CN104452705B - 一种削减氮磷负荷的梯田式坡耕地多功能生态沟渠*** - Google Patents
一种削减氮磷负荷的梯田式坡耕地多功能生态沟渠*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种削减氮磷负荷的梯田式坡耕地多功能生态沟渠***,该***包括生态排水纵干渠与生态排水横支沟，所述的生态排水纵干渠内间隔10m设置减低流速、截留泥沙的生态袋溢流堰，其沟内种植抗侵蚀的植被，生态排水横支沟内间隔15~20m设置过滤悬浮杂质、吸附氮磷的生态袋渗透墙，其沟内种植易于吸收氮磷的植被，生态排水纵干渠与生态排水横支沟之间设置溢流堰。本发明通过改变水流方向、降低水流动能，实现拦截与吸附氮磷及泥沙、净化水质、排水与蓄水功能，从而减轻下游水体氮磷污染、增强氮磷循环利用，提高土壤保水保肥，实现增收。
Description
技术领域
本发明属于坡耕地改良及水肥保持***领域，具体涉及一种削减氮磷负荷的梯田式坡耕地多功能生态沟渠***。
背景技术
坡耕地因其特殊的地形条件及人为耕作的影响，在降雨尤其是暴雨条件下，坡耕地中的氮磷等营养物及表层熟土易被径流带走，造成下游水体氮磷污染及泥沙淤积，同时导致土壤贫瘠、地力下降、农作物减产；而不降雨时，由于坡耕地保水性能差，又易造成干旱，作物减产，农民减收。因而，坡耕地在不实施有效保护的条件下，易使其陷入一种土壤侵蚀加重、土壤更加贫瘠与干旱、农作物减产、下游湖库淤积与污染的恶性循环，进而形成下游水体氮磷污染加剧，土壤贫瘠与干旱更加突出的局面。据统计，坡耕地是中国耕地资源的重要组成部分，其水土流失量占总流失量的50%~80%，是湖库淤积的主要来源以及水体氮磷负荷的重要贡献者。
在现有技术中，对于减少坡耕地氮磷流失、强化氮磷循环利用、实现保肥、保水与减轻下游水体氮磷污染、减少泥沙淤积等多项目标往往不能兼顾，中国专利文献CN102986328 A通过施用化控制剂的技术手段来降低坡面的污染物流失与水土侵蚀，但所使用的土壤结构改良剂、保水剂及植物抗蒸腾剂等化学制剂对环境存在潜在影响;中国专利文献CN 102177776 A根据坡面细沟侵蚀发生临界坡长设计坡面间隔并据此沿等高线修筑梯坎来减轻水土流失，但不能实现保水及氮磷的循环利用；或者采用中国专利文献CN102239760 A利用纵横交错的横沟、顺坡地沟及排水沟等拦蓄和排导径流，减少径流侵蚀，增加降水入渗，但降雨过后，除前期的雨水下渗外，其余径流皆外排，不能有效拦蓄氮磷，也不能实现保水来增加持续抗旱能力，并且工程量较大，土地利用率小。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种削减氮磷负荷的梯田式坡耕地多功能生态沟渠***，该***能够减少坡耕地氮磷流失、加强氮磷的循环利用，保水、保肥及减轻下游水体氮磷污染、水体淤积、且本发明工程量小。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案为：
一种削减氮磷负荷的坡耕地多功能生态沟渠***，其目的是这样实现的：从耕地坡顶至坡角开挖生态排水纵干渠与沿等高线方向开挖生态排水横支沟，所述的生态排水纵干渠与生态排水横支沟之间通过溢流堰相连，溢流堰的顶部同生态排水横支沟的坝顶距离为10-12cm。
所述的生态排水纵干渠的横剖面大小与所对应坡面的设计排水流量（设计排水流量是根据一定设计降雨强度、降雨历时以及汇水面积确定）有关，纵干渠的剖面为半圆形，横剖面面积为设计排水流量同流速的比值，为避免汇入生态排水纵干渠的径流倒流入农田内，保证生态排水纵干渠所对应坡面的设计排水流量从干渠顺利排走，生态排水纵干渠的有效排水断面是从生态排水纵干渠与生态排水横支沟之间的溢流堰顶部算起至渠底所对应的横断面面积，渠内种植抗旱耐瘠、根系发达、种子较少、植株较矮的水土保持效果良好地植被，渠内间隔10m设置高度为生态排水纵干渠渠深1/4的吸附氮磷、拦截泥沙的生态袋溢流堰，其生态袋袋体选择具有无毒、抗老化等特点的材质，袋内填装含有耐旱抗涝植被种子的土壤。在条件满足的情况下，袋内的种子可发芽生长。该设计可以增大坡面的抗侵蚀性能以及进一步拦蓄泥沙，减少泥沙与氮磷的排放。
