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。     

复合生态净化系统阻控入湖水体污染物效果分析

【目的】有效解决城市景观湖泊入湖水体污染物阻控措施中单级人工湿地系统受氧环境限制、多级串联人工湿地系统基质填充量大、易堵塞的问题。【方法】在微曝气复合浮床系统、单级人工湿地系统的基础上构建好氧-缺氧型复合生态净化系统。在HRT均设定为2 d,连续运行24 d的情况下,对比研究了对照组、人工湿地系统、复合浮床系统、复合生态净化系统对模拟入湖水体COD、TN、NH_4~+-N和TP的去除效果。【结果】对照组、人工湿地系统、复合浮床系统、复合生态净化系统对COD、NH_4~+-N、TP的去除效果存在显著差异,各系统对COD的平均去除率分别为13.59%、35.02%、45.30%、70.71%,对NH_4~+-N的平均去除率分别为11.22%、31.14%、85.89%、80.59%,对TP的平均去除率分别为2.77%、57.84%、37.51%、74.60%;人工湿地系统、复合浮床系统对TN去除效果差异不显著,但与对照组、复合生态净化系统存在显著差异,各系统对TN的平均去除率分别为30.98%、32.75%、8.13%、60.07%。【结论】复合生态净化技术后期各项出水指标可以达到《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)Ⅴ类水及以上标准,运行相对稳定,抗冲击负荷较强,且可以改善复合浮床系统中反硝化能力受到抑制及沉积磷污染物反释状况。该研究结果可为生态阻控城市景观湖泊外源污染物提供参考。     

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。     

灌溉水净化系统对水体中Cd去除及对稻米降镉效果研究

【目的】降低灌溉水中的Cd量,降低稻米和土壤中Cd量。【方法】本研究建立了"植物塘+吸附池"为主体的净化模式,研究其对湖南2种典型矿区(工矿污染、煤矿污染)灌溉水Cd污染的净化效果以及降低稻米Cd积累效果。【结果】监测期间,ST试点(工矿污染)进水全量Cd平均质量浓度为6.86μg/L,出水全量Cd平均质量浓度为0.81μg/L,平均去除率为88.19%。DX试点(煤矿污染)进水全量Cd平均质量浓度为4.56μg/L,出水全量Cd平均质量浓度为1.33μg/L。平均去除率为70.76%。经过湿地系统处理后,ST灌溉水净化区糙米中的Cd量较未净化灌溉区的水稻相比降低37%,DX灌溉水净化区糙米中的Cd量较未净化灌溉区的水稻相比降低58%。【结论】本研究建立的"植物塘+吸附池"为主体的净化模式可有效去除污染灌溉水中的Cd,并且降低糙米Cd量。     

植物—微生物组合式生态沉床对地表水体生态修复效果研究

设计了一种以沉水植物菹草为核心的植物-微生物组合式生态沉床,用以修复处理地表富营养化水体。研究在一个周期(10d)的时间内,植物-微生物组合式生态沉床对富营养化水体中COD、NH+4-N、NO-3-N及TP的去除效果。结果显示,在附加水力搅拌下,植物-微生物组合式生态沉床对富营养化水体COD去除速度较快,2d去除率即达到73%,到第6d去除率即可达到80%以上;对TP的去除率在6d后基本稳定为60%左右;对NH+4-N的去除率在2d后基本稳定在40%~50%;NO-3-N的去除率在6d后稳定在60%。可见,该组合沉床可以很好的吸收富营养化水体中的氮磷营养盐和COD,是处理和净化富营养化水体的有效方法。     

干湿循环下4种护坡基质对氮素吸附试验研究

为净化农田排水沟水质,分别选取玉米芯、干树叶、锯木渣与土的混合物和全土作为排水沟护坡4种基质,通过室内不同浓度进水和干湿循环条件对其吸收氮素净化水质的能力进行了比较研究。结果表明:对于TN浓度变化,当氮浓度较高和较低时,树叶的净化能力均最好,净化率分别为91.13%和95.08%,其次为玉米芯和原土,净化率分别为78.25%和94.73%;对于NH+4-N浓度变化,当氮浓度高时,树叶具有较高的净化能力,净化率为75.07%,其次为玉米芯,净化率为29.12%,当氮浓度低时,树叶净化能力强,净化率为80.87%,其次为锯末渣,净化率为45.67%;对于NO-3-N浓度变化,当氮浓度高和低时,树叶具有较高的净化能力,净化率为49.52%和76.5%,其次为锯木渣,净化率为55.47%。随着循环次数的增加,基质对TN和NO+3-N的净化能力降低,选取合适的护坡基质,有助于农田水质净化。     

