CN103321195A - 一种采用护坡技术的农田生态拦截沟渠及其构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用护坡技术的农田生态拦截沟渠及其构建方法。该沟渠横断面为倒梯形，沟底为预制多孔板，孔洞呈“S”型交错布置，孔内种植本地多年生水生植物；沟壁土体夯实后贴土铺设三维植物网并加盖预制多孔板，该板中上部分平行均布若干孔洞，孔内种植狗牙根复播黑麦草；进水端设格栅，出水端设可控排水闸门。通过植物种植孔的合理布设，并利用根系、植被网的锚固作用达到沟渠结构稳定。本发明的生态拦截沟渠，结构稳固，其结构稳定性基本能达到设施粮田建设的混凝土沟渠结构强度，可有效抵御农田排水水力侵蚀，同时可有效拦截农田特别是旱地排水中的悬浮物、氮磷等；且不占用耕地，工程造价低、操作简易，适于大面积推广应用。

Description

一种采用护坡技术的农田生态拦截沟渠及其构建方法

技术领域

本发明属于农业面源污染控制技术领域，具体涉及一种集农田防涝排滞功能和农田径流污染物拦截功能于一体，采用护坡技术的农田生态拦截沟渠及其构建方法。

背景技术

近年来，随着我国种植业生产现代化和集约化的高速发展，为片面追求高产，农田化肥施用过量和不合理使用情况日渐凸显，氮磷养分流失造成的太湖、滇池等重要水体富营养化现象日趋严重。2010年发布的第一次全国污染源普查公报显示，农业面源污染已成为我国水环境氮磷等污染物的主要来源。其中，太湖流域随着工业点源污染整治力度加强之后，农业面源污染影响流域水环境质量所占的比重日益增大，总氮的贡献在34～52%，总磷的贡献在17～54%，成为太湖流域水体富营养化的重要成因。

国内外就农业面源污染控制技术方面的研究，出现了人工湿地、植被缓冲带、多水塘***等多种技术形式，具有生态效益好、运行成本低等优点。但以上技术均需占用大面积耕地，在我国许多人多地少地区推广应用受到了限制。而我国专家学者在21世纪初就开始了生态沟渠的研究及应用工作，在农田径流污染物拦截技术研究上取得了显著成果，但由于过去对沟体结构设计重视不足，特别是由于沟壁往往坡度较大（＞60°），后期运行过程中普遍存在水力冲刷引起的沟壁崩塌、水生植物死亡等问题，进而导致生态沟渠净化效率大大降低。

发明内容

本发明的目的在于：根据种植业产生的面源污染特征，针对过去构建生态沟渠过程中出现的结构稳定性差等问题，提供一种符合结构强度要求，集农田防涝排滞功能和农田径流污染物拦截功能于一体，采用护坡技术的农田生态拦截沟渠及其构建方法。

本发明的构思：结合我国目前农田排水沟渠建设现状，在前人研究的基础上，将三维植物网护坡技术应用于生态拦截沟渠建设中，并根据沟渠排水***水力学和工程力学特征，合理布设植物种植孔，利用根系与三维植物网之间的锚固作用达到沟渠结构稳定，进而充分发挥其生态净化功能。

本发明的技术方案如下：

一种采用护坡技术的农田生态拦截沟渠，沟渠的进水端设有粗格栅，出水端设有可控排水闸门，沟体横断面为倒梯形，沟底和沟壁都铺设了预制多孔板，沟底、沟壁的多孔板孔洞内种植了水生植物；其特征在于：沟壁在预制多孔板下面，还紧贴夯实土体铺设了一层三维植物网；沟底预制多孔板上的孔洞呈“S”型交错排列。

优选方案：

沟体横断面尺寸优选：上宽1.5m，下宽0.5m，沟深1.0m；超高（即沟渠顶部的廊道压顶超出农田田面的高度）优选0.2m。

预制板开孔方式为：沟底板采用“S”型交错开孔方式开孔；沟壁板在底部预留一段高度（距底部约0.45m的高度）不开孔，距底部0.45m以上部分采用平行均布孔洞方式开孔。

