖交织而成的经纬绳网。

本发明还包括位于集水池下游的人工湿地系统，所述包括人工湿地系统表面流人工湿地，水平潜流人工湿地、垂直潜流人工湿地和潮汐流人工湿地。

在使用的时候，节水灌溉系统可以根据需求进行指定区域的灌溉，更可以和现有的农业成果转化与生产营销体系进行对接按需灌溉；需要指出的是所述农业成果转化与生产营销体系记载于ZL201810012528.9的专利中。

所述水土保持系统为坡地崩岗水土保持系统和田间台地蓄渗系统中的一种。其中坡地崩岗水土保持系统记载于ZL201420268813.4的专利中；所述台地蓄渗系统为鱼鳞坑、水平沟、竹节沟和水平阶等。

坡地崩岗沟管网防护体系统为坡地崩岗沟管网防护体系统或普通沟渠系统中的一种；

如图7-8示所述坡地崩岗沟管网防护体系统包括设置于坡耕地上的并至上至下依次排列的若干道水平排水沟31以及若干道竖向设置并与每个水平排水沟 31交汇联通的竖向排水沟32，在水平排水沟31和竖向排水沟32的交汇处设有若干个向地下延伸的集水井33。最上方的水平排水沟31作为上部截水沟使用，使用过程中，集水井33还可以作为沉沙池使用；当然也可以另外建立沉沙井。竖向排水沟32的末端与集水池联通。坡地崩岗沟管网防护体系统的具体使用方式可以参考ZL201410125995.4专利文件内所公开的内容。

坡地崩岗沟管网防护体系统还可以采用普通沟渠系统，所述普通沟渠系统为通过砖、石、混凝土或/和土制成的引、排水沟。

如图9-10所示：所述人工湿地系统为表面流人工湿地，水平潜流人工湿地、垂直潜流人工湿地或潮汐流人工湿地中的一种。

表面流人工湿地，即在湿地四周筑有一定高度的围墙，维持一定的水层厚度，同时湿地中种植挺水型植物。

水平潜流人工湿地，是潜流式湿地的一种形式，污水由进水口一端沿水平方向流动的过程中依次通过砂石、介质、植物根系，流向出水口一端，以达到净化目的。

垂直潜流人工湿地，污水由表面纵向流至床底，在纵向流的过程中污水依次经过不同的介质层，达到净化的目的。

潮汐混合流人工湿地包括分布于坡底的人工湿地41以及设置于人工湿地41内的循环过滤系统42，所述人工湿地41内设有若干纵横交错的溢流通道411，所述人工湿地包括填料床体以及生长于填料床体表面的水生植物；所述填料床体包括潜流生物接触层以及潜流生物接触层上方的基质层，所述潜流生物接触层和基质层之间设有分隔与连通用分隔网49；所述基质层从上往下依次包括基质层A43和基质层B44，所述潜流生物接触层从上往下依次包括基质层C45和基质层D46；所述循环过滤系统包括循环过滤设备、进水管421、出水管422以及电磁控制设备；所述进水管和出水管设在人工湿地内，电磁控制设备与进水管和出水管连接实现水路循环；循环过滤设备设置于该水路循环上实现过滤；在人工湿地上设有通向湿地底部的通气管。潮汐混合流人工湿地及其污水处理的方法，可以参考ZL201610466623.7专利文件中所公开的内容。

人工湿地的作用为当雨量超过集水池的负载时，雨水漫过集水池最终流入人工湿地系统并通过人工湿地净化最终流向江河；

节水灌溉系统包括水泵、施肥器、灌溉管路以及控制系统，灌溉管路布设于坡耕地上的种植园处并与水泵连接，施肥器与灌溉管路连接对水体施肥，水泵通过控制系统控制其供水。通过节水灌溉系统将下雨时候储蓄的水量输送回坡耕地上的种植园进行灌溉，灌溉的同时还进行的施肥处理，达到水肥一体化的精准控制。这里的灌溉方式可以根据植被的种类选择喷灌或滴灌等方式。节水灌溉系统根据灌溉区域不同分为用于灌溉种植园的农田灌溉系统以及用于灌溉梯壁种植系统的梯壁灌溉系统。

