一种用于农田退水污染防控的生态沟渠系统及构建方法与流程

本发明涉及农田面源污染控制技术领域，更具体涉及一种阻控农田退水污染的生态沟渠系统构建方法，适用于农田退水污染严重的传统农灌区，尤其是沟渠纵横的平原农业区。

背景技术：

目前，农业面源污染尤其是农业生产和生活活动引起的农业面源污染，已经成为水环境污染最重要的来源。农业面源污染是指在农业生产活动中，氮素和磷素等养分、农药以及其他有机或无机污染物质，通过农田的地表径流和农田渗漏，形成的水环境的污染，主要包括化肥污染、农药污染和集约化养殖场污染。目前，农业面源污染已成为世界上普遍存在的一个严重环境问题。世界上许多国家和地区的研究结果均证实，农业面源污染是导致水体富营养化的主要原因。在中国随着农业活动和化肥施用量的增加，农业面源污染对水环境造成污染的比例也在不断增大。在2008年中国已经成为世界上最大的氮肥生产和消费国，总化肥消耗量达到5200万吨，占世界总消耗量的1/3，农田平均施用量大约为230 kg N hm^-2，在一些省份平均施用量达到400 kg N hm^-2，有些蔬菜地的施用量甚至超过1000 kg N hm^-2。过量施用化肥会加剧地表水体的富营养化。根据调查在滇池富营养化中，农业面源污染分别贡献了44.5%的氮和26.7%的磷。在太湖中40%~90%的总氮和38%~90%的总磷来自于农田。

国内外在治理面源污染的过程中，逐渐认识到生态过程是面源污染治理的有效措施，目前技术比较成熟和应用较多的生态过程有：人工湿地、前置库、植被缓冲带、水陆交错带等。虽然这些技术可以有效的阻控农业面源污染，但由于需要较大的占地面积，难以在大范围推广应用，尤其是不适用于我国人多地少的国情。农田灌排水沟渠是农田生态系统重要组成部分，其在农业生产中主要起到灌溉、蓄水甚至防洪的作用。近些年来，国内外的学者普遍认为农田灌排水沟渠是具有河流或湿地系统特征的生态工程系统，具有水生生态系统的生态功能，逐渐将其作为一种控制农业面源污染的重要手段。而生态沟渠是一种新型生态工程学技术，主要由工程措施和植物系统两部分组成。主要针对当前农业沟渠进排水功能单一、沟渠结构破坏显著以及硬质化趋势加速等现象，生态沟渠遵循生态学原理，在保证土水、土气交换和生态结构不破坏前提下，通过工程措施适当加大护坡和护底强度，构建稳定生态系统，通过植物吸收和土壤吸附等作用，发挥净化水质和拦截污染物的功能。因此，生态沟渠具有生态功能完整、污染物截留率高、景观悦目、护坡高效的特点。生态沟渠的发明和构建可以很好地解决人地之间的矛盾，但由于农业面源污染的区域差异和地区经济发展水平的不同，目前还没有普遍适用于不同农业耕作区的生态沟渠。

技术实现要素：

本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种用于农田退水污染防控的生态沟渠系统及构建方法。

本发明的用于农田退水污染防控的生态沟渠系统，包括毛渠、支渠、库/塘和干渠，毛渠、支渠间隔分布于农田中，毛渠与支渠相通，以便将进入毛渠的农田退水排入支渠中；支渠与库/塘相通，以便将支渠中的农田退水排入至库/塘中；库/塘与干渠相通，以便库/塘中的水经干渠排出；其特征在于：毛渠的渠底、边坡上种植有本土植物，毛渠进入支渠的入口处设置有多级石阶，以实现对农田退水中泥沙、悬浮物的截留；支渠中间隔设置有不透水的土质拦截坝，相邻拦截坝间设置有透水坝，支渠的渠底铺设有陶粒、砂石和砾石组成的颗粒状基质吸附材料，以实现对退水中氮磷营养物质的吸附，支渠的边坡上垒筑一层带孔砖或石笼并种植护岸植物、设置人工水草；支渠的渠底种植有沉水植物、浮水植物和挺水植物，以实现对农田退水的净化处理；

支渠进入库/塘的入口处设置有石笼，以实现对固体废弃物的拦截；库/塘中种植有沉水植物、浮水植物和挺水植物，并在周边设置若干人工鱼槽，提供生物栖息地，以便恢复水生态系统；库/塘进入干渠的入口处设置有石笼堤坝，干渠中种植有挺水植物，干渠边坡上间隔设置有护岸木桩并种植有护岸植物。

