專利名稱：一種用于攔截磷流失的抗沖刷型生態(tài)溝渠的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于環(huán)境污染治理技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種生態(tài)溝渠，尤其是涉及一種用于對(duì)富磷地質(zhì)背景下集水區(qū)高磷通量輸出進(jìn)行攔截固定的抗沖刷型生態(tài)溝渠。
背景技術(shù)：
磷已經(jīng)被公認(rèn)為是湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的主要限制因子，因此如何降低和消減磷向湖泊等集水區(qū)域的輸入一直是世界科學(xué)家所關(guān)注的科學(xué)問題。目前，對(duì)于點(diǎn)源的污染，如工業(yè)或生活廢水中磷的控制，主要采用化學(xué)沉淀法或生物處理等方法，且目前這些技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，方法已經(jīng)非常成熟。然而，對(duì)于農(nóng)業(yè)面源以及富磷背景區(qū)磷的輸出控制問題一直沒有得到很好的解決。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)發(fā)展起來(lái)一些應(yīng)用生態(tài)工程的手段來(lái)控制和降低來(lái)自面源污染中的磷含量，其中包括河口濕地、河湖濱岸帶、農(nóng)田生態(tài)溝渠等。研究結(jié)果表明，這些生態(tài)工程均可以有效降低來(lái)自面源污染中污染物質(zhì)的含量，降低接受水體中污染物負(fù)荷。然而，對(duì)于富磷背景區(qū)集水域高磷輸出的問題一直未找到一種有效的控制手段。因此，亟需相應(yīng)的技術(shù)手段對(duì)該問題進(jìn)行解決。通常，溝渠被認(rèn)為是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的主要景觀，其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中主要起到灌溉、 蓄水甚至防洪的作用。有關(guān)溝渠的定義至今國(guó)際上沒有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，但大部分學(xué)者認(rèn)為溝渠是具有河流或濕地系統(tǒng)特征的生態(tài)工程系統(tǒng)，具有水生生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)功能。近些年來(lái)， 國(guó)外的研究人員開始將溝渠作為一種控制農(nóng)業(yè)面源污染(氮和磷)的主要手段之一，并且發(fā)現(xiàn)具有植物著生的溝渠可以起到較好的截磷以及截氮的效果，溝渠濕地可通過底泥截留吸附、植物吸收和微生物降解降低水體中的氮和磷。已有相關(guān)專利披露了采用生態(tài)溝渠針對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染中的磷進(jìn)行攔截的方法，如中國(guó)專利200910272338. 1 “一種阻控農(nóng)業(yè)面源污染的生態(tài)溝渠”和201010524502. 6 “一種污水處理用生態(tài)溝渠及其構(gòu)建方法和應(yīng)用”。中國(guó)200610097845. 2公開了一種生態(tài)溝渠污水凈化方法，可將城鎮(zhèn)生活污水與農(nóng)田排水進(jìn)行混合處理。但是，農(nóng)田生態(tài)溝渠一般只是主要基于植物的生長(zhǎng)來(lái)控制水體中的磷，納污水體中磷的含量一般較低，且農(nóng)田生態(tài)溝渠具有對(duì)水體凈化效果緩慢的缺點(diǎn)。其次，農(nóng)田生態(tài)溝渠通常是針對(duì)平原地區(qū)無(wú)強(qiáng)水動(dòng)力的集水區(qū)域進(jìn)行設(shè)計(jì)的，因而不具備較強(qiáng)的抗沖刷能力。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者就溝渠的研究主要集中在溝渠的水文效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)和生物效應(yīng)，且主要集中在農(nóng)田生態(tài)溝渠的研究上。而有關(guān)溝渠的截面形態(tài)設(shè)計(jì)、溝渠植物生長(zhǎng)基質(zhì)以及高納磷濃度、強(qiáng)水動(dòng)力條件下生態(tài)溝渠應(yīng)用的研究則顯得相對(duì)薄弱。針對(duì)富磷背景區(qū)磷流失的問題，根據(jù)實(shí)際地形情況設(shè)計(jì)一種用于控制裸露山體富磷區(qū)高磷輸出通量的生態(tài)溝渠，是解決富磷背景區(qū)磷輸出控制、治理面源污染的有效方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于攔截磷流失的抗沖刷型生態(tài)溝渠，能夠克服傳統(tǒng)