沟底预制板为长方形，尺寸为500mm×1200mm，板厚40mm，其内铺设钢筋网；单块沟底板上设置5个呈“S”型布设的圆形孔洞（D150mm）。

沟壁预制板为长方形，尺寸为600mm×1200mm，板厚40mm，其内铺设钢筋网；单块沟壁板上设置12个平行均布的圆形孔洞（D100mm）。

沟壁预制板的顶端有一段钢筋超出混凝土的部分，施工时顶端钢筋超出部分伸入沟壁顶部的廊道压顶内部。

三维植物网型号优选EM2，宽1.0m，三维植物网3上端有一部分（100mm左右）伸入沟壁顶部的廊道压顶下面。

孔内水生植物为本地多年生水生植物品种，植物量大，氮磷养分需求高。

沟渠的进水端设置插板式粗格栅，出水端设置可控排水闸门；格栅置于农田排水口，以过滤大的悬浮物、杂草根茎等；可控排水闸门设置多种高度闸板，根据农田季节排水特征手工控制。另外，根据服务农田实际需求，可设置过道板、沟底溢流堰、粗格栅等辅助设施。

本发明中，沟体断面尺寸根据农田排水特征和工程结构力学设计，优选尺寸为：上宽1.5m，下宽0.5m和沟深1.0m，即确保在充分发挥沟渠防涝排滞功能的同时，显著增加其结构稳固性和使用寿命，设计思路如下：

（1）沟深

依据我国有关排水沟渠的设计要求，参考以往农田水利设施工程建设经验，治滞排水工程应以满足农作物全生育期要求的最大排滞深度为工程控制标准，而稻作区在晒田期3～5d内应确保地下水埋深降至0.4～0.6m。因此，结合上海地区田块沟渠间距（100～250m），沟渠采用平底，根据水流坡降，选取排滞深度0.6m，日常水深0.1~0.2m，超高0.2m，从而确定沟深为1.0m。

（2）横截面尺寸

规划设计的生态沟渠为排渍排涝两用，横截面尺寸根据排涝设计流量校核。本发明排涝功能满足10年一遇的1～3d暴雨3～5d排至耐淹水深的要求。上海地区10年一遇的1日降雨量为176mm左右，排涝设计模数按2.0m³/km².s计，在该流量下流速应满足不冲不淤的要求。

渠底宽度最小值一般为0.5m，边坡系数取0.25时，上宽1m，按流量校核，流速可满足规范要求。但考虑到生态拦截沟渠水生植物占用的渠道体积和当地的习惯做法，边坡系数适当放大，生态拦截沟渠边坡系数取0.4。综上，设计生态拦截沟渠横截面呈倒梯形，横截面尺寸为：沟深1.0m，底宽0.5m，上宽1.5m。

此外，预制板规格、混凝土标号、钢筋型号均可结合工程实际合理选择。预制板规格的选取主要考虑的是结构强度和施工便利，但厚度不能减（即沟底、沟壁预制板厚度应不小于40mm）。孔洞形状及尺寸选择也主要考虑到制作成本、固土能力等。种植不同水生植物可根据其植物量大小按经验设置孔径，鉴于孔洞开设对水泥板的结构影响，优选比面积最大的经典圆形孔。

本发明中沟渠尺寸确定的依据主要是达到排涝防滞要求，而针对结构稳定性设计的做法主要是开孔方式和三维植物网铺设。整个生态沟渠的设计应按照这样一条主线进行：首先满足排水要求：确定断面尺寸；其次考虑稳固性：开孔方法、铺设植物网等；第三考虑生态性：沟底水生植物“S”型种植、植物品种、株距等参数选择。