本发明的用于农田退水污染防控的生态沟渠系统的构建方法，其特征在于，通过以下步骤来实现：

1).毛渠的构建：1-1).修整毛渠，在原有毛渠的基础进行修整和生态改造，根据易于将农田中的水排出的布局原则，挖掘宽度为30～60cm、深度为50～120cm、边坡比为1:1.0～1:1.5、横截面为梯形的毛渠，并将毛渠的渠底和两侧的边坡整平；1-2).种植植物，在毛渠的渠底、边坡上种植苦荞麦、马齿苋和狼尾草本地植物，以稳固毛渠结构，防止水土流失和氮磷的污染；1-3).设置多级石阶，在毛渠进入支渠的入口处设置由砾石铺设成的多级石阶，用于阻挡和沉淀农田排水中携带的泥沙、悬浮物；

2).支渠的构建：2-1).修整支渠，按照宽度为120～240cm、深度为100～200cm、边坡比为1:2.0～1:2.5的尺寸，对原有支渠进行修整和生态改造，构建出横截面为梯形的支渠，同时将支渠的渠底和边坡整平；2-2).设置支渠边坡，首先在整平的支渠边坡上施加土壤改良剂，用于改善边坡土壤结构；然后在支渠边坡底部垒筑一层带孔砖或石笼，最后在带孔砖或石笼的孔内种植护坡植物；护坡植物按照淹水边坡种植挺水植物、上部边坡种植根系发达的本土植物的原则；2-3).修建土质拦截坝，在支渠中每200m修建2～3个不透水的土质拦截坝，以便将农田退水截留在支渠中；然后在相邻两拦截坝之间修建多个透水坝，并在支渠的渠底铺设陶粒、砂石和砾石组成的颗粒状基质吸附材料，以实现对农田退水中氮磷营养物质的吸附；2-4).种植植物和布置人工水草，在支渠内种植挺水植物、浮水植物和沉水植物，以实现对农田退水中氮磷营养元素的吸收；并在支渠的边坡上悬挂人工水草，利用人工水草表面形成的生物膜降解、分解、吸收退水中污染物质；2-5).设置石笼，在支渠进入库/塘的入口处沿水流方向布置石笼，以实现对农田退水中个体较大的垃圾、漂浮物和农业废弃物的拦截；管理人员定期对拦截物进行清理；同时在石笼上悬挂人工水草，以增强沟渠的水质净化功能；

3).库/塘的构建：3-1).挖掘库/塘，根据当地降水量和饱和持水量设计库/塘容量，按照库/塘内水位不低于库/塘总深度2/3的原则挖掘库/塘，库/塘用于存储和净化农田退水，并且在农田需灌水时回灌农田；3-2).设置石笼堤坝，在库/塘进入干渠的出口处设置石笼堤坝，石笼堤坝的顶部处于干渠深度的2/3处；3-3).种植植物，在库/塘内种植挺水植物、浮水植物和沉水植物，以实现对农田退水的净化处理；3-4).设置鱼槽，在库/塘中放置若干人工鱼槽，并放养螺蛳、鲫鱼、泥鳅水底生物，以增加库/塘湿地生态系统的稳定性，促进库/塘中污染物的降解；

4).干渠的构建：4-1).修整干渠，按照宽度为240～500cm、深度为200～400cm、边坡比为1:2.0～1:2.5的尺寸，对原有干渠进行修整和生态改造，构建横截面为梯形的干渠；4-2).采用木桩护岸并栽种护岸植物，在干渠边坡上垒筑一层带孔砖或石笼，并在干渠的边坡上间隔打入木桩，实现干渠边坡的防护；同时在带孔砖或石笼的孔内种植护坡植物；护坡植物按照淹水边坡种植挺水植物、上部边坡种植根系发达的本土植物的原则，在干渠的边坡上种植护岸植物；4-3).种植植物，在干渠内种植挺水植物，以实现干渠对水体的净化。

本发明的用于农田退水污染防控的生态沟渠系统的构建方法，支渠、库/塘和干渠中种植的挺水植物包括水芹、茭白、芦苇和菖蒲；支渠和库/塘中种植的浮水植物包括空心菜，沉水植物包括伊乐藻、苦草，依据美观和自然的原则合理布置。

本发明的用于农田退水污染防控的生态沟渠系统的构建方法，毛渠中的植株需要收割，收割后的植株可以用来作为动物饲料或者晒干后用于制沼气或者还田；

定期将支渠、库/塘和干渠中生长的水生植物收割，避免生物质在沟中腐烂产生二次污染；同时对干渠进行定期清淤，目的一方面是清除泥沙，保持沟道排水通畅，另一方面可以维持生态沟渠较好的氮磷消纳效果。

