一种稻田退水水质净化多功能生态坝的制作方法

1.本发明属于农业面源污染控制工程领域，是一种构建于稻田排水渠系，具有沉淀、过滤、微生物降解、植物吸收等功能，能够修复渠系生态系统，截留稻田退水，去除其中的泥沙、悬浮物和氮磷等污染物，减轻地表水体面源污染，改善稻田退水受纳水体水质的多功能生态坝。


背景技术：

2.我国地表水体中50%以上的氮素污染负荷和30%以上的磷素污染负荷来自于农业面源污染，防治农业面源污染的研究对改善流域水质和实现社会经济的可持续发展具有重要意义。农业面源污染是指在农业生产过程中所产生的溶解性或非溶解性的污染物（泥沙、化肥、农药等），在降水或灌溉过程中，通过地表径流、农田排水、地下渗漏等方式流入受纳水体而造成的大范围分散污染。其中旱田降雨径流和稻田退水在农业面源污染中占有较大份额。
3.稻田退水指的是在农业生产过程中，因降水或农田灌概产生的稻田弃水，通过地表径流或土壤下渗等形式进入其他水体。稻田退水中含有残留的化肥、农药、重金属、土壤颗粒以及其他污染物质，是农业面源污染的主要来源。
4.设置于稻田间的排水沟渠是传统稻田退水的主要输出途径，其主要作用是为了满足农作物生长对土壤湿度、通气以及田间作业通行条件的需要，很少考虑退水对环境和可持续发展的影响。近年来，有研究人员试图在稻田排水沟渠建立生态坝的形式减缓稻田退水对于受纳水体的环境污染，并收到了一定的有益效果，例如对于总磷的去除较为明显。
5.顾名思义，生态坝是一种具有生态功能的截留坝，通常由坝体、基质、植物等组成，基质填充于坝体内，并在基质的上部移栽挺水植物，生态坝一般设置于排水沟渠内，利用其具有的过滤、吸附、植物吸收和微生物新陈代谢作用达到对于稻田退水中的有机物、氮磷、农药和重金属等的去除作用。但是，目前的生态坝普遍存在以下缺点：一是制作比较简单粗糙，集成度不高；例如部分生态坝只是用尼龙袋将基质装填后堆积在沟渠内，污染物去除效果较差，且有可能造成环境的二次污染。二是部分生态坝功能单一，适应性较差；例如没有沉淀功能，不能适应沟渠内泥沙过多的特点，导致坝体水头损失增加过快，过水性能急剧下降。三是维护复杂甚至基本不具有维护价值，并阻碍沟渠发挥其基本的排水功能；部分生态坝在运行一段时间后，深陷沟渠的泥沙中，很难移动，甚至由于严酷的环境作用，导致坝体破损，基质裸露，无法维护；更为重要的是，多数生态坝在截留稻田退水过程中，也破坏了沟渠排水功能的发挥，导致其丧失了基本的农业生产辅助功能。
6.针对上述弊端，本发明提供了一种构建于稻田排水渠系，用于稻田退水水质净化，具有模块化、一体化、集成度较高、功能多样、污染物去除效果优良等特点的生态坝装置。


技术实现要素：

7.本发明是针对现有生态坝存在的上述问题，设计一种应用于农业面源污染工程控
制领域，综合应用物理过滤、植物吸收和微生物降解技术，使稻田退水水质净化操作和维修更加简便、去除污染物效果更好、对渠系排水影响较小的多功能生态坝。
8.本发明的目的可通过下列技术方案来实现。
9.一种稻田退水水质净化多功能生态坝，包括位于上部外侧的浮箱、中间前端的多组斜板、中部后端的生态廊道、下部后端的固定隔板、上部中后端的集水槽、排水槽及装置左右侧和下侧的嵌板。所述的浮箱为上端敞口的环形结构，两组斜板放置于浮箱的前端下部，所述的生态廊道为上端敞口、底部封闭的中空倒置四棱台结构，生态廊道设置于斜板的后侧，所述的集水槽和排水槽设置于生态廊道的前上方，所述的固定隔板垂直设置于生态廊道的后竖板的下侧，所述的嵌板为上部敞口底部封口的半包环形结构。
