区域农田污染整治工程总体框架与规划方案研究

区域农田污染整治工程总体框架与规划方案研究

0农业面源污染防控与土地整理产业发展现状土地恢复是最宝贵的自然资源，具有生产、空间承担状和环境保护等功能。人类活动对土地自然生态系统扰动程度的提高,化石能源的大量投入,致使区域耕地污染程度日益加剧,降低了土地利用的价值与效益,给人类的健康和食品安全造成潜在危害。农业污染可分为点源污染和面源污染,随着科学技术的提高,点源污染防治技术逐渐成熟,而农业非点源污染由于其周期长、隐蔽性强以及危害范围大的特点越来越受到人们的关注。据统计,2006年全国受污染的耕地面积达1000×104hm2,污水灌溉耕地面积216.67×104hm2,固体废弃物堆存占地和毁田面积为13.33×104hm2,合计约占耕地总面积的1/10以上,目前中国农业面源污染占面源污染总量的68%~83%。针对面源污染的严峻形式,中国政府从管理、理论、实践等方面对农业面源污染做了大量研究,如《农田灌溉水质标准》的制定,土壤修复工艺、配方施肥技术的研究与应用。有学者从计算机、空间信息技术角度进行了面源污染研究,如彭盛华等以汉水流域为例,以1:100万数字化地图数据ArcChina为基础,开发了基于GIS技术的汉水流域水文水环境信息系统;也有学者从土壤与植物方面进行分析,如路炳军等指出土壤流失量与植被覆盖度之间呈负指数相关关系。这些研究对农业非点源污染防控与治理具有重要的指导意义。但现有技术与研究多以农业面源污染现状为基础,进行技术流程的设计,并且现有研究多注重对污染后农田的治理措施与方法的研究。而在土地利用源头及过程中,结合工程技术进行农田污染防控鲜见报道。土地整理是对土地利用状态的重新组织,通过土地平整工程、农田水利用工程、道路工程以及农田防护工程等土地整理工程,实现对现有土地的状态调整与改造,以满足人们的生产生活需求。而现有的土地整理工程主要为提高农业利用率和产出率提供和创造有利条件,农业面源污染防控薄弱,导致建成项目防控体系薄弱,同时由于土地整理后项目区化肥、农药等投入强度提高,加大了区域农田生态环境风险。因此,笔者基于土地利用工程技术角度,系统梳理与设计了农田污染防控主要构件,结合土地整理工程,探讨了土地整治田间工程污染防控方案,拓展了土地整理工程内容,为区域土地整理规划设计提供借鉴。1农业污染防治工程重要性1.1农田重金属污染严重中国农田污染形势严峻,与1985年相比,全国化肥施用密度增加了1.4倍,农药使用密度增加了1.89倍,畜禽粪便污染密度增加了1.0倍,农膜年残留量高达30.00×104t,导致地力下降,削弱了农田抗旱能力。尽管存在地域差异,但是土壤重金属含量普遍严重超标,如云南个旧砷量超标100倍以上,湘江中下游衡阳——长沙段沿岸农田土壤镉、铅、锌含量分别超标7.97倍、3.69倍和1.63倍,华南地区部分城市50%的耕地遭受镉、砷、汞等有毒重金属和石油类有机物污染,农田污染在粮食产量、食品安全和生态环境方面造成了严重的负面影响。农田重金属污染导致长江三角洲地区农田10%的土壤基本丧失生产力,全国约1/5耕地受到重金属污染,每年因重金属污染而减产粮食1000.00×104t;全国受污水污染的农田达约330×104hm2;部分地区蔬菜硝酸盐和亚硝酸盐含量已高达3000~4000mg/kg;农药、化肥的过量使用造成水质污染严重,将近50%的地下水被农业面源污染影响。1.2污染源的主要来源根据农田污染形态可以分为大气污染、水污染、固体废弃物污染和农业污染。