三峽庫區(qū)山坡地溝壑農(nóng)業(yè)面源污染生態(tài)谷坊阻控系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及環(huán)境工程和生態(tài)工程領(lǐng)域。三峽庫區(qū)山坡地溝壑農(nóng)業(yè)面源污染生態(tài)谷坊阻控系統(tǒng)，其特征在于：它由多級(jí)生態(tài)谷坊依山坡地呈從高至低的自然落差的梯形狀分布；每一級(jí)生態(tài)谷坊由蓄水調(diào)節(jié)池、人工濕地和谷坊壩主體組成，三者按水流方向依次布置；蓄水調(diào)節(jié)池與上一級(jí)的谷坊壩主體上的溢流口相通。本發(fā)明可對流域山坡地溝壑農(nóng)業(yè)面源污染進(jìn)行有效攔截和控制，減少水土流失，集雨灌溉，降低坡地降雨前后溝道養(yǎng)分衰減，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)面源污染物生態(tài)攔截。
【專利說明】三峽庫區(qū)山坡地溝壑農(nóng)業(yè)面源污染生態(tài)谷坊阻控系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及環(huán)境工程和生態(tài)工程領(lǐng)域，尤其涉及一種兼具雨水收集儲(chǔ)存和攔截凈化流域山坡地農(nóng)業(yè)面源N、P及水土流失的多級(jí)濕地和谷坊生態(tài)阻控技術(shù)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]三峽水庫蓄水運(yùn)行后，其干流水質(zhì)穩(wěn)定，次級(jí)河流在回水區(qū)水質(zhì)有所下降，部分支流已出現(xiàn)“水華”現(xiàn)象。隨著點(diǎn)源污染全防全控的加強(qiáng)，面源污染尤其是農(nóng)業(yè)面源污染的影響日益凸顯。近年來，三峽庫區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染呈惡化趨勢。一方面三峽庫區(qū)歷年來就是長江上游水土流失強(qiáng)侵蝕區(qū)域，生態(tài)環(huán)境十分脆弱。庫區(qū)人均耕地面積0.81畝，不到世界平均水平的30%，而庫區(qū)現(xiàn)有耕地資源以坡耕地和陡坡地為主，15°以上的坡耕地面積占耕地總面積47.6%，是庫區(qū)糧食與經(jīng)濟(jì)作物的重要載體。隨著經(jīng)濟(jì)人口組成的改變和發(fā)展，化肥農(nóng)藥施用量的增加和土壤濕度肥力的下降，以及畜禽散養(yǎng)放養(yǎng)未經(jīng)處理的糞便增加。而且三峽庫區(qū)是我國暴雨中心之一，N、P等污染物會(huì)在降雨和灌溉的作用下，通過水土流失以表面徑流、壤中流、農(nóng)業(yè)排水、滲漏等形式進(jìn)入庫區(qū)水體。另一方面，三峽庫區(qū)平均坡度大于25--，其中山地約占庫區(qū)面積的64.1%，丘陵約占27.4%，在移民安置、城鎮(zhèn)遷建、工礦企業(yè)搬遷、道路改線等工程實(shí)施過程中，不可避免地造成生態(tài)環(huán)境的破壞。
[0003]陡坡地和坡耕地被認(rèn)為是三峽庫區(qū)水土和N、P流失入庫面源污染的主要來源。三峽庫區(qū)坡耕地平均侵蝕模數(shù)為7500 t/km2 -yr,年入庫泥沙量達(dá)1890萬t，占庫區(qū)年入庫泥沙總量的46.16%。根據(jù)現(xiàn)場小區(qū)徑流泥沙監(jiān)測值(TN含量為10.44 g/kg，TP含量為1.87g/kg)換算由泥沙帶入水庫的TN為19.73萬t，TP為3.53萬t。而流域山坡地溝壑是農(nóng)業(yè)面源污染流失的主要途徑。
[0004]流域山坡地水土和N、P等面源流失治理是近幾十年來水土保持和環(huán)境保護(hù)工作的重點(diǎn)。農(nóng)業(yè)面源污染主要采用前置庫、谷坊、植物籬、人工濕地等技術(shù)來控制，這些技術(shù)的特點(diǎn)就是利用工程攔截或植物吸收來阻擋水土或降解N、P等污染物質(zhì)提高進(jìn)入水體的徑流水質(zhì)。傳統(tǒng)的山坡地溝壑水土流失治理多采用溝頭防護(hù)、谷坊以及淤地壩等工程措施(《水土保持綜合治理技術(shù)規(guī)范溝整治理技術(shù)GB/T 16453.3— 2008》)。根據(jù)建筑材料不同，谷坊可分為土谷坊、石谷坊和植物谷坊，多適用于我國北方。但當(dāng)處理南方多雨水氣候山坡地的農(nóng)業(yè)面源污染問題時(shí)，往往由于流域山坡地坡度大、徑流流量大流速快、土壤組成松軟高等原因，使得流域溝壑泥沙及N、P含量高，無法形成可對流入水體中N、P等營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行吸收降解的微生物和水生植物系統(tǒng)。