3的農(nóng)業(yè)生態(tài)溝渠的納磷濃度低以及無(wú)顯著的抗水力沖刷的缺點(diǎn)，是一種具有較強(qiáng)抗水流沖刷能力、較高吸磷能力的新型生態(tài)溝渠，特別適用于具有一定水流落差的富磷地質(zhì)背景區(qū)， 本發(fā)明的生態(tài)溝渠能有效控制富磷背景區(qū)高磷輸出通量，治理面源污染。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的所采用的技術(shù)方案如下
一種用于攔截磷流失的抗沖刷型生態(tài)溝渠，依據(jù)自然地形地貌，開挖或改良自然溝渠形成干渠，干渠包括溝壁和溝底，其特征在于所述的溝壁由中空、底部帶孔的脫堿水泥預(yù)制塊排列形成；所述的溝底用碎石鋪設(shè)，用耕作土覆于碎石表層；將固磷基質(zhì)與耕作土混合均勻后覆于溝壁的預(yù)制塊中，在溝底和溝壁中播種著生植物；干渠上每隔一定的距離，設(shè)置水泥攔截壩。所述的預(yù)制塊由脫堿后的水泥制成，預(yù)制塊截面可設(shè)計(jì)成正六邊形，可在溝渠側(cè)壁上緊密堆砌、排列，形成抗沖刷的溝壁。為使溝渠壁中能夠著生植物，并確保其中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)能夠被及時(shí)吸收，所述的預(yù)制塊內(nèi)部中空，且底部帶有篩網(wǎng)狀分布的孔結(jié)構(gòu)。篩網(wǎng)孔可以為圓孔、方孔或條形孔。預(yù)制塊中空部份填充固磷基質(zhì)與耕作土，既可以為植物著生提供基質(zhì)，又可以利用溝壁有效固定、攔截水體中高通量的磷污染物。所述的固磷基質(zhì)與耕作土按質(zhì)量比5 15 :1混合。所述的固磷基質(zhì)為凹凸棒和海泡石黏土礦物，或改性的凹凸棒和海泡石黏土礦物。如具體實(shí)施方式
中采用的熱改性海泡石，通過將海泡石原土經(jīng)過100 iooo°c加熱ai 改性，所得到的改性海泡石具有較強(qiáng)的吸附磷的能力。為抵御在豐水期水流對(duì)溝渠底部泥土的沖刷，溝底用碎石鋪設(shè)。所述的碎石直徑優(yōu)選5 IOcm0本發(fā)明的生態(tài)溝渠可按照當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況和地勢(shì)落差，在干渠上設(shè)置水泥攔截壩，用來(lái)蓄積水源和攔截水流，對(duì)于具有較大落差地勢(shì)的富磷地質(zhì)背景區(qū)，可有效提高所述生態(tài)溝渠的抗水力沖刷能力。所述的水泥攔截壩壩高度應(yīng)該在該區(qū)域最大水深線以上。在攔截壩的上應(yīng)具備2組多孔的排水孔，下方排水孔要高于當(dāng)?shù)乜菟谒罡叨?，而上方排水孔要略低于?dāng)?shù)刎S水期水深高度。水泥攔截壩之間的距離通常設(shè)計(jì)為30 50米。所述的溝渠溝壁坡面的坡度小于60°為宜。為能夠更好吸收溝渠中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及顆粒態(tài)懸浮物，本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式是在溝渠的底部放置一些小型的生態(tài)攔截器。生態(tài)攔截器可由攔截箱體、固磷基質(zhì)、耕作土以及著生植物構(gòu)成，攔截箱體為脫堿水泥制成的四周具備小孔的箱體，箱體內(nèi)填充固磷基質(zhì)與耕作土，植物著生在攔截箱體上。生態(tài)攔截器的一個(gè)作用是彌補(bǔ)溝渠中其它結(jié)構(gòu)單元對(duì)于水體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收不完全，其中的固磷基質(zhì)和植物可以吸收水體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)， 以達(dá)到生態(tài)溝渠多方面攔截營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的效果；另一個(gè)作用是適當(dāng)對(duì)豐水期中的水流速度進(jìn)行阻擋，以降低流速，進(jìn)一步提高溝渠的抗沖刷能力。