其中,大气污染物主要来自被污染的大气,污染物主要集中在土壤表层,如SO2、NO2等酸性气体,通过酸雨形式降落到地面,破坏土壤肥力与生态系统;水污染的污染物主要来自城乡工业废水和生活污水,以及农用灌溉的排放水。污染物通常以污灌、污水等形式进入环境,主要集中在土壤表层;固体废弃物污染物主要来自工厂固体废弃物、废渣、垃圾和污泥等,直接或间接进入农业环境,使周围的土壤、地下水和地表水受到污染;农业污染物主要来自农药、化肥等。根据污染来源可以分为外源污染和内源污染,外源污染指的是城市、工业等所引起农田污染,内源污染主要指农业生产自身(如农药、化肥等)所造成的污染。农田污染具有面积大、时间长、隐蔽性强等特点,同时还具有滞后性、随机性和难以检测性的特征。随着近年来农田系统污染的趋势不断加剧,污染源逐步由工业为主与工农并重,向以农业自身为主的方向转变。2作物污染防治工程正在开展中2.1非工程措施农田污染防控从管理措施角度出发,可以分为工程措施和非工程措施。工程措施包括修建沉沙池、集水建筑物、水处理设施等;非工程措施主要体现在农业管理制度、农药化肥施用控制等。非工程措施综合性较高,涉及的生产部门较广,而工程性措施则时间短、见效快,对农业生产、农时影响较小。农田污染防控工程建设的主要目标:(1)从源头上减少外源污染对农田地力、产量和生产环境的影响;(2)减少农田利用中所产生的内源污染的负效应,减少农业污染对水资源、农田外部环境的污染。2.2主要工程建设措施从工程技术角度出发,以土地整治为契机,紧密结合土地整治工程技术体系中已形成的土地平整工程、灌溉排水工程、田间道路工程和农田防护工程等工程措施,坚持“因地制宜,生态治理”,充分利用当地自然条件,合理进行工程技术改造,满足生态系统可持续性的需求,符合水文学和工程力学的规律,确保工程设施的安全、稳定和耐久性,遵循风险最小和效益最大原则,在合理技术经济投入目标下确定技术路线。同时兼顾景观需求,发挥整体性原则。2.3“三大”工程措施农田污染防控工程主要通过对田间污染防控构件与已有土地整理“四大”工程措施,基于系统理念,对各类工程进行合理有序的组合,充分发挥系统整体功能,实现区域农田污染防控与管理。农田水利构件包括:过滤池、格栅、沉沙池、拦截箱、隔水板、坑塘、植物缓冲带等。2.3.1过滤池2.3.2格栅2.3.3沉淀池2.3.4阻止盒子2.3.5隔水板2.3.6坑里2.3.7植物缓冲区3农业基础设施的结构3.1主要布局设计渠首污染防控设计主要通过构件对灌溉水源污染防控。其主要构建有格栅、沉沙池、过滤池。其主要布局为:格栅→泵站→沉淀池→过滤池→坑塘。其工作原理为,通过格栅过滤较粗的固体物质,然后通过沉淀池对水中的悬浮颗粒进行沉淀分离,过滤池进行过滤、水温的调节和污水的净化。3.2农田区污水治理田间污染防控主要通过拦截箱、隔水板、生态坑塘来实现的,其主要设计为:斗、农主要用混凝土修建,用于快速排水,将斗、农水排到农田区的坑塘,以及干、支沟中,将坑塘修建成为厌氧塘(生态塘、水生植物塘)进行农田区污水的净化,同时在坑塘中种植相应植物,如空心菜、水芹、黑麦草等植物,在干、支沟中设置隔水板、放置拦截箱,沟壁由蜂窝状水泥板构成。