所述的生态排水横支沟的横剖面大小与设计降雨强度及截留初期雨水体积有关，横支沟的剖面为梯形，且为保证生态排水横支沟内有效截留初期径流量，其有效排水断面是从生态排水纵干渠与生态排水横支沟之间的溢流堰顶部算起至沟底所对应的横断面面积。其间隔按照坡面细沟侵蚀发生临界坡长设计，沟内间隔15~20m设置过滤悬浮杂质、吸附氮磷的生态袋渗透墙，生态袋渗透墙的高度为生态排水横支沟沟深的1/2，其生态袋袋体选择具有无毒、抗老化等特点的材质，袋内填装易吸附氮磷且透水的砂石，其沟内种植的易于吸收氮磷、抗旱耐涝耐瘠的植被。
所述的生态排水横支沟根据地形条件在生态排水纵干渠的一侧或其两侧分别设置，生态排水横支沟的间隔按照坡面细沟侵蚀发生临界坡长设计，并设置坡度i=0.003，坡向生态排水纵干渠。
降雨径流是坡耕地中氮磷流失的主要驱动因素。在降雨动能及径流溶蚀的作用下，坡耕地中的氮磷等营养物质随径流及泥沙迁移至下游水体，因此，径流与泥沙是携带氮磷的主要载体，尤其是泥沙更易于吸附氮磷。此外，根据坡耕地降雨径流模拟试验结果显示，在不同坡度条件下，氮、磷等物质在降雨径流前30分钟内累计迁移量大于70%，黏粒含量在前10min的径流泥沙内均大于随后的10min及其剩余的时间段，说明在不同坡度条件下，坡耕地具有明显的暴雨初始冲刷效应。因此，强化对坡耕地径流与泥沙的处置，尤其是初期径流与泥沙的有效管理与处置，会对削减水体氮磷负荷、加强氮磷循环利用及减少湖库淤积起到重要作用。本发明遵循物质生态循环与可持续利用理念，运用坡耕地暴雨初始冲刷规律及连续流动量规律，并按照坡面细沟侵蚀发生临界坡长设计建造的多功能排水生态沟渠，通过生态排水横支沟截留并蓄存初期径流以及利用沟渠内生态袋溢流堰、生态袋渗透墙及沟渠之间的溢流堰等多重措施，改变水流方向，削减水体动能，促进泥沙沉积，从而可有效地截留、吸附氮磷及泥沙，以及利用沟内种植的植被来进一步吸收氮磷，减轻下游水体泥沙淤积及氮磷污染。
对于生态袋溢流堰所拦截的泥沙及在生态排水横支沟内沉积的淤泥淤沙，可以一年为周期，在秋末沟渠内植物收割后，将吸附大量氮磷等营养物的淤泥淤沙作为肥料重新归田，此目的是保障未来年份沟渠对径流的拦蓄与排导功能，实现沟渠可持续利用的同时，保证氮磷的循环利用、增强土壤肥力。
本发明的重要特性是生态排水纵干渠与生态排水横支沟之间通过溢流堰相连。初期径流首先汇集于生态排水横支沟内，当生态排水横支沟的水位高于生态排水纵干渠与生态排水横支沟间设置的溢流堰时，生态排水横支沟内的径流将汇于生态排水纵干渠，当降雨停止后，部分雨水仍滞留于生态排水横支沟内并慢慢渗透补给农田作物用水，可有效增大非降雨时段坡耕地的持续抗旱能力，提高土壤墒情和农作物产量。
本发明的优点：
1. 有效吸附、截留氮磷及泥沙，削减氮磷的排放。
2. 强化氮磷循环利用，保肥功效突出，能够减少表层熟土的侵蚀，增强土壤肥力，实现农业增产、农民增收的功效。
3. 保水功效明显。
附图说明
图1是本发明的平面示意图。
图2是图1中生态排水横支沟与纵干渠的B-B剖面图及二者之间的关系图。
图3为图1中生态排水横支沟的A-A剖面图。
图中：1.生态排水纵干渠，2.生态排水横支沟，3. 生态袋溢流堰，4. 干渠与支沟间溢流堰，5. 生态袋渗透墙，6. 抗旱耐瘠、根系发达、种子较少、植株较矮的水土保持效果良好地植被，7. 易吸收氮磷的植被。
具体实施方式
下面，结合附图对本发明做进一步说明。
