CN113800641A - 一种掺混生活污水的农业流域面源污染消减与再利用生态治理设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种掺混生活污水的农业流域面源污染物消减与再利用生态治理设计方法及其应用，按照“分块分区、精准治理、逐级净化”的原则，采用遥感技术和地理信息技术建立空间信息数据库，获取农业小流域上下游汇流关系、沟塘连通关系和面源污染物输蓄过程等信息，进而根据农业小流域各级生活污水和农田排水向沟塘的汇流性质，提出生态塘深度净化生活污水、生态沟过程消减掺混污水、蓄水塘蓄积再利用的“前端蓄净、过程阻断和减污、终端储蓄和再利用”生态治理方法，在上下游各级建立农业面源污染物集‑输‑蓄‑用的生态净化和再利用治理系统。该方法能够有效处理农业小流域面源污染，实现面源污染源多过程、多层级的净化和资源再利用。
Description
技术领域
本发明涉及农村面源污染领域，具体的说是一种掺混生活污水的农业流域面源污染消减与再利用生态治理设计方法，适用于农业面源污染小流域，尤其是农村村庄分散、沟塘密集分布的南方农业小流域。
背景技术
农业面源污染防治已成为我国农村突出环境问题综合治理的重要内容，对于农村水环境质量提升、农村生态清洁小流域建设和乡村振兴、农村生态宜居具有重要作用。农业面源污染具有随机性、间歇性、来源多样、成分复杂、受气象条件影响大等特点，采用污水设施处理，存在建设费用高、运行负荷低、利用效率低下等问题。在多年治理面源污染的过程中，逐渐认识到生态工程是面源污染治理的有效措施，但生态工程的建设往往需要较大的占地面积，而且需要大量的额外费用，难以在我国广大的农业流域实施。
由于农村地区没有专门的污水收集系统，农业流域面源污染源往往是农村生活和农田排水的混合物，两者成分差别较大，需要分别进行处理后，才能排入下游水体。现有生态减污工程往往只针对其中一类面源污染进行设计，对于如何处理农村和农田掺混排水的面源污染着眼较少。农业面源污染源的排放还会造成水资源和营养物质的浪费，将其收集、处理、再利用，能够为种植、养殖等农业生产提供水源和营养物质来源。
我国南方农村地区广泛分布着沟道、塘堰等水系，作为农业流域水利景观的一部分，沟塘水系具有蓄养水源、补充灌溉、调节水量分配和消减农业面源污染等方面的生态功能优势。尽可能地利用当地现有沟塘水系，将其进行生态化改造和布置，能够形成生态功能完备的水及污染物资源再利用的面源污染消纳方法。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种掺混生活污水的农业流域面源消减的与再利用生态治理设计方法，该方法依托农业流域分布广泛的沟塘水系开展，额外工程建设和占地面积小，能够有效降低工程建设和运行管理费用。本发明方法按照“分块分区、精准治理、逐级净化”的原则，分别针对生活污水和农田排水进行收集和处理，建立生态塘、生态沟和蓄水塘等多过程净化、多级蓄集的面源污染生态处理系统，实现面源污染源多过程、多层级的净化和资源再利用。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为一种掺混生活污水的农业流域面源污染物消减与再利用生态治理设计方法，其特征在于：根据农村地形、土地利用类型、种植结构和沟塘水系分布情况，采用GIS和遥感技术分析地形、土地利用、种植结构和沟塘水系分布情况，分析农村、农田、沟塘水系景观间排汇水关系，确定小流域内上下游沟道、水塘等水系中面源污染源输送、汇流路径。选择位于农村污水处理设施或生活污水排水口下游的水塘或洼地，将其改造为生态塘，集蓄和进一步净化生活污水；生态塘净化后的尾水，经生态沟过程消减，输送至下游，最终汇入下游蓄水塘，实现前端蓄净、过程阻断和减污、终端储蓄和再利用的生态处理。通过该发明方法设计的系统，实现农业流域面源污染物的多过程净化和多层级利用。一种掺混生活污水的农业流域面源污染物消减与再利用生态治理设计方法，其步骤为：
