一种圩区水循环稻田面源污染治理系统的制作方法

1.本发明涉及一种圩区水循环稻田面源污染治理系统。


背景技术：

2.第二次全国污染源普查结果表明，我国农业源污染物排放总量仍处于高位，农业源化学需氧量、总氮和总磷排放量分别占水污染物排放总量的49.8％、46.5％、67.2％，其中种植业在农业源总量中的占比突出，面源污染防治面临的形势依然严峻。面源污染由于其来源的分散复杂，加之其排放的不确定性和随机性，其治理仍是当前生态环境和农业农村领域的一大难题。
3.我国水稻种植面积大，统计显示水稻种植总面积约占耕地面积的30％左右，水稻田退水含有大量n、p元素，研究表明，水体中的n、p元素含量超标是导致水体富营养化的主要因素。我国南方地区作为水稻生产的主要地区，其水网密布，地势相对平坦，河汉纵横交错，受上游来水、持续降水、海水顶托的影响长期受到洪涝灾害的威胁，因此通过筑堤、建闸等措施将原来的低洼地变成隔绝外河、可人工控制进水排水的圩，大量的圩便形成了圩区。由于圩区可保证旱能引、涝能排，农业生产活动比较集中，圩区特殊的水体交换方式容易积聚化肥、农药等物质，面源污染严重，给流域水环境达标带来威胁。
4.目前大多数对于面源污染治理的专利侧重于过程拦截、末端治理等或农业生产过程中的减水、减肥、减药的某一环节，对水循环利用缺乏技术上的有效实现，未能对圩区内水体实现循环利用。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明提供了一种圩区水循环稻田面源污染治理系统，该圩区水循环稻田面源污染治理系统能充分利用圩区特点，形成相对封闭的水体环境，在圩区内水体实现循环利用。
6.本发明通过以下技术方案得以实现。
7.本发明提供的一种圩区水循环稻田面源污染治理系统，包括圩区，圩区由圩堤、圩区闸站、圩外河道和圩内河道组成；圩外河道和圩内河道连通处有圩区闸站；在圩区内有由田埂隔断构成、方向垂直于圩内河道的田块；田块内农作物灌溉通过灌溉泵站和灌溉管道从圩内河道引水，田块内农田退水经由生态沟渠退至圩内河道，构成水循环。
8.所述田块与生态沟渠连接的位置有远程控制排水闸。
9.所述田块内农作物灌溉通过灌溉泵站和灌溉管道从圩内河道引水，灌溉管道和生态沟渠交接处有远程控制电动阀。
10.所述田块中装有田间水层监测仪。
11.所述灌溉管道连通至圩内河道的位置装有灌溉泵站。
12.所述灌溉泵站、远程控制排水闸、远程控制电动阀、田间水层监测仪内置无线通信模块，可实现远程、精准控制。
13.所述圩内河道中设有水生态修复措施。
14.所述田块中装有太阳能杀虫灯。
15.所述田埂上种植显花植物。
16.本发明的有益效果在于：能充分利用圩区特点，形成相对封闭的水体环境，在圩区内水体实现循环利用；日常工况下可循环利用水和养分，降低农业生产的灌溉用水量、化肥使用量和药物使用量，减少面源污染负荷，在暴雨工况保证农田退水有序排放到圩外河道，减少对地表水环境的影响。
附图说明
17.图1是本发明至少一种实施方式的安装结构示意图。
18.图中：1
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圩外河道，2
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圩内河道，3
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圩堤，4
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圩区闸站，5
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灌溉泵站，6
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生态沟渠，7
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灌溉管道，8
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远程控制排水闸，9
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远程控制电动阀，10