另外，中國專利號(hào)為ZL 200720188672.5，發(fā)明名稱為“復(fù)合波式流人工山地濕地污水處理系統(tǒng)”公開了一種污水去除效果好，基建投資省，運(yùn)行費(fèi)用低的無動(dòng)力山地污水處理系統(tǒng)，其構(gòu)造物修建在山地上，不僅可以節(jié)約耕地面積，所建的鋼筋混凝上構(gòu)筑物和濕地植物還可以起到固坡和美化環(huán)境的作用。據(jù)調(diào)查，復(fù)合型人工濕地系統(tǒng)能有效的處理低污染負(fù)荷的農(nóng)業(yè)面源污染水體，TN、TP去除率可達(dá)44.1%和49.5%，出水水質(zhì)比進(jìn)水可提聞I~2個(gè)地表水水質(zhì)等級(jí)。
[0005]因此，開發(fā)既經(jīng)濟(jì)又具有穩(wěn)定處理效果的適宜于小流域山坡地溝壑農(nóng)業(yè)面源污染阻控的生態(tài)谷坊系統(tǒng)，對敏感地區(qū)雨水收集、旱季灌溉、保土保肥、截流控污及水體水質(zhì)提高的應(yīng)用范疇具有重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明的目的是提供一種三峽庫區(qū)山坡地溝壑農(nóng)業(yè)面源污染生態(tài)谷坊阻控系統(tǒng)，可對流域山坡地溝壑農(nóng)業(yè)面源污染進(jìn)行有效攔截和控制，減少水土流失，集雨灌溉，降低坡地降雨前后溝道養(yǎng)分衰減，農(nóng)業(yè)面源污染物生態(tài)攔截。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:三峽庫區(qū)山坡地溝壑農(nóng)業(yè)面源污染生態(tài)谷坊阻控系統(tǒng)，其特征在于:它由多級(jí)生態(tài)谷坊依山坡地呈從高至低的自然落差的梯形狀分布；
每一級(jí)生態(tài)谷坊(即單級(jí)生態(tài)谷坊)由蓄水調(diào)節(jié)池1、人工濕地2和谷坊壩主體3組成，蓄水調(diào)節(jié)池1、人工濕地2和谷坊壩主體3按水流方向依次布置(即人工濕地2位于蓄水調(diào)節(jié)池I與谷坊壩主體3之間，蓄水調(diào)節(jié)池I位于同一級(jí)的人工濕地2之上)；蓄水調(diào)節(jié)池I與上一級(jí)的谷坊壩主體3上的溢流口 31相通。
[0008]所述的生態(tài)谷坊級(jí)數(shù)由/? = 7cos e /L確定，式中I為溝壑坡長，0為山體坡度。
[0009]每一級(jí)的蓄水調(diào)節(jié)池I由調(diào)節(jié)池11和儲(chǔ)水池12組成，調(diào)節(jié)池11接受上方徑流來水(與上一級(jí)的谷坊壩主體3上的溢流口 31相通，根據(jù)來水來沙量調(diào)節(jié)控制泥沙、徑流以單次定量的方式進(jìn)入人工濕地2)，調(diào)節(jié)池11的一側(cè)或兩側(cè)設(shè)有儲(chǔ)水池12 (儲(chǔ)水池12接受暴雨過量徑流，為旱季灌溉提供水源)，儲(chǔ)水池12與調(diào)節(jié)池11連通。
[0010]人工濕地2與同級(jí)的調(diào)節(jié)池11的出水銜接(人工濕地2承接上一級(jí)的生態(tài)谷坊的出水)；· 人工濕地2包括濕地植物21、濕地填料、集配水主管24，集配水主管24上連接有集配水支管25，集配水主管24和集配水支管25鋪設(shè)在濕地填料上，集配水主管24與調(diào)節(jié)池11相連通，集配水主管24的末端連接出水集水池26 ;濕地填料分為上下兩層填料區(qū)，上層填料區(qū)22填充約100 mm厚土壤并在其上種植濕地植物21，下層填料區(qū)23可用砂石按反濾層分層鋪砌，也可選擇滲透性較好的凈化填料，并在上下層填料區(qū)間鋪設(shè)防止上層土壤下漏的隔層。所述凈化填料可為沸石、礫石、石灰石、卵石或陶粒等。
[0011]①為防止堵塞，第一級(jí)生態(tài)谷坊的濕地填料區(qū)的濕地填料為粒徑較大、通透性較好、價(jià)格低廉的基質(zhì)，往后面的濕地填料粒徑較小、吸附磷效果好的混合基質(zhì)。②濕地植物21的類型從上而下按蘆葦、再力花、水蔥、空心菜、菖蒲、香蒲、美人蕉、茭白、風(fēng)車草、燈芯草等配置，單級(jí)人工濕地2根據(jù)水深也可按沉水植物、挺水植物、浮葉植物形成有效的時(shí)空配置，構(gòu)成小型生態(tài)系統(tǒng)，植物種植密度為10~20株/m2，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和山地景觀。③集配水主管24由調(diào)節(jié)池11引入，集配水主管(干管)24兩邊均勻交錯(cuò)設(shè)置四排集配水支管25，集配水支管25上布置四排直徑為10 mm小孔用于均勻配水，集配水主管(干管)24與濕地集流池26相通，集流池一側(cè)為谷坊壩體3，通過溢流口 31排向下一級(jí)生態(tài)谷坊。
