生态拦截沟工程及景观设计的应用实践

廖远三 ,陈承胜 ,周国静

(1.温州市龙湾区生态环境分局,浙江 温州 325000;2.温州莲情水生花卉专业合作社,浙江 温州 325000)

近年来,浙江省为坚决打赢污染防治攻坚战,积极推进农田水环境治理,在全国率先开展农田沟渠水环境综合治理探索,累计建设农田氮磷生态拦截沟渠系统300 多条,总长超过370 km,覆盖农田面积约1.6 万hm2。在确保排水沟渠具有排涝、排渍或防治土壤盐碱化等功能的基础上,通过在沟渠中设置节制闸坝、拦水坎、集泥井、透水坝等辅助性工程设施,以及采用植物生物材料及配置植物群落等措施,强化沟渠对氮、磷等物质的拦截净化能力,农田排水化学需氧量、总氮、总磷分别减少20%、30%及30%以上,有效改善了沟渠的生境条件,使田间沟渠的生态系统得到恢复和完善,构建起优美的田园生态环境[1-3]。随着乡村振兴战略的有效实施和美丽田园建设的逐步推进,在农业面源污染治理的同时,农业景观设计的重要性逐渐凸显。本文以温州市龙湾区永兴粮食生产功能区农业园为例,就结合美丽田园景观建设的生态拦截沟工程设计实践进行探讨。

1 材料与方法

1.1 工程概况

龙湾区永兴粮食功能区位于温州市的东大门,片区粮食作物播种面积约782 hm2,主要种植苗木、蔬菜、水稻和瓜果,其农药、化肥使用量较大,是龙湾区的主要农业园区,也是美丽田园的重要组成部分。功能区内有多条沟沥和河道,涉及乐一、祠南、永乐、萼芳、榕树下、乐二、永民等7个行政村,并与龙湾区国际机场相邻,同时也是龙湾区主城区和新区空港区的沟通要道。2018 年以来,为进一步落实 “藏粮于地、藏粮于技” 的战略,高质量推进粮食生产功能区的建设保护,将粮食生产功能区提标改造项目纳入空港都市休闲农业乡村振兴示范带建设,在生态拦截沟设计方面,既要在农业面源治理上减少污染源排入河道,又要兼顾美丽田园的景观建设的要求,实现乡村生态底色,让城市居民更向往美丽田园。休闲农业示范带生态拦截沟工程1 (榕南沥) 涉及水域面积12 804 m2,施工河长1 067 m,绿化面积1 560 m2;生态拦截沟渠工程2 (大塘沥) 建设沟渠长度为1.2 km,宽8 m,施工面积约9 600 m2,绿化面积2 991 m2,施工范围内周边汇入大塘沥排水的农田面积近20 hm2。

永兴粮食功能区以双季稻种植为主,亦有苗木、蔬菜、瓜果之类。附近基本无居民居住,岸边均为农田。每到作物种植生长季节,农田的农药残留会排入沟渠。根据2018 年3—12 月及2019 年片区河道水质的监测 (根据 《地表水环境质量标准》GB 3838—2002) 显示,区域范围内透明度、pH值、高锰酸盐指数、溶解氧等指标均较好,处于Ⅴ类水以上水平,氨态氮、总磷在4—8 月偏高,是影响水质的重要因素。

1.2 研究方法

在资料研究与现场调查的基础上,根据周边环境、水环境现状的分析,提出控制水污染生态拦截的总体构思。在水生植物的选择和搭配上,既要考虑净化能力和景观效果,又要考虑其对地域气候的适应性,并尽量培育搭配本土植物[4]。本生态拦截工程以原有沟渠及沟沥、河道为支撑,工程项目主要包括浮水、挺水植物栽植,并建以生态透水坝、宣传牌、设施固定器、香根草防护网、喷泉、电缆电器安装系统等,辅以植物浮岛、沉泥、反硝化除磷池,根据片区季节性农作物面源污染 (水质实测) 的情况,在生态植物基础上,结合微生物吸附隔离技术,控制片区农田尾水入河污染浓度。其中,浮水植物以常绿香水莲、印度红、白睡莲、蓝色香水莲、谭群为主,挺水植物栽植以香根草、再力花、翠芦莉、美人蕉为主。

