排水沟塘分布特性及与农田水力联系对水质净化能力的影响

湿地是一种能够有效治理农业非点源污染的生态设施;在一些无法建设人工湿地的地区,现存的排水沟塘系统具有类似湿地的水质净化效果。为研究排水沟塘的分布以及其与农田水力联系对其水质净化能力的影响,该文以扬州市江都区昭关灌区为例,首先通过实地调查,明确研究区不同形式沟塘的分布规律,确定沟塘与农田逐级详细水力联系,然后建立理论分析模型,分别计算考虑与不考虑水力联系2种情况下,沟塘的污染物去除能力。结果表明,考虑水力联系后,污染物去除能力为不考虑水力联系的70%~84%;水质净化作用主要集中在一些面积较大的支沟和池塘。从农田排水的角度考虑,尺寸较大沟塘会出现一定的水力冗余,但是从水质改善的角度看,则有必要保留。研究区可通过较为简单的工程措施来优化水力联系,提高其污染物的去除能力。     

兼顾经济与环境效益的排水沟塘保护与改造模式研究

排水沟塘在承担农田排水任务的同时,还具有削减农业面源污染和提供野生动物栖息地的功能,是一种宝贵的自然资源;但沟塘也占用了一定的土地面积,有些还妨碍农业机械操作,与现代化农业发展之间存在一定的矛盾。该文通过案例分析,从土地资源利用和环境保护和两个方面,研究了4种情形下沟塘保护与改造的综合效益,并考虑部分难以量化的生态、环境等因素探讨了沟塘最佳改造模式。研究区现有沟塘0.80 hm~2,占农区面积的14.3%,其中池塘、支沟和农沟面积的比例分别为28%、60%和12%。经济分析结果表明,按照目前土地租赁价格,减少沟塘面积、增加土地利用的经济效益要高于沟塘在污染物去除和生态治虫方面的效益;考虑其他难以量化的因素,该文推荐保留沿田块边缘分布、对田间机械作业影响小、且面积较大的支沟,使其能够继续发挥排水及生态服务功能;对于分布较密且尺寸较小的农沟,推荐采用排水暗管替代,便于田间机械化作业;对于面积较大且分布不均匀的池塘,因其数量少且对农田排水的影响有限,在流域排水设施完善的前提下,可以将其填埋复垦。上述措施将使研究区沟塘占农田面积的比例由现在的14.3%降低到8.6%,综合经济效益从目前的5 217元提高到6 740元;其中,污染物去除和生态治虫效益将从目前的5 217元降低到了3 134元,而土地租赁收益增加到3 606元。总之,对于沟塘系统的保护和改造需要根据各地不同的发展目标和要求,考虑一些难以量化的因素,如提供栖息地以及文化景观价值等,科学合理的推进农业生产与生态环境保护。     

生态沟渠对农田面源污染的消减机理及其影响因子分析

农业生产过程中肥料和农药的大量施用,造成农田面源污染问题日益突出,开发农田面源污染的减控技术对生态修复具有重要的意义。生态沟渠不仅兼具农田排水沟的过水功能,同时是有效消减面源污染且适合中国农情的重要生态措施之一。该研究阐述了生态沟渠对农田面源污染的消减机理（底泥吸附及植物阻抗作用、植物/微生物吸收作用、降解去除作用）;通过整理分析559组生态沟渠野外观测试验数据,剖析了污染物初始浓度、水力停留时间、植物种类、生物量这4个主要影响因子对农田排水中N、P及农药去除率的影响;进而采用多元线性回归模型将多因子影响与N、P及农药去除率之间建立定量关系。结果表明总氮和总磷的去除率随单一因子污染物初始浓度、水力停留时间或生物量增大而增大,但与植物种类没有显著关系（P>0.05）;且多元线性回归模型结果表明污染物初始浓度的对总氮/总磷去除率的贡献大于生物量。农药的去除率随水力停留时间、生物量增大而增大,随污染物初始浓度增大而减小,与植物种类没有显著关系（P>0.05）。研究可为生态沟渠的合理构建和设计提供理论和技术支撑。     

