基于湿地和生态沟处理的稻田排水水质模拟

由于化肥、农药的过量施用,加之传统的淹灌稻田排水量大,导致随稻田排水流失的污染物量大,加剧了农田面源污染,因此,在农田排水的设计中不仅要控制涝渍危害,也要控制排水中的水质。【目的】减轻农田排水对下游及承泄区造成的污染。【方法】以湖北省襄阳老河口市仙人渡镇的新增粮食生产能力项目区为对象,以生态排水沟和人工湿地作为稻田排水水质处理的手段,以总氮作为排水水质控制指标,建立了生态排水沟和人工湿地的水质模拟模型,选定不同的生态沟和人工湿地的组合方案进行了水质模拟。【结果】采用生态沟和人工湿地共同作用的排水系统在满足传统除涝排渍要求的条件下,可以有效地削减稻田排水中的总氮;人工湿地布置在干沟出口时的水质净化效果最好。采用"等效替代法"计算了生态沟和现有湿地、新建人工湿地对水质净化效果的等效性,结果表明,就处理水质的效果而言,当水平投影面积相同时,干沟出口的湿地效果最好,其次是与排水沟相连的现有湿地,最后是排水沟,三者的面积等效比为1∶8.4∶938.5;优选方案中生态沟、现有湿地和新建人工湿地对水质净化的贡献率分别为2.9%、30.3%和66.8%。生态排水沟的纵坡、糙率在设计范围内(坡度在1/2 000~1/5 000之间、糙率在0.025~0.04之间)变化时,对于水质处理效果几乎没有影响。【结论】考虑单一净化水质的目标时,将现有湿地改造为耕地,同时在排水系统出口处新建人工湿地更节约土地。     

鄱阳湖流域防治面源污染的稻田湿地面积比分析

为有效防治鄱阳湖流域农业面源污染,科学构建修复面源污染的灌排湿地系统,采用农田排水试验,并通过理论分析,研究了不同控制水深的塘堰湿地对农田排水面源污染物氮磷的净化效果;同时根据多年灌溉试验资料和气象资料分析农田排水量,计算了防治面源污染效果较佳的稻田湿地面积比。结果表明,湿地植被为莲藕的塘堰,水深20cm对氮、磷的去除效果波动较大,水深40cm去除效果较佳,水深60cm去除效果较慢;莲藕开花期对氮、磷的去除效果最好;排水频率为50%、75%和90%时,其稻田与湿地面积比分别为46.1∶1、22.3∶1和12.6∶1;农田排水进入湿地后停留时间以3~4d为宜。根据鄱阳湖流域沟塘湿地和耕地现状,从净化效果和经济性综合角度出发,鄱阳湖流域稻田与湿地面积比以22.3∶1~46∶1为宜。     

“多维立体排水”技术在渍水农田治理中的应用

【目的】解决地势低洼地区田间排水不畅的问题。【方法】提出了对低洼农田土体进行重构,自下而上构建透水层、过滤层、客土层,替换原来土质黏重的土体,设置透水沟壁与客土区透水层相连的"多维立体排水"技术。基于渗透原理,对重构前土体、重构后土体及排水沟透水沟壁的渗透性能进行了分析计算。【结果】应用"多维立体排水"技术后土层渗流量由原来的5.50×10-8~1.60×10-7m3/s提高到1.10×10-5~3.20×10-5m3/s,农沟侧壁渗透量为8.89×10-3~3.56×10-2m3/s,大于透水层渗透量1.10×10-5~3.20×10-5m3/s。【结论】"多维立体排水"技术通过重构土体提高土体的通透性,田间地表水及地下水能够通过透水层及农沟侧壁透水通道快速排除。     

南方稻田灌排系统生态整治效应分析

【目的】探明稻田水肥调控和灌排系统生态整治效应。【方法】于2014年在江西省赣抚平原灌区选取典型村庄—礼坊自然村,进行了稻田水肥高效利用综合调控技术应用,并对排水沟塘进行了生态改造,分别对早、晚稻灌水、排水和产量以及生态沟塘进出水进行分析。【结果】水稻田间水肥高效利用综合调控技术较当地农民习惯水肥管理模式节水、减排、增产和灌溉水生产率分别提高10.58%、20.34%、6.52%和18.59%,总氮和总磷减排率分别达12.37%和14.98%;排水斗、支沟经生态改造后对总氮和总磷的综合去除率达25.42%和34.22%;生态塘对总氮和总磷的去除率达25.19%和30.42%;示范区生态改造一次性投资需1.15万元/hm^2,年运行管理费需0.18万元/hm^2,年产经济效益达0.55万元/hm^2。【结论】水稻田间水肥高效利用综合调控技术和生态沟、塘均有较好的氮、磷去除效果,并且建设运行经费投入少,建议当地加强技术的宣传示范推广,建立可持续运行的经费投入渠道。     

