型生态排水沟的试验研究与应用探讨.doc

新型生态排水沟的试验研究与应用探讨受农业生产活动的广泛性和普遍性影响，农业面源污染已被公认为是目前水体污染中最大的问题之一。据美国有关的调查评估报告显示，美国的面源污染约占污染总量的2/3，其中农业面源污染占面源污染总量的68%83%，影响到50%70%受污染或威胁的地面水体J，农业面源污染已经成为全美河流污染的第一污染源。根据OECE报告，成员国中，硝酸盐和农药是最大的面源污染物。近30a来，为了保证农作物的高产稳产，我国的氮肥施用量增加了4倍，但化肥利用率不到40%；我国东部湖泊的污染负荷输入量中，农业非点源污染负荷人湖量已超过50%；大理洱海流域非点源氮、磷污染负荷分别占流域污染负荷的97.1%和92.5%；滇池外海流域的污染负荷中，来自农业非点源污染的总氮、总磷和化学需氧量分别占污染总负荷的60% - 70%、50%60%和30%40%，农田过量使用化肥是造成非点源污染的主要原因。目前，农业面源污染一时难有根治的办法。本文提出一种新型生态排水沟，通过试验研究，探讨其生态环境效益及其应用价值，为广东省当前大量的农田水利建设中排水沟的设计提供参考。1生态沟结构形式生态沟是在传统排水沟的基础上，两侧铺设可透水的蜂窝状混凝土预制板以保持农田排水通畅和维持边坡稳定，在混凝土预制板上蜂窝孔洞内栽种一些容易吸收氮磷、农药等污染物且不太阻水的植物，由此构成稳定的生态减污型排水沟系统，并在满足农田排涝、防渍标准要求下，设置宽顶堰形式拦水堤坝（闸），来实现控制排水与排水计量，减少氮、磷和农药等有害物质向区域水体的排放。用于试验的生态沟结构形式为：采用贴坡式混凝土预制板衬砌，预制板上预留圆孔孔径为1 lOmm，间距为260ram，衬砌控制沟深在1000 -1 lOOmm，沟底宽为800 -1000mm，沟顶宽为3000mm。预制板厚度因基础不同而不一，一般可取60 - 80mm，生态沟边坡为1：11：1.5，沟底采用蜂窝状混凝土板衬砌，沟底每lOre设置宽2m的混凝土垫层，一方面可以增加排水沟的稳定性，另一方面可以防止沟底冲刷的同时又允许水流的渗透和植物的生长。同时，在生态减污型排水沟系统一定间距范围内设置1个宽顶堰（堰顶高度不超过防渍水位标准要求以免影响防渍）式拦水堰（闸），并标注量水刻度，以计量农田排水量和控制排水位。生态沟衬砌预制板及剖面如图1(a)、(b)所示。2生态沟氮磷截留效应试验2,1试验设计试验以湖北省荆门市漳河工程管理局团林灌溉试验站观测数据为依托，该试验站位于北纬30000310427、东经111。28- 111。537，海拔为80 - 100 m，属亚热带季风气候。生态试验沟沟底宽为80em，沟深为110cm，边坡系数为1：1。生态沟试验布置如图2所示，农田小区的排水经进入农田排水混合池，混合均匀后通过地下暗管进入4条生态试验沟。由于浮水植物生长速度过快，可能导致水体缺氧产生二次污染，而且在动水中易随水流飘动，因此，试验选取了挺水植物、浮叶植物和沉水植物3种类型的水生植物。试验时，分别在3条生态沟中种植不同类型的植物，l条不种植植物作为空白试验进行对照，工艺处理如下：生态沟1：挺水植物香蒲；生态沟2：浮叶植物空心菜；生态沟3：沉水植物苦草；生态沟4：常规混凝土板衬砌不种植植物。试验过程中共有4次比较集中的降雨过程，对应有4次典型的排水过程，试验时将这4次典型的农田排水引入混合池混合均匀，然后开阀引入生态沟，待排水与沟中水混合均匀后，取水样进行化验分析，得到的浓度值作为初始氮磷浓度，此后每隔24h取样进行化验分析，连续取样化验1周。