本发明提供的一种削减氮磷负荷的坡耕地多功能生态沟渠***主要包括：从耕地坡顶至坡脚开挖生态排水纵干渠1，所述的生态排水纵干渠1的横剖面大小与所对应坡面的设计排水流量有关，且为避免汇入生态排水纵干渠1的径流倒流入农田内，保证生态排水纵干渠1所对应坡面的设计排水流量从干渠顺利排走，生态排水纵干渠1的有效排水断面是从溢流堰4的顶部算起至生态排水纵干渠1的渠底所对应的横断面面积。渠内种植抗旱耐瘠、根系发达、种子较少、植株较矮的水土保持效果良好地植被6，渠内间隔10m左右设置约为干渠深度1/4的吸附氮磷、拦截泥沙的生态袋溢流堰3，其生态袋袋体选择具有无毒、抗老化等特点的材质，袋内填装含有耐旱抗涝植被种子的土壤，在条件满足的情况下，袋内的种子可发芽生长。该设计可以增大坡面的抗侵蚀性能以及进一步拦蓄泥沙，减少泥沙与氮磷的排放。
生态排水纵干渠1的布局，可根据地形条件，在生态排水横支沟2的一端设置一条或其两端分别设置。
生态排水横支沟2沿等高线方向开挖，其的横剖面大小与设计降雨强度及截留初期雨水体积有关，且为保证生态排水横支沟2内有效截留初期径流量，其有效排水断面是从溢流堰4的顶部算起至生态排水横支沟2的沟顶所对应的横断面面积。生态排水横支沟2的间隔按照坡面细沟侵蚀发生临界坡长设计，其坡度i介于0.002~0.003，坡向生态排水纵干渠1，沟内间隔15~20m设置过滤悬浮杂质、吸附氮磷的生态袋渗透墙5，其高度约为生态排水横支沟2的沟深1/2，其生态袋袋体选择具有无毒、抗老化等特点的材质，袋内填装易吸附氮磷且透水的砂石，其沟坡及沟底种植易于吸收氮磷、抗旱耐涝耐瘠的植被7。该设计可以在不同雨强条件下，最大程度地增强氮磷的截留与吸附，减少氮磷的排放，改善坡地的保水条件，实现雨水的持续利用。
所述的生态排水纵干渠1与生态排水横支沟2之间通过溢流堰4相连。坡面初期径流首先汇集于生态排水横支沟2内，其中的氮磷、泥沙及悬浮物质被层层设置的生态袋渗透墙5及植被7拦截、吸附与过滤，当生态排水横支沟2的水位高于生态排水纵干渠1与生态排水横支沟2间设置的溢流堰4时，生态排水横支沟内的径流将漫过溢流堰4，汇于生态排水纵干渠排放；当降雨停止后，由于溢流堰4的存在，使低于溢流堰4的雨水将储蓄在生态排水横支沟内，以此保证未来非降雨时段内雨水的持续渗透补给农田作物用水，进而可有效增大非降雨时段坡耕地的持续抗旱能力。
对于生态袋溢流堰3所拦截的泥沙及在生态排水横支沟2内沉积的淤泥淤沙，可以一年为周期，在秋末沟内植物收割后，将吸附大量氮磷等营养物的泥沙重新归田。
实施例1
本实施例所选区域为汉库上游某坡耕地试验区，上陡下缓，上部坡度为10~15度，下部坡度为5~7度，坡向朝东。该区内的纵向干道将研究区划分为南北两对称地块，坡长均为60m，宽100m，其中，北地块按照生态沟渠的设计方法构建，南地块采用常规的耕作模式做比对，植物均为金银花、芍药等当地药材。
研究区的降雨强度 ，径流系数采用0.2，TM—设计降雨的重现期，年；t---地面集水时间，取15min；两地块的汇流面积均为0.6hm2，根据前期研究，初期径流量取降雨历时30min所对应的径流量。研究区不同重现期降雨强度与干渠出口径流量如表1所示。
表1 ：研究区不同重现期降雨强度与干渠出口径流量
1. 生态排水纵干渠的构建
沿着研究区干道靠近耕地一侧从坡顶至坡脚开挖的排水纵干渠，其有效横剖面大小按照表1中降雨重现期及干渠出口径流量设计构建。将渠内流速按照草皮明渠流速1.6m/s计算，重现期100年，对应的径流量为0.69m3/s，其有效排水横断面面积则为0.43m2，由于出现重现期为100年的几率较小，所以，从经济性、工程量大小及安全性考虑，其有效排水断面面积取0.40m2能够满足排水要求。另外，根据场地大小及流量、流速要求，设定断面宽约1.20m，有效水深0.50m再加上溢流堰(生态排水纵干渠与生态排水横支沟之间)堰顶与生态排水纵干渠的坝顶之间的距离0.12 m，总的渠深为0.62m；渠内种植抗旱耐瘠、根系发达、种子较少、植株较矮的水土保持效果良好的绊根草，渠内间隔10m设置约为15cm高度的拦截泥沙的生态袋溢流堰，其生态袋袋体选择具有无毒、抗老化等特点的材质--聚丙烯，袋内填装含有耐旱抗涝的绊根草种子的土壤。
2. 生态排水横支沟的构建
根据坡面细沟侵蚀发生临界坡长的试验结果及试验径流区的地形条件，从坡顶至坡脚建5条沿等高线走向的生态排水横支沟，间距分别是9m、9m、12m、12m、13m，从而将整个地块分为5个小地块，命名为沟一、沟二、沟三、沟四、沟五，不同沟渠拦蓄初期径流量所需要的容积（单位：m3）如表2所示。