[0012]谷坊壩主體3與同級(jí)的人工濕地2的出水集水池26銜接，出水集水池26的水通過谷坊壩主體3上的溢流口 31流入下一級(jí)的生態(tài)谷坊。
[0013]所述蓄水調(diào)節(jié)池I為磚石結(jié)構(gòu)，為規(guī)則長方體，也可根據(jù)現(xiàn)場地形適當(dāng)調(diào)整，由調(diào)節(jié)池11及其兩側(cè)儲(chǔ)水池12構(gòu)成，即Ks =Kfll+Kia，^胃表示蓄水調(diào)節(jié)池I的容積，Kfll表示儲(chǔ)水池12的容積，Kia表示調(diào)節(jié)池11的容積。蓄水調(diào)節(jié)池I的容積KsU3)根據(jù)山體暴雨徑流量設(shè)計(jì)，按公式Ks=K5min//?, K5minS 5 min內(nèi)上方徑流量，按公式K5min=300^計(jì)算，n為生態(tài)谷坊級(jí)數(shù)4為設(shè)計(jì)流量m3/s，根據(jù)當(dāng)?shù)乇┯陱?qiáng)度按式(6=0.278Z/F設(shè)計(jì)流量，其中^為徑流系數(shù)，取為0.4 ;/為10年一遇6 h最大降雨強(qiáng)度mm/h, /7為溝頭以上集水面積km2 ;兩側(cè)的儲(chǔ)水池容積K<t|=l/2Kia，通過谷坊壩主體3上的溢流口與調(diào)節(jié)池相連，可以儲(chǔ)存暴雨過量徑流，也可補(bǔ)充旱季灌溉，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民山坡地耕作提供便利。
[0014]所述谷坊壩體3由漿砌石構(gòu)成，為不規(guī)則梯形。①本發(fā)明選擇溝底坡降較大(5~15%或者更大)、溝底下切劇烈發(fā)展的溝段，選擇“ 口小肚大”的地方系統(tǒng)的布設(shè)生態(tài)谷坊系統(tǒng)。根據(jù)溝底坡降，從下而上逐步擬定每座(每級(jí))生態(tài)谷坊的位置，一般高2~5 m，下一座生態(tài)谷坊的頂部大致與上一個(gè)谷坊的基部等高。②兩級(jí)相鄰的生態(tài)谷坊間距Z=///(1-1’)，其中//為單級(jí)生態(tài)谷坊的底到其溢水口高度，m;i為原溝床比降'i,為淤滿后比降；溢洪口 ^=#抽3/2，其中0為設(shè)計(jì)流量，m3/s 'b為底寬，m 'h為水深，m ;#為流量系數(shù)，取1.55。③生態(tài)谷坊級(jí)數(shù)的選擇，生態(tài)谷坊級(jí)數(shù)由/? = 7cos e /L確定，式中I為溝壑坡長，〃為山體坡度。
[0015]三峽庫區(qū)山坡地溝壑農(nóng)業(yè)面源污染生態(tài)谷坊阻控系統(tǒng)，外觀為階梯狀的生態(tài)谷坊，也可稱為梯級(jí)人工濕地，其特征是結(jié)合谷坊工程技術(shù)和人工濕地技術(shù)，相鄰兩級(jí)生態(tài)谷坊通過山坡地坡度比降及谷坊壩高確定，從而保證暴雨期坡溝徑流逐次流經(jīng)第1、2、...、n級(jí)生態(tài)谷坊、經(jīng)《級(jí)處理后進(jìn)入水體。
[0016]因地制宜地利用山坡地現(xiàn)有的溝壑，將其改造成階梯式農(nóng)業(yè)面源生態(tài)谷坊阻控系統(tǒng)，將攜帶污染物負(fù)荷量高的山坡地農(nóng)業(yè)徑流截入生態(tài)阻控系統(tǒng)中進(jìn)行凈化，凈化后的水流入到河道，最大可能地去除泥沙、N、P等污染物。
[0017]本發(fā)明根據(jù)山坡地溝壑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)谷坊多級(jí)壩體阻流攔沙，梯級(jí)濕地土壤層的過濾、吸附，植物吸收利用及微生物降解綜合作用去除污染物，階梯蓄水調(diào)節(jié)池集雨節(jié)灌、調(diào)節(jié)水量，具有以下優(yōu)點(diǎn):·
I)系統(tǒng)無能耗、不易堵塞。
[0018]生態(tài)谷坊阻控系統(tǒng)沿山坡地溝壑修建，利用山坡地原有坡度，徑流污染靠重力流的方式進(jìn)入系統(tǒng)處理后排放，系統(tǒng)阻力小，不需采用推流、攪拌等設(shè)備，無能耗。該系統(tǒng)采用蓄水調(diào)節(jié)池和人工濕地結(jié)合的方式，農(nóng)業(yè)面源徑流中顆粒性污染物先經(jīng)調(diào)節(jié)池沉砂后進(jìn)入濕地處理，減少了進(jìn)入濕地的顆粒性物質(zhì)，使人工濕地不易堵塞。
[0019]2)建設(shè)投資少、運(yùn)行管理方便。
