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农田湿地灌溉污染生态修复案例

  来源:安全管理网 
评论: 更新日期:2020年07月23日

本案例位于上海市白牛乡贤片区,是2018年原国土资源部“长三角地区生态化土地整治工程模式”课题的部分调研成果。

一 区域概况

项目区位于上海市松江区新浜镇的西侧,地处太湖流域碟形洼地的底部,地势低平,河道成网,以种植水稻为主。项目区总面积708.45公顷,涉及陈堵村、许家草村、林建村、南杨村4个行政村共1127户。白牛乡贤片区位于项目区内,属林建村,占地达5万余平方米,片区南侧为总面积约42000平方米的白牛塘水系,现由7个养殖塘由北向南依次排列组成。中部为水稻田种植区域,是撤村复耕之地,北侧含部分整治后未拆除的农村宅基地。

二 存在的问题分析

1)水系污染严重,自净能力较差。片区水体总体表现为淤泥层厚,水色缺乏自然,表面漂浮少量油污。局部水体因流动性极低形成死水,有轻度臭味。造成水质差的原因主要有如下两个方面:①面源污染严重。主要是农田中的泥沙、营养盐、农药及其他污染物,在降水或灌溉过程中,通过农田地表径流、壤中流、农田排水和地下渗漏,进入水体而造成的外源污染;同时水体底泥污染、鱼类饲料过度投放及水生动物排泄物等内源污染也是不可忽视的因素。②自净能力较差。水系内水生生物群落结构单一,物种多样性低,生态系统自我调节能力与自净能力较差。

2)农田效益不佳,蛙类多样性较低。农田湿地内农用地布局较为规整,成网格状肌理,以稻田为主,但稻田产量不高,景观效益欠佳。目前,田内仅发现泽陆蛙、中华蟾蜍、饰纹姬蛙、黑斑侧褶蛙、金线侧褶蛙5种蛙类,物种多样性较低,且种群数量较少。

3)道路坑洼不平,道林成分单一。田内道路坑洼不平,片区路面主要以水泥硬化路面及不平整土路为主,缺乏自然美感。道林分组成单一、结构简单,仅分布有少量水杉、构树,林下缺乏灌木与草本层配置,植物多样性较低。

4)农民脱离生产,乡村活力不足。片区处于上海远郊农村,在城市辐射作用和吸纳机制影响下,人口和资源逐渐往城市单向流动,农民脱离生产,身份非农化,大量劳动力资源投入城市而非改变乡村面貌,导致了村庄发展的相对停滞。村庄演变成退养之地,主要为老年人生活休闲和居家养老场所,老龄化、空心化现象严重,乡村活力不足。

三 污染阻隔工程概况

根据示范区农田污染调查结果,综合考虑各种水处理技术的适用范围和经济技术可行性,并结合研究区地质、水文和农业种植制度,最终确定采用人工湿地技术治理农田灌溉水污染。在示范区内,选取现有废弃池塘,在其周围建设水闸和水泵以形成封闭水域,将上游灌溉水引入其中,利用水域内种植的各类水生植物来净化农田灌溉水中的污染物质,从而形成表面流人工强化湿地。人工湿地运行后,将治理前后灌溉水中污染物指标以及清污灌区作物产量做对比,综合评价灌溉水污染的修复效果。

1.工程背景

人工湿地位于研究区农业灌溉水引水入口处,面积约1.8万平方米,主要由水稻田、废弃鱼塘和部分河滩湿地组成。其上游莲柄港由上洞江、下洞江、南洋和北洋等河网组成,河网流域面积485.0平方千米,港道全长141.9千米,其中主港道长29.8千米,有效库容为5000万立方米。因构成的莲柄港的河流港汊大多受流域内生活污水和养殖废水的面源污染,因此从莲柄港引入到人工湿地的水中有机污染物含量超标,农业灌溉水源受到有机污染。

2.设计进出水水质

根据农田灌溉水的污染特点、《GB 3838—2002 地表水环境质量标准》和《GB 5084—2005 农田灌溉水质标准》中基本控制项目,选定SS、COD和氨氮为主因子进行工程设计。日处理灌溉水量为5000米3/日,设计进水SS为130毫克/升、COD为86毫克/升、氨氮为3.5毫克/升,出水水质的SS达到《GB 5084—2005 农田灌溉水质标准》要求,即SS≤80毫克/升,COD和氨氮达到《GB 3838—2002 地表水环境质量标准》Ⅴ类水质要求,即COD≤40毫克/升、氨氮≤2毫克/升。