其工作原理为:农田水主要通过田间排水系统,快速排放到农田中的坑塘中,这些坑塘一方面起到保持一定水量,在旱季缓解干旱的作用,另一方面通过在坑塘中种植植物、养殖等起到净化污水,增加经济收益的作用,当坑塘饱和时,田间水将通过干、支沟排到承泄区,干、支沟沟壁由蜂窝状水泥板构成,其中在水泥板上孔内且种植相应植物,在沟中排中放置隔水板,其作用是在需要排水量较小时,蓄积水量,使得干、支沟保持一定的水量,同时在沟中放置拦截箱以净化农田水(形成生态型排水沟),如图2。3.3组成综合生态缓冲带在承泄区修建4m植物缓冲带以净化水污水。利用草地与林地在承泄区周围组成综合生态缓冲带,即植被生态拦截带。生态拦截带不仅起到对地表径流中的水体流失的滞缓作用,减少入河水土流失量,还对地表径流中来自旱田因施肥、农药等引起的氮、磷等有机物质进行生态截留,降低进入河道中的污染物含量。4田间污染防控工程构件设计以农业非点源污染防控为研究目标,在传统的土地平整工程中,农田水利用工程,道路工程以及农田防护工程等土地整理工程的基础上,根据系统理论与农业非点源污染防控技术,设计了田间污染防控主要构件,基于土地整治过程,将控件进行有机组合,设计了土地整治田间污染防控方案,该方案主要包括田间污染防控设计、承泄区污染防控设计以及渠首污染防控设计。随着中国土地整治理念的提出,土地整治与整理的异同、土地整治研究内容如何确定已成为国内学者研究的重点,本研究内容是对土地整治研究有益的探讨,对中国土地整治内容与目标的进一步明确具有一定的借鉴意义。根据已有研究成果,马健等在辽河流域的实验表明无水草拦截相比,4m植物缓冲带(芦苇群落)根区土壤对总磷的截留率可达90%、全氮的截留率可达64%,陈海生等以田水氮磷浓度为参照,研究表明生态沟渠对总氮、总磷的多次平均去除率分别为48.36%和40.53%。这些研究表明局部的污染防控工程,在田间污染防控方面具有良好的作用。而笔者的研究将土地整治田间污染防控工程构件,根据系统原理进行综合设计与重构,其综合效益还有待进一步明确。一般是使用水泥或条石修建成长方形,指以池内放入石英砂等粒状材料组成的滤料层截留水中的悬浮杂质,滤层下部为一定厚度的卵石或碎石承托层从而使水获得澄清的工艺过程。过滤池主要用于处理含颗粒较小的固体杂质以及污水中的BOD等化学物质,兼顾条件水温作用,保障灌溉水质安全。在进行过滤池设计时要根据当地实际情况选择合适的滤料和承托层。由一组平行的金属栅条制成的框架,斜置在进水渠道上,或泵站集水池的进口处,用以拦截污水中大块的呈悬浮或飘浮状态的污物。格栅可以分为平面格栅和曲面格栅。格栅的设计主要考虑设置位置与格网大小,如在水泵或取水口防治的格栅其格网可以大一些,可设计为3~10mm,而在渠首,格网大小要满足农田灌溉水含沙量“0.10mm的泥沙不允许入渠道”一般要求。多用混凝土筑造,也可用砖石圬工结构,或用砖石衬砌的所成,一般由进、出水口、水流部分和污泥斗3个部分组成。沉淀池功能主要除去水中的砂粒等固体物质与调节水温的作用。沉淀池设计时主要考虑水流方向、水温以及占地面积。由箱体、基质和植物组成,箱体四周为孔状结构(图1),水流能顺利进出箱体,内充基质。拦截箱有助于降缓水速,其中填充的基质对水体中的营养物质具有吸附作用,它和生长其上的植物共同组成一个功能完整的小单元,起到净化水质的作用。拦截箱设计主要包括箱内填充物的选择、种植植物的选择、箱体体积以及箱体位置摆放。利用水泥或石板设计而成,其具有中位、底位2个排水孔,根据需要可将拦截段的水位分为排干、半满和溢流3种状态。隔水板可实现调节渠道水量与渠道蓄水功能。隔水板设计时要就地取材以减少成本,根据渠道界面进行设计。根据区域已有的坑塘进行优化与整修,充分发挥坑塘蓄水、缓冲作用,同时在坑