一种采用护坡技术的农田生态拦截沟渠的构建方法：首先根据排涝防滞要求、农田排水特征和工程结构力学设计，确定沟渠的横截面尺寸，整修或新开沟体，在沟渠的进水端设置格栅，出水端设置可控排水闸门；其次考虑沟体的稳固性：沟壁在土体夯实的基础上，贴紧铺设一层三维植物网，在三维植物网上加盖预制多孔板；沟底板采用“S”型交错开孔方式开孔；沟壁板在底部预留一段高度（距底部约0.45m的高度）不开孔，距底部0.45m以上部分采用平行均布孔洞方式开孔；第三考虑沟渠的生态性：在沟底板上呈“S”型排列的孔洞内种植植物量大、氮磷需求量大的本地多年生水生植物；在沟壁板上的平行均布孔洞内种植水生植物。

上述方法的具体包括如下步骤：

（1）确定沟体横断面尺寸优选：上宽1.5m，下宽0.5m，沟深1.0m，超高优选0.2m；按尺寸整修或新开沟体，并在沟底两侧下端浇筑素砼垫层；

（2）按照沟渠长度和沟壁两侧总面积，计算并购买所需的三维植物网；

（3）定做沟底预制板，优选：长方形，尺寸500mm×1200mm，板厚40mm，其内铺设钢筋网，板上开5个呈“S”型布设的圆形孔洞（D150mm）；定做沟壁预制板，优选：长方形，尺寸为600mm×1200mm，板厚40mm，其内铺设钢筋网，顶端预留一段钢筋与廊道压顶连接用，在距底部0.45m以上部分开12个平行均布的圆形孔洞(D100mm)；

（4）沟壁在土体夯实的基础上，贴紧铺设一层三维植物网，三维植物网上端有一部分（100mm左右）伸入沟壁顶部的廊道上；

（5）在三维植物网上铺盖沟壁预制多孔板，沟壁板底部置于素砼垫层上；沟壁板顶端预留的钢筋伸入沟埂的廊道上，并铺设竖向钢筋，然后在廊道上浇注水泥，形成廊道压顶，沟壁板顶端预留的钢筋即伸入廊道压顶内部；（三维植物网上端的超出部分即伸入廊道压顶下面；）

（6）在沟底铺设沟底预制多孔板，沟壁预制板下端有一小段在沟底板下面；

（7）在沟底板上呈“S”型排列的孔洞内种植茭白或黄菖蒲；在沟壁板上的平行均布孔洞内采用草皮移植方式种植狗牙根草，冬季复播黑麦草。

本发明是在原有“全混凝土预制板”型和简易土质沟渠的基础上，进行相应的工程改造，使其兼具排水和生态功能。通过三维植物网护坡技术的应用和沟底、沟壁预制板孔洞的合理设置，利用根系与植物网的锚固作用增强其结构稳定性，牢固程度接近设施粮田建设的混凝土沟渠要求。底板孔中种植本地多年生水生植物，根部可形成的良好的泌氧***，增强微生物活动，进而通过拦截、吸附、吸收等作用使得径流中氮磷等污染物得以去除。

为使农田径流排水流速减缓、增加其在渠道中的水力停留时间，本发明利用污水处理技术中的廊道原理，底板孔采用“S”型交错布设。通过底板孔的“S”型布设，水生植物达到成熟期后，通过植株挡阻作用，可有效促进颗粒物沉淀，进而大大增加吸附态氮磷的去除，并有效地配合了植物根部泌氧***的吸附、吸收、好氧厌氧作用。另外，合理的沟壁、沟底水生植物配置，还能形成良好的生态景观，并根据品种不同可产生相应的经济收益。

本发明的有益效果：

本发明一种采用护坡技术的农田生态拦截沟渠，沟体结构稳定性基本能达到设施粮田建设的混凝土沟渠结构强度，同时可有效拦截农田特别是旱地排水中的悬浮物、氮磷等。本发明具有结构稳定、污染物拦截效果好、工程造价和维护成本低、景观效果好等优点，具有良好的推广应用价值。