所述的著生植物可以依據(jù)當(dāng)?shù)氐闹参锶郝浣M成和植物生長(zhǎng)的特點(diǎn)選取，包括狗牙根、黑麥草或馬棘中的一種或幾種。著生植物分別種植于溝渠的底部和側(cè)壁，以及生態(tài)攔截器上。其播種密度為5g/m2 20g/m2。本發(fā)明的生態(tài)溝渠，通過對(duì)溝渠的形態(tài)、構(gòu)造的設(shè)計(jì)，能夠有效提高溝渠抗水力沖刷的能力，特別適合于在高水位落差條件下通過生態(tài)溝渠工程對(duì)面源水污染進(jìn)行治理；生態(tài)溝渠的多個(gè)結(jié)構(gòu)單元均具有對(duì)于磷素的吸收、攔截功能，通過植物吸收、底泥截留和固磷基質(zhì)多種技術(shù)手段對(duì)納污水體中的磷污染快速、有效地進(jìn)行攔截，較現(xiàn)有的生態(tài)溝渠水體凈化效果顯著提高，能夠有效控制高磷輸出通量，是解決富磷背景區(qū)高納磷濃度、強(qiáng)水動(dòng)力條件下磷輸出控制、治理面源污染的有效方法。下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。本發(fā)明的保護(hù)范圍并不以具體實(shí)施方式
為限，而是由權(quán)利要求加以限定。


圖1本發(fā)明的生態(tài)溝渠結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2溝壁預(yù)制塊排列方式示意圖。
圖3預(yù)制塊結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4生態(tài)攔截器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5懸浮物濃度變化趨勢(shì)曲線圖。
圖6總磷濃度變化趨勢(shì)曲線圖。
圖7顆粒態(tài)磷濃度變化趨勢(shì)曲線圖。
圖8磷酸根濃度變化趨勢(shì)曲線圖。
具體實(shí)施例方式將本發(fā)明的生態(tài)溝渠應(yīng)用于巢湖流域某地磷攔截工程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。研究地域范圍長(zhǎng)1700m，寬約590m，總面積1.0km2。據(jù)相關(guān)的研究表明，該區(qū)域(研究示范區(qū))坡面土壤的平均流失厚度為0. 41cm/a，平均流失量為M12 t/(km · a)，磷素的平均流失量為2. 30 t / (km*a)，若對(duì)全流域富磷地質(zhì)區(qū)保守估算，來(lái)自地質(zhì)背景的磷每年將達(dá)到上百噸。這對(duì)磷容量?jī)H有每年400多噸的巢湖而言，來(lái)自地質(zhì)背景的磷量是不可忽略的。就該區(qū)域磷流失嚴(yán)重的情況，因地制宜地根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)一條用于磷攔截的生態(tài)溝渠。所述的生態(tài)溝渠，依據(jù)自然地形地貌，開挖或改良自然溝渠形成干渠，如圖1所示，所述的干渠包括溝壁1和溝底5，溝渠的溝壁1由正六邊形脫堿水泥預(yù)制塊2排列形成， 溝底5用碎石6鋪設(shè)，用耕作土覆于碎石6表層；將固磷基質(zhì)與耕作土 7混合均勻后覆于溝壁1的預(yù)制塊中，在溝底5和溝壁1中播種著生植物8，并在溝底5放置多個(gè)小型生態(tài)攔截器4 ；干渠上每隔一定的距離，設(shè)置一個(gè)水泥攔截壩3。下面對(duì)生態(tài)溝渠各工程結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行詳細(xì)描述。天然溝渠的溝壁是經(jīng)過長(zhǎng)期的水力沖刷而形成的，由當(dāng)?shù)赝寥篮蜕笆瘶?gòu)成，生態(tài)條件好的區(qū)域還有當(dāng)?shù)赝林参镏＿@些土著植物經(jīng)過長(zhǎng)期的生長(zhǎng)演化已經(jīng)可以固定和吸收來(lái)自雨水沖刷的顆粒懸浮物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。但是，位于山體裸露集水區(qū)的溝渠在豐水期大量匯集來(lái)自各個(gè)區(qū)域的水源，水量和水體流速陡然加大，必然會(huì)對(duì)溝渠的側(cè)壁進(jìn)行沖刷， 導(dǎo)致大量泥沙顆粒水質(zhì)隨營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)一起進(jìn)入河道，增加了水體中的泥沙負(fù)荷以及水體營(yíng)養(yǎng)負(fù)擔(dān)。所以，針對(duì)具有落差地勢(shì)的溝渠設(shè)計(jì)必須保證溝壁具有足夠的強(qiáng)度以來(lái)抵御強(qiáng)大的水體沖刷力。