四 工程设计

设计思路:在项目区山顶村现有的池塘中建设水闸和水泵形成封闭的人工湿地,将上游稻田灌溉水引入人工湿地中,利用在湿地内种植的各类水生植物来净化稻田灌溉水中的污染物质。

设计目的:利用人工湿地净化含有有机污染物(COD)农田灌溉水,防止污水灌溉造成农田土壤污染。

设计原则:重点是对农田周围湿地生态系统的人工重建,特别是在与陆地生态系统物质能量交换频繁的河流入口处开展人工生态系统的重建。

1.工艺流程

根据上游河道的形状及废弃鱼塘的地质特征,确定人工湿地的工艺方案为多级表面流人工强化湿地系统(图4-6)。由莲柄港的上游来水,经湿地入口水闸拦截后,由引水渠导流引入配水区,使污染灌溉水均匀分布到初沉净化区,经短暂停留后,污水由重力流依次经过挺水植物净化区、挺水与浮叶植物净化区和沉水植物净化区,完成污染物的去除后,由尾端集水渠汇集到出水导流区,经水泵抽提,引入事先划定的清水灌区。

 

2.主要设计单元

(1)水闸

为调控湿地进出水,建有单孔水闸2座,其中1座为拦截上游来水,另1座为引水口。水闸设计闸前水深1.2米,水闸闸孔净宽均为1.2米,闸底高程1.6米,水闸高为3.0米,闸槽深0.1米,水闸采用C25钢筋砼闸门,高1.4米,厚0.1米,启闭台采用C25钢筋砼,启闭机采用2.5T手摇螺杆启闭机。

通过水闸拦截,可抬高河水水位,形成河道蓄水塘,可有效减缓水速,通过物理沉淀作用去除部分悬浮物质,并由河道内水生植物对污水进行预充氧。高水位的污水通过重力流,由引水渠进入配水区,引水渠采用梯形土渠形式,长度约为50米,坡度为0.02%。

(2)配水区和初沉净化区

为使污水均匀分布,多级表面流人工强化湿地系统的首个单元为面积603.88平方米的配水区,该区采用混凝土渠堰溢流布水,可有效地调节水质和水量,使污水均匀、缓慢地流到初沉净化区,该区呈狭长形,面积为587.05平方米,进一步减缓水流速度,使大部分可沉降SS通过湿地系统中物理沉降作用去除,而部分胶体状SS则通过与池底沙粒、淤泥的吸附、滞留、过滤作用得以去除。

(3)多级表面流人工强化湿地

依据灌溉水水量大、污染物浓度低且随季节变化较大的特点,考虑到研究区环境及耕作条件,采用多级表面流人工强化湿地净化农田灌溉水。湿地呈不规则形,以现有的池塘堤岸为边界,分为3级串联运行。湿地有效面积占总面积的82.4%,设计运行参数以水力负荷0.35米3/(米2·日)为限制性参数进行计算。

五 人工湿地设计

利用不同植物种类对水生生活的适应性状不同,吸收水体中的特定污染物质;不同植物种类构成的生物群落共同作用,提高系统的稳定能力和自净化能力

六 设计工艺参数

根据因地制宜、经济效益、生物多样性和景观协调的原则选择湿地植物,依托现有地形,人工湿地采用3级植物处理工艺,以芦苇、香蒲、荷花等挺水植物作为污水处理的主要植物,并辅之以浮叶植物构成完整的生态群落,最后在尾段采用沉水植物净化处理,进一步提高出水水质。由此,通过挺水植物区、挺水与浮叶植物区和沉水植物区的优化配置,构建了一个具有生物多样性、水质净化能力和景观效果的人工湿地生态系统。人工湿地设计运行参数如表4-11、表4-12所示。

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第一级挺水植物区。芦苇区是该系统净化污水的最主要的区域,区内芦苇和香蒲的间距为30厘米左右,共种植芦苇和香蒲各1400株。该系统利用湿地的自净能力将大部分污染物去除,表现在:悬浮颗粒的沉降;溶解营养物质,扩散并进行沉积;有机物矿质化;营养物质被微生物和植物吸收。

第二级挺水与浮叶植物区。可采用许多池塘均能发现的香蒲和荷花,它们具有很强的生长适宜性。区内香蒲和荷花的间距为40厘米左右,共种植香蒲500株、荷花700株。浮水植物对污水起到粗滤作用。浮水植物的光合作用很强烈,产生大量的氧气,提高湖水中氧气的含量,为芦苇区的去污净化作用提供丰富的氧气。此外,还有阻滞水中漂浮物,吸附水中悬浮颗粒的作用。

