一种控制水田化肥面源污染的装置及方法与流程

1.本发明涉及环境工程技术领域，具体为一种控制水田化肥面源污染的装置及方法。


背景技术：

2.农田面源污染问题是中国农业发展必须直面的，不可逃避的现实问题。农田面源污染已成为中国最大的污染源。农田面源污染的结果，不仅直接威胁粮食质量和粮食安全，还将对农田土地造成更严重的生态性破坏，有些污染还将造成农田不可修复，永久性失去耕地价值。发展下去就会再进一步形成更严重的江河湖泊富营养化、农药残留加剧、土地严重板结、水系绿藻泛滥等大面积生态灾难。
3.根据调查，一亩水田施用氮肥13kg(以n计)，施用磷肥8kg(以p计)，遇到降雨时会有大量化肥随雨水流入河流，导致河流受到污染。为减少化肥对河流的污染，现有技术中将农田田基增高，并在农田周围兴建人工湿地，遇到普通降雨时，由于田基增高，化肥会被农田截留，当降雨量变大，农田内的面源污水会通过溢流渠进入人工湿地，人工湿地内可养植一些对氮磷吸收量大且有经济价值的动植物，发展生态农业不浪费每一寸土地，污水通过人工湿地净化后再排入河道，例如《太湖地区农业面源污染特征及控制途径》(杨林章等,中国水利,2004,(20))一文中提到，在现有田埂的基础上加高田埂10
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15cm就可有效防止30
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50cm降雨时的地表径流，从而可减少大部分的农田地表径流。
4.然而，遇到强降雨时，人工湿地内的水位一旦达到设计上限值，此时如果继续有大水流进入湿地，会降低湿地的处理能力，而且在降雨和农田溢流的双重作用下会对湿地造成冲刷，使湿地结构发生不可逆破坏，大大增加湿地维护成本，如果未及时修复，还会因处理能力不足导致长期面源污染扩散，危害严重。
5.对于降雨带来的问题，公告号为cn106258814b，名称为《一种智慧型水作田面浅水湿地氮磷流失防控系统》的发明专利中，公开了一种采集天气预报数据提前调节农田水量的系统和方法，并且其说明书记载了可以大幅降低初期雨水环境风险，但是对于强降雨的中后期水量，其并不能起到调节作用，而且其只能控制灌溉量，不能有效减少农田溢流水对人工湿地的冲刷；也有其他现有技术针对降雨问题进行改良，有的采用梯田结构，但其也不能有效减少农田溢流水对人工湿地的冲刷，并且对地形有要求，有的采用更多、更大面积湿地环绕农田，但用地和维护成本明显提升，不符合需求；因此，亟需一种控制水田化肥面源污染的装置及方法来解决这个问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种控制水田化肥面源污染的装置及方法，以解决降雨时不能有效减少农田溢流水对人工湿地的冲刷的问题。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种控制水田化肥面源污染的装置，包括农田，其周围设有湿地，二者通过溢流渠连通，溢流渠下部开设有排空口，并连接有排
空管，排空管上安装有阀门用于在湿地水位达到设计上限值时开启。
8.在一种较优的方案中，湿地的一侧安装有液位管，其一端与湿地内部下端连通，另一端设置于湿地上部的一侧。
9.在本方案中较优的，液位管内的底部安装有压力开关。
10.在本方案中较优的，阀门为电磁阀，压力开关与电磁阀通信连接。
11.优选的，湿地的下端设有容器，排空管远离溢流渠的一端连通至容器，容器的一侧安装有泵，泵的进水口通过进水管路连通至容器内的下部，泵的出水口通过出水管路连通至湿地内；泵与压力开关通信连接。
12.优选的，农田的田基高度为35
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45cm。
13.本发明提供的另一技术方案：一种采用上述装置控制水田化肥面源污染的方法，包括以下步骤：确定湿地的最大截留量q，通过h＝q/a获得水位设计上限值h，其中a为湿地的占地面积；当湿地的水位达到h时，开启阀门，农田的溢流水通过排空管排出。
14.在一种较优的方案中，装置还包括：液位管和压力开关；液位管安装在湿地的一侧，其一端与湿地内部下端连通，另一端设置于湿地上部的一侧，压力开关安装在液位管内的底部，阀门为电磁阀，压力开关与电磁阀通信连接；本方案中方法还包括以下步骤：压力开关设置有与水位设计上限值h相对应的上限值，以及对应湿地中水位正常的安全值，当压力值大于等于上限值时，压力开关将信号传递给电磁阀使其打开，当压力值小于等于安全值时，压力开关将信号传递给电磁阀使其关闭。