本发明一种采用护坡技术的农田生态拦截沟渠，具有如下特点：一是结构较为稳固，可有效抵御降雨及沟渠下部排水造成的水力侵蚀，进而大大降低后期维护管理费用；二是对径流排水污染物能够起到有效的拦截作用，氮的拦截率约为45-55%，磷的拦截率为50-65%，尤其对水中颗粒物（SS）拦截率可达90%以上；三是由于该发明是基于原有农田沟渠改造，达到了不占用耕地的目的，工程成本低、操作简易，尤其适合在太湖流域乃至我国东部平原河网地区大面积推广应用。

附图说明

图1为本发明的农田生态拦截沟渠的横断面示意图；

图2为本发明的农田生态拦截沟渠的沟底板结构示意图；

图3为本发明的农田生态拦截沟渠的沟壁板结构的示意图；

图4为本发明的农田生态拦截沟渠的廊道压顶示意图；

图5为本发明的农田生态拦截沟渠的出水可控闸板示意图；

图6为本发明的农田生态拦截沟渠的剖面效果图。

图中：1、沟壁板2、沟底板3、三维植物网4、排水闸门5、钢筋网6、沟壁板顶端钢筋超出部分7、廊道压顶8、田面9、素砼垫层10、农田土11、夯实土12、圆形孔洞

具体实施方式

实施例1

该项应用试验工程位于上海市青浦区练塘镇泾花村（E120.998°，N30.963°），匹配农田为水稻田，面源污染程度较为严重，且原有排水沟渠为简易土沟，存在排水不畅、晒田困难等突出问题。由此，基于黄浦江上游青西地区农田排涝防渍要求，按照本设计提供的技术参数将其改造为兼具防涝排滞功能与生态拦截功能的农田生态拦截沟渠。

如图1所示，农田生态拦截沟渠的沟体横断面为倒梯形，两侧的沟壁板1和沟底板2均为预制多孔板，沟壁板与土体之间增设一层三维植物网3，以降低水力侵蚀造成的破坏，增强沟体结构稳定性。沟体横断面尺寸为：上宽1.5m，下宽0.5m，沟深1.0m，超高0.2m(即沟渠顶部的廊道压顶7超出农田田面8的高度)。三维植物网型号为EM2，宽1.0m，三维植物网3铺设时其上端有一部分（100mm左右）伸入沟壁顶部的廊道压顶7下面。

如图2所示，沟底预制板为长方形，混凝土（C20）制，尺寸为500mm×1200mm，板厚40mm，其内铺设HPB300级热轧钢筋网（Φ4mm）。沟底板上的圆形底板孔呈“S”型布设，单板设置5个圆形孔洞12（D150mm），孔洞内种植茭白，该植物具有植物量大，氮磷吸收利用效率高等优点。

如图3所示，沟壁预制板为长方形，混凝土（C20）制，尺寸为600mm×1200mm，板厚40mm，其内铺设HPB300级热轧钢筋网（Φ4mm）。沟壁板距底部0.45m以上部分采用平行均布孔洞方式，单板设置12个圆形孔洞（D100mm），施工时沟壁板下端靠底部有一段要深入沟底板下面，如图1所示，沟壁板底部搭靠在素砼垫层9上，施工完成后沟壁板最下一层孔洞距沟底的垂直距离为0.25m。在沟壁板距底部的圆形孔洞12内，采用草皮移植方式种植狗牙根草，并在冬季复播黑麦草。