采用GIS、遥感技术和实地调查，获取小流域地形地貌、土地利用、种植结构和沟塘水系分布，建立农业流域村庄、农田-沟塘数据库；根据地形数据、作物种植和沟塘水系结构分布，确定村庄、农田-沟道-水塘景观间水流汇集特点，厘清沟塘水流连通关系，形成小流域排水和降雨径流的汇流路径和蓄积场所。
优选的，根据地形和沟塘水系连通情况，选定原有水塘或自然洼地，通过原有或新建连通沟道将污水输送至生态塘。利用生态塘自身去污能力净化污水，并收集储存尾水，为水资源和污染物循环利用提供条件。具体包括以下步骤：
a.一般每个生态塘的容积为500～2000m3；生态塘形状在尽量在原有水塘的基础上设计为椭圆形或类椭圆形，长轴：短轴约3:1，并沿长轴方向进出水，以增加水流路径、延长水力停留时间；
b.生态塘进水口处设置拦污栅和跌水曝气台阶，用以拦滤杂物进入生态塘，提高生态塘水体的含氧量；根据生态塘下游沟道情况，可设置多个出水口，以减少生态塘水力死区，提高净化效果；边界设置缓冲带，宽度为沟田缓冲带的2～3倍，以阻控漫流入塘的排水和降雨径流；
c.根据生态塘实际情况，划分为浅水区(10～40cm)、中水区(40～80cm)和深水区(>80cm)，浅水区种植旱伞草、美人蕉和菖蒲等具有景观效果的挺水植物，中水区种植荷花等植物，深水区按照S型构建浮岛，选用100cm×100cm×4cm平整塑料泡沫板，按间距6cm、孔径4cm打孔，作为载体用于扦插植物，如美人蕉、空心菜、牛筋草、香蒲、荻、水稻等。不同水深区域形成植物和微生物结构体，通过植物吸收和微生物分解的共同作用进行强化处理，降低水中污染物含量。
优选的，在所述的生态塘下游可布置多条生态沟，利用或改扩建原有沟道水系，形成与生态塘、水塘连通的沟塘水系，对承担主要排水功能的沟道进行生态改造，形成面源污染过程阻断和治理的水系连通生态沟塘。具体包括以下步骤：
a.生态沟按照排涝排渍标准开挖或整修为梯形断面。沟底土质，平整顺直，保持透水性和水流平稳；沟底设置水生植物方格，种植茭白等兼具经济效益和净化效果的挺水植物，其中方格宽度一般为沟底宽度的60％～80％，沿水流长度在50～100cm之间，上下游相邻方格间隔与其宽度一致，且交错布置，方格内水生植物顺着水流方向成行种植(3～4行)，且相邻方格重合宽度处上下游方格植物对齐，以减少植物对排水的阻碍；方格间隔区种植沉水植物，可采用狐尾藻、苦草、眼子菜、金鱼藻、水蕴草、聚藻或流苏菜等；
b.生态沟两侧坡面采用带孔砖衬砌，上下砖交错砌筑，各层带孔砖长边沿沟走向布置、孔呈水平砌筑，用于排出坡面渗水，降低沟坡渗水压力，增强沟坡稳定性。衬砌顶部至沟顶部留出20～40cm区域不衬砌，该区域设置沟顶缓冲带，宽30～50cm，由下至上种植若干行苏丹草等草本植物，用于过滤净化进入排水沟的农田径流，降低径流对沟水体的冲击；
c.生态沟中央每隔5～10m设置一个蓄水池，长100～200cm，两侧分别距沟底边界20cm 左右，深为沟底以下60～100cm，增加生态沟蓄水能力，供于农田灌溉等。蓄水池四周由带孔砖衬砌，孔水平向放置，池内种植沉水植物，增加生态沟内减污纳污的能力和层次，初步实现排水和营养物回收利用，减少面源污染物排放；