第三级沉水植物区。利用黑藻对水源做最后的净化处理,对系统也起到缓冲调节作用。区内黑藻播种总量为12千克左右,种植水位应控制在30~50厘米。黑藻可以增强湿地容积,增加系统滞留时间,提高湿地承载负荷,滤去悬浮物大颗粒,增加水中氧气量。

七 湿地工程设计图

原鱼塘中间存在废弃土堆,为了增加湿地容量予以清除,并对鱼塘适当清淤挖深,清理部分边坡等,新开挖的边坡一般不陡于1.0~1.5;预计开挖土方5500立方米,并外运至临近废弃鱼塘回填;塘底设计高程1.6米,蓄水设计高程2.8米,蓄水面积15151.6平方米,蓄水量18200立方米。湿地工程设计如图4-9、图4-10所示。

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八 人工湿地运行效果

人工湿地中植物的培植引种已于2010年完成,湿地工程建设于2011年底竣工并投入运行。根据工程设计,农田灌溉水的SS、COD、氨氮由湿地入口处的130毫克/升、86毫克/升、3.5毫克/升,降至12毫克/升、35毫克/升和1.8毫克/升,处理率达91%、59%、49%,出水达到《GB 5084—2005 农田灌溉水质标准》和《GB 3838—2002 地表水环境质量标准》Ⅴ类水质要求。

人工湿地工程在注重水质净化效果的同时,充分考虑到经济效益和生态效益,使用净化水灌溉的清水灌区中,水稻年产量达8250千克/公顷,高于对照污水灌区1250千克/公顷;当地农户积极利用湿地中轮叶黑藻等饲用水生植物,发展养鱼、养蟹等副业,并将收获的芦苇、香蒲等经济作物进一步加工,增加其附加值。统计数据表明:工程实施后,当地农民的年均农业收入由以前的6400元增加到7500元,其中粮食收入占77.6%。此外,湿地建成运行后,系统内的物种多样性明显提高,由滨水植物、挺水植物、浮叶植物、沉水植物及水中的动物、浮游微生物等组成的多层次立体生态网络,其系统协调稳定,环境优美怡人。

九 生态化农田整治

1.田———生态沟渠与生物通道设计

以提高田间水体自净能力,保障田间物种多样性为出发点,设计生态沟渠与生物通道,形成生态保育与水质改善功能相耦合的复合型农田生态系统。

1)生态沟渠。在农田周边建设生态沟渠,在沟底铺设多孔水泥板与碎石,后期种植牧草、水芹等植物,并在渠道中分段设置节制闸,减缓水流的速度,增加滞留时间,增加植物对养分的利用时间,也提高水体的自净能力,并起到给微小动物提供栖息地的作用。

2)生物通道。依托土地整治工程,在生态沟渠靠农田区域侧,搭建生态阶梯———两栖类动物生态通道(图4-11),通过阶梯深度、坡度等指数的合理设置,保证青蛙能通过自身力量进出沟渠,有利于蛙类的迁移、栖息与繁育。

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2.水———充分利用清洁能源,全面提升自净能力

(1)节能环保工程———太阳能提升泵站

在白牛水贤片区北侧,建太阳能提升泵站,用于将灌溉排水沟渠内水或界河内水提升输送至白牛塘水系片区内,用于循环或补水。

设计供电4.4千瓦的太阳能电池组(含发电机及充放电控制系统)1套,占地面积约200平方米,白天8小时供电,夜间蓄电池4小时供电;水泵组最大取水量100米3/小时,采用井式取水,水源为灌溉排水沟与界河。另外,考虑到连续阴雨天泵站使用的可能性与便捷性,设置备用电源,以保证泵站正常取水功能。

(2)池塘———4级净化体系设计与水生生态系统重建

通过物理过滤与生态系统自净相结合的方法,设计水体4级净化系统,构建完整的水生生态系统,水质净化、生态系统修复的同时,提升水体的景观美学价值与经济效益。

1)水流组织设计。利用灌溉泵站,将农田排水提至白牛塘,白牛塘是一个水质四级净化区域(4个池塘),农田排水通过由北向南折流,一级一级过滤、净化,至末端再将水用于农田灌溉(图4-12)。

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图4-12 水流组织设计示意图

2)生态系统构建与修复。遵循生态原理,通过构建完整的水生植物-水生动物-微生物共生体系,借鉴各生物间及生物与环境因子间的相互作用,降解、固定或转移污染物和营养物,提高水体生态系统的自净能力;通过建立复杂的食物链与食物网,提升生态系统的稳定性。