如图11所示：本发明所述的现代节水技术与循环农业体系的构建方法如下：

步骤6：

式中：R—供水保证率(％)；

n—年数；

m—计算得到的在某个蓄水容积下的缺水年数；

本发明中，对作物进行集雨补充灌溉时，应在收集当地降雨和作物需水资料和对农业实践经验进行调查的基础上，分析确定影响作物的需水关键期及需要补充的灌溉水量，并应根据集雨工程蓄水容量和灌溉面积确定作物灌水次数、灌水定额和灌溉定额。

1、蓄水工程容积确定：

式中：V—蓄水容积(m ³)：

W—设计保证率条件下年供水量(m ³),

α—蓄水工程蒸发、渗漏损失系数，可取0.02-0.5。

K—容积系数，可按规定取值。

蓄水工程形式的选择应根据当地土质、工程用途、建筑材料、施工条件等因素确定。对于生活供水和灌溉用水合用的蓄水工程应采用水窖、水窑、有顶盖的水池或在房屋内修建的水池。

2、坡耕地雨水径流总量：

式中：W—设计保证率条件下，水土流失或雨水集蓄的年径流量和供水量(m ³)：

Si—第i种材料的径流面面积(m)：

Ki就—第i种材料的年集流效率：

Pp—频率等于设计保证率的年降水量(mm)：

n—径流面材料种类数。

3、灌溉工程需水量：

式中：

W—设计保证率条件下，雨水利用灌溉工程的年需水量(m ³)：

Si—第i次灌溉面积((hm ²)：

Mi—第i次灌水定额(m ³/hm ²)，按规定取值：

n—灌水次数。

作物灌溉应采用高效适用的灌水方法。

本发明能够实现以下效果

在耕地质和量上实现：

耕地质和量的提升：增加田埂作物种植面积,提高耕地整体质量，实现耕地质和量总体利用率。

雨水集蓄利用：利用自身雨水条件，形成“涝能排、旱能灌”的水土流失雨水集蓄利用工程和土壤保育体系，在少雨地区优势明显。

面源污染控制：农田面源污染处理排放与循环在区域内控制。

水土流失与水肥供给控制：田间水、土、肥动态管理，精准控制。梯壁和坡地采取工程或生物措施，使水肥流失量与水肥供给量控制在容许的波动量范围内，如果水肥流失量得不到控制，水土保育与土壤改良亦无法进行。