农田暗管-明沟组合排水系统布设参数计算与设计软件编程

暗管排水是高地下水埋深地区农田排水的主要方式之一。【目的】确定农田暗管-明沟组合排水系统的布设参数。【方法】根据农田排水理论,建立了农田暗管-明沟组合排水系统布设参数计算模型及其C#语言编程。【结果】在题设条件下,考虑地下水蒸发影响时的吸水管间距比不考虑其影响可增大2.9%~17.3%;吸水管间距由15 m增大到25 m时,地下水埋深降深减小24.7%~27.5%;当吸水管埋深由1.5 m增加到2.0 m时,地下水埋深降深可增大34.8%。计算结果与相关算例的最大相对差异小于1.2%,运行速度快,在5 s内可以完成计算过程,适用于不同土壤质地、地下水埋深、地下水蒸发条件和作物种植条件。【结论】设计的软件减轻了农田水利工程基层设计人员的工作量,可以进一步推广。     

盐碱地排水沟水体盐分变化规律

为了研究陕西卤泊滩盐碱地排水沟在排水出路受阻,上游灌区退水导致排水沟周期性较高水位运行条件下的水体盐分变化情况,选择研究区3条排水沟,进行野外水盐监测试验,测定了排水沟水体盐分随时间的变化规律.研究结果表明:在当前条件下影响研究区排水沟水量的主要因素为干旱蒸发和上游灌区退水.干旱期排水沟水量较少,上游灌区低含盐量的退水进入研究区排水沟内,致使水量显著增大,在研究区下游排水沟内水深达1.15 m;排水沟水体电导率值在干旱季节较高,盐分从上游至下游呈现出一定的富集现象;上游监测点位水体电导率基本维持在2~14 ms/cm,下游水体电导率值高达25.2 ms/cm;研究区上游灌区退水在排水沟内大量蓄积,使得排水沟水体电导率值降低至1.9 ms/cm,稀释率高达10倍,表明退水可以稀释排水沟中的盐分水平,维持排水沟水体盐分平衡,达到排盐效果.     

稻麦轮作高标准农田控制排水对排水与氮素输出削减效果模拟

稻麦轮作区高标准农田建设中,通过加深排水沟提高麦作期农田排水降渍能力的同时,加大稻作期农田排水输出,不仅降低了水资源利用效率,而且加重了接纳水体的污染。本文基于江苏省扬州市沿运灌区稻麦轮作农田排水水文水质过程的监测结果,利用田间水文模型（DRAINMOD）模拟了长序列气象条件下,灌区提高农田降渍能力对稻田排水、氮素流失及灌溉需求的负面影响以及控制排水措施的积极效果。结果表明,在节水灌溉模式下,研究区排水沟深度由现状的60cm加深至120cm,排水间距由120m加密至20m时,稻作期排水量与总氮（TN）输出负荷增加9.0%～22.2%、氨氮（NH3N）输出负荷增加4.0%～16.8%、灌溉用水量增加9.6%～23.4%。若结合田间管理要求,实施控制排水则可有效缓解提高农田降渍能力造成的负面影响;当排水沟深为120cm,间距为120～20m时,稻作期控制排水可使排水量和TN输出负荷减少19.3%～35.3%、NH3N输出负荷减少7.6%～27.2%、灌溉用水量减少22.9%～40.0%。由于控制排水降低了地下排水梯度,相较于传统排水,农沟从60cm加深至120cm时,地下排水平均占比降至50.7%,灌溉用水量相应减少。综上,稻麦轮作农田控制排水具有显著的节水减排作用,可有效降低高标准农田建设中提高降渍能力所产生的负面影响。研究成果可为稻麦轮作区高标准农田建设与水环境保护提供理论依据与技术支撑。     