深蓄控排条件下稻田土壤水氮变化规律

【目的】阐明不同水分管理模式下土壤水氮素的赋存规律。【方法】在肥东灌溉实验站开展试验,观测L1处理(间歇时间3～4 d,蓄雨深度10 cm)、深蓄控排L2处理(间歇时间6～8 d,蓄雨深度14 cm)和L3处理(间歇时间6～8 d,蓄雨深度18 cm)地下埋深50、70、90、110、150 cm土壤水及稻田排水的氮素变化,分析干湿交替L1处理和深蓄控排L2、L3处理的灌水量、排水量以及水稻产量要素的响应规律。【结果】干湿交替灌溉L1处理和深蓄控排模式L2、L3处理较CK水稻灌溉水量分别降低725、1 703、2 304 m³/hm²,雨水利用率分别提高11.8%、19.0%、25.9%,稻田排水次数减少1～3次。NH₄⁺-N、NO₃^--N和TN随土层深度增加而降低,深蓄控排L2、L3处理总氮峰值低于CK。L1、L2、L3处理TN污染负荷较CK减少21.3%、26.7%、31.5%。各处理间产量差异不显著。【结论】通过增加蓄雨上限至18 cm,延长间歇时间...     

基于改进的GRNN-Markov水质预测模型研究及应用

【目的】针对水环境系统的复杂性,结合GRNN网络预测模型和马尔科夫理论,构建了改进GRNN-Markov水质预测模型,为模拟不确定性、复杂多变的河流水质变化趋势提供可靠的方法依据。【方法】以汾河入黄口主要污染物CODcr为研究指标,采用3σ准则对水质监测资料进行预处理,利用灰色关联分析（GRA）确定输入节点,解决GRNN网络对关键参数不能自动寻优的缺点,同时采用改进GRNN模型对水质数据进行模拟预测,针对水质预测数据的随机波动性,通过Markov模型修正误差残值,以达到更好的预测结果,为水环境保护与治理提供新思路、新方法。【结果】改进GRNN-Markov水质预测模型,可以提高水质预测结果的精度,使相对误差从-38.27%～-15.71%提高到-25.77%～-5.25%,修正结果更加接近实测值。【结论】验证了组合模型在小样本水质预测中的可行性,为水环境管理提供了科学依据。     

农田排水系统分布特征对水质净化效果的影响研究

【目的】分析不同排水沟塘系统分布特点对农田排水污染物去除能力的影响。【方法】分别选择陕西省富平县卤泊滩和江苏省扬州市江都区为研究区,通过理论计算,比较了2种不同分布但农田面积比接近的排水沟塘系统的水质净化能力。【结果】①位于南方的江都研究区"小沟多塘"排水系统对于污染物的去除率比卤泊滩地区"大沟无塘"高出7%～36%;②在卤泊滩研究区,污染物降解的主要场所为排水农沟,而在江都研究区,则是面积较大的支沟和池塘;③2个研究区不同类型沟塘对污染物的去除效率都与其面积呈现良好的相关性。【结论】分布特征决定了沟塘水系的水力联系,"小沟多塘"类型分布的排水系统更有利于污染物的降解。     

低温条件下组合式生态浮床系统净化微污染水体的特性研究

为研究低温对生态浮床水质净化效果的影响,引入陶粒作为浮床的基质,构筑了美人蕉-陶粒基质组合式生态浮床系统,研究在低温条件下其对微污染水体水质净化的效果特性。结果表明,在进水温度为0.5~15℃,进水DO浓度为4.94~6.65mg/L,水体交换时间为7d下,该生态浮床系统对水体中NH+4-N、NO-3-N、NO-2-N、TN、COD和色度的平均去除率为36.30%、77.37%、50.34%、52.56%、16.89%和70.99%。当水体的温度低于5.0℃,该生态浮床系统对水体中NH+4-N、NO-2-N、TN、COD和色度的去除效果均有所下降。     

人工生态池对稻田排水的减污效应分析

分析人工生态池不同水生生物对于稻田排水的净化作用。选取不同的挺水植物、浮水植物以及沉水植物，开展稻田排水人工生态池净化试验，分析不同水生植物对于稻田排水中的TN和NH₄⁺-N等污染物的净化作用。人工生态池对于稻田排水中TN、NH₄⁺-N的净化效果明显，不同水生植物在净化后第6～7 d左右均能够将污染物浓度降低到排水前的水平。其中黑藻对于TN、NH₄⁺-N的去除效果最好，净化4天即可达到90%以上的去除效果。人工生态池能够有效地净化稻田排水水质，减少农业面源污染的排放；黑藻的净化效果最好，适宜在人工生态池中进行推广种植。     

微咸水灌溉对蔬菜产量及土壤盐分离子的影响

【目的】探究灌溉水质、蔬菜产量及土壤盐分离子间的相互关系。【方法】设置E1(3.6 dS/m井水)、E2(1.96 dS/m井水)、E3(0.31 dS/m雨水)共3个处理,研究不同处理对蔬菜产量、土壤电导率(EC)、土壤盐分离子的影响。【结果】E3处理番茄和上海青产量最高,比E2、E1处理番茄产量显著高30.9%、138.8%,比E2、E1处理上海青产量著高431.4%、2100%。0～60cm土层内,土壤EC值随灌溉水电导率的增加而增加,其中E3处理0～20 cm土层土壤EC值为833μS/cm,E2、E1处理较E3处理分别增加40.9%和211.2%。土壤EC值与盐分离子Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^-、SO₄^2-均极显著正相关(P<0.01),与HCO₃^-极显著负相关,其中Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^-、SO...     