本发明的用于农业退水污染防控的生态沟渠系统的构建方法，所述透水坝由两平行设置的透水板和位于透水板之间的砾石填料层组成，以使所形成的透水坝具有透水性；并在透水坝上种植植被。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1) 本构建方法是在原有沟渠的基础上进行生态改造，不额外占用耕地资源，构建方法、工艺及日常维护简单，易于实现以及推广；

(2) 建成后的生态沟渠将更加有利于农田地表径流和农田灌溉水的排放，整个改造过程不改变农业生产的格局，同时由于增加了沟渠的植被覆盖度和沟渠生物量，提高了沟渠对农田排水污染的净化能力；

(3) 本构建方法不会产生二次污染，其运行过程中产生的底泥以及植物都可以作为肥料还田或者沼气制备原料，不仅可以减少肥料施用也可减少能源消耗；

(4) 本构建方法将有利于沟渠生态系统恢复，减少农田排水中氮磷等营养物质进入河/湖，造成水体富营养化，还有利于营造良好的景观氛围。

附图说明

图1为本发明的生态沟渠系统的原理图；

图2为本发明的生态沟渠系统的结构图；

图3为本发明中毛渠进入支渠处的剖视图；

图4为本发明中支渠的结构图；

图5为本发明中透水坝的剖视图。

图中：1毛渠，2支渠，3库/塘，4干渠，5农田，6边坡，7渠底，8多级石阶，9土质拦截坝，10透水坝，11石笼，12护岸木桩，13石笼堤坝，14景观植物，15带孔砖或石笼，16本土植物，17沉水植物，18浮水植物，19挺水植物，20人工水草，21景观植物，22颗粒状基质吸附材料，23鱼槽，24泥沙，25透水板，26砾石填料层，27植被。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，分别给出了本发明的生态沟渠系统的原理图和结构图，其由毛渠1、支渠2、库/塘3和干渠4组成，毛渠1间隔设置于农田5中，并与支渠2相通，用于将进入毛渠1中的农田退水排入至支渠2中，毛渠1中种植苦荞麦、马齿苋和狼尾草等本地植物16，在毛渠1进入支渠2的入口处设置由砾石铺设成的多级石阶8，如图3所示，给出了本发明中毛渠进入支渠处的剖视图，所示的多级石阶8为三级石阶，多级石阶8实现农田退水过程中泥沙24的截留。所示的支渠2与库/塘3相通，库/塘3与干渠4相通。

支渠2的渠底铺设由颗粒状基质吸附材料22，吸附材料由陶粒、砂石和砾石组成，用于对水中氮磷物质的吸收。支渠2中间隔设置有不透水的土质拦截坝9，如每200米设置一个土质拦截坝9，拦截坝9用于将由毛渠1进入的农田退水截流在支渠2内，并实现水质净化。相邻拦截坝9之间设置有透水坝10，支渠2的边坡上垒筑一层带孔砖或石笼，淹水边坡种植挺水植物、上部边坡种植根系发达的景观植物，并且在支渠2的边坡上设置人工水草，支渠的渠底种植有沉水植物17、浮水植物18和挺水植物19，以实现农田退水的净化。

如图4所示，给出了本发明中支渠的结构图，在支渠2进入库/塘3的入口处设置有石笼11，以实现对农田退水中个体较大的垃圾、漂浮物和农业废弃物的拦截，石笼11上设置有人工水草20，管理人员定期对拦截物进行清理。库/塘3中种植有沉水植物17、浮水植物18和挺水植物19，并放置若干人工鱼槽，放养浅水生物，如螺蛳、鲫鱼、泥鳅；库/塘3进入干渠4的入口处设置有石笼堤坝13，干渠4中种植有挺水植物，干渠边坡上间隔插有护岸木桩12并种植有护岸植物。

如图5所示，给出了本发明中透水坝的结构示意图，透水坝10由两平行设置的透水板25和位于透水板25之间的砾石填料层26组成，以使所形成的透水坝具有透水性；在透水坝上种植植被27。

本发明的用于农田退水污染防控的生态沟渠系统的构建方法，通过以下步骤来实现：

1).毛渠的构建：

1-1).修整毛渠，在原有毛渠的基础进行修整和生态改造，根据易于将农田中的水排出的布局原则，挖掘宽度为30～60cm、深度为50～120cm、边坡比为1:1.0～1:1.5、横截面为梯形的毛渠，并将毛渠的渠底和两侧的边坡整平；

1-2).种植植物，在毛渠的渠底、边坡上种植苦荞麦、马齿苋和/或狼尾草本地植物，以稳固毛渠结构，防止水土流失和氮磷的污染；

1-3).设置多级石阶，在毛渠进入支渠的入口处设置由砾石铺设成的多级石阶，用于阻挡和沉淀农田排水中携带的泥沙等悬浮物；

2).支渠的构建：

2-1).修整支渠，按照宽度为120～240cm、深度为100～200cm、边坡比为1:2.0～1:2.5的尺寸，对原有支渠进行修整和生态改造，构建出横截面为梯形的支渠，同时将支渠的渠底和边坡整平；