第一,建立多层级的水生植物群落结构。利用植物能够吸收水中无机盐类的性质,针对水体的不同部位,向水体中导入不同生活型的水生植物(表4-13),如挺水植物(茭白、香菇草、旱伞草等)、沉水植物(金鱼藻、苦草等)、浮水植物(睡莲)(图4-13),以促进水中悬浮物、污染质的沉降,吸收、转化、积累与降低水中悬浮物和营养盐的浓度和量,从而抑制与减少浮游藻类生产量,减少底泥的再悬浮,提高水的透明度,改善水质,同时水生植物群落的形成也为水生动物和昆虫提供栖居地。

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第二,合理投放滤食性鱼类与底栖动物。根据生态系统食物链和能量金字塔理论,合理构建以土著鱼类为主的具有不同生态位的特色鱼类群落,利用滤食性鱼类,如鲢鱼、鳙鱼等可以有效地去除水体中绿藻类物质,使水体的透明度增加;还有底栖动物,如蚌类、螺类等可以有效地去除水中悬浮的藻类及有机碎屑,提高河水的透明度,同时分泌促絮凝物质,使湖水中悬浮物质絮凝,促使水体变清等。建立多层次、按程序、定量投放鱼、虾、蟹、贝螺等水生动物技术体系,加速自净和有机质分解,减少水体沉积率,稳固底泥理化性质,净化水质的同时,鱼类也会产生经济产出。

第三,充分重视有益微生物群落的作用。使用有益菌(主要是分解有机物、去除氨氮、抑制藻类的光合细菌、硝化菌、芽孢杆菌等)和微小动物(大型溞、轮虫等),构建包含“生产者-消费者-分解者”的完整生态系统生物组分结构,连接食物链网的各个环节,结合应用定期回收割除和收获等方法,将水中的无机P和N盐类等营养物质迁移、转化并输出,以达到改善和控制水质的目的,最终使水系成为具自净能力、可自循环、具有生命力的水生生态系统,有利于长期有效地控制藻类和维持生态系统的健康。

3.路———交通穿行、休闲游憩与生态保育功能兼顾

平整片区道路,按照不同功能特点,设计生产路、田间路与游憩步道3种主要道路类型。同时,在田间设计生态沟渠与生物通道,提高田间水质净化能力,加强蛙类的生态保育。

1)生产路。宽2米,以节约工程成本、低碳循环利用、凸显乡土特色为出发点,主要设计碎石路与青砖路两种形式:①青砖路。通过人工拆除项目区内砖瓦式房屋,回收利用青砖、青瓦等建筑材料,用以铺建道路路面。②碎石路。循环利用项目区房屋拆除留下来的碎状石块,铺设以碎石、素土等材质的路面。

2)田间路。宽4米,以便于车辆通行,发挥海绵体作用为出发点,将田间路中央1米段设计为土质,两边则铺设水泥,一方面有效减少过往车辆对原土质道路的破坏,另一方面,保留中部道路的自然风貌,保留道路部分渗水功能。

3)游憩步道。宽1.5米,以减少人为干扰、保护物种多样性、发挥景观美化功能为出发点,结合生态技术和特殊处理手法,在池塘中央,铺设架空的木质栈道,以减少对水体动植物生境的破坏;合理设计栈道曲度,曲径通幽,野趣十足,增强其景观美化功能。

4)生态沟渠。在田埂周边建设生态沟渠,在沟底铺设多孔水泥板与碎石,后期种植牧草、水芹等植物,并在渠道中分段设置节制闸,减缓水流的速度,增加滞留时间,增加植物对养分的利用时间,也提高水体的自净能力,并起到给微小动物提供栖息地的作用。

5)生态通道。依托土地整治工程,在生态沟渠靠农田区域侧,搭建生态阶梯———两栖类动物生态通道,通过阶梯深度、坡度等指数的合理设置,保证青蛙能通过自身力量进出沟渠,有利于蛙类的迁移、栖息与繁育。

4.林———搭配季相变化树种,构建多层次植物群落

将农民搬迁后自留地上的桃树、柳树、石榴树等本土树种移植至水系、道路两侧,降低成本,循环利用,同时由于本土物种在原始生态系统生态位中的作用已经固定化,利用它们也能有效地维护生态平衡。种植水杉、香樟等本土常见乔木,搭配乌桕、银杏、合欢、美国红枫等观赏性强、外貌具季相变化的树种,并合理配备本土灌木、草本物种,构建“乔-灌-草”多层次的植物群落,增强林地的观赏性,提升植物多样性、丰富本土野生动物的栖息生境。

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