在土地保育上实现：

改良土壤功能：其目的是增加土壤有机质和养分含量，改良土壤性状，提高土壤肥力。

改变力学性状：用于加固土壤，平衡水力侵蚀、重力侵蚀和风力侵蚀对土壤表面和整体的土力学影响,防止土壤崩塌发生。

水利土壤改良：用水肥灌溉系统输送化学物质对来改变土壤酸性或碱性土壤化学改良系统，定期进行土壤消毒。

Claims

一种现代节水技术与循环农业体系，其特征在于：它包括种植系统、设置于坡地及坡耕地上的引排水和水土保持系统、与引排水和水土保持系统相连接并用于集蓄雨水的集水池、布设于种植系统上的节水灌溉系统，节水灌溉系统将集水池内收集的水肥经过肥化后引流回种植系统。
根据权利要求1所述的现代节水技术与循环农业体系，其特征在于：所述的引排水和水土保持系统分为引排水系统和水土保持系统，所述引排水系统包括坡地崩岗沟管网防护体系统或砖、石、混凝土以及土渠类的引排水沟；所述水土保持系统包括坡地崩岗水土保持系统以及田间台地蓄渗系统。
根据权利要求2所述的现代节水技术与循环农业体系，其特征在于：田间台地蓄渗系统为鱼鳞坑、水平沟、竹节沟、水平阶。
根据权利要求2所述的现代节水技术与循环农业体系，其特征在于：所述坡地崩岗沟管网防护体系统包括设置于坡耕地上的并至上至下依次排列的若干道水平排水沟(31)以及若干道竖向设置并与每个水平排水沟(31)交汇联通的竖向排水沟(32)，在水平排水沟(31)和竖向排水沟(32)的交汇处设有若干个向地下延伸的集水井(33)。
根据权利要求1所述的现代节水技术与循环农业体系，其特征在于：所述种植系统包括位于种植于坡耕地上的植物、种植于坡地崩岗土壤改良系统上的植物或种植于田埂壁上的植物。
根据权利要求1所述的现代节水技术与循环农业体系，其特征在于：它还包括位于集水池下游的人工湿地系统，湿地系统包括表面流人工湿地，水平潜流人工湿地、垂直潜流人工湿地或潮汐流人工湿地。
根据权利要求1所述的现代节水技术与循环农业体系，其特征在于：集水池蒸发、渗漏损失系数为0.02-0.5。
根据权利要求1所述的现代节水技术与循环农业体系，其特征在于：节水灌溉系统包括水泵、施肥器以及控制系统，施肥器设置在坡顶或坡面上，水泵通过输水管网连接施肥器，水泵通过控制系统控制其供水。
根据权利要求1-8所述现代节水技术与循环农业体系的构建方法：其特征在于：具体构建步骤如下：

步骤1：根据坡耕地或坡地上的地形和气候条件选择种植物；并初步确定灌溉工程需水量；

步骤2：根据各年、各旬降水量和旬集流效率公式计算各年单位径流面积上的径流量以及暴雨条件下的暴雨强度公式；

步骤3：对各年径流量或暴雨进行频率分析，求得设计频率下单位径流面积上的水土径流量；

步骤4：按照坡耕地或坡地上径流面积计算各年、旬或暴雨条件下雨水径流总入流量；

步骤5：按地形、种植物和区域灌溉划分条件、预设定几个蓄水标准容积，并分别进行水量平衡计算；

步骤6：

计算在预定蓄水容积下发生缺水的年数，凡年内有一个计算时段发生缺水的，即应认为该年发生了缺水；各蓄水容积下的供水保证率可按下式计算：

式中：R—供水保证率(％)；

n—年数；

m—计算得到的在某个蓄水容积下的缺水年数；

步骤7：计算与设计保证率相应的蓄水容积，为所求的蓄水容积；

步骤8：对不同径流面积和蓄水容积组合进行经济比较，求得造价最小的径流面积和蓄水容积组合，其中径流面积采用符合坡地崩岗沟管网防护体系统的经济和技术要求修正划分保护区域；

步骤9：各年、各旬、降水径流总量与步骤1种植物灌溉工程需水量的差，为溢流排出，为下游人工湿地系统的入流量；

步骤10：根据溢流排出与入流量及常年面源污染的测定值，确定人工湿地系统大小。
根据权利要求9所述现代节水技术与循环农业体系的构建方法：其特征在于：构件过程中：各个参数确认如下：

1、蓄水工程容积确定：

式中：V—蓄水容积(m ³)：

W—设计保证率条件下年供水量(m ³),

α—蓄水工程蒸发、渗漏损失系数，可取0.02-0.5。

K—容积系数，可按规定取值。

蓄水工程形式的选择应根据当地土质、工程用途、建筑材料、施工条件等因素确定。对于生活供水和灌溉用水合用的蓄水工程应采用水窖、水窑、有顶盖的水池或在房屋内修建的水池。

2、坡耕地雨水径流总量：

式中：W—设计保证率条件下，水土流失或雨水集蓄的年径流量和供水量(m ³)：

Si—第i种材料的径流面面积(m)：

Ki就—第i种材料的年集流效率：

Pp—频率等于设计保证率的年降水量(mm)：

n—径流面材料种类数。

3、灌溉工程需水量：

式中：

W—设计保证率条件下，雨水利用灌溉工程的年需水量(m ³)：

Si—第i次灌溉面积((hm ²)：

Mi—第i次灌水定额(m ³/hm ²)，按规定取值：

n—灌水次数。