灌排控制措施结合沟塘湿地改善水稻灌区排水水质的模拟分析

针对水稻灌区农田排水氮素输出影响水环境的问题,该研究以大运河扬州段沿运灌区为例,在大田监测的基础上,运用田间水文模型--DRAINMOD模拟分析不同田间灌排控制措施的减排效果,并探讨利用农田周边沟塘湿地净化排水,达到灌区小流域不同水质目标的水管理方案。结果表明,在研究区目前常规灌溉（定额为9 600 m3/hm2,合水深960 mm）和常规排水（排水沟深0.6 m,等效间距50 m）模式下,农田单位面积上的年均排水总量高达1 162 mm,是灌溉量与降雨量之和的59%;其中地表径流占比51%,仅有25%是由降雨造成的不可控部分。采取理想的避免地表径流的干湿交替控制灌溉措施（年均灌溉量320 mm）可以显著降低排水量和氨氮的输出,相较于常规灌溉模式,可削减55%的排水量和59%的氨氮输出。研究区农田控制排水削减排水总量的效果较差,且在一定程度上增加了地表径流。由于地表排水中氨氮浓度（2.85 mg/L）高于地下排水（其浓度为1.80 mg/L）,地表排水比例的提高会增加排水对氨氮的输出。从研究区小流域范围内沟塘湿地分布考虑,目前灌溉与排水量均过高,现有沟塘湿地不足以发挥作用;只有通过控制灌溉措施显著减少排水量以后,才有可能利用现存的湿地面积将排水中的氨氮浓度降低到地表水水质标准Ⅴ类水。因此,该研究建议在合理控制灌排水量的基础上,通过整合、优化灌区现有沟塘湿地资源来有效改善研究区农田排水水质。研究可为类似地区农田排水污染控制提供理论依据。     

三种类型农田排水沟渠氮磷拦截效果比较

为了了解太湖地区不同类犁农田排水沟渠对N、P拦截效果的影响,分别在野外构建了3种类型的农田排水沟渠,即生态沟渠、混凝土沟渠和土质沟渠.研究了不同进水N、P浓度、不同水力停留时间和不同进水流速条件下,3种类型沟渠的N、P拦截效果.结果表明:在水力停留时间分别为24 h和48 h静态试验以及在固定进水流速的动态试验中,沟渠对不同进水N、P浓度的N、P去除牢大小顺序是:生态沟渠、土质沟渠和混凝土沟渠,其中,生态沟渠明显优于其他沟渠.在固定进水浓度的条件下,沟渠在不同水力停留时间下的N、P去除率大小顺序为;生态沟渠、土质沟渠和混凝土沟渠,其中,生态沟渠明显好于其他沟渠.在高、低两种进水流速和固定进水浓度条件下.生态沟渠在低进水流速下的N、P去除率明显优于其他沟渠.在不同进水浓度条件下,生态沟渠最佳水力停留时间为48 h.     

沟渠及塘堰湿地系统对稻田氮磷污染的去除试验

为研究原位状态下灌区沟渠及塘堰湿地系统对稻田氮磷污染的去除效应和规律,在湖北省漳河灌区选取农沟-斗沟尺度的3段典型排水沟渠和一处塘堰,分别于2009-2010年5—9月水稻生育期在沟渠和塘堰进出水口采集水样进行氮磷浓度化验分析。结果表明,灌区农沟-斗沟尺度典型排水沟渠对总氮、硝态氮、铵态氮、总磷整体去除率分别为44．6％、9．9％、37．3％、35．1％;塘堰对总氮、硝态氮、铵态氮、总磷的平均去除率分别为15．2％、15．6％、30．2％、-6．5％。典型沟渠和塘堰对氮磷污染的去除表现出一定的抗冲击自修复性。原位条件下,由于排水沟中水力停留时间都不长,使得种植不同植被的沟段之间对氮磷的去除效应差异性不明显。塘堰湿地系统中植被的选育及其管理对去除稻田排水氮磷污染具有重要意义。     