1.3 治理工艺

根据片区实地调查,生态拦截工程的治理方法主要采用微生物缓释降解技术、生态浮岛、景观喷泉、生态透水坝、沉泥反硝化除磷池、香根草综合治理技术多种技术综合治理。

1.3.1 复合菌 (LQ-er 菌-固体菌) 缓释降解污染物

复合菌缓释降解污染物技术是将固定在特定载体上的特定复合菌缓慢释放并快速、大量增殖,利用复合菌的新陈代谢降解污染物的生物技术。本方案通过常规水质采样分析,在生态沟拦截范围内实施复合菌种 (LQ-er 菌) 的辅助措施,复合菌通过水体流动和水气交换不断散发进入水体,并在水体中不断繁殖,通过自身强大的有机物降解能力,快速降低沟渠水体中的有机污染物及N、P 等富营养物质。这一技术有见效快的优势,在农业面源污染集中时段,可快速消解化学需氧量 (COD)、生化需氧量 (BOD) 和氨态氮,同时对底泥中有机物进行有效分解,有利于恢复植物生长环境。

1.3.2 生态浮岛

生态浮岛是一种针对富营养化的水质,利用生态工学原理,降解水中的COD、氮、磷含量的人工浮岛,该措施对藻类有很好的抑制效果。其对水质净化最主要的功效是利用植物的根系吸收水中的富营养物质,使得水体的营养得到转移,减轻水体由于封闭或自循环不足带来的水体腥臭和富营养化现象。植物的生长繁殖过程需要大量营养,生态浮岛植物根系在水中形成的富氧环境和根系表面生物膜能高效的降解水中COD、氮、磷的含量,而根系膜内配合复合菌产生的多聚糖能有效吸附水中悬浮物。

大量在可控条件下的研究和基本处于静态条件下的示范工程表明,在新的污染物不再进入试验区水体的前提下,采用生态浮岛技术治理污染水体的效果是极其显著的,对全氮 (TN)、全磷 (TP)、COD、BOD 等主要水质指标的去除率均能达到较高水平。其中,以种植一季夏季植物和生态浮岛覆盖率30%为例,在本底值TN、COD 分别为10 和50 mg·L-1以上时,去除率一般在50%～80%。

生态浮岛是受污染水体生态拦截中原位水质改善中的创新技术,其作用可以使受污染水体的透明度、营养盐浓度及溶解氧等水体重要指标得到改善,为受污染水体的生态拦截创造条件,在改善水质的同时,还可以增加生物多样性,同时提升景观效果。在水面上铺设生态浮岛,种植水生植物后逐渐会重新形成鱼虾、浮游生物等,最终产生如图1所示的小型循环生物链,使水体得以净化。

图1 生态浮岛设计的思路

1.3.3 景观喷泉

喷泉曝气机配置高速旋转的螺旋桨在提水的同时,充分搅拌河水,令水层产生上下加速循环,促进水层的流动,从而使水体充分曝气溶氧,除去水中的有机物质,增加水体的溶解氧含量,提高水体的自净能力。有效抑制水华,防止非流动性的水质腐烂发臭,抑制蚊子孳生,消除黑臭现象,有效提高与改善水生态系统的生态拦截、水资源保护及水体净化。喷泉曝气机特有的造景功能对河道能提供装饰作用,可提升河道景观。

1.3.4 生态透水坝

生态透水坝应用于处理农村面源污染,在水力坡减小、河网密集的平原地区,采用砾石和碎石在被污染的沟渠中人工垒筑坝体,再在坝体上配置对水质有净化作用的植物,结合快速渗滤原理和人工湿地原理,对污水进行一定的净化。因本工程以河道为支撑,结合功能区的现场实际情况,采用生物膜净水栅栏进行水体的拦截过滤,水底配置了级配碎石与菌窝,并用镀锌钢管固定坝体。通过延长水力停留的时间,促进水中泥沙及营养盐的沉降,进一步吸收、吸附、拦截营养盐,从而降低营养盐的含量,抑制藻类过度繁殖,减缓富营养化的进程,从而改善水质。