人工浮岛种植水生植物对包头南海湿地水质净化效果研究

【目的】解决包头南海湿地氮磷等营养元素富集的问题,提升包头南海湿地的水质。【方法】于2017年7—9月,在包头南海湿地构筑了一段由3种水生植物单独或混合种植的人工浮岛,并对浮岛的水质进行跟踪监测。【结果】经过92 d的试验处理,风车草对TN的去除效果最好,去除率为36.02%,可以使水体中TN质量浓度提高到地表水Ⅴ类标准;风车草+水葱+千屈菜对TP的去除效果最好,去除率为41.61%,可以使水体中TP质量浓度从地表水Ⅴ类标准提高到Ⅳ类标准;对CODcr去除效果最好的是风车草+水葱+千屈菜,去除率为27.01%。对浮游藻类抑制效果最好的是风车草,可以有效抑制水华束丝藻。【结论】混合植物人工浮岛比单一型人工浮岛去除氮磷等有机物的效果要好,尤以风车草、水葱、千屈菜3种植物混合组成的人工浮岛对氮磷等有机物的效果最好。风车草、水葱、千屈菜可以作为包头南海湿地水体富营养化防治的浮岛栽培植物来进行推广应用。     

灌溉水湿地净化系统中植物对镉的去除效果研究

我国南方重金属超标水灌溉已成为农田生态系统重金属输入最主要来源。【目的】从源头治理农田灌溉水的重金属Cd污染。【方法】选取梭鱼草、狐尾藻、轮叶黑藻共3种湿地植物作为材料,构建了沉砂池+生态塘+表面流湿地+吸附池系统,探究了系统底泥含Cd量及有机质量的变化与3种湿地植物体内的Cd质量浓度变化趋势及富集转运系数。【结果】①该湿地系统底泥中含Cd量随水流方向呈现递减趋势,各个采样点Cd质量浓度随时间推移而增加,底泥中含Cd量变化范围为1.15～38.58 mg/kg。②底泥有机质量随水流沿程呈缓慢下降趋势,下降幅度最高为13.9 g/kg。3种湿地植物中,梭鱼草地下部含Cd量较高,最高达125.88 mg/kg,地上部最高达9.16 mg/kg,狐尾藻、轮叶黑藻体内质量浓度最高分别达到32.55、6.94 mg/kg。③梭鱼草的富集与转运系数范围分别为8.24～34.96、0.036～0.176,说明梭鱼草中大部分Cd固定于根部,向上转运较少。【结论】3种植物中梭鱼草具有较高的农田灌溉水中Cd净化潜力。     

海河流域农田氮磷面源污染的空间分布特征及关键源区识别

【目的】分析海河流域农田氮磷面源污染及对水质影响的空间分布特征,并识别关键源区,以期为该流域面源污染治理提供参考依据。【方法】基于InVEST营养物传输率模型和产水量模型,估算了海河流域农田氮磷入河负荷、河流断面氮磷入河通量和潜在氮磷径流质量浓度,结合GIS空间热点分析、水文网络分析识别面源污染关键源区。【结果】海河流域2015年氮磷入河负荷分别为2.41 kg/hm²和0.56 kg/hm²,入河总量达3.4934万t和0.8077万t,潜在氮、磷径流质量浓度分别为5.97、1.47 mg/L,约55%的河段超过地表V类水质TN、TP标准。农田氮磷污染呈明显的沿西北部山区向中南部平原方向上升的分布特征;农田氮磷入河负荷和潜在氮磷径流质量浓度的空间分布差异明显,前者高值分布在徒骇马颊河水系、漳卫河水系、子牙河水系,后者高值分布在徒骇马颊河全线、黑龙港运东河中下游、大清河支流和子牙河上游部分河段;流域水系上游或支流的潜在氮磷径流质量浓度普遍高于干流。热点区面积分别占14.45%、16.02%,贡献入河总量的23.39%、27.71%。【结论】海河流域农田氮磷面源污染较严重,西北部山区地区的污染程度低于中南部平原地区,以流域中南部、石家庄和秦皇岛的周边地区为关键源区。     