15.在一种较优的方案中，装置还包括：容器和泵；容器位于湿地的下端，排空管远离溢流渠的一端连通至容器，泵安装在容器的一侧，泵的进水口通过进水管路连通至容器内的下部，泵的出水口通过出水管路连通至湿地内，泵与压力开关通信连接；本方案中方法还包括以下步骤：当容器的水位高于进水管路上端，且压力值小于上限值时，压力开关将信号传递给泵使其开启。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
17.1、该控制水田化肥面源污染的装置及方法，可以在农田的溢流水超过湿地处理上限时，将溢流水改道，避免了湿地被冲刷破坏，导致其处理能力下降，减少了湿地的修复和维护成本，有利于控制面源污染。
18.2、该控制水田化肥面源污染的装置及方法，相对于针对强降雨问题的现有技术，更加廉价且易于实现，无需特殊地形，也不需要专业技术人员管理，普及难度更低。
19.3、该控制水田化肥面源污染的装置及方法，结构简单，易于在原有农田、湿地和溢流渠的基础上改造，容易推广应用。
附图说明
20.图1为本发明的俯视结构示意图；
21.图2为本发明的一种较优的实施方式的主视结构示意图。
22.图中：1、农田；2、湿地；3、溢流渠；4、排空口；5、排空管；6、液位管；7、压力开关；8、容器；9、泵。
具体实施方式
23.如图1所示，一种控制水田化肥面源污染的装置及方法：
24.包括农田1，其周围设有湿地2，二者通过溢流渠3连通；溢流渠3下部开设有排空口4，并连接有排空管5，排空管5上安装有阀门用于在湿地水位达到设计上限值时开启；
25.该装置使用前需先确定湿地2的最大截留量q，通过h＝q/a获得水位设计上限值h，其中a为湿地2的占地面积；当湿地2的水位达到h时，开启阀门，农田1的溢流水通过排空管5排出；
26.排空管5可以直接引流至河道，农田1溢流出的水将通过排空管5直接排入河道，由于强降雨时水量较大，氮磷浓度较低，且持续时间不长，溢流水达到河道水体的环境容量，由河道水体自净完成污染物的消纳，如果当地降雨较多，也可以将排空管5引流至溢流水暂存容器等；
27.为方便观察水位，湿地2的一侧还可以安装有液位管6，其一端宜与湿地2内部下端连通，另一端可设置于湿地2上部的一侧；
28.为方便控制，液位管6内的底部可安装有压力开关7，此时阀门可采用电磁阀，压力开关7与电磁阀通信连接，压力开关7可以为市面常见的压力传感器，并配置有变送器以将水压信号转变为电信号；
29.在这一实施方式下，压力开关7宜设置有与水位设计上限值h相对应的上限值，以及对应湿地2中水位正常的安全值，当压力值大于等于上限值时，压力开关7将信号传递给电磁阀使其打开，当压力值小于等于安全值时，压力开关7将信号传递给电磁阀使其关闭，从而实现全自动控制，无需人员管理。
30.此外，还可以在溢流渠3于湿地2侧设置闸板，当阀门开启时自动关闭闸板。
31.农田1的田基高度优选为35
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45cm，即在现有田基的基础上加高20cm左右。
32.湿地2中可以种植、养殖有价值水产生物，例如水芹、美人蕉等，发展生态农业不浪费每一寸土地。
33.实施例：
34.参阅图2，本实施例采用上述实施方式中的方案，在此基础上，湿地2的下端还设有容器8，排空管5远离溢流渠3的一端连通至容器8，容器8的一侧安装有泵9，泵9的进水口通过进水管路连通至容器8内的下部，泵9的出水口通过出水管路连通至湿地2内；泵9与压力开关7通信连接，当容器8的水位高于进水管路上端，且压力值小于上限值时，压力开关7将信号传递给泵9使其开启，这样可以在强降雨时令农田1中的溢流通过排空管5排至容器8储存，待降雨结束，水位下降之后，再把储存的溢流水经过湿地2处理，以此方式尽可能地减少氮磷排至河道，并且可以最大程度减少湿地2的占地面积，减少维护成本。
35.本实施例适于在湿地的建设初期进行，如果是现有的湿地改造，则容器8只能安置在湿地一侧，或者重新建设湿地。
36.以上仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。
37.本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。