10.所述的浮箱包括前外壁板、后外壁板、左外壁板、右外壁板、前内壁板、后内壁板、左内壁板、右内壁板、排水孔、排水塞；前外壁板向前、后外壁板向后、左外壁板向左、右外壁板向右倾斜60
°
，并首尾紧密连接；所述的前内壁板、后内壁板、左内壁板、右内壁板均垂直放置，并与前外壁板的高度相等，上述所述各板首尾紧密相连；前外壁板和前内壁板、后外壁板和后内壁板、左外壁板和左内壁板、右外壁板和右内壁板的底边分别紧密相连。所述的排水孔分别开孔于前外壁板、后外壁板、左外壁板、右外壁板的底部中间位置。
11.所述的斜板共分为2组，每组均包括长斜板、中斜板、短斜板。右侧斜板和左侧斜板以前后方向分别于水平面呈60
°
和
‑
60
°
放置；两组斜板的前端各边与前外壁板的底边平齐；最外侧斜板的上沿分别与左外壁板、右外壁板的底边前端紧密连接，左右两组斜板的后沿分别与左外壁板和右外壁板的竖向中线平齐，除最外端的左右两块斜板，左右两组斜板的上边沿前端与前外壁板和前内壁板的底边连接。在左右两组斜板的上边沿前后方向均匀布置上固定杆；所述的上固定杆左右放置，其左右端分别与左内壁板和右内壁板的内侧面紧密连接；在左右两组斜板的下边沿前后方向均匀布置下固定杆；其中前后最外侧两根下固定杆分别与长斜板的底边前后端连接，下固定杆的左右端分别与左右最外侧长斜板的底边紧密连接。
12.所述的生态廊道包括前竖板、后竖板、左侧板、右侧板、底板、横隔板、前竖隔板、后竖隔板、出水孔，所述的左侧板和右侧板分别与水平面呈
‑
60
°
和60
°
放置，左侧板和右侧板的上沿分别与左外壁板、右外壁板的底边紧密连接。所述的前竖板的上端与斜板上端的后沿平齐，后竖板的上沿与后内壁板的底边紧密连接，后竖板上沿的左右两端分别与左内壁板和右内壁板的下沿紧密连接；前竖板的前端外壁分别与两组长斜板、中斜板、短斜板的后边紧密连接，前竖板、后竖板、左侧板、右侧板的竖向两边分别紧密连接，且后竖板、左侧板、右侧板的上沿平齐，前竖板、后竖板、左侧板、右侧板的下沿与底板的四边紧密连接，组成中空的生态廊道。所述的横隔板、前竖隔板、后竖隔板均垂直放置，横隔板的高度与后竖板相等，左右方向垂直放置在前竖板和后竖板之间，底边与底板紧密连接；所述的前竖隔板的高度与前竖板的高度相等，后竖隔板的高度与横隔板相等，前竖隔板的后沿垂直于横隔板的前侧中间紧密连接，后竖隔板的前沿垂直于横隔板的后侧中间紧密连接，且前竖隔板的前边与前竖板紧密连接，后竖隔板的后边与后竖板紧密连接，所述的出水孔设置于后竖板的中间底部。
13.所述的固定隔板为垂直放置的上宽下窄的等腰梯形薄板，其上沿的宽度等于后竖板的底边宽度，并与后竖板的底边紧密连接，其斜边与底边的夹角为120
°
，其高度为其上沿
长度的四分之一至二分之一。
14.所述的集水槽为上端敞口的长方体中空结构，集水槽包括集水板、后挡板、集水槽底板、集水孔、出水口，所述的集水板和后挡板的上沿与左内壁板的上沿平齐，二者左右端分别与左内壁板和右内壁板的内壁垂直紧密连接，二者平行。所述的集水板的底端下沿与前竖板的顶端上沿紧密连接，前竖板和集水板竖直方向的高度和与后竖板的高度相等，所述的集水槽底板水平放置，其左右边分别与左内壁板和右内壁板的内壁底端紧密连接，其前后沿分别与集水板和后挡板的下端紧密连接。所述的集水孔设置于后竖板集水板底部，所述的出水口为矩形孔洞，设置于后挡板的中部。
15.所述的排水槽为上端敞口的长方体中空结构，排水槽包括左槽板、右槽板、排水槽底板、左排水孔、右排水孔，所述的左槽板和右槽板的高度与后挡板的高度相等，左槽板和右槽板的前后端分别与后挡板的后侧面和横隔板的前侧面垂直紧密连接，二者的上沿与后挡板的上沿平齐。所述的排水槽底板水平放置，其厚度与集水槽底板相等，排水槽底板的左右边分别与左槽板和右槽板的内壁底端紧密连接，其前端边沿与集水槽底板水平连接，其后端边沿与横隔板垂直紧密连接；所述的左排水孔和右排水孔分别设置于左槽板和右槽板的底部。