d.生态沟每隔200～500m布置溢流堰，控制生态沟水位，延长水力停留时间。溢流堰高度不低于沟深的1/3，堰顶高程不高于排渍排涝水位，排涝排渍水位参照《农田排水工程技术规范》(SL4-2013)确定。
优选的，生态沟与下游蓄水塘连通，将净化的排水输送至蓄水塘储存，作为周围农田、养殖等的水源。蓄水塘一般具有较大的蓄水能力，也可为由沟道相连的多个水塘组成，能够贮存生态沟的排泄水，实现生活污水尾水、农田排水的收集，实现水资源和营养物质的再利用。
优选的，生态塘和蓄水塘周围采用与生态沟相同结构的缓冲带，宽60～100cm，阻控降雨径流冲击塘中水体，影响塘发挥功能，而且防治农田排水和降雨径流中的营养物质和泥沙等物质直接溢流至塘中，增加生态塘的处理负荷，淤积蓄水塘。
根据农业流域情况，利用上下游连通的沟塘水体，构成多级生态塘-生态沟-蓄水塘系统，实现多层次汇流、多过程净化、多层级储存和再利用，形成农业面源污染集-输-蓄-用的生态净化和资源再利用方法。
附图说明
图1为农业面源污染物消减与再利用生态治理设计流程图；
图2为生态塘-生态沟-蓄水塘关系示意图；
图3为生态塘平面布置图和剖面图；
图4为生态沟的平面布置图和横断面图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
参见图1和图2，一种掺混生活污水的农业流域面源污染物消减与再利用生态治理设计方法，其特征在于：采用GIS和遥感技术分析地形、土地利用、种植结构和沟塘水系分布情况，分析农村、农田、沟塘水系景观间排汇水关系，确定小流域内上下游沟道、水塘等水系中面源污染源输送、汇流路径。选择位于农村污水处理设施或生活污水排水口下游的水塘或洼地，改造为生态塘，进一步净化和集蓄生活污水；生态塘净化后的排水，接入生态沟输送至下游。选择承泄农田排水的控制性排水沟，将其改造为生态沟，并采用闸门控制排水过程，经生态沟过程消减和调控后，排水输送、汇入下游相连的蓄水塘，处理后的污水流入生态塘进一步净化减污、蓄积，实行终端储蓄和再利用，构建农业面源污染的集-输-蓄-用综合治理方法。
具体实施步骤如下：
步骤1，采用GIS、遥感技术和实地调查，获取小流域地形地貌、土地利用、种植结构和沟塘水系分布，建立农业流域村庄、农田-沟塘数据库；根据地形数据、作物种植和沟塘水系结构分布，确定村庄、农田-沟道-水塘景观间水流汇集特点，厘清沟塘水流连通关系，形成小流域排水和降雨径流的汇流路径和蓄积场所。
步骤2，根据地形和沟塘水系连通情况，选定原有水塘或自然洼地，通过原有或新建连通沟道输送排水至生态塘。利用生态塘自身去污能力净化污水，兼具收集储存尾水的功能，为水资源和污染物循环利用提供条件(图3)。
a.一般每个生态塘的容积为500～2000m3；生态塘形状在尽量在原有水塘的基础上设计为椭圆形或类椭圆形，长轴：短轴约3:1，并使进出水通道沿长轴方向，以延长水力停留时间；
b.生态塘进水口处设置跌水曝气台阶，用以提高生态塘水体的含氧量；根据生态塘下游沟道情况，设置多个出水口，以减少生态塘水力死区，提高净化效果；边界设置缓冲带，宽度为沟田缓冲带的2～3倍，以处理从四周漫流入塘的排水和降雨径流；
c.根据生态塘实际情况，划分为浅水区(10～40cm)、中水区(40～80cm)和深水区(>80cm)，浅水区种植旱伞草、美人蕉和菖蒲等具有景观效果的挺水植物，中水区种植荷花等植物，深水区按照S型构建浮岛，选用100cm×100cm×4cm平整塑料泡沫板，按间距6cm、孔径4cm 打孔，作为载体用于扦插植物，如美人蕉、空心菜、牛筋草、香蒲、荻、水稻等。不同水深区域形成植物和微生物结构，通过植物吸收和微生物分解的共同作用进行强化处理。