表2：不同重现期各沟渠拦蓄初期径流量的容积单位：（m3）
从表2可以看出，不同沟渠需拦蓄的初期径流体积不同，但从经济性、工程量大小及安全性考虑，确定生态排水横支沟的容积大小为25m3即可，由于沟长为100m，据此，其支沟蓄水横面面积确定为0.25m2，并根据土壤厚度、地形坡度等特性，确定沟顶宽0.9m，沟底宽0.5m，有效沟深0.38m再加上溢流堰(生态排水纵干渠与生态排水横支沟之间)堰顶与生态排水横支沟的沟顶之间的距离0.12 m，总的沟深为0.50m；沟内种植易于吸收氮磷、抗旱耐涝耐瘠的植被—石菖蒲，其沟内间隔18m设置过滤悬浮杂质、吸附氮磷的生态袋渗透墙，生态袋渗透墙的高度约为25cm，其生态袋袋体选择具有无毒、抗老化等特点的材质—聚丙烯，袋内填装易吸附氮磷且透水的砂石。
3.生态排水纵干渠与生态排水横支沟之间用溢流堰连接，溢流堰的顶部距离生态排水纵干渠坝顶10~12cm。
4.将开挖生态沟渠的土壤以减少耕地坡度为目的放置于各自小地块内，可在构建沟渠的同时，弱化侵蚀条件，减少土壤侵蚀。
5.各小地块内辅助等高垄作模式。
6. 将南北两地块出口处的径流进行收集，北地块与南地块相比，氮磷排放的减少量达到69.2%和61.5%，减沙效益达到84.3%，并且由于北地块明显的保水保肥效益，药材增产约11.6%。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受实施例的限制，其它任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、组合、替代、简化均应为等效替换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种削减氮磷负荷的梯田式坡耕地多功能生态沟渠***，包括生态排水纵干渠（1）与生态排水横支沟（2），其特征在于，生态排水纵干渠（1），纵干渠的剖面为半圆形，渠内每隔10m设置生态袋溢流堰（3），且渠内种植抗旱耐瘠、根系发达、种子较少、植株较矮的水土保持效果良好地植被（6）；生态排水横支沟（2），横支沟的剖面为梯形，沟内每隔15~20m设置生态袋渗透墙（5）且沟内种植易吸收氮磷的植被（7），生态排水纵干渠（1）与各生态排水横支沟（2）通过溢流堰（4）相连；
所述溢流堰（4）的顶部同生态排水纵干渠（1）的坝顶或生态排水横支沟（2）的坝顶距离为10~12cm；
所述生态袋溢流堰（3）的高度为生态排水纵干渠（1）渠深的1/4；
所述生态袋渗透墙（5）的高度为生态排水横支沟（2）沟深的1/2。
2.根据权利要求1所述的梯田式坡耕地多功能生态沟渠***，其特征在于：所述生态排水纵干渠（1）的横剖面面积为设计排水流量同流速的比值，有效排水断面是从溢流堰（4）的顶部至生态排水纵干渠（1）的渠底所对应的横断面面积。
3.根据权利要求1所述的梯田式坡耕地多功能生态沟渠***，其特征在于：所述生态排水横支沟（2）的有效排水断面是从溢流堰（4）的顶部至生态排水横支沟（2）的坝顶所对应的横断面面积。
4.根据权利要求1所述的梯田式坡耕地多功能生态沟渠***，其特征在于：所述的生态排水横支沟（2）根据地形条件在生态排水纵干渠（1）的一侧或其两侧分别设置，生态排水横支沟（2）的间隔按照坡面细沟侵蚀发生临界坡长设计，并设置坡度i=0.003，坡向生态排水纵干渠（1）。
5.根据权利要求1所述的梯田式坡耕地多功能生态沟渠***，其特征在于：所述生态袋溢流堰（3）的生态袋袋内含有耐旱抗涝植被种子的土壤，袋体为无毒、抗老化材料。
6.根据权利要求1所述的梯田式坡耕地多功能生态沟渠***，其特征在于：所述生态袋渗透墙（5）的生态袋袋内填装易吸附氮磷且透水的砂石，袋体为无毒、抗老化材料。
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