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田间水层监测仪，11
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田埂，12
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太阳能杀虫灯，13
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水生态修复措施，14
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田块。
具体实施方式
19.下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
20.实施例1
21.如图1所示的一种圩区水循环稻田面源污染治理系统，包括圩区，圩区由圩堤3、圩区闸站4、圩外河道1和圩内河道2组成；圩外河道1和圩内河道2连通处有圩区闸站4；在圩区内有由田埂11隔断构成、方向垂直于圩内河道2的田块14；田块14内农作物灌溉通过灌溉泵站5和灌溉管道7从圩内河道2引水，田块14内农田退水经由生态沟渠6退至圩内河道2，构成水循环。
22.实施例2
23.基于实施例1，并且，田块14与生态沟渠6连接的位置有远程控制排水闸8。
24.实施例3
25.基于实施例1，并且，田块14内农作物灌溉通过灌溉泵站5和灌溉管道7从圩内河道2引水，灌溉管道7和田块14交接处有远程控制电动阀9。
26.实施例4
27.基于实施例1，并且，田块14中装有田间水层监测仪10。
28.实施例5
29.基于实施例3，并且，灌溉管道7连通至圩内河道2的位置装有灌溉泵站5。
30.实施例6
31.基于实施例2、实施例3、实施例4和实施例5，并且，灌溉泵站5、远程控制排水闸8、远程控制电动阀9、田间水层监测仪10内置无线通信模块，可实现远程、精准控制。
32.实施例7
33.基于实施例1，并且，圩内河道2中设有水生态修复措施13。
34.实施例8
35.基于实施例1，并且，田块14中装有太阳能杀虫灯12。
36.实施例9
37.基于实施例1，并且，田埂11上种植显花植物。
38.实施例10
39.基于上述实施例，具体的，圩区由圩堤3、闸站4、圩内河道2和圩外河道1构成。闸站4具有排灌功能，通过排涝(从圩内排到圩外河道)和灌溉(从圩外引水至圩内河道)调配圩区水量。
40.精准灌排系统由灌溉泵站5、灌溉管道7、远程控制排水闸8、远程控制电动阀9、田间水层监测仪10等模块和数字化管理系统组成，灌溉泵站7、排水闸8、电动阀9和水层监测仪10均内置无线控制模块，可将信息输至数字化管理系统，数字化管理系统根据水稻各生长期的用水要求和薄露灌溉的要求，远程各模块启闭，达到精准灌排的效果。
41.绿色防控系统通过田埂11种植显花植物和稻田中布设太阳能杀虫灯12实现，可有效减少农药使用量。
42.生态沟渠拦截系统配置有本地适生、对氮磷吸附能力强的水生植物，通过植物对污染物进行吸收、吸附，同时渠道内有控水设施，可以有效提高水力停留时间。
43.圩内河道水生态修复措施13由沉水植物、挺水植物、生态浮床、曝气装置等组成，对圩内河道水质进一步净化。圩内河道既是稻田退水的受纳体，又是稻田引水灌溉的水源，形成“圩内河道
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稻田
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生态沟
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圩内河道”的良性循环体系。
44.实施例11
45.基于上述实施例，具体的，包括圩外河道、圩内河道、圩堤、圩区闸站、灌溉泵站、生态沟渠、灌溉管道、远程控制排水闸、远程控制电动阀、田间水层监测仪、田埂、生物杀虫灯、圩内河道的水生态修复措施和数字化管理系统组成；其中：
46.圩外河道和圩内河道通过圩堤和圩区闸站分隔，圩内河道和圩外河道的水体交换通过闸站实现，当圩区需要农业灌溉时从圩外河道引水至圩内河道；当持续降雨、圩区有内涝风险时，需要将圩内河道的水抽排至圩外河道。
47.圩区闸站具有排灌功能，通过排涝(从圩内排到圩外河道)和灌溉(从圩外引水至圩内河道)调配圩区水量。