如图3、图4所示，沟壁板顶端有一段钢筋超出部分超出混凝土的长度为100mm左右，沟壁板顶端钢筋超出部分6伸入沟壁顶部的廊道压顶7内部。

如图5所示，在沟渠的出水端设置手工可控不同水位的排水闸门4，以控制不同降雨时段农田径流排水在生态拦截沟渠中的滞留时间，且操作简单，便于推广。

此外，在生态拦截沟渠的进水端设置了插板式粗格栅，尺寸为500mm×900mm。另外还设置了过道板、沟底溢流堰等其它辅助设施。

本实施例应用本发明的农田生态拦截沟渠达到的效果：一、结构较为稳固，可有效抵御降雨及沟渠下部排水造成的水力侵蚀，大大降低后期维护管理费用；二、对径流排水污染物能够起到有效的拦截作用，农田排水污染物含量根据作物生长期不同而有较大差异，氮的拦截率为45-55%，磷的拦截率为50-65%，但排水中颗粒物（SS）拦截率均可达90%以上；三是基于原有农田沟渠改造，达到了不占用耕地的目的，工程成本低、操作简易。

实施例2

该项应用试验工程位于上海市青浦现代农业园区（E121.029°，N30.966°），匹配农田为水稻田，面源污染程度较为严重，且原有排水沟渠为损毁严重的“三面光”全混凝土沟渠，无生态净化功能。由此，基于黄浦江上游青西地区农田排涝防渍要求，按照本设计提供的技术参数将其改造为兼具防涝排滞与生态拦截功能的农田生态拦截沟渠。

如图1所示，农田生态拦截沟渠的沟体横断面为倒梯形，两侧的沟壁板1和沟底板2均为预制多孔板，沟壁板与土体之间增设一层三维植物网3，以增强沟体稳定性。沟体横断面尺寸为：上宽1.5m，下宽0.5m，沟深1.0m，超高0.15m。三维植物网型号为EM3，宽1.0m三维植物网3的上端有一部分(100mm左右）伸入沟壁顶部的廊道压顶7下面。

如图2、图3、图4所示，沟底、沟壁预制板的材料、尺寸和铺设方法，以及板上的开孔方式、孔洞数量、大小同实施例1一样。沟底板圆形孔洞“S”型交错布设，孔内种植黄菖蒲，具有植物量大，氮磷吸收吸量大，景观效果好等优点。沟壁板于中上部（距底部0.45m以上）平行均布圆形孔洞，采用草皮移植方式种植狗牙根草，并在冬季复播黑麦草。

如图5所示，在生态拦截沟渠的进水端设置了插板式粗格栅，尺寸为500mm×920mm，出水端设置了手工可控不同水位的排水闸门4，另外还设置了过道板、沟底溢流堰等其它辅助设施。

本实施例应用本发明的农田生态拦截沟渠达到的效果：一、结构较为稳固，可有效抵御水力侵蚀，进而大大降低后期维护管理费用；二、对径流排水污染物能够起到有效的拦截作用，农田排水污染物含量根据作物生长期不同而有较大差异，氮的拦截率为45-55%，磷的拦截率为50-65%，但颗粒物（SS）拦截率均可达90%以上；三、基于原有农田沟渠改造，达到了不占用耕地的目的，工程成本低、操作简易。

Claims (10)

1.一种采用护坡技术的农田生态拦截沟渠，沟渠的进水端设有格栅，出水端设有可控排水闸门，沟体横断面为倒梯形，沟底和沟壁均铺设了预制多孔板，沟底、沟壁两侧的多孔板孔洞内种植了水生植物；其特征在于：沟壁两侧在预制多孔板下面，还紧贴夯实土体铺设了一层三维植物网；沟底预制多孔板上的孔洞呈“S”型交错排列；沟壁预制多孔板在底部预留一段高度不开孔，其上部分采用平行均布孔洞的方式开孔。

2.如权利要求1所述的采用护坡技术的农田生态拦截沟渠，其特征在于：所述沟体横断面尺寸为：上宽1.5m，下宽0.5m，沟深1.0m。

3.如权利要求1或2所述的采用护坡技术的农田生态拦截沟渠，其特征在于：沟底、沟壁预制板厚度均不小于40mm，其内铺设钢筋网；沟壁预制多孔板在距底部0.45m以上部分采用平行均布方式开孔。