促沉装置净化稻田径流排水中面源污染物的效果研究

【目的】研究促沉净化装置对稻田径流排水中主要面源污染物的去除效果,探寻适合农田径流排水的原位处理技术。【方法】于2015年在上海市奉贤区青村镇种源研发基地内选取5块稻田,在每块田的排水口处修建一套容积约为1.9 m³的促沉净化装置,内部用多面空心球和沸石按1∶2的体积比进行填充,在外围用沸石填充,分析每套装置进出水中的固体悬浮物、总氮和总磷的质量浓度。【结果】在整个稻季中,使用促沉净化装置对稻田径流排水中的固体悬浮物、总氮和总磷均具有较好的去除效果,其平均去除率分别达到61%、33%和34%。该装置对固体悬浮物或总磷的去除率与其质量浓度之间存在显著的对数正相关关系,即质量浓度越高,其去除率也越高;但对总氮的去除率与其质量浓度之间则呈一定程度的线性负相关关系。【结论】促沉净化装置对稻田径流排水中主要面源污染物均有较好的去除效果,使用促沉净化装置可在不影响流速的情况下,有效降低径流排水中污染物的质量浓度,改善周边水体环境,维护水体生态系统平衡稳定。     

林芝市农业面源污染排放特征解析

【目的】揭示林芝市农业面源污染分布特征,探明其主要污染源和重点污染区。【方法】以林芝市7县为研究区域,以总氮(TN)、总磷(TP)、化学需氧量(COD)等3类污染物为研究对象,针对农村生活、农田化肥、畜禽养殖等主要污染源,采用输出系数模型估算了该地区的农业面源污染负荷。【结果】2014年林芝市农业面源污染物COD、TN、TP负荷量分别为72 053.57、4 864.50、765.56 t;高污染负荷区集中在工布江达县、波密县和米林县;不同的污染源类型对面源污染负荷贡献率的大小顺序为:畜禽养殖、农田化肥、农村生活。【结论】畜禽养殖是林芝市的主要污染源;工布江达县和米林县是该地区面源污染的重点防控区域。     

排水沟水位控制闸—过水堰系统对于稻田排水中氮素的去除效果

为研究明沟水位控制闸-过水堰系统对于稻田排水中氮素的去除效果与作用机制,依据水稻黄熟期排水后的观测数据,分析了水位控制闸-过水堰系统作用下农沟水体氮素变化过程,研究了系统对于氮素的去除机制。结果表明,水位控制闸-过水堰系统对稻田排水氮素的去除率达到58.20%,环境效应显著。有机氮是黄熟期农沟水体氮素的主要存在形式,水位控制闸-过水堰系统主要通过去除有机氮大幅降低了农沟水体氮素浓度。农沟水体中有机氮占总氮的平均占比为78.14%,系统对于农沟排水中无机氮的去除率为11.89%,明显低于总氮及有机氮的去除率。排水沟控制排水技术对于氮素的去除是系统净化能力的主要贡献者。水位控制闸对于农沟排水中氮素的去除率为46.24%,远大于过水堰的去除率8.19%。研究提出的排水沟水位控制闸-过水堰系统可用于构建生态沟渠,实现稻作区面源污染的过程控制。     

小区和田块尺度下水稻不同灌溉模式的节水减污效应分析

【目的】研究平原河网区不同尺度下水稻不同灌溉模式的节水和减污效应。【方法】于2017年在浙江平湖灌溉试验站选取水稻常规灌溉、节水灌溉、蓄雨节水灌溉3种模式在试验小区和田块2种尺度下开展对比试验,记录田间水量平衡过程并检测排水和渗漏水样中的TN、TP、NH_4^+-N、NO_3^--N的质量浓度变化。【结果】无论试验小区还是田块尺度,蓄雨节水灌溉的节水效果最好,较常规灌溉和节水灌溉减少了43.4%～87.7%的灌溉量,同时减污效果也最明显,TN排水负荷减少了22%～90%。不同尺度对比中,试验小区的田间管理水平更高,产量略高于田块尺度;小区田间水分控制更精确,灌排次数和水量较田块更多,蒸发蒸腾量和渗漏量则略少于田块。在减污效果上,单位面积下同种灌溉模式的田块的排水污染物负荷比试验小区低37%～57%,渗漏负荷比试验小区高4%～61%,由于排水污染物负荷要远大于渗漏污染物负荷,在总的污染物负荷上田块要小于小区。【结论】本试验中蓄雨节水灌溉模式取得了较好的节水减污效果,但是要注意蓄雨时间和高度,长时间的淹水可能会对水稻产量造成不利影响。     