48.灌溉泵站从圩内河道引水，通过灌溉管道输水至各个田块。泵站内置无线控制模块，可在接收到数字化管理系统信号后完成水泵的启闭。
49.灌溉泵站可配套水肥一体化设施，根据水稻生长情况、不同生育期的需肥量进行差异化配置，进行准确水肥用量配比，实现均衡施肥和精准灌溉。
50.灌溉管道可采用低压管道、明渠等形式。
51.远程控制电动阀是灌溉管道与各个田块连接的控制节点，电动阀开启后可开始田块的灌溉，电动阀关闭后结束田块的灌溉。电动阀内置无线控制模块，数字化管理系统可传输信号远程控制启闭，并支持人工控制启闭；远程控制电动阀可定时监测流量等信息，阀门开关状态实时上报；远程控制电动阀可采用太阳能驱动。
52.田间水层监测仪内置激光测距探头可精准量测田面水深，同时内置无线通讯系统，可将水深信息通过无线通讯传输到数字化管理系统，数字化管理系统收到水深信息后反馈至远程控制电动阀和远程控制排水闸，完成灌溉和排水过程。
53.远程控制排水闸内置安装在田块和生态沟渠节点排水口上，根据水稻不同的生长时期设定一定排水高度，当水位到达或超过设定值后，排水闸门开启后将田块水流排入生
态沟渠内，当水位低于设定值后，排水闸关闭完成排水过程。排水闸内置无线控制模块，信息传输至数字化管理系统，可远程控制排水闸的启闭和本地应急控制启闭。
54.精准灌排系统由数字化管理系统进行整体控制，在采集灌溉泵站、远程控制电动阀、田间水层监测仪、远程控制排水闸等模块发出的信号后进行综合分析运算，通过薄露灌溉模型和水稻生长模型的计算，根据水稻在不同生长时间来调整最适田间水深，通过自动化灌溉规则模块和控制设备模块发送控制指令，控制灌水闸、进水电动阀、排水闸等模块启闭，使田间水位保存在理想状态下，达到精准灌排的效果。水稻田灌溉采用薄露灌溉的模式，即“灌薄水、常露田”，以早稻为例，采用干湿间歇的灌溉策略，在水稻返青期水深宜保持在10
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40mm，分蘖末期晒田3
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7天，黄熟期自然落干，其余阶段水深控制在30
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40mm，至水层消耗完并在土壤含水率下降到饱和含水率的80％左右时再次灌水。
55.田埂应因地制宜地采用土体、砖、石等材料进行砌筑，并在田埂上种植显花植物，包括芝麻、百日草、波斯菊、硫华菊、向日葵等。
56.太阳能杀虫灯布设在水稻田田间，由太阳能驱动，利用昆虫具有较强的趋光、趋波、趋色、趋性的特性，确定对昆虫的诱导波长，引诱害虫扑向灯的光源，光源外配置高压击杀网，杀死害虫。太阳能杀虫灯和生态田埂共同构成绿色防控系统，可有效减少农药使用量。
57.生态沟渠是稻田退水流回圩内河道的通道，其特征在于渠道内配置有本地适生、对氮磷吸附能力强的水生植物，可通过植物对污染物进行吸收、吸附，同时渠道内有控水设施，可以有效提高水力停留时间。生态沟渠的排水标准应满足农田积水不超过作物最大耐淹水深和耐淹时间，应由设计暴雨重现期、设计暴雨历时和排除时间确定。水稻区一般可采用1～3d暴雨3～5d排至耐淹水深。
58.圩内河道的水生态修复措施，由沉水植物、挺水植物、生态浮床、曝气装置等组成，利用植物吸收、微生物转化及沉淀作用净化农田退水中的营养物质，同时作为圩内河道作为稻田灌溉的水源，形成圩内水系的循环利用。其中沉水植物可选择金鱼藻、伊乐藻、眼子菜、狐尾藻、苦草等，通过叶片吸收等方式高效吸收氮磷等营养物质，抑制底泥再悬浮及氮磷营养盐释放，促进氮的硝化反硝化作用及磷的沉降。沉水植物布置的面积不宜小于圩内河道面积的20％；其中挺水植物可选用芦苇、香蒲、茭白、芦竹、菖蒲、美人蕉、再力花等兼具耐淹和抗旱的植物，可以适当改善局部的水质，减少滩垮塌，同时根系发达的挺水植物生长密度较高，对水体污染物拦截、净化能力较强，发达根系为微生物提供优良生境，发挥微生物净化功能；其中生态浮床将大型水生植物种植在高分子材料的载体上，水体中氮、磷等营养物质通过植物根部被摄入植物体内，得以贮存和利用，同时抑制低等藻类的生长并促进水中其它水生生物的代谢；其中曝气装置可向水体内充入空气，加速水体氧化过程，提高水体的溶解氧水平，恢复和增强水体好氧微生物的活力，改善圩内河道的水质。