4.如权利要求3所述的采用护坡技术的农田生态拦截沟渠，其特征在于：沟壁预制板顶端有一段钢筋超出部分伸入廊道压顶内部；沟壁预制板下端有一小段深入沟底板下面，沟壁板底部置于沟底板下面的素砼垫层之上；三维植物网上端有一部分伸入沟壁顶部的廊道压顶下面。

5.如权利要求4所述的采用护坡技术的农田生态拦截沟渠，其特征在于：沟底板孔洞内种植植物量大、氮磷需求量大的本地多年生水生植物茭白或黄菖蒲；沟壁板孔洞采用草皮移植方式种植狗牙根草，冬季复播黑麦草。

6.如权利要求5所述的采用护坡技术的农田生态拦截沟渠，其特征在于：沟底预制板为长方形，尺寸为500mm×1200mm；沟壁预制板为长方形，尺寸为600mm×1200mm。

7.如权利要求6所述的采用护坡技术的农田生态拦截沟渠，其特征在于：单块沟底板上设置5个呈“S”型布设的圆形孔洞，每个圆孔直径为150mm；单块沟壁板上设置12个平行均布的圆形孔洞，每个圆孔直径为100mm。

8.如权利要求7所述的采用护坡技术的农田生态拦截沟渠，其特征在于：三维植物网型号为EM2；沟渠的进水端设置的格栅为插板式粗格栅。

9.一种如权利要求1-8所述的采用护坡技术的农田生态拦截沟渠的构建方法，其特征在于：首先根据排涝防滞要求和当地农田排水特征，确定沟渠的横截面尺寸，整修或新开沟体，在沟渠的进水端设置格栅，出水端设置可控排水闸门；其次按照工程结构力学设计要点，确保沟体的稳固性：沟壁在土体夯实的基础上，贴紧铺设一层三维植物网，在三维植物网上加盖预制多孔板；沟底板采用“S”型交错开孔方式开孔；沟壁板在底部预留一段高度不开孔，其上以上部分采用平行均布孔洞方式开孔；第三考虑沟渠的生态性：在沟底板上呈“S”型排列的孔洞内种植植物量大、氮磷需求量大的本地多年生水生植物；在沟壁板上的平行均布孔洞内种植水生植物。

10.如权利要求9所述的采用护坡技术的农田生态拦截沟渠的构建方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）确定沟体横断面尺寸为：上宽1.5m，下宽0.5m，沟深1.0m；按尺寸整修或新开沟体，并在沟底两侧下端浇筑素砼垫层；

（2）按照沟渠长度和沟壁两侧总面积，计算并购买所需的三维植物网E2；

（3）定做沟底预制板：长方形，尺寸为500mm×1200mm，板厚40mm，其内铺设钢筋网，板上开5个呈“S”型布设的圆形孔洞（D150mm）；定做沟壁预制板：长方形，尺寸为600mm×1200mm，板厚40mm，其内铺设钢筋网，顶端预留一段钢筋与廊道压顶连接用，在距底部0.45m以上部分开12个平行均布的圆形孔洞(D100mm)；

（4）沟壁在土体夯实的基础上，贴紧铺设一层三维植物网，三维植物网上端有一部分伸入沟壁顶部的廊道上；

（5）在三维植物网上铺盖沟壁预制多孔板，沟壁板底部置于素砼垫层上；沟壁板顶端预留的钢筋伸入沟埂的廊道上，并铺设竖向钢筋，然后在廊道上浇注水泥，形成廊道压顶，沟壁板顶端预留的钢筋即伸入廊道压顶内部；

（6）在沟底铺设沟底预制多孔板，沟壁预制板下端有一小段在沟底板下面；

（7）在沟底板上呈“S”型排列的孔洞内种植茭白或黄菖蒲；在沟壁板上的平行均布孔洞内采用草皮移植方式种植狗牙根草，冬季复播黑麦草。

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