步骤3，利用原有沟道或在原有沟道水系上改扩建形成与生态塘、水塘连通的沟塘水系，选择承担主要排水功能的沟道进行生态改造，形成面源污染过程阻断和治理的生态沟塘连通管水系(图4)。
a.根据原有沟道形状结构，进行开挖或整修，可采用梯形断面，沟底宽80cm，深85～100cm，上宽120cm。沟底为土质，平整顺直，保持透水和水流平稳；沟底种植茭白等水生植物，植物以方格的形式种植，提高排水沟过程净化效果，并创造经济效益。水生植物方格垂直于水流方向的宽度为沟底宽度的60％～80％，沿水流方向的长度一般在50～100cm之间，上下游相邻方格间隔与其宽度一致，且交错布置，方格内水生植物顺着水流方向种植，3～4行，且相邻方格重合范围内水生植物对齐，以减少植物对水流的阻力；水生植物方格间隔区种植沉水植物，可采用狐尾藻、苦草、眼子菜、金鱼藻水蕴草、聚藻或流苏菜等；
b.生态沟两侧坡面采用带孔砖衬砌，根据排水沟深度确定衬砌高度，带孔砖上下交错砌筑，带孔砖衬砌顶部至沟顶部留出20～40cm区域不衬砌，该区域设置缓冲带。各层带孔砖长边沿沟走向布置、孔呈水平砌筑，用于提高坡面稳定性和排出坡面渗水；衬砌带孔砖顶部至沟顶部区域设置缓冲带，宽30～50cm，由下至上种植若干行苏丹草等草本植物，用于过滤净化进入排水沟的农田径流；
c.生态沟中央每隔5～10m设置蓄水池，该蓄水池水流方向长度100～200cm，两侧分别距沟底边界20cm左右，沟底以下深60～100cm，蓄水池四周由带孔砖衬砌，孔水平向放置，池内种植沉水植物，增加生态沟蓄水能力，基本能够承蓄非汛期排水，储水空间蓄积排水和污染物，供于农田灌溉等，初步实现排水和营养物回收利用，减少面源污染物排放；
d.生态沟每隔200～500m布置溢流堰，控制生态沟水位，延长水力停留时间。溢流堰高度不低于沟深的1/3，堰顶高程不高于排渍排涝水位，排涝排渍水位参照《农田排水工程技术规范》(SL4-2013)确定；
步骤4，生态沟与下游蓄水塘连通，将净化的排水输送至蓄水塘储存，作为周围农田、养殖等的水源。蓄水塘一般具有较大的蓄水能力，也可为由沟道相连的多个水塘组成，能够贮存生态沟的排泄水，实现生活污水尾水、农田排水的收集，实现水资源和营养物质的再利用。
步骤5，生态塘和蓄水塘周围采用与生态沟相同结构的缓冲带，宽60～100cm，阻控降雨径流冲击塘中水体，影响塘发挥功能，而且防治农田排水和降雨径流中的营养物质和泥沙等物质直接溢流至塘中，增加生态塘的处理负荷，淤积蓄水塘。
步骤6，根据实施区，利用上下游连通的沟塘水体，构成多级生态塘-生态沟-蓄水塘系统，实现多层次汇流、多过程净化、多层级储存和再利用，形成农业面源污染集-输-蓄-用的生态净化和资源再利用方法。
Claims (6)
1.一种掺混生活污水的农业流域面源污染消减与再利用生态治理设计方法，其特征在于：根据农村地形、土地利用类型、种植结构和沟塘水系分布情况，采用GIS和遥感技术分析地形、土地利用、种植结构和沟塘水系分布情况，分析农村、农田、沟塘水系景观间排汇水关系，确定小流域内上下游沟道、水塘等水系中面源污染源输送、汇流路径；选择位于农村污水处理设施或生活污水排水口下游的水塘或洼地，将其改造为生态塘，集蓄和进一步净化生活污水；生态塘净化后的尾水，经生态沟输送至下游，经生态沟过程消减后，最终汇入下游蓄水塘，实现“前端蓄净、过程阻断和减污、终端储蓄和再利用”；具体包括以下步骤：