[0020]該系統(tǒng)因地制宜地利用山坡地現(xiàn)有的溝壑，不需重新開挖，土石方量少，工程投資小。附加投資為人工濕地填料系統(tǒng)、植物系統(tǒng)，以及谷坊壩體和蓄水調(diào)節(jié)池砌磚。而系統(tǒng)中的填料和植物均為當(dāng)?shù)匾滓?，方便就近取材，且不?huì)威脅當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)。系統(tǒng)中的填料不僅具有較強(qiáng)的N、P吸附能力，其表面多孔隙的特性有利微生物的附著生長，有利于提高濕地系統(tǒng)的污染物去除能力。系統(tǒng)中的菱白、空心菜等具有較好的除污效果，還具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。該系統(tǒng)在運(yùn)行過程中也無需較高的管理水平，具有較為穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，是一項(xiàng)管理運(yùn)行方便的技術(shù)。
[0021]3)抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)。
[0022]生態(tài)阻控系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)池對進(jìn)入系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)徑流起到沉砂、消能和均勻配水的作用。利用山坡地溝壑地形改造成平流式沉砂池與表面流人工濕地農(nóng)業(yè)面源污染凈化系統(tǒng)，最大可能地發(fā)揮對泥沙、N、P的阻控削減效果。人工濕地采用坡向設(shè)計(jì)，不破壞原有農(nóng)業(yè)徑流形成和流動(dòng)方向。濕地植物生態(tài)系統(tǒng)具有一定的固土阻沙作用，可以減緩水流對系統(tǒng)沖擊能力。濕地下層填料粒徑第一級(jí)最大、最后一級(jí)最小的設(shè)計(jì)也進(jìn)一步減緩農(nóng)業(yè)徑流的水力負(fù)荷和污染物負(fù)荷沖擊。
[0023]4)綜合效益好。
[0024]本設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)水土保持谷坊工程基礎(chǔ)上，整合低濃度污染濕地處理系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)水利資源儲(chǔ)存調(diào)節(jié)系統(tǒng)，充分考慮當(dāng)?shù)厣狡碌販羡值匦翁攸c(diǎn)，山地溝壑地形改造與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)相結(jié)合，操作簡便易行，技術(shù)難度小，易普及推廣，成本低，農(nóng)民易于接受。人工濕地成型后表層可根據(jù)園林設(shè)計(jì)需要栽種相關(guān)植物，或在表面栽種當(dāng)?shù)貪竦刂参锘謴?fù)濱水帶生態(tài)景觀，美觀大方，與周圍景觀保持和諧。該方法環(huán)境、生態(tài)效益明顯。
[0025]5)可對流域山坡地溝壑農(nóng)業(yè)面源污染進(jìn)行有效攔截和控制，減少水土流失，集雨灌溉，降低坡地降雨前后溝道養(yǎng)分衰減，農(nóng)業(yè)面源污染物生態(tài)攔截。
[0026]總之，本發(fā)明根據(jù)山坡地溝壑的變化構(gòu)建梯級(jí)農(nóng)業(yè)面源生態(tài)阻控系統(tǒng)，可較好的對坡地農(nóng)業(yè)污染物進(jìn)行多重?cái)r截和控制，達(dá)到減少營養(yǎng)鹽進(jìn)入地表水體的目的，同時(shí)通過栽種經(jīng)濟(jì)景觀作物還可以提高當(dāng)?shù)厣絽^(qū)人民的經(jīng)濟(jì)收入和景觀效應(yīng)。本發(fā)明可以廣泛地應(yīng)用于類似的流域溝道或河道污染物攔截與控制。適合在流域丘陵山地區(qū)特別是三峽庫區(qū)推廣。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1本發(fā)明三峽庫區(qū)山坡地溝壑農(nóng)業(yè)面源污染生態(tài)谷坊阻控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖(以五級(jí)為例)。
[0028]圖2本發(fā)明單級(jí)生態(tài)谷坊的構(gòu)筑物剖面布置示意圖。
[0029]圖3本發(fā)明單級(jí)生態(tài)谷坊的構(gòu)筑物平面布置示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖，通過實(shí)施例對本發(fā)明所述流域山坡地溝壑農(nóng)業(yè)面源污染生態(tài)谷坊阻控系統(tǒng)構(gòu)建方法做進(jìn)一步說明，但實(shí)施例僅用于說明，并不能限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0031]三峽庫區(qū)山坡地溝壑農(nóng)業(yè)面源污染生態(tài)谷坊阻控系統(tǒng)，它由多級(jí)生態(tài)谷坊依山坡地呈從高至低的自然落差的梯形狀分布(構(gòu)成階梯狀，如圖1所示);所述的生態(tài)谷坊級(jí)數(shù)由