本發(fā)明的生態(tài)溝渠在考慮上述因素后，用脫堿后的水泥制作成水泥預(yù)制塊2。預(yù)制塊2其結(jié)構(gòu)如圖3中所示，形狀為正六邊行，邊長(zhǎng)Mcm，對(duì)角距離108cm，夾角120°C。 為能夠使溝壁1中著生植物，并能確保其中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)能夠被及時(shí)吸收，將預(yù)制塊2設(shè)計(jì)為內(nèi)部中空，且底部為篩網(wǎng)行的預(yù)制塊。預(yù)制塊2總厚度20cm，底部厚度10cm。將每個(gè)預(yù)制塊 2單元按照?qǐng)D2所示的組合方法排列，置于一定坡度的溝渠框架中，即成為人工設(shè)計(jì)構(gòu)造的溝渠的溝壁1。為抵御在豐水期水流對(duì)溝渠底部泥土的沖刷，將溝底設(shè)計(jì)成用直徑5 IOcm的碎石6鋪設(shè)，同時(shí)為確保有一定植物的著生，用耕作圖覆于碎石6表層。干渠依據(jù)自然溝渠的自然地理地貌狀況，用大型機(jī)械設(shè)備對(duì)溝渠進(jìn)行開挖或改良。溝的深度為lm，夠底寬lm，溝壁坡面與水平夾角為30°。將設(shè)計(jì)好的溝壁預(yù)制塊2鋪設(shè)于溝渠中，具體排列方式如圖2所示。溝渠的底部按上文所述的方法設(shè)計(jì)和制作。待溝渠整體框架搭建好后，將固磷基質(zhì)與耕作土質(zhì)量比10 1的混合物7混合均勻后并摻拌一定比例的水覆于溝壁中的預(yù)制塊2中。固磷基質(zhì)為熱改性海泡石黏土礦物，將海泡石原礦(取自河南南陽(yáng))600 1000°C加熱池進(jìn)行改性，對(duì)于1000mg/L的含磷廢水，改性海泡石投加量為20g/L的情況下，其吸附磷的能力為32 42mgP/g。隨后，在溝底5和溝壁1中播種一定量的著生植物8狗牙根和黑麥草，其播種密度分別為15g/m2和35g/m2。按照當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況和地勢(shì)落差，每隔30 50米的距離，設(shè)置一個(gè)水泥攔截壩3 用來(lái)蓄積水源和攔截水流，水泥攔截壩3的高度應(yīng)該在該區(qū)域最大水深線以上。水泥攔截壩3上具備2組多孔的排水孔，下方排水孔要高于當(dāng)?shù)乜菟谒罡叨?，而上方排水孔要略低于豐水期水深高度。為能夠更好吸收溝渠中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及顆粒態(tài)懸浮物，在溝渠的底部放置一些小型的生態(tài)攔截器4。生態(tài)攔截器4由攔截箱體和固磷基質(zhì)、耕作土以及植物構(gòu)成，攔截器4 可以彌補(bǔ)溝渠中其它結(jié)構(gòu)單元對(duì)于水體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收不完全的特點(diǎn)，同時(shí)攔截器4又可以適當(dāng)對(duì)豐水期中的水流速度進(jìn)行阻擋，以適當(dāng)降低流速。攔截器4內(nèi)中的固磷基質(zhì)和植物可以吸收水體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，以達(dá)到生態(tài)溝渠多方面攔截營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的效果。生態(tài)攔截器4 其結(jié)構(gòu)如圖4所示。攔截器4的箱體由脫堿水泥制成，為邊長(zhǎng)8cm的四周具備小孔的正方體形。攔截器內(nèi)部表層用100目的濾布包裹，以確保內(nèi)部的固磷基質(zhì)和耕作土不散落。依據(jù)當(dāng)?shù)氐闹参锶郝浣M成和植物生長(zhǎng)的特點(diǎn)，選取溝渠著生植物。根據(jù)試驗(yàn)地區(qū)植物生長(zhǎng)的特點(diǎn)和生長(zhǎng)習(xí)性，選擇狗牙根和黑麥草為工具植物種，分別種植于溝渠的底部和側(cè)壁。植物的生長(zhǎng)基質(zhì)為當(dāng)?shù)馗魍寥阑旌蠠岣男院Ｅ菔渲?，耕作土和固磷基質(zhì)的比例按10:1質(zhì)量比配比。生態(tài)溝渠建成后，種植于生態(tài)溝渠底、壁的工具植物，經(jīng)過60天的生長(zhǎng)，各種植物都表現(xiàn)出良好的生長(zhǎng)情況，其中采集20株植物的平均生長(zhǎng)指標(biāo)情況如表1所示。從表1中可知，兩種植物在60天的生長(zhǎng)后，覆蓋度分別可以達(dá)到60%和56%，已經(jīng)完全可以形成良好的植物覆蓋度。從野外的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，狗牙根和黑麥草的地下的根長(zhǎng)分別為3. 04cm和 3. 62cm，地下生物量也分別達(dá)到了 17. 42g和16. 57g。著生植物的這種情況，已經(jīng)完全可以達(dá)到固土保水的目的。表1 生態(tài)溝渠底壁植物著生60天生長(zhǎng)情況表