1.3.5 沉泥、反硝化除磷池

反硝化除磷技术是由反硝化聚磷菌 (DPB)在厌氧/缺氧 (A/A) 的交替环境中,通过其独特的新陈代谢功能,达到过量吸磷和反硝化脱氮的双重目的。作为一种新型高效低能耗的技术,反硝化除磷成为近年来水处理领域的热点,可在缺氧段无碳源的情况下进行,不仅实现同时除磷脱氮,还克服了生活污水中基质缺乏的问题,尤其适用于高氮磷废水及产生挥发性脂肪酸潜力低的城市污水。本工程将沉泥、反硝化除磷池安装在农田排口处,使用管道将农田排水接入处理池内,池内安置生物膜净水栅与菌窝,并投入沸石粉及菌种,在峰值时段,农田污水进入池内可处理500 kg·h-1的量,同时在水面安装生态浮岛,种植具有强吸收氮磷作用的香根草,搭配翠芦莉,同时起到丰富景观的效果 (图2)。

图2 工程设计及实际建设效果

2 结果与分析

永兴粮食生产功能区涉及河道有中横河、五溪沥、民乐沥、永乐沥、乐二沥、乐一沥等河道,2016 年以来均进行了水质检测,其中2016 和2017年为双月检测,2018 年3 月后均为每月1 测,检测指标包括总磷、氨态氮、高锰酸盐指数、透明度和溶解氧。

由表1 可知,2016—2020 年,河道水质的透明度、高锰酸盐指数、氨态氮、总磷和溶解氧中,透明度、高锰酸盐指数和溶解氧均相对稳定,且均在Ⅳ类水以上;氨态氮浓度虽逐年有所下降,但总体偏高,还需进行重点处置。2016、2017 年,总磷浓度在Ⅴ类水以上,2018 年后浓度降至Ⅳ类水以上,需要一般治理。

表1 中横河等河道2016—2020 年水质检测

2019 年初,在生态拦截沟建成后,选取氨态氮和总磷2 项指标,检测拦截沟内农田排水口和尾水出水口水质。根据水质的分析,在设计施工中,除水生物常规配置外,项目增加了曝气装置和沉泥、反硝化除磷池及微生物缓释降解技术等辅助装置。由表2 可知,生态拦截沟建成后,在河水相对静态条件下,氨态氮实际去除率达58%、总磷去除率达69%以上,拦截沟尾水出水口的氨态氮和总磷含量较排放口大大下降,可见拦截沟对水质的改进效果很好。

表2 2019 年生态拦截沟1 进出水质检测

2021 年12 月,根据水功能区排放的要求,业主方委托第三方对生态拦截沟出水口河道 (冬季农田排入口几无排水) 水质进行检测。结果显示,氨态氮、总磷去除率分别为0.191 和0.05 mg·L-1,生态拦截时间越长,氨态氮、总磷去除率就更高。类似的拦截工程,在碧湖镇缸窑村建设的氮磷生态拦截沟渠的监测分析表明,农田水源化学需氧量和养分流失氮、磷的浓度分别减少30%、40%和40%以上[4],说明不同地区的生态拦截沟渠工程对河道水质改善均有明显的效果,本设计工艺具有较好的科学实践应用价值。

3 讨论

该片区主要为农田范围,除了实施生态拦截沟建设外,也加强了其他农业面源污染措施整治。就总体情况看,片区河道水质逐年完善。从水质的几个指标来看,片区河道的透明度、总磷、高锰酸盐指数、溶解氧含量基本稳定,且达到Ⅴ类水以上,氨态氮指标相对偏高,需要加强对氨态氮的研究处理。

按照 《浙江省农田面源污染控制氮磷生态拦截沟渠建设技术规范》,采用以传统水生植物治理为主,辅助于生物菌、生态浮岛及曝气装置,有利于更好的控制生态拦截沟的出水水质,生态拦截和景观提升相结合,同时也有助于突破工程维护、项目运行机制、经费来源等瓶颈,从而更好地推动农田氮磷生态拦截沟渠系统的建设落地与应用。

该片区为美丽田园,也是温州城区的网红打卡点之一,生态拦截沟建设需要考虑田园观光需要。贯彻生态、环境和景观功能三者兼顾的理念,因地制宜,结合现代休闲观光农业的需求,推进美丽田园景观实施生态拦截沟渠工程对于乡村振兴发展的促进作用,有利于发挥生态拦截沟的生态、经济和社会层面的综合效益。