=7C0S^/Z確定，式中7為溝壑坡長，0為山體坡度。
[0032]每一級(jí)生態(tài)谷坊(即單級(jí)生態(tài)谷坊)由蓄水調(diào)節(jié)池1、人工濕地2和谷坊壩主體3組成，三者按水流方向依次布置(即人工濕地2位于蓄水調(diào)節(jié)池I與谷坊壩主體3之間，蓄水調(diào)節(jié)池I位于同一級(jí)的人工濕地2之上);蓄水調(diào)節(jié)池I與上一級(jí)的谷坊壩主體3上的溢流口 31相通。
[0033]每一級(jí)的蓄水調(diào)節(jié)池I由調(diào)節(jié)池11和儲(chǔ)水池12組成，調(diào)節(jié)池11接受上方徑流來水(與上一級(jí)的谷坊壩主體3上的溢流口 31相通，根據(jù)來水來沙量調(diào)節(jié)控制泥沙、徑流以單次定量的方式進(jìn)入人 工濕地2)，調(diào)節(jié)池11的一側(cè)或兩側(cè)設(shè)有儲(chǔ)水池12 (儲(chǔ)水池12接受暴雨過量徑流，為旱季灌溉提供水源)，儲(chǔ)水池12與調(diào)節(jié)池11連通，儲(chǔ)水池12同時(shí)與同一級(jí)的人工濕地2連通。
[0034]人工濕地2與同級(jí)的調(diào)節(jié)池11的出水銜接(人工濕地2承接上一級(jí)的生態(tài)谷坊的出水)；
人工濕地2包括濕地植物21、濕地填料、集配水主管24，集配水主管24上連接有集配水支管25，集配水主管24和集配水支管25鋪設(shè)在濕地填料上，集配水主管24與調(diào)節(jié)池11相連通，集配水主管24的末端連接出水集水池26 ;濕地填料分為上下兩層填料區(qū)，上層填料區(qū)22填充約100 mm厚土壤并在其上種植濕地植物21，下層填料區(qū)23可用砂石按反濾層分層鋪砌，也可選擇滲透性較好的凈化填料，所述凈化填料可為沸石、礫石、石灰石、卵石或陶粒等，并在上下層填料區(qū)間鋪設(shè)防止上層土壤下漏的隔層。
[0035]①為防止堵塞，第一級(jí)生態(tài)谷坊的濕地填料區(qū)的濕地填料為粒徑較大、通透性較好、價(jià)格低廉的基質(zhì)，往后面的濕地填料粒徑較小、吸附磷效果好的混合基質(zhì)。②濕地植物21的類型從上而下按蘆葦、再力花、水蔥、空心菜、菖蒲、香蒲、美人蕉、茭白、風(fēng)車草、燈芯草等配置，單級(jí)濕地根據(jù)水深也可按沉水植物、挺水植物、浮葉植物形成有效的時(shí)空配置，構(gòu)成小型生態(tài)系統(tǒng)，植物種植密度為10~20株/m2，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和山地景觀。③集配水主管24由調(diào)節(jié)池11引入，干管兩邊均勻交錯(cuò)設(shè)置四排集配水支管25，集配水支管25上布置四排直徑為10 mm小孔用于均勻配水，集配水主管(干管)24與濕地集流池26相通，集流池一側(cè)為谷坊壩體3，通過溢流口 31排向下一級(jí)生態(tài)谷坊。
[0036]谷坊壩主體3與同級(jí)的人工濕地2的出水集水池26銜接，出水集水池26并通過谷坊壩主體3上的溢流口 31流入下一級(jí)的生態(tài)谷坊。
[0037]所述蓄水調(diào)節(jié)池I為磚石結(jié)構(gòu)，為規(guī)則長方體，也可根據(jù)現(xiàn)場地形適當(dāng)調(diào)整，由調(diào)節(jié)池11及其兩側(cè)儲(chǔ)水池12構(gòu)成，即K胃=K<t|+Kia。蓄水調(diào)節(jié)池I的容積根據(jù)山體暴雨徑流量設(shè)計(jì)，按公式Ks=K5min//?, K5minS 5 min內(nèi)上方徑流量，按公式K5min=300^計(jì)算，n為生態(tài)谷坊級(jí)數(shù)4為設(shè)計(jì)流量m3/s，根據(jù)當(dāng)?shù)乇┯陱?qiáng)度按式(6=0.278Z/F設(shè)計(jì)流量，其中^為徑流系數(shù)，取為0.4 ;/為10年一遇6 h最大降雨強(qiáng)度mm/h, Z7為溝頭以上集水面積km2 ;兩側(cè)的儲(chǔ)水池容積Kfll=1/2Kia，通過谷坊壩主體3上的溢流口與調(diào)節(jié)池相連，可以儲(chǔ)存暴雨過量徑流，也可補(bǔ)充旱季灌溉，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民山坡地耕作提供便利。