添加生物质炭对猪场废水灌溉土壤养分状况及铅有效性的影响

【目的】为养猪废水安全灌溉提供科学依据。【方法】试验选取新乡郊区农田0~20cm表层土壤,采用PVC根箱法种植小麦,试验设置4种水平的生物质炭添加量0%、0.5%、2%、5%(W0、W0.5、W2、W5)和对照CK(无作物和生物质炭)。测定了各处理根际和非根际土壤养分状况与含铅量,探讨了处理间土壤养分状况和铅迁移规律的差异特征。【结果】与CK相比,施加生物质炭改善了土壤理化性状,W2和W5处理显著增加了土壤有机质量、碱解氮量、速效磷量与速效钾量,尤其是非根际土壤的增幅更大。同时,施加生物质炭处理能够降低土壤有效铅量,W2和W5处理土壤有效铅量降幅较大,达20.7%~33.3%,且非根际土壤有效铅量显著低于根际土壤。【结论】对于北方碱性土壤,灌溉养猪废水时添加适量的生物质炭(W2),能够改善土壤理化性质,降低铅的生物有效性,减少向植物体内的迁移。     

5种源汇型农作景观组合控制农田养分流失的试验研究

【目的】验证不同源汇型农作景观组合对削减农田泥砂、氮、磷排放的效果。【方法】于2014—2017年在浙江省选择蔬菜地-茭白田、蔬菜地-水田、果园-茭白田、桑园-水田和果园-荷塘等5种南方地区有代表性源汇型农作景观组合模式,进行定位观察,比较分析了其对泥砂量、总磷量、可溶性磷量、总氮量和可溶性氮量的减排效果。【结果】与"汇"处理前的"源"农田比较,5种源汇型农作景观组合农田泥砂和养分流失削减比例均在70%以上,平均削减率总磷量(90.63%)>可溶性磷量(89.14%)>泥砂量(88.72%)>可溶性氮量(86.75%)>总氮量(86.64%)。5种景观组合对削减排水中泥砂量、总磷量、可溶性磷量、总氮量、可溶性氮量的效果表现为果园-荷塘>蔬菜地-茭白田>果园-茭白田>桑园-水田>蔬菜地-水田。【结论】源汇型景观组合对污染物的削减主要通过减少排水与对污染物吸收、吸持来实现,是一种方便、低廉、高效的农田系统养分流失控制技术;并以"汇"为荷塘或茭白的组合模式效果为佳。     

石油污染对土壤水理性质的影响

【目的】给石油污染土壤水分调节利用以及修复治理提供参考。【方法】系统归纳总结了现有石油污染对土壤水理性质的影响研究成果,同时对污染引起土壤水理性质产生变化的机理进行探讨。【结果】石油污染对生态环境产生了大量负面影响,使生态环境承载了巨大的污染负荷。当石油污染物进入土壤后,会影响了土壤孔隙结构,改变土壤颗粒表面润湿性,同时石油中含有的挥发、半挥发性有机污染物会对土壤水分运移产生阻滞效应,从而会对土壤的持水能力、毛管水运动特征、土壤渗透性能等多方面产生影响。【结论】为准确揭示石油污对土壤水理性质产生影响的作用机理,仍需进一步从微细观上深入开展相关研究。     

耕作方式和土层厚度深度对紫色土胶体迁移的影响

【目的】研究不同的田间管理措施对不同粒径土壤胶体迁移的影响。【方法】通过微区试验,设置不同耕作措施(平作、垄作、平作+完整秸秆覆盖、垄作+完整秸秆覆盖、平作+粉碎秸秆覆盖、垄作+粉碎秸秆覆盖),并在平作条件下设置不同紫色土土层厚度(20、40、60、80、100、120 cm)处理,研究不同措施对地表径流和壤中流中产流量、不同粒径范围(0.45~2、0.22~0.45μm、<0.22μm)胶体出流浓度和流出量的影响。【结果】①秸秆还田覆盖处理能够显著减少地表径流的产流量,但是会增加壤中流的产流量,特别是完整秸秆还田覆盖;平作条件下,壤中流产流量会随着土壤深度的增加而减少。②垄作或垄作+秸秆覆盖处理与平作处理相比能够显著降低地表径流和壤中流中大粒径范围胶体的出流质量浓度和流出量,而且对壤中流中<0.22μm粒径的胶体出流质量浓度和流出量降低程度也比较显著。③小粒径的胶体容易随地表径流迁移,而壤中流中粒径较大的胶体更加容易迁移,小粒径胶体颗粒随着紫色土土层厚度的增加出流质量浓度和流出量都会减少。【结论】对于不同耕作措施而言,垄作+粉碎秸秆覆盖处理对于减少地表径流和壤中流产流量,以及减少地表径流和壤中流中胶体的流出质量浓度和流出量都比较显著。对于不同紫色土土层厚度处理而言,土层深度越深胶体流出量越少,而且小粒径胶体比大粒径胶体更难从壤中流中流出。     