59.可结合天气预报，根据预报的降雨强度对稻田和圩内河道的水位进行下降，通过圩区闸站将循环净化后的地表水抽排至圩外河道，为降雨尤其是初期雨水预留库容，在降低圩区内涝风险的同时，减少农田水溢流进入圩外河道，影响地表水环境质量。
60.实施例12
61.基于上述实施例，具体的，应用于浙江省平湖市广陈镇的龙兴圩区，圩区由圩堤和11处闸站组成，保护了区内农田、居民在汛期免受洪水入侵。圩外河道为广陈塘，是平湖市
广陈水厂的取水水源和平湖市的重要饮用水源地，下游有国考断面，每年6
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9月断面达标的压力较大，尤其是总磷指标，总磷超标与农业面源污染直接相关。
62.圩区内稻田总面积约800亩。将800亩稻田划分为若干个标准田块。按照最大灌水定额计算每亩需水量，智能灌排水稻采用，薄，浅，湿，晒的灌溉原理，以节约水资源为目的，改变传统大水满灌的灌溉方式，按照一次最大灌水定额10cm计算，灌溉定额为66.7m3/亩，dn80阀门的出水流量为33m3/小时，一亩田的灌溉时间大约需要2小时，灌溉水泵的工作时长每日按照22小时计算，为使用和操作方便，可将单个田块灌溉时间控制在一日之内，则单个田块的面积不应大于11亩；控制在5
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10亩为宜，同时为提高机械使用率，条块长度宜不小于200m，当条田长度为200m时，机械使用效率87.5％
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91.4％，条田越大则机械使用效率越高。
63.田块与田块用田埂分隔，田埂采用土体砌筑，田埂宽30～40cm，田埂高25～30cm，通过人工夯实后压实度控制在90％以上。田埂种植芝麻、百日草、波斯菊、硫华菊、向日葵等显花植物，可为害虫天敌提供食物来源和栖息场所，从而能有效地提高天敌对害虫的自然控制能力、减少化学农药的使用量。
64.根据田块分布情况，为满足农田灌溉的需求，对原来的1处灌溉泵站进行改造，并新建1处灌溉泵站，泵站内置无线控制模块，可在接收到数字化管理系统信号后完成水泵的启闭。泵站从圩内河道取水，结合水肥一体化技术综合考虑，采用外注式施肥设备，在灌溉泵出口位置旁路式安装注肥泵及肥料罐，根据用量可自由控制施肥时间。
65.灌溉主管采用聚乙烯管，公称外径250mm，公称壁厚9.6mm，管材、管件以及管道附件的连接应采用热熔连接、电熔连接及机械连接的方式。
66.灌溉管通过电动阀向田块灌溉，每个田块设置1处电动阀。远程控制电动阀内置lora无线控制模块，水流开关可通过数字化管理系统传输的信号反馈，并支持手动电子开关控制，流量范围在5
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100m3/h。
67.远程控制排水闸安装在田块和生态沟渠节点排水口上，每个田块设置1处排水闸，出水口外形尺寸为300mm*400mm*300mm；水位高度调节范围0
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30cm；排水闸内置无线控制模块，信息传输至数字化管理系统可远程控制排水闸的启闭，并支持手动控制。
68.在每个田块中央位置布设1台田间水层精测仪。田间水层精测仪是采用非接触式(mm级)测量模式，内置激光测距探头，装配有无线通讯智能执行系统，田间无线通讯执行终端控制水层雷达执行精准测量，并反馈测量数据到数字化管理系统上。
69.配套有信息化管理系统，管理系统实时接收基于物联网采集的数据(包括灌溉泵站、远程控制电动阀、田间水层监测仪、远程控制排水闸等模块)，自动执行各种模型运算，将控制指令通过gprs等方式发送到各物联网无线控制节点，从而自动启闭相应区域的沟渠闸门、水泵、电磁阀、排水闸等农业设备。用户可通过pc、ipad或者手机终端发出指令来实现稻田灌溉的精准自动控制，实现了田间无人巡值，自行灌溉管理控制，节约了劳动时间，提高了农业生产管理效率。