16.所述的嵌板包括左嵌板、右嵌板和下嵌板，所述的左嵌板、右嵌板和下嵌板均为厚度相等的等腰梯形的薄板，且三者的斜边等长。所述的左嵌板和右嵌板分别垂直设置在本发明的左右两端的外侧，左嵌板和右嵌板上端内侧分别垂直于左外壁板和右外壁板的外侧，并与二者分别紧密连接，左嵌板和右嵌板中部内侧垂直于后竖板左右两端外侧，并与二者分别紧密连接，左嵌板和右嵌板下部内侧与固定隔板左右两侧紧密连接，且左嵌板和右嵌板的上沿与左外壁板和右外壁板的上沿平齐；所述的下嵌板左右方向垂直放置，其上端与固定隔板的下端紧密连接，其前端平面与固定隔板的前端平面平齐，且下嵌板的左右斜边分别与左嵌板、右嵌板的斜边紧密连接。
17.与现有技术相比，本发明具有以下优点。
18.（1）本发明将沉淀、过滤、吸附、微生物降解、植物吸收等多种功能有机结合，装置的一体化和集成度较高，提高了整体的水质净化效能，有利于装置的安装、运行和维护。
19.（2）本发明充分考虑水位变化对于装置运行的影响，利用浮箱以便保证装置的进水总是位于水体上层，排除漂浮物和泥沙对于装置运行的影响，便于装置运行；同时，浮箱的存在，当沟渠因降雨、排水和泥沙淤塞导致水位太高时，可将装置抬起，保证其基本排水功能的发挥。
20.（3）利用其浅层沉淀原理，将斜板置于装置前面，并利用固定隔板截留沉淀后的泥沙，减轻了泥沙对于基质的堵塞，有利于水质净化效能的提高，有利于装置长期稳定的运行。
附图说明
21.图1为本发明一种稻田退水水质净化多功能生态坝的俯视图。
22.图2为本发明一种稻田退水水质净化多功能生态坝的正视图。
23.图3为本发明一种稻田退水水质净化多功能生态坝的侧视图。
24.图4为图1的
ⅰ‑ⅰ
剖视图。
25.图5为图1的
ⅱ‑ⅱ
剖视图。
26.图6为图1的
ⅲ‑ⅲ
剖视图。
27.图7为图1的
ⅳ‑ⅳ
剖视图。
28.图8为图1的
ⅴ‑ⅴ
剖视图。
具体实施方式
29.以下是本发明的具体实施例并结合附图1
‑
8，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
30.一种稻田退水水质净化多功能生态坝，包括位于上部外侧的浮箱1、中间前端的多组斜板2、中部后端的生态廊道3、下部后端的固定隔板4、上部中后端的集水槽5、排水槽6及装置左右侧和下侧的嵌板7。所述的浮箱1为上端敞口的环形结构，其垂直横截面为三角形，包括前外壁板11、后外壁板12、左外壁板13、右外壁板14、前内壁板15、后内壁板16、左内壁板17、右内壁板18、排水孔101、排水塞102。其中，前外壁板11与后外壁板12左右方向放置，外形及尺寸相等；左外壁板13和右外壁板14前后方向放置，外形及尺寸相等；前内壁板15和后内壁板16左右方向放置，外形及尺寸相等；左内壁板17和右内壁板18前后方向放置，外形及尺寸相等。前外壁板11、后外壁板12、左外壁板13、右外壁板14的外形均为上宽下窄的梯形。前外壁板11向前、后外壁板12向后、左外壁板13向左、右外壁板14向右倾斜60
°
，并首尾紧密连接，上述各板的两侧斜边和高相等。前内壁板15、后内壁板16、左内壁板17、右内壁板18均为矩形薄板，垂直放置，并与前外壁板11的高度相等，前内壁板15和后内壁板16的底边长与前外壁板11相等、左内壁板17和右内壁板18的底边长与左外壁板13的底边长相等；上述所述各板首尾紧密相连。前外壁板11和前内壁板15、后外壁板12和后内壁板16、左外壁板13和左内壁板17、右外壁板14和右内壁板18的底边分别紧密相连。所述的排水孔101为圆形孔洞，数量为4组12个，每组3个，分别开孔于前外壁板11、后外壁板12、左外壁板13、右外壁板14的底部中间位置，孔间净距为1~2倍孔径。所述的排水塞102为实心圆柱形，其外径比排水孔101的外径大1mm，以便能够将排水孔101塞紧。