基于SWAT和CLUE-S模型的不同土地利用方式对排涝模数的影响

【目的】研究土地利用方式变化对排涝模数的影响,优化区域排涝管理。【方法】选取湖北四湖流域螺山排区为研究区域,将流域水文模型SWAT和土地利用变化模型CLUE-S联合应用,设置了6种水旱比、5种水面率及5种城市化率的单因素变化(即其他2个因素不发生变化)条件下不同土地利用情景,应用CLUE-S模型模拟生成各情景下的土地利用空间分布图,建立了SWAT模型模拟不同土地利用情景的降雨径流过程,分析了不同土地利用方式对排涝模数的影响。【结果】在相同的设计暴雨、其他因素维持现状条件下:当水旱比由0增加到1时,排涝模数减小了0.117 m~3/(s·km~2);当水面率由0增加到20%时,排涝模数减小了0.111 m~3/(s·km~2);当城市化率由0增加到10%时,排涝模数增加了0.104 m~3/(s·km~2)。排涝模数随着水旱比和水面率的增大均呈减小趋势,随着城市化率的增大呈增大趋势。在相同设计暴雨、其他因素维持现状条件下:当水旱比由0增加到0.2时,排涝模数只减小了3.06%;当水面率由0增加到10%时,排涝模数减小了14.03%;当城市化率由0增大到10%时,排涝模数增大了16.67%。3种引起土地利用方式变化的因素中,排涝模数对水面率和城市化率变化的敏感程度相当,对二者的敏感程度明显大于水旱比。【结论】在未来区域规划中,可以通过增大水旱比、增大水面面积和限制城市扩张来减轻排涝压力,其中适当增大水面面积和限制城市扩张更加有效。     

豫北砂质壤土地区不同尺度农田土壤含水率空间变异性研究

【目的】揭示豫北地区农田0～1 m土层土壤含水率空间分布与变异状况。【方法】在中国农业科学院新乡综合试验基地玉米田选取一个50 m×50 m的区域,然后在其内部选取10 m×10 m、2 m×2 m的区域,共形成3种采样尺度,分别标记为L、M、S尺度,并于2016年8月和9月,在各尺度内分别等间距选取36个取样点。基于地统计学理论,对0～1 m土层土壤平均含水率进行分析。【结果】各尺度土壤含水率正态分布置信水平高于对数正态分布,尺度越大,土壤含水率分布属于正态分布置信水平越低;对于土壤含水率均值,L尺度与M尺度差异较大,M尺度与S尺度差异较小;总体上,土壤含水率的置信区间、标准差以及变异系数均随尺度的减小而减小;L尺度内变异函数值总体上随着滞后距的增大而增大,而M尺度和S尺度变异函数值没有明显的变化趋势,相对比较稳定;总体上相同置信水平与估算精度条件下,估算样本均值所需的样本数量随尺度的减小而减小;与置信水平相比,估算精度对合理取样数量的影响大。【结论】不同尺度土壤含水率的概率分布与大部分统计特征值均会随着尺度的变化而产生有规律的变化,尺度越大,土壤含水率分布越偏离正态分布,其空间变异性也越强。     

乌梁素海水环境容量分析

【目的】研究乌梁素海的水环境容量特征和探索水环境容量与入湖水质水量间的响应关系。【方法】采用零维模型分别计算并分析了乌梁素海冰封期与非冰封期的水环境容量,基于水文实际条件,分析入湖水量对出口断面污染物质量浓度的影响。【结果】冰封期湖泊的自净容量小于非冰封期时的自净容量,且冰封期的氮和有机物污染物的环境容量远小于非冰封期。【结论】非冰封期引入的黄河水和农田退水会导致湖泊氮磷水环境容量下降。有机物污染物的水环境稀释容量会因为黄河引水增加。