70.结合天气预报，在暴雨来临前主动将圩内河道和稻田经过循环净化的水抽排至圩外河道，为降雨尤其是氮、磷元素较多的初期雨水预留库容，尽可能减少对广陈塘水环境质量的影响。结合龙兴圩区内圩堤高程、居民房屋高程、稻田田块高程等信息，当雨强不超过暴雨时可实现圩内河道不溢流、不内涝，对圩外河道广陈塘的影响降到最低，本方法可控制
单场100mm的降雨规模。
71.太阳能杀虫灯布设在水稻田田间，平均20
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50亩设立1台频振式太阳能杀虫灯，共布置35台。平湖市单季稻区重点防控褐飞虱、稻纵卷叶蟆、纹枯病、稻曲病、恶苗病，关注稻瘟病、大蜈、稻蓟马等害虫，诱集光源的频率设定在365～680nm，利用昆虫具有较强的趋光、趋波、趋色、趋性的特性，引诱害虫扑向灯的光源，光源外配置高压击杀网，杀死害虫，可减少田间农药的施用量。
72.生态沟渠在原有沟渠基础上进行改造，断面采用梯形和矩形，沟底比降在1/6000
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1/20000，沟渠中设有若干节制闸以延长水力停留时间，沟渠底部设有若干呈s形排列、四壁布满孔、内充对氮磷具有较强吸附能力的吸附材料的过滤箱，并在过滤箱中种植对氮磷具有较强吸收能力的植物，实施过程中选择黄菖蒲、鸢尾、三菱草、芦苇等。
73.圩内河道既是稻田退水的受纳体，又是稻田引水灌溉的水源，为构建“圩内河道
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稻田
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生态沟
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圩内河道”的良性循环体系，为实现整个灌区灌溉排水循环再利用和面源污染的有效控制，需对圩内河道水进一步净化。圩内河道平均水深2.5m，平均河道宽度为10m，在圩内河道种植水植物和挺水植物，沿河岸带构建挺水植物群落(0.5m水深范围)，种植黄菖蒲、旱伞草、再力花和花叶芦竹，黄菖蒲种植密度为20
‑
25株/m2，旱伞草种植密度为9
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12株/m2，再力花种植密度为20株/m2，花叶芦竹种植密度为12
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16丛/m2；在河道内构建沉水植物群落(2m水深范围)，种植苦草、黑藻、和狐尾藻，苦草种植密度为100
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120株/m2，黑藻种植密度为100
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120株/m2，狐尾藻种植密度为120
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150株/m2；水生植物种植的面积约占圩内河道总面积的20％；生态浮床主体采用330*330mm的聚乙烯网片拼块而成，采用直12
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15丛/m2；曝气装置采用喷泉曝气机，功率为750w，采用角铁支架进行固定，可提高水体的溶解氧水平。
74.由此，本发明：
75.(1)充分利用圩区特点，形成相对封闭的水体环境，在圩区内水体实现循环利用，结合精准灌排系统可以有效减少灌溉用水量，通过水分的循环利用可减少化肥的施加量，通过频振式杀虫灯等绿色防控措施可降低农药的施用量，减少面源污染强度；
76.(2)在暴雨期间可实现农田退水的有序排放，提前将净化的圩内水系外排，为初期雨水等预留空间，减少圩区对圩外河流地表水环境质量的影响；
77.(3)可实现生产环节注重肥、药等农业消耗品的使用量，稻米具有更高的品质，产生更多的经济收益；
78.(4)在灌溉系统中引入了物联网和数字化控制的技术，与数字农业进行了衔接，节约了劳动时间，降低了劳动强度，节约了生产成本、提高了农业生产管理效率和现代化水平；
79.(5)在圩内河道布设了由沉水植物、挺水植物、生态浮床、曝气装置等组成的水生态修复措施，可提高乡村河道的景观性。