31.所述的斜板2共分为2组，每组均包括长斜板21、中斜板22、短斜板23。每组斜板2均为矩形薄板，并以前后方向分别于水平面呈60
°
和
‑
60
°
放置，每组长斜板21、中斜板22、短斜板23的上沿平齐，组内板间净距相等。所述的中斜板22高度要小于长斜板21，所述的短斜板23高度要小于中斜板22，但长斜板21、中斜板22、短斜板23的前后方向边长相等，厚度相等。两组斜板2放置于浮箱1的前端下部，其中，与水平面呈
‑
60
°
的一组斜板放置于左侧，与水平面呈60
°
的一组斜板放置于右侧，两组斜板的前端各边与前外壁板11的底边平齐；两组斜板2以前外壁板11的垂直中线为对称轴呈左右对称分布，两组斜板2的底边净间距均相等并与组内板间净距相等。斜板2最外侧斜板的上沿分别与左外壁板13、右外壁板14的底边前端紧密连接。左右两组斜板2的后沿分别与左外壁板13和右外壁板14的竖向中线平齐。除最外端的左右两块斜板2，左右两组斜板2的上边沿前端与前外壁板11和前内壁板15的底边连接。在左右两组斜板2的上边沿前后方向均匀布置上固定杆24，数量为3根；所述的上固定杆24左右放置，其左右端分别与左内壁板17和右内壁板18的内侧面紧密连接。在左右两组斜板2的下边沿前后方向均匀布置下固定杆25，数量为5根；其中前后最外侧两根下固定杆25左右方向放置，分别与长斜板21的底边前后端连接，其余3根与下固定杆25之间等距左右方向设
置，5根下固定杆25的左右端分别与左右最外侧长斜板21的底边紧密连接。
32.所述的生态廊道3为上端敞口、底部封闭的中空倒置四棱台结构。生态廊道3包括前竖板31、后竖板32、左侧板33、右侧板34、底板35、横隔板36、前竖隔板37、后竖隔板38、出水孔39。所述的前竖板31和后竖板32为垂直放置的上宽下窄的等腰梯形，所述的左侧板33、右侧板34、底板35、横隔板36、前竖隔板37、后竖隔板38均为矩形薄板，其中，左侧板33和右侧板34的外形和尺寸相同，左侧板33和右侧板34分别与水平面呈
‑
60
°
和60
°
放置，左侧板33和右侧板34的上沿分别与左外壁板13、右外壁板14的底边紧密连接；前竖板31和后竖板32的左右长度相同，前竖板31的上端与斜板2上端的后沿平齐，后竖板32的上沿与后内壁板16的底边紧密连接，后竖板32上沿的左右两端分别与左内壁板17和右内壁板18的下沿紧密连接；前竖板31的前端外壁分别与两组长斜板21、中斜板22、短斜板23的后边紧密连接，前竖板31、后竖板32、左侧板33、右侧板34的竖向两边分别紧密连接，且后竖板32、左侧板33、右侧板34的上沿平齐，前竖板31、后竖板32、左侧板33、右侧板34的下沿与底板35的四边紧密连接，组成中空的生态廊道3。所述的横隔板36、前竖隔板37、后竖隔板38均垂直放置，横隔板36的长度为前竖板31上底长度的五分之四倍到一倍之间，高度与后竖板32相等，左右方向垂直放置在前竖板31和后竖板32之间，与二者的距离相等，其左右边与左侧板33、右侧板34的净距相等，底边与底板35紧密连接。前竖隔板37的高度与前竖板31的高度相等，后竖隔板38的高度与横隔板36相等，前竖隔板37的后沿垂直于横隔板36的前侧中间紧密连接，后竖隔板38的前沿垂直于横隔板36的后侧中间紧密连接，且前竖隔板37与后竖隔板38的长度为左侧板33的上边长的二分之一，垂直放置在左侧板33和右侧板34之间，并与二者的净距相等，且前竖隔板37的前边与前竖板31紧密连接，后竖隔板38的后边与后竖板32紧密连接，所述的出水孔39为圆形孔洞，设置于后竖板32的中间底部，呈上下三排交错排列，出水孔39之间的上下和左右的净距与其直径相等，距离左内壁板17和右内壁板18的内壁的最小净距与其直径相等。出水孔39距后竖板32的底边净距与其直径相等。