[0038]所述谷坊壩體3由漿砌石構(gòu)成，為不規(guī)則梯形。①本發(fā)明選擇溝底坡降較大(5~15%或者更大)、溝底下切劇烈發(fā)展的溝段，選擇“ 口小肚大”的地方系統(tǒng)的布設(shè)生態(tài)谷坊系統(tǒng)。根據(jù)溝底坡降，從下而上逐步擬定每座(每級(jí))生態(tài)谷坊的位置，一般高2~5 m，下一座生態(tài)谷坊的頂部大致與上一個(gè)谷坊的基部等高。②兩級(jí)相鄰的生態(tài)谷坊間距Z=///(1-1’)，其中//為單級(jí)生態(tài)谷坊的底到其溢水口高度，m;i為原溝床比降；i’為淤滿后比降；溢洪口 ^=#抽3/2，其中0為設(shè)計(jì)流量，m3/s 'b為底寬，m 'h為水深，m ;#為流量系數(shù)，取1.55。③生態(tài)谷坊級(jí)數(shù)的選擇，生態(tài)谷坊級(jí)數(shù)由/? = 7cos e /L確定，式中I為溝壑坡長，〃為山體坡度。
[0039]實(shí)施例: 結(jié)合國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)“庫區(qū)小流域磷污染綜合治理及水華控制研究與示范(2012ZX07104-002)”的子課題，在三峽庫區(qū)香溪河流域建立三峽庫區(qū)山坡地溝壑農(nóng)業(yè)面源污染生態(tài)谷坊阻控系統(tǒng)。
[0040]三峽庫區(qū)地處四川盆地與長江中下游平原的結(jié)合部，氣候類型為中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，地貌以丘陵和山地為主，該區(qū)土地資源主要以坡耕地為主。實(shí)施例選取三峽庫區(qū)庫首宜昌市興山縣，為香溪河典型小流域，地理位置為東經(jīng)110° 15--~111° 05--，北緯30° 57--~31° 36--，屬構(gòu)造地貌，土壤主要為石灰土、黃壤和黃棕壤，年均溫17.1°C，無霜期214 d，日照時(shí)數(shù)1682.9 h，日照率為38%，年降雨量966.5 mm，相對濕度76%，該區(qū)耕地資源主要以坡耕地和陡坡地為主，平均坡度為25°。根據(jù)當(dāng)?shù)匦×饔虻膶?shí)際情況，選取山坡地溝壑坡度為23°設(shè)置生態(tài)谷坊系統(tǒng)。具體內(nèi)容包括:
I)谷坊壩體3的壩高設(shè)計(jì)為3.8 m，頂寬為壩高0.5~0.6倍，迎水坡1:0.1，背水坡1:1。生態(tài)谷坊間距根據(jù)Z=///(1-1’)。式中//為單級(jí)生態(tài)谷坊的底到其溢水口高度，即3.8m，i為原溝底天然溝床比降(溝底坡降)，實(shí)地測量為0.127，i’為淤滿后穩(wěn)定溝底比降，根據(jù)壩后淤積土土質(zhì)(現(xiàn)場為黏土)為0.01。經(jīng)計(jì)算，得谷坊間距Z=32.5 m。所述的生態(tài)谷坊級(jí)數(shù)由=7C0S^/Z確定，式中7為溝壑坡長，即318 m, ^為山體坡度，即23°，則設(shè)計(jì)級(jí)數(shù)為9個(gè)【生態(tài)谷坊，圖中顯示了 5級(jí)，第一級(jí)生態(tài)谷坊(I)、第二級(jí)生態(tài)谷坊(2)、第三級(jí)生態(tài)谷坊(3)、第四級(jí)生態(tài)谷坊(4)、第五級(jí)生態(tài)谷坊(5)】。根據(jù)當(dāng)?shù)乇┯陱?qiáng)度(重現(xiàn)期10年)設(shè)計(jì)流量按式(6=0.21MIF計(jì)算，其中I為徑流系數(shù)，取為0.4 ;/為10年一遇6 h最大降雨強(qiáng)度_/h，根據(jù)公式^=[1108(1+0.731#)]/(°_626，式中表示單位為L/s--hm2的暴雨強(qiáng)度，Z7為暴雨重現(xiàn)期，設(shè)計(jì)為10年，t為降雨歷時(shí)360 min，計(jì)算得48.12 L/s--hm2，換算成單位時(shí)間平均降雨深度，即J為17.3 mm/h，A為溝頭以上集水面積，測量約6 hm2，故設(shè)計(jì)流量0為0.12 m3/s。溢流口 31的斷面尺寸根據(jù)式3/2計(jì)算，其中^為設(shè)計(jì)洪峰流量，即0.12 m3/s,#為流量系數(shù),一般取為1.55 'b為溢洪口底寬,設(shè)計(jì)底寬為0.4 m -,h為溢洪口水深，經(jīng)計(jì)算為0.3 m。
[0041]2)人工濕地2 (梯級(jí)人工濕地)