固定化微生物技术原位削减河道黑臭底泥的中试研究

【目的】解决城市污水处理厂尾水排入河道引发的水体黑臭问题。【方法】在西安市某河道湿地内构建一封闭试验场,采用固定化微生物技术消除河道黑臭底泥和改善水质,为后续水生植物的修复和水质提升创造有利条件。【结果】经过3个月试验后,试验场内水体中CODCr、NH4+-N、TN、TP质量浓度基本可维持在22.0、5.0、11.5、1.7 mg/L左右,底泥的厚度减少50%左右,底泥颜色从黑色变成土黄色,底泥的生化降解能力增强。【结论】采用Ⅰ型和Ⅱ型固定化微生物协同技术可有效解决黑臭水体问题。     

灌溉施肥对基质栽培番茄产量、品质及水肥利用率的影响

【目的】探讨灌溉施肥对设施番茄生长、产量、品质及水肥利用率的影响,筛选适合河西干旱区日光温室番茄栽培的最佳灌溉施肥模式。【方法】采用基质(玉米秸秆50%+炉渣30%+牛粪20%+生物菌)栽培方式,共设4个处理：农户模式T0(N、P₂O₅、K₂O施用量分别为615、315、750 kg/hm²,灌水量6 000 m³/hm²)、常规模式T1(N、P₂O₅、K₂O施用量分别为435、150、600 kg/hm²,灌水量4 500 m³/hm²)、优化模式T2(与T1处理相比,施肥量、灌水量均下浮10%)和优化模式T3(与T1处理相比,施肥量、灌水量均上浮10%)。【结果】不同灌溉施肥模式可显著影响番茄产量、品质和水肥利用率。与T0处理相比,随着施肥量和灌水量减少,番茄生物量、氧化酶活性、脯氨酸、产量及水肥利用率呈先增后减的变化趋势...     

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。     

土壤调理剂对砂姜黑土农田土壤理化性状和夏玉米生长的影响

砂姜黑土农田由于土壤黏板僵闭,耕层浅薄以及肥力低下等问题,往往导致玉米根系下扎困难,倒伏严重,产量下降。【目的】利用土壤调理剂改善土壤理化性状,以提高砂姜黑土农田生产力,促进玉米生长,增加玉米产量。【方法】在砂姜黑土农田上以冬小麦播前旋耕(RT)为对照,设置深耕(DP)、旋耕+松土促根剂(RT+RP)、旋耕+土壤修复剂(RT+RA)和旋耕+土壤改良剂(RT+SI)等处理,研究了土壤调理剂对土壤理化性状、土壤肥力和酶活性以及夏玉米抗倒伏性能和玉米产量的影响,并与深耕(DP)的作用效果进行了比较。【结果】RT+RP、RT+RA和RT+SI处理均可提高砂姜黑土农田的土壤含水率,并降低土壤体积质量;显著提高土壤脲酶、蔗糖酶和中性磷酸酶活性;显著提高土壤中有效磷、铵态氮和硝态氮量;显著增加了夏玉米株高和茎粗,提高了夏玉米茎秆抗弯曲力和地上部第三茎节横折强度,增强抗倒伏性能;RT+RP、RT+RA和RT+SI处理下产量分别较RT处理增加15.73%、9.02%和8.82%,经济效益分别增加12.05%、5.40%和3.37%。3种土壤调理剂的产量普遍优于深耕和旋耕处理,其中松土促根剂处理下的夏玉米产量最高,经济效益最好。【结论】施用土壤调理剂可以显著改善砂姜黑土农田的土壤环境,增加土壤含水率,提高土壤养分和土壤酶活性,增强夏玉米抗倒伏能力并实现增产。     

灌溉-排水-湿地综合管理系统的引进和改造应用

由于过量施用化肥、农药以及未经无害化、资源化处理的畜禽排泄物大量进入农田,导致我国严重的农田面源污染。而这种污染,在水稻灌区传统的灌排模式下,农田排水的水质污染问题日益严重。传统的灌溉排水系统只注重水量方面的问题,即旱能灌,涝能排,没有考虑水质改善方面的需求。如何通过对现有灌溉排水系统的改造来实现农田排水水质净化的目的具有非常重要的现实意义。借鉴由美国俄亥俄州立大学的研究人员开发的灌溉-排水-湿地综合管理系统（WRSIS）的理念和思路,结合我国南方平原和浅丘陵地区水稻灌区灌溉排水系统的特点,分别在广西青狮潭灌区以改造农田洼地为人工湿地为主,在湖北漳河灌区以开发现有灌溉塘堰的净化水质能力为主来开展相关田间试验。试验结果表明,改进的WRSIS系统可显著地降低稻田排水中总氮、总磷的含量,实现控制和减少农田面源污染,达到修复农田水环境的目的。