33.所述的固定隔板4为垂直放置的上宽下窄的等腰梯形薄板，其上沿的宽度等于后竖板32的底边宽度，并与后竖板32的底边紧密连接，其斜边与底边的夹角为120
°
，其高度为其上沿长度的四分之一至二分之一。
34.所述的集水槽5为上端敞口的长方体中空结构。集水槽5包括集水板50、后挡板51、集水槽底板52、集水孔53、出水口54。所述的集水板50和后挡板51均为矩形薄板，左右方向垂直放置，且二者的外形和尺寸相同。集水板50和后挡板51的高度与左内壁板17相等，长度与前竖板31相等，二者的上沿与左内壁板17的上沿平齐，二者左右端分别与左内壁板17和右内壁板18的内壁垂直紧密连接，二者平行，净距为左内壁板17高度的三分之一到二分之一；集水板50的底端下沿与前竖板31的顶端上沿紧密连接，前竖板31和集水板50竖直方向的高度之和与后竖板32的高度相等。所述的集水槽底板52为矩形薄板，水平放置，其左右边分别与左内壁板17和右内壁板18的内壁底端紧密连接，其前后沿分别与集水板50和后挡板51的下端紧密连接。所述的集水孔53为圆形孔洞，设置于集水板50底部，呈上下三排交错排列，集水孔53上下和左右的净距与其直径相等，距离左内壁板17和右内壁板18的内壁的最小净距与其直径相等。集水孔53距集水板50的底边净距与其直径相等。所述的出水口54为矩形孔洞，设置于后挡板51的中部，其高度与后挡板51相等，宽度为集水槽底板52前后宽度的1.5倍至2倍。
35.所述的排水槽6为上端敞口的长方体中空结构。排水槽6包括左槽板61、右槽板62、排水槽底板63、左排水孔64、右排水孔65。所述的左槽板61和右槽板62均为矩形薄板，沿前后方向垂直放置，且二者的外形和尺寸相同。左槽板61和右槽板62的高度与后挡板51的高度相等，左槽板61和右槽板62的前后长度为后挡板51到横隔板36的净距，左槽板61和右槽板62的前后端分别与后挡板51的后侧面和横隔板36的前侧面垂直紧密连接，二者的上沿与后挡板51的上沿平齐。所述的排水槽底板63为水平放置的矩形薄板，其厚度与集水槽底板52相等；排水槽底板63的左右边分别与左槽板61和右槽板62的内壁底端紧密连接，其前端边沿与集水槽底板52水平连接，其后端边沿与横隔板36垂直紧密连接。所述的左排水孔64和右排水孔65均为圆形孔洞，分别设置于左槽板61和右槽板62的底部，呈上下三排交错排列，左排水孔64和右排水孔65上下和左右的净距与其直径相等，其直径与集水孔53的直径相等。左排水孔64和右排水孔65距左槽板61和右槽板62的底边净距分别与其直径相等，二者距离左槽板61和右槽板62的左右边的最小净距分别与其直径相等。