在谷坊壩體阻截范圍內(nèi)設(shè)置人工濕地2。濕地填料分為上下兩層填料區(qū)，上層填料區(qū)22填充約100 mm厚土壤并在其上種植濕地植物21，下層填料區(qū)23用滲透性較好的凈化填料，并在上下層填料區(qū)間鋪砌砂石按反濾層分層，防止上層土壤下漏的隔層。為防止堵塞，第I級(jí)濕地填充粒徑較大、通`透性較好的卵石，第2、3、…、8級(jí)濕地分別填充石灰石、礫石、小鵝卵石、碎石、爐渣、沸石、石英砂，第9級(jí)濕地填充粒徑較小、吸附P效果好的陶粒。梯級(jí)濕地植物21類型從I級(jí)到第9級(jí)按蘆葦、水蔥、空心菜、菱白、美人蕉、香蒲、千屈菜等配置，單級(jí)濕地根據(jù)水深也可按沉水植物如狐尾藻、苦草、金魚草、菱等，挺水植物如杏菜、慈菇、水芋等形成有效的時(shí)空配置，構(gòu)成小型生態(tài)系統(tǒng)，植物種植密度為10~20株/m2，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和山地景觀。集配水主管24由調(diào)節(jié)池11引入，PVC干管O 200 mm兩邊均勻交錯(cuò)設(shè)置四排支管25 O 90 mm，支管25上布置四排直徑為10 mm小孔用于均勻配水，集配水主管24與濕地集流池26相通。濕地集流池26寬0.3 m，深0.5 m，濕地集流池26—側(cè)為谷坊壩體3，通過谷坊溢流口 31排向下一級(jí)生態(tài)谷坊。
[0042]3)蓄水調(diào)節(jié)池I (階梯蓄水調(diào)節(jié)池)
蓄水調(diào)節(jié)池I為磚石結(jié)構(gòu)，為規(guī)則長方體，也可根據(jù)現(xiàn)場地形適當(dāng)調(diào)整，由調(diào)節(jié)池11及其兩側(cè)儲(chǔ)水池12構(gòu)成。單個(gè)蓄水調(diào)節(jié)池I的容積根據(jù)山體暴雨徑流量設(shè)計(jì)，按公式V蓄=V5min/9, K5minS 5 min內(nèi)上方徑流量，即36 m3，則單個(gè)蓄水調(diào)節(jié)池為4 m3。其中調(diào)節(jié)池11長2 m，寬I m，深I(lǐng) m，儲(chǔ)水池12長I m，寬I m，深I(lǐng) m。儲(chǔ)水池12設(shè)置在調(diào)節(jié)池11兩側(cè)，相鄰擋墻上方留口收集暴雨期過量徑流。兩側(cè)的儲(chǔ)水池容積K<lt=l/2Kia，通過谷坊壩主體3上的溢流口與調(diào)節(jié)池相連，可以儲(chǔ)存暴雨過量徑流，也可補(bǔ)充旱季灌溉，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民山坡地耕作提供便利。
[0043]4)系統(tǒng)農(nóng)業(yè)面源污染去除效果
在三峽庫區(qū)梅雨季節(jié)一般降雨徑流量時(shí)，各污染物出水濃度相對恒定，尤其是TN、TP最為明顯。在夏季暴雨徑流量時(shí)，各污染物出水濃度表現(xiàn)不穩(wěn)定。系統(tǒng)能夠穩(wěn)定阻控TN、TP等污染物，去除率分別為42%、65%。系統(tǒng)污染物出水濃度基本能夠滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838— 2002) III類標(biāo)準(zhǔn)。
[0044]5)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行和管理
在系統(tǒng)構(gòu)建過程及運(yùn)行期，要對植物進(jìn)行補(bǔ)植、收割、養(yǎng)護(hù)和植物生長監(jiān)測，在運(yùn)行期，除了對植被管理，對山坡地溝壑邊坡壩體、引排水、溝體各類設(shè)置的維護(hù)、水質(zhì)監(jiān)測等。
[0045]本發(fā)明提出的流域溝壑農(nóng)業(yè)面源污染生態(tài)谷坊系統(tǒng)建造方法，其效果接近梯級(jí)濕地，將廣泛采用的谷坊工程轉(zhuǎn)變?yōu)樘菁?jí)濕地和多級(jí)谷坊有機(jī)結(jié)合、并補(bǔ)充設(shè)置調(diào)節(jié)蓄水池的方法，保持原有的山坡地微地貌形態(tài)，并使其具有一定的山地景觀效果，生態(tài)及環(huán)境效益顯著，適合在流域丘陵山 地區(qū)特別是三峽庫區(qū)推廣。
【權(quán)利要求】
1.三峽庫區(qū)山坡地溝壑農(nóng)業(yè)面源污染生態(tài)谷坊阻控系統(tǒng)，其特征在于:它由多級(jí)生態(tài)谷坊依山坡地呈從高至低的自然落差的梯形狀分布； 每一級(jí)生態(tài)谷坊由蓄水調(diào)節(jié)池(I)、人工濕地(2)和谷坊壩主體(3)組成，蓄水調(diào)節(jié)池(1)、人工濕地(2)和谷坊壩主體(3)按水流方向依次布置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三峽庫區(qū)山坡地溝壑農(nóng)業(yè)面源污染生態(tài)谷坊阻控系統(tǒng)，其特征在于:每一級(jí)的蓄水調(diào)節(jié)池(I)由調(diào)節(jié)池(11)和儲(chǔ)水池(12)組成，調(diào)節(jié)池(11)接受上方徑流來水，調(diào)節(jié)池(11)的一側(cè)或兩側(cè)設(shè)有儲(chǔ)水池(12 )，儲(chǔ)水池(12 )與調(diào)節(jié)池(11)連通，儲(chǔ)水池(12)同時(shí)與同一級(jí)的人工濕地(2)連通。