凹凸棒土-稳定塘工艺提高严寒地区农村生活污水处理效果

针对严寒地区农村生活污水处理面临的低效率、高能耗、排水不达标的典型问题,首次提出凹凸棒土—稳定塘模式处理严寒地区农村生活污水。该研究创新的通过PLC（programmable logic controller）自控试验设计,考察在低温10℃条件下工艺的最优运行参数,经过平行对比试验研究凹凸棒土作为载体填料对低温生活污水处理效果的影响。结果表明,pH值在7.2～7.8之间,兼性塘水力停留时间为4d,好氧塘的水力停留时间与曝气时间分别为36、4 h时,工艺对化学需氧量（chemical oxygen demand,COD）、氨氮（ammonia nitrogen,ammonia-N）、总磷（total phosphorus,TP）的平均去除率分别为91.5%、87.7%、84.1%,平均出水质量浓度分别为35.6、4.5、1.0 mg/L,满足国家二级排放标准,而单一式稳定塘工艺的低温生活污水处理效果显著降低,COD、氨氮、TP的去平均去除率分别降低了3.6%、6.0%、4.7%。凹凸棒土—稳定塘工艺可以有效的去除严寒地区农村生活污水中有机物及氮磷污染物,对削减农村水污染、降低水环境负荷及改善农村生态环境具有重要作用,同时也为凹凸棒土的应用拓展了新的方向。     

活水公园复合人工湿地春夏净化效果对比研究

依托成都市活水公园复合人工湿地系统,于2011年1-6月,对该人工湿地系统水流沿程主要水质指标（TN,NH₃—N,TP,DP）进行监测及处理效果分析,以深入研究不同季节人工湿地水流沿程污染物的净化规律。结果表明:主要污染物总氮、氨氮、总磷及溶解性磷的去除率春季分别为45.5%,65.7%,77%,72.6%,夏季分别为56.9%,87.1%,76.9%,73.7%,对氮的去除效果存在季节性差异,而对磷的去除效果差异性不明显;并联的人工湿地塘床区左湿地系统各主要污染物净化效果明显高于右湿地系统,对氮、磷的去除率平均高4%和6%。研究认为,活水公园复合人工湿地系统春夏对不同污染物的净化存在季节差异,人工湿地塘床区不同植物组合与配置对人工湿地处理效果会产生一定的影响。     

塘堰湿地减少农田面源污染的试验研究

为研究塘堰湿地对农田氮磷污染的去除效应和规律,在湖北省漳河灌区选取1座典型塘堰并进行改造,于2009年5-9月水稻生育期在塘堰采集水样进行氮磷浓度化验分析。结果表明,塘堰湿地对总氮、总磷整体去除率分别为45.88%、44.20%,取得了良好的降解作用。湿地3个处理单元的对比试验表明,优化了植物种植密度的单元,降解氮的能力显著增强,说明湿地植物对氮素的吸收是湿地去除农田面源污染中氮素的一个重要途径。单元Ⅲ(对湿地底泥进行了疏浚,回填新的底泥,然后重新调整种植密度)比单元Ⅱ(对湿地植物密度进行了优化)的磷的去除效果好,说明底泥对磷的吸附在湿地降解磷素中起重要作用。该研究为以后的湿地研究提供参考。     

生态塘-人工湿地-生态塘复合系统对城市河水中氮的去除效果

为对滇池流域重污染河流的治理探究出一套有效、实用污水处理方案,该试验通过中试规模的生态塘1—水平潜流人工湿地—生态塘2复合系统,在不同的水力停留时间（3 d,2 d,1 d）条件下对昆明市新运粮河水中氮的去除效果进行研究。研究表明：生态塘1和生态塘2对河水中氮的处理都能保持良好的效果,且稳定性高,抗负荷能力强,总体上要优于人工湿地。其中,生态塘1在高负荷条件下的除氮效果最好,起到了蓄洪池、沉淀池等综合作用;生态塘2的处理效果表现稳定,保证了最终出水的水质,起到了生态塘和景观池的双重功效,具有良好的处理效果和景观效益;人工湿地对氮的处理效果较差,抗负荷能力较弱。在HRT为3 d、2 d和1 d条件下,复合系统对总氮（TN）的去除率分别为39.39%、25.26%、19.62%,对NH3-N的去除率分别为51.98%、29.14%、21.18%;对TN的处理均达到了城镇污水处理厂污染物一级排放标准,对NH3-N的处理均达到了城镇污水处理厂污染物二级排放标准;1 d宜作为复合系统运行的最佳HRT参数。生态塘1－水平潜流人工湿地－生态塘2复合系统对城市河水中氮的处理效果显著,可选择作为有效治理滇池流域重污染河流的工艺之一。     