36.所述的嵌板7为上部敞口底部封口的半包环形结构，包括左嵌板71、右嵌板72和下嵌板73；所述的左嵌板71、右嵌板72和下嵌板73均为厚度相等的等腰梯形的薄板，且三者的斜边等长。左嵌板71和右嵌板72分别垂直设置在本发明的左右两端的外侧，左嵌板71和右嵌板72上端内侧分别垂直于左外壁板13和右外壁板14的外侧，并与二者分别紧密连接，左嵌板71和右嵌板72中部内侧垂直于后竖板32左右两端外侧，并与二者分别紧密连接，左嵌板71和右嵌板72下部内侧与固定隔板4左右两侧紧密连接，且左嵌板71和右嵌板72的上沿与左外壁板13和右外壁板14的上沿平齐；下嵌板73左右方向垂直放置，其上端与固定隔板4的下端紧密连接，其前端平面与固定隔板4的前端平面平齐，且下嵌板73的左右斜边分别与左嵌板71、右嵌板72的斜边紧密连接，装置使用时嵌板7外侧嵌在水田沟渠里，其作用为固定装置并且可以阻挡水从装置两侧流走。
37.另外，本发明的各种板材可由5mm~10mm厚的pe、pvc或ppp材料模压或者焊接制成，也可由1mm~3mm厚的不锈钢板钣金或者焊接制成。浮箱1上顶面的宽度为250~350mm，深度为350~450mm，排水孔101直径为50~70mm。斜板2横截面尺寸5~10mm
×
200~300mm，长斜板21长度为850~900mm，中斜板22长度为550~600mm，短斜板23长度为250~300mm， 左侧板33和右侧板34的长
×
宽为950~1100 mm
×
800~1000 mm，前竖板31的高度为900~1000 mm，后竖板32的高度为1000~1200 mm，集水槽5和排水槽6的宽度为100~200mm，深度为180~220 mm ，左嵌板71和右嵌板72的左右宽度为90~100mm，下嵌板73的上下宽度为90~100mm。集水孔53、左排水孔64、右排水孔65、出水孔39的直径为18~22mm。
38.本发明的工作原理如下所述。
39.（1）设置。本发明可用于稻田排水渠系的水质净化，需要预先测量排水渠的宽度和水深以便决定本装置的左右宽度和高度；本装置左右宽度与沟渠宽度相等，高度要求略大于沟渠常水位深度；装置制作完成后，将其垂直于排水渠内水流方向放置，并将左嵌板71、右嵌板72和下嵌板73分别垂直嵌进沟渠的左边、右边和下边；根据本装置的净化能力和排水渠系水质净化目标，可在渠系内设置一道或者多道本装置，以达到更好的净化效果。
40.（2）生态体系构建。首先在生态廊道3中装填基质，例如砾石、卵石、沸石、煤渣、生物炭以及其他生物活性基质，装填的比例可根据去除目标污染物的类别和数量的不同进行选择；然后在基质上移栽挺水植物，如芦苇、菖蒲、香蒲、车前草和美人蕉等，尽量选择本地
植物，以便其更好的成活和生长；待植物生长完成后，水量由小到大进行持续进水，对微生物进行培养和驯化，待其出水水质稳定后，认为生态体系已经构建完成。
41.（3）运行。进水沉淀，调整浮箱1的存水，保持渠内水位位于浮箱1的中下部以及斜板2的上沿之间，以便使本装置在运行过程中，浮箱1能够阻挡渠系内的漂浮物进入本装置内部，防止阻塞斜板2间隙；渠系中的水首先进入斜板2，利用浅层沉淀原理，使悬浮物自水中分离，并沿斜板2沉入本装置下部；而经过斜板2去除部分悬浮物的水通过集水孔53进入集水槽5上。生物作用，来自集水槽5的水进入排水槽6，最后由左排水孔64和右排水孔65进入生态廊道3，并在生态廊道3内经过微生物降解、植物吸收、基质截留吸附等作用将部分农药和化肥残留由水体中去除，出水经出水孔39排出装置，减轻受纳水体的水环境污染。
42.（4）维护。可在秋季挺水植物枯萎之前对植物进行收割，防止植物体内营养元素自根部下移至水体中产生二次污染；定期对于固定隔板4前部的沟渠进行清淤，防止斜板2下部沉淀的淤泥阻碍装置的运行，影响出水水质。
43.本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神实质作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。