水样化验指标包括铵态氮( NH4 - N)、硝态氮(NO; -N)、总氮(TN)和总磷(TP)。2.2试验结果与分析4次试验得到的平均氮磷浓度变化情况如表l所示。通过计算分析，香蒲沟对总磷、铵态氮、总氮和硝态氮的截留去除率分别为68.9%、31.9%、26.1%、2.7%；苦草沟去除率分别为60.3%、55.4%、44.8%、2.4%；空心菜去除率分别为40.3%、69.2%、56.0%、3.2%；空白沟对总磷、铵态氮、总氮和硝态氮的去除率分别为37.6%、23.7%、19.1%、0.7%。可见生态沟对农田排水中氮磷有良好的去除效应，但植物工艺处理不同，去除效果有一定的差异。根据各类植物对氮磷截留去除效果及特点，可优选出最佳的植物工艺组合为香蒲和空心菜，对应的最佳水力停留时间为3 -4d。3生态沟的应用探讨3.1排涝防渍及水资源利用能力生态沟的断面尺寸可以根据排水沟流量、土质以及建筑材料等因素，设计成梯形、U型或矩形。生态沟边坡种不太阻水的植物，一定程度上增加了边坡的糙率，在设计时可适当增加排水断面，以满足排水流量要求。当遇枯水时，可关闸拦蓄雨水与灌溉回归水，实现雨水资源化利用与农田排水再生利用，提高雨水与灌溉回归水的利用率；当遇暴雨时，可开闸放水，满足排涝、防渍要求。3.2生态环境效益分析生态沟内构成了有机物、水生植物、微生物之间的生物链，通过物理、化学、生物等方面协同作用对农田排出的污水进行净化处理，将污水中的氮、磷等营养物质转化吸收为植物生长所需养分，从而净化了水质，减少农业非点源污染物的排放量。同时，通过调整沟中宽顶堰排水口高度，推迟降雨期间格田向墒沟的排水时间，有利于充分发挥排水沟的湿地功能，减轻因雨滴击溅而引起的水流紊动，降低由于降雨击溅侵蚀和化学侵蚀进入地表水中颗粒和可溶性氮磷含量，有利于阻止底部泥沙进入沟道，从而减少农业非点源污染。最后在生态沟中种植的植物可以有效地拦截田面渗水中的泥沙等氮磷颗粒进入排水系统，减少水土流失的同时也大大减少了排水中的颗粒态氮磷的浓度。3.3工程量分析通过受力计算，墙高相同时，贴坡式挡土墙满足抗滑稳定要求的尺寸比重力式挡土墙的断面尺寸小。同时，贴坡式挡土墙由于墙背是仰坡，可直接在土基上削坡砌筑，因此与重力式挡土墙相比，不仅土压力小，墙后土方开挖及回填工程量也相应减少。因此，如果条件允许，采用贴坡式挡土墙是经济合理的。本文设计的新型排水沟是在贴坡式挡土墙的基础上，在侧墙预留若干圆孔，在土压力减少的同时，减少了渗透水压力，有利于排水沟的抗滑稳定。文中设计排水沟采用贴坡衬砌处理，土方开挖及回填量较挡土墙式排水沟小，同时边坡蜂窝状处理和沟底不完全衬砌减少了混凝土的用量，但由于预留的排水孔需立模较多，故与传统排水沟相比，施工较复杂，一般采用预制混凝土板进行施工。边坡植草及植物生长过程需要一定的后期管护，但植物生长也可以固定水土，有益于渠道的边坡稳定，减少相应后期管护的费用，同时如能利用排水沟的植物作为饲料，也可产生一定的经济效益。3.4生态沟与传统排水沟比较分析新型排水沟与传统排水沟相比，在排渍和截留农药、化肥等污染物方面具有明显优点。同时，通过控制排水，可以提高农田的节水效果和增产效益。详见表2。4结语生态沟设计简单、施工较容易、投资较省，在截留化肥、农药等农业面源污染方面具有较显著效果，具有良好的生态环境效益；同时，通过生态沟排水的控制运用，也具有较显著的节水、增产