兼顾排涝标准与水质净化要求的农业圩区最优水面率确定

针对农业圩区的排涝以及水环境问题,该研究以江苏里下河地区为研究对象,以满足里下河圩区设计排涝标准与水质净化要求为目标,构建农业圩区坑塘-排水沟道湿地系统最优水面率数学模型.模型以工程系统总费用现值最小为目标函数,以泵站涝水外排能力与圩内水面率、水面率上下限、水环境容量与圩内坑塘与排水沟道系统的关系(主要包括圩内坑塘沟道...     

人工布设基质对农田排水沟水质的影响

本研究选择宁夏灵武农场的典型排水支沟进行人工布设基质,在沟中布设土壤、炉渣、秸秆、锯末4种基质处理及铲草处理和对照(不做任何处理),研究分析了基质对农田排水沟水质的影响。对基质的组分分析表明,锯末显著地吸附盐分和全氮,吸附量分别达0.4 g.kg 1和0.3 g.kg 1,土壤、炉渣、秸秆均明显地释放盐分,释放量为5.3~50.8 g.kg 1;秸秆显著地释放有机碳,释放量达54.0 g.kg 1;4种基质对全磷吸附效果不明显。水质分析表明,除秸秆处理和对照外,盐分(TDS)在其他处理下显著减少,而化学需氧量(COD)、总氮(TN)、总磷(TP)、NO3-N和NH4+-N浓度在锯末和土壤处理下均有不同程度的减小。对于整条试验沟道,农田退水中TDS、TN、TP的浓度随着在沟道迁移距离的增加呈明显减小的趋势,至出水断面时浓度分别为0.60~0.80g.L 1、0.24~0.33 mg.L 1和0.04~0.09 mg.L 1。田间沟道试验说明,农田排水沟能有效地截留农田退水污染物,选择适合的基质进行人工布设实际可行,有助于发挥农田排水沟的生态功能。     

排水沟渠水-底泥-植物协同作用下非点源溶质氮运移模拟研究

沟渠系统"过程拦截"是现阶段农业非点源污染控制和管理的重要手段。针对当前农田排水沟渠水体-底泥-植物系统内各介质间非点源溶质迁移转化机制不清的现状,在简要分析农田排水沟渠水-底泥-植物复合生态结构及其各组分功能特征的基础上,以沟渠中水体为中心,解析了非点源溶质氮在沟渠系统单一介质以及不同介质间的迁移转化过程;考虑到排水沟渠中水体和污染物均以沿沟渠方向线性迁移为主,应用水流连续方程和非保守性污染物迁移扩散方程,构建了农田排水及其中非点源污染物在排水沟渠中的一维迁移模型,并结合试验沟渠具体情况进行了适度简化;通过内业可控性监测试验,同时提出了沟渠系统水-底泥-植物不同介质对水体中非点源污染物衰减程度影响的量化计算方法;将所建模型与计算参数应用于野外试验沟渠,以氨态氮和硝酸盐氮为例进行模拟,结果表明模拟结果与实测值结合较好,其中氨态氮模拟效率系数为0.87,硝态氮模拟效率系数0.93,表明所建模型及模拟手段符合试验沟渠实际情况,具有较好的适用性。     