采用GIS、遥感技术和实地调查，获取小流域地形地貌、土地利用、种植结构和沟塘水系分布，建立农业流域村庄、农田-沟塘数据库；根据地形数据、作物种植和沟塘水系结构分布，确定村庄、农田-沟道-水塘景观间水流汇集特点，厘清沟塘水流连通关系，形成小流域排水和降雨径流的汇流路径和蓄积场所；
所述的生态塘，根据地形和沟塘水系连通情况，选用或改建原有水塘或自然洼地，通过原有或新建连通沟道输送农村排水和生活污水至生态塘；利用生态塘自身去污能力净化污水，兼具收集储存尾水的功能，为水资源和污染物循环利用提供条件；
在所述的生态塘下游布置多条生态沟，利用或改扩建原有沟道水系，形成与生态塘、水塘连通的沟塘水系，对承担主要排水功能的沟道进行生态改造，形成面源污染过程阻断和治理的水系连通生态沟塘；
所述生态沟与下游蓄水塘连通，将净化的排水输送至蓄水塘储存，为周围农田、养殖等提供水源；蓄水塘一般具有较大的蓄水能力，为与沟道相连的单个或多个水塘组成，贮存生态沟的排泄水，实现生活污水尾水、农田排水的蓄集，为水资源和营养物质的再利用提供条件；
所述生态沟、生态塘和蓄水塘周围布置缓冲带，防止农田排水和降雨径流中的营养物质和泥沙等物质直接溢流至塘中，增加生态塘的处理负荷，淤积蓄水塘；而且阻控降雨径流、田间排水冲击沟塘水体，破坏减污所需的水力特性，影响生态功能的发挥。
2.根据权利要求1所述的一种掺混生活污水的农业流域面源污染消减与再利用生态治理设计方法，其特征在于，所述的生态塘根据原有水塘或自然洼地改扩建而成椭圆形或类椭圆形；通过原有沟道或新建暗管收集污水处理设施和农村排水，利用生态塘自身的去污能力实现对水体的净化，同时收集尾水用于再利用；每个生态塘的容积初步设计为500～2000m3，长轴：短轴约为3:1，并沿长轴方向进出水，以增加水力路径、延长水力停留时间；生态塘进水口设置拦污栅和跌水曝气台阶，用以拦滤杂物和提高生态塘水体含氧量；根据生态塘下游沟道情况，可设置多个出水口，以减少生态塘水力死区，提高净化效果；边界设置缓冲带，以阻控漫流入塘的降雨径流和排水；根据生态塘实际情况，划分为浅水区(10～40cm)、中水区(40～80cm)和深水区(>80cm)，浅水区种植旱伞草、美人蕉和菖蒲等具有景观效果的挺水植物，中水区种植荷花等植物，深水区按照S型构建浮岛，选用100cm×100cm×4cm平整塑料泡沫板，按间距6cm、孔径4cm打孔，作为载体用于扦插植物，如美人蕉、空心菜、牛筋草、香蒲、荻、水稻等；不同水深区域形成植物和微生物结构体，通过植物吸收和微生物分解的共同作用进行强化处理，降低水中污染物含量。
3.根据权利要求1所述的一种掺混生活污水的农业流域面源污染消减与再利用生态治理设计方法，其特征在于，所述生态沟构建及，生态沟按照排涝排渍标准开挖或整修为梯形断面，沟底土质，平整顺直，保持透水性和水流平稳；沟底设置水生植物方格，种植茭白等兼具经济效益和净化效果的挺水植物，其中方格宽度一般为沟底宽度的60％～80％，沿水流长度在50～100cm之间，上下游相邻方格间隔与其宽度一致，且交错布置，方格内水生植物顺着水流方向成行种植，且相邻方格重合宽度处上下游方格植物对齐，以减少植物对排水的阻碍；方格间隔区种植沉水植物，可采用狐尾藻、苦草、眼子菜、金鱼藻、水蕴草、聚藻或流苏菜等；
生态沟两侧坡面采用带孔砖衬砌，上下砖交错砌筑，各层带孔砖长边沿沟走向布置、孔呈水平砌筑，用于排出坡面渗水，降低沟坡渗水压力，增强沟坡稳定性；衬砌顶部至沟顶部留出20～40cm区域不衬砌，该区域设置沟顶缓冲带，宽30～50cm，由下至上种植若干行苏丹草等草本植物，用于过滤净化进入排水沟的农田径流，降低径流对沟水体的冲击；