權(quán)利要求
1.一種用于攔截磷流失的抗沖刷型生態(tài)溝渠，依據(jù)自然地形地貌，開挖或改良自然溝渠形成干渠，干渠包括溝壁和溝底，其特征在于所述的溝壁由中空、底部帶孔的脫堿水泥預(yù)制塊排列形成；所述的溝底用碎石鋪設(shè)，耕作土覆于碎石表層；將固磷基質(zhì)與耕作土混合均勻后覆于溝壁的預(yù)制塊中，在溝底和溝壁中播種著生植物；干渠上每隔一定的距離，設(shè)置水泥攔截壩。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抗沖刷型生態(tài)溝渠，其特征在于所述的預(yù)制塊截面為正六邊形，內(nèi)部中空，且底部帶有篩網(wǎng)狀分布的孔結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抗沖刷型生態(tài)溝渠，其特征在于所述的固磷基質(zhì)與耕作土按質(zhì)量比5 15 :1混合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抗沖刷型生態(tài)溝渠，其特征在于所述的固磷基質(zhì)選自凹凸棒或海泡石黏土礦物，或改性的凹凸棒或海泡石黏土礦物。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的抗沖刷型生態(tài)溝渠，其特征在于所述的固磷基質(zhì)為改性海泡石黏土礦物，將海泡石經(jīng)過100 1000°C加熱2h改性制得。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抗沖刷型生態(tài)溝渠，其特征在于所述的碎石直徑為5 IOcm0
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抗沖刷型生態(tài)溝渠，其特征在于所述的水泥攔截壩高度在生態(tài)溝渠所在區(qū)域最大水深線以上；攔截壩的上具備2組多孔的排水孔，下方排水孔高于當(dāng)?shù)乜菟谒罡叨?，上方排水孔略低于?dāng)?shù)刎S水期水深高度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抗沖刷型生態(tài)溝渠，其特征在于所述的水泥攔截壩之間的距離為30 50米。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抗沖刷型生態(tài)溝渠，其特征在于所述的生態(tài)溝渠的底部放置生態(tài)攔截器，生態(tài)攔截器由箱體、固磷基質(zhì)、耕作土和著生植物構(gòu)成，箱體為脫堿水泥制成的四周開設(shè)小孔的箱體，箱體內(nèi)填充固磷基質(zhì)和耕作土，植物著生在攔截箱體上。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抗沖刷型生態(tài)溝渠，其特征在于所述的著生植物選自狗牙根、黑麥草和馬棘中的一種或幾種，播種密度為5g/m2 20g/m2。
全文摘要
一種用于攔截磷流失的抗沖刷型生態(tài)溝渠，依據(jù)自然地形地貌，開挖或改良自然溝渠形成干渠，干渠的溝壁由中空、底部帶孔的脫堿水泥預(yù)制塊排列形成；溝底用碎石鋪設(shè)，耕作土覆于碎石表層；將固磷基質(zhì)與耕作土混合均勻后覆于溝壁的預(yù)制塊中，在溝渠底部和溝壁中播種著生植物；干渠上每隔一定的距離，設(shè)置水泥攔截壩。本發(fā)明的生態(tài)溝渠，通過對(duì)溝渠的形態(tài)、構(gòu)造的設(shè)計(jì)，能夠有效提高溝渠抗水力沖刷的能力，多個(gè)結(jié)構(gòu)單元均具有對(duì)于磷素的吸收、攔截功能，通過植物吸收、底泥截留和固磷基質(zhì)多種技術(shù)手段對(duì)納污水體中的磷污染快速、有效地進(jìn)行攔截，是解決富磷背景區(qū)高納磷濃度、強(qiáng)水動(dòng)力條件下磷輸出控制、治理面源污染的有效方法。
文檔編號(hào)C02F3/34GK102249418SQ201110142588
公開日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月30日
發(fā)明者尹洪斌, 范成新 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所