2-2).设置支渠边坡，首先在整平的支渠边坡上施加土壤改良剂，用于改善边坡土壤结构；然后在支渠边坡底部垒筑一层带孔砖或石笼，最后在带孔砖或石笼的孔内种植护坡植物；护坡植物按照淹水边坡种植挺水植物、上部边坡种植根系发达的本土植物的原则；

2-3).修建土质拦截坝，在支渠中每200m修建2～3个不透水的土质拦截坝，以便将农田退水截留在支渠中；然后在相邻两拦截坝之间修建多个透水坝，并在支渠的渠底铺设陶粒、砂石和砾石组成的颗粒状基质吸附材料，以实现对农田退水中氮磷营养物质的吸附；

2-4).种植植物和布置人工水草，在支渠内种植挺水植物、浮水植物和沉水植物，以实现对农田退水中氮磷营养元素的吸收；并在支渠的边坡上悬挂人工水草，利用人工水草表面形成的生物膜降解、分解、吸收退水中污染物质；

2-5).设置石笼，在支渠进入水塘的入口处沿水流方向布置石笼，以实现对农田退水中个体较大的垃圾、漂浮物和农业废弃物的拦截；管理人员定期对拦截物进行清理；同时在石笼上悬挂人工水草，以增强沟渠的水质净化功能；

3).库/塘的构建：

3-1).挖掘库/塘，根据当地降水量和饱和持水量设计库/塘容量，按照库/塘内水位不低于库/塘总深度2/3的原则挖掘库/塘，库/塘用于存储和净化农田退水，并且在农田需灌水时回灌农田；

3-2).设置石笼堤坝，在库/塘进入干渠的出口处设置石笼堤坝，石笼堤坝的顶部处于干渠深度的2/3处；

3-3).种植植物，在水塘内种植挺水植物、浮水植物和沉水植物，以实现对农田退水的净化处理；

3-4).设置鱼槽，在库/塘中放置若干人工鱼槽，并放养螺蛳、鲫鱼、泥鳅水底生物，以增加库/塘湿地生态系统的稳定性，促进库/塘中污染物的降解；

4).干渠的构建：

4-1).修整干渠，按照宽度为240～500cm、深度为200～400cm、边坡比为1:2.0～1:2.5的尺寸，对原有干渠进行修整和生态改造，构建横截面为梯形的干渠；

4-2).采用木桩护岸并栽种护岸植物，在干渠边坡上垒筑一层带孔砖或石笼，并在干渠的边坡上间隔打入木桩，实现干渠边坡的防护；同时在带孔砖或石笼的孔内种植护坡植物；护坡植物按照淹水边坡种植挺水植物、上部边坡种植根系发达的本土植物的原则，在干渠的边坡上种植护岸植物；

4-3).种植植物，在干渠内种植挺水植物，以实现干渠对水体的净化。

其中，支渠、库/塘和干渠中种植的挺水植物包括芦苇、水芹、茭白和菖蒲等；支渠和库/塘中种植的浮水植物包括空心菜等，沉水植物包括伊乐藻、苦草等，依据美观和自然的原则合理布置。

毛渠中的植株需要收割，收割后的植株可以用来作为动物饲料或者晒干后用于制沼气或者还田；

定期将支渠、库/塘和干渠中生长的水生植物收割，避免生物质在沟中腐烂产生二次污染；同时对干渠进行定期清淤，目的一方面是清除泥沙，保持沟道排水通畅，另一方面可以维持生态沟渠较好的氮磷消纳效果。

本发明的用于农业退水污染防控的生态沟渠系统的水体污染物的去除原理在于：一些个体较大的垃圾、漂浮物和农业废弃物等经过石笼拦截，可由管理人员人为清除；污水中所含的大部分泥沙以及悬浮颗粒物质等经由多级石阶8截留去除；镶嵌在支渠2两侧壁上的人工水草、石笼上的人工水草在有限的体积内具有最大的比表面积，在缓慢水流的作用下，可以吸附水体中污染物，同时富集微生物形成稳定的生物膜，可降解、分解、吸收利用一些污染物质，降低污染物的浓度。支渠2、库/塘3和干渠4中种植的水生植物在其生长生殖的过程中会大量吸附利用水体中的生源要素，降低水体N、P物质的含量，对农药除草剂也有一定的阻控作用，减少这些物质在水体中的含量，降低农业面源污染的总负荷量。