农业非点源污染物在排水沟渠中的迁移转化研究进展

农业非点源污染物在排水沟渠中的迁移转化是农业非点源污染控制和管理的重要环节。在简要分析农田排水沟渠生态结构和生态特征的基础上,归纳总结了排水沟渠中水生植物、微生物和基质底泥各组分的生态功能以及各组分同氮磷污染物间的相互作用机理;结合目前研究现状,提出今后尚需进一步研究的问题,包括沟渠生态系统中各组分不同作用的量化研究、农业非点源污染物在排水沟渠中的迁移模型以及宏观层面上沟渠湿地运用与区域生态环境间关系的研究等。     

Seasonal Surface Drainage of Sloping Farmland: A Review of Its Hydrogeomorphic Impacts

The combination of runoff‐generating areas (saturated soils) and overland flow concentration in features such as drainage ditches makes sloping farmland vulnerable to soil erosion. The establishment of drainage ditches aims at draining the excess of water from the farmland, particularly in areas where soils are saturated in the rainy season. The hydrogeomorphic impacts on the farmland itself and on downstream areas need however also to be studied. Off site, downstream problems comprise higher peak discharges, leading to gully initiation, an increase in sediment load, and flooding problems. On‐site problems such as the development of the drainage ditches into (ephemeral) gullies are less documented, although they may be important, as illustrated in the Lake Tana Basin (Ethiopia). The similarities and interactions between ephemeral gully channels and drainage ditches have to be considered to better understand all effects of drainage. Drainage ditches are a potential source of conflict between farmers with different interests and power, as well as between upstream and downstream users. A case study on drainage ditches on sloping farmlands in the Lake Tana Basin showed that nine out of ten catchments had drainage densities by ditches ranging from 53 to 510 m ha⁻¹. Drainage ditches were constructed with an average top width of 27 (±9) cm. A significant correlation was found between stone bund density (physical conservation structures) and ditch drainage density (R = −0·72), in line with the Ethiopian government's ban on drainage ditches in farmlands where stone bunds have been constructed. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

沟塘组合除涝工程设计方法与应用

鉴于极端降雨事件增加和流域下垫面改变抬高排涝模数对传统沟道除涝工程形成挑战,该文结合塘堰滞涝功能提出了沟塘组合除涝工程技术及其设计方法。基于水文资料缺乏小流域的涝水形成规律,离散设计暴雨历时并假设离散时段内流量过程线符合三角形分布下,采用改进SCS模型和小流域汇流方程推求涝水流量过程线;采用水位-容积关系和堰流公式进行质量平衡演算设计塘堰工程规格。在淮北平原低洼区的农沟和斗沟尺度上组合堰宽分别为0.6和2 m的塘堰工程发现,3、5和10年一遇24 h设计暴雨下涝水流量峰值减少了25%以上,延迟了0.5~1 h,3或5年一遇设计暴雨除涝能力排水沟的除涝标准可分别提高到5或10年一遇。沟塘组合除涝工程为缓解排区和下游区域洪涝压力提供可选方案。     

The effect of blanket bog drainage on habitat condition and on sheep grazing, evidence from a Welsh upland bog

There has been increasing interest in potential benefits to be gained by restoring damaged peatlands, with the majority of funding currently being driven by the recovery of protected habitats. However, few data are available linking vegetation community declines with peatland drainage, and so the potential for recovery remains difficult to predict. Surprisingly, there is a similar paucity of research demonstrating the extent of drainage impacts on grazing conditions for livestock, despite this being a priority amongst land managers. We attempt to address these two knowledge gaps, first by investigating whether ditches in blanket bog habitat have improved or increased grazing for sheep, and second by assessing the impact of ditches on the condition of vegetation communities. At an extensively drained upland blanket bog in Wales, currently undergoing ditch blocking restoration, we collected vegetation and sheep occurrence data across five catchments and over 2 years. We present evidence that drained areas had remained relatively wet and were less preferred by sheep. Furthermore, our results show that while sheep preferred graminoid-rich areas, drainage did not increase the abundance of this species group. Drainage at the site has, however, resulted in some degradation in blanket bog vegetation adjacent to ditches; although at the landscape scale, historic high grazing levels appear to explain much of the current poor ecological condition of the site. We conclude that drain-blocking restoration should not reduce sheep grazing conditions beyond their current relatively poor state, and thus in this respect may not represent a threat to hill farming productivity.