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三峽庫區(qū)山坡地溝壑農(nóng)業(yè)面源污染生態(tài)谷坊阻控系統(tǒng)，其特征在于:人工濕地(2)與同級(jí)的調(diào)節(jié)池(11)的出水銜接； 人工濕地(2)包括濕地植物(21)、濕地填料、集配水主管(24)，集配水主管(24)上連接有集配水支管(25 )，集配水主管(24 )和集配水支管(25 )鋪設(shè)在濕地填料上，集配水主管(24)與調(diào)節(jié)池(11)相連通，集配水主管(24)的末端連接出水集水池(26);濕地填料分為上下兩層填料區(qū)，上層填料區(qū)(22)填充100 mm厚土壤并在其上種植濕地植物(21)，下層填料區(qū)(23)用砂石按反濾層分層鋪砌，或選擇滲透性較好的凈化填料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三峽庫區(qū)山坡地溝壑農(nóng)業(yè)面源污染生態(tài)谷坊阻控系統(tǒng)，其特征在于:第一級(jí)生態(tài)谷坊的濕地填料區(qū)的濕地填料為粒徑較大、通透性較好、價(jià)格低廉的基質(zhì)，往后面的濕地填料粒徑較小、吸附磷效果好的混合基質(zhì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三峽庫區(qū)山坡地溝壑農(nóng)業(yè)面源污染生態(tài)谷坊阻控系統(tǒng)，其特征在于:谷坊壩主體(3)與同級(jí)的人工濕地(2)的出水集水池(26)銜接，出水集水池(26)的水通過谷坊壩主體(3)上的溢流口(31)流入下一級(jí)的生態(tài)谷坊。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三峽庫區(qū)山坡地溝壑農(nóng)業(yè)面源污染生態(tài)谷坊阻控系統(tǒng)，其特征在于:所述谷坊壩體(3)由漿砌石構(gòu)成，為不規(guī)則梯形。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三峽庫區(qū)山坡地溝壑農(nóng)業(yè)面源污染生態(tài)谷坊阻控系統(tǒng)，其特征在于:所述的生態(tài)谷坊級(jí)數(shù)由/7 =7C0S〃/Z確定，式中7為溝壑坡長，e為山體坡度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三峽庫區(qū)山坡地溝壑農(nóng)業(yè)面源污染生態(tài)谷坊阻控系統(tǒng)，其特征在于:兩級(jí)相鄰的生態(tài)谷坊間距Z=#/(i — i’)，其中"為單級(jí)生態(tài)谷坊的底到其溢水口高度，m 'i為原溝床比降'i,為淤滿后比降。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三峽庫區(qū)山坡地溝壑農(nóng)業(yè)面源污染生態(tài)谷坊阻控系統(tǒng)，其特征在于:所述凈化填料為沸石、礫石、石灰石、卵石或陶粒。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三峽庫區(qū)山坡地溝壑農(nóng)業(yè)面源污染生態(tài)谷坊阻控系統(tǒng)，其特征在于:濕地植物(21)的類型從上而下按蘆葦、再力花、水蔥、空心菜、菖蒲、香蒲、美人蕉、茭白、風(fēng)車草、燈芯草等配置，植物種植密度為10~20株/m2。
11.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三峽庫區(qū)山坡地溝壑農(nóng)業(yè)面源污染生態(tài)谷坊阻控系統(tǒng)，其特征在于:集配水主管(24)兩邊均勻交錯(cuò)設(shè)置四排集配水支管(25)，集配水支管(25)上布置四排直徑為10 _小孔用于均勻配水。
12.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三峽庫區(qū)山坡地溝壑農(nóng)業(yè)面源污染生態(tài)谷坊阻控系統(tǒng)，其特征在于:在上層填料區(qū)、下層填料區(qū)間鋪設(shè)防止上層土壤下漏的隔層。
【文檔編號(hào)】C02F3/32GK103588303SQ201310556146
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月11日
【發(fā)明者】李曄, 馬嘯, 李柏林, 邱澤東, 周顯, 劉強(qiáng), 綦威 申請人:武漢理工大學(xué)