生态沟中央每隔5～10m设置一个蓄水池，长100～200cm，两侧分别距沟底边界20cm左右，深为沟底以下60～100cm，增加生态沟蓄水能力，供于农田灌溉等；蓄水池四周由带孔砖衬砌，孔水平放置，池内种植沉水植物，增加生态沟内减污纳污的能力和层次，初步实现排水和营养物回收利用，减少面源污染物排放；
生态沟每隔200～500m布置溢流堰，控制生态沟水位，延长水力停留时间；溢流堰高度不低于沟深的1/3，堰顶高程不高于排渍排涝水位，排涝排渍水位参照《农田排水工程技术规范》(SL4-2013)确定。
4.根据权利要求1所述的一种掺混生活污水的农业流域面源污染消减与再利用生态治理设计方法，其特征在于，所述蓄水塘与上游生态沟连通，将生态沟净化的排水输送至蓄水塘储存，作为周围农田、养殖等的水源；蓄水塘一般具有较大的蓄水能力，可为由沟道相连的单个或多个水塘组成，能够贮存生态沟的排泄水，实现水资源和营养物质的再利用。
5.根据权利要求1所述的一种掺混生活污水的农业流域面源污染消减与再利用生态治理设计方法，其特征在于，所述生态塘和蓄水塘的缓冲带位于生态塘和蓄水塘周围，结构与生态沟相同，宽60～100cm。
6.根据权利要求1所述的一种掺混生活污水的农业流域面源污染消减与再利用生态治理设计方法，其特征在于，所述生态塘-生态沟-蓄水塘系统可根据农业流域情况，利用上下游连通的沟塘水体，构成多级系统，实现多层次汇流、多过程净化、多层级储存和再利用，形成农业面源污染集-输-蓄-用的生态净化和资源再利用方法。
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| CN202111035201.1A CN113800641A (zh) | 2021-09-05 | 2021-09-05 | 一种掺混生活污水的农业流域面源污染消减与再利用生态治理设计方法 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114314842A (zh) * | 2022-03-14 | 2022-04-12 | 安徽新宇环保科技股份有限公司 | 一种应用于圩区的农业面源污染防控方法 |
| CN116282562A (zh) * | 2023-04-18 | 2023-06-23 | 水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院 | 一种农村地区水生态修复系统和方法 |
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| CN108947120A (zh) * | 2018-07-20 | 2018-12-07 | 河海大学 | 一种适用于多雨地区农田面源污水集蓄用系统及改造方法 |
| CN109553190A (zh) * | 2018-11-20 | 2019-04-02 | 云南省农业科学院农业环境资源研究所 | 一种利用缓冲带内嵌入生态沟塘拦截农田氮磷径流的方法 |
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2021
- 2021-09-05 CN CN202111035201.1A patent/CN113800641A/zh active Pending
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