區(qū)域農(nóng)田污染整治工程總體框架與規(guī)劃方案研究

區(qū)域農(nóng)田污染整治工程總體框架與規(guī)劃方案研究

0農(nóng)業(yè)面源污染防控與土地整理產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀土地恢復(fù)是最寶貴的自然資源，具有生產(chǎn)、空間承擔(dān)狀和環(huán)境保護(hù)等功能。人類活動(dòng)對(duì)土地自然生態(tài)系統(tǒng)擾動(dòng)程度的提高,化石能源的大量投入,致使區(qū)域耕地污染程度日益加劇,降低了土地利用的價(jià)值與效益,給人類的健康和食品安全造成潛在危害。農(nóng)業(yè)污染可分為點(diǎn)源污染和面源污染,隨著科學(xué)技術(shù)的提高,點(diǎn)源污染防治技術(shù)逐漸成熟,而農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染由于其周期長(zhǎng)、隱蔽性強(qiáng)以及危害范圍大的特點(diǎn)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計(jì),2006年全國(guó)受污染的耕地面積達(dá)1000×104hm2,污水灌溉耕地面積216.67×104hm2,固體廢棄物堆存占地和毀田面積為13.33×104hm2,合計(jì)約占耕地總面積的1/10以上,目前中國(guó)農(nóng)業(yè)面源污染占面源污染總量的68%~83%。針對(duì)面源污染的嚴(yán)峻形式,中國(guó)政府從管理、理論、實(shí)踐等方面對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染做了大量研究,如《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》的制定,土壤修復(fù)工藝、配方施肥技術(shù)的研究與應(yīng)用。有學(xué)者從計(jì)算機(jī)、空間信息技術(shù)角度進(jìn)行了面源污染研究,如彭盛華等以漢水流域?yàn)槔?以1:100萬(wàn)數(shù)字化地圖數(shù)據(jù)ArcChina為基礎(chǔ),開(kāi)發(fā)了基于GIS技術(shù)的漢水流域水文水環(huán)境信息系統(tǒng);也有學(xué)者從土壤與植物方面進(jìn)行分析,如路炳軍等指出土壤流失量與植被覆蓋度之間呈負(fù)指數(shù)相關(guān)關(guān)系。這些研究對(duì)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染防控與治理具有重要的指導(dǎo)意義。但現(xiàn)有技術(shù)與研究多以農(nóng)業(yè)面源污染現(xiàn)狀為基礎(chǔ),進(jìn)行技術(shù)流程的設(shè)計(jì),并且現(xiàn)有研究多注重對(duì)污染后農(nóng)田的治理措施與方法的研究。而在土地利用源頭及過(guò)程中,結(jié)合工程技術(shù)進(jìn)行農(nóng)田污染防控鮮見(jiàn)報(bào)道。土地整理是對(duì)土地利用狀態(tài)的重新組織,通過(guò)土地平整工程、農(nóng)田水利用工程、道路工程以及農(nóng)田防護(hù)工程等土地整理工程,實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有土地的狀態(tài)調(diào)整與改造,以滿足人們的生產(chǎn)生活需求。而現(xiàn)有的土地整理工程主要為提高農(nóng)業(yè)利用率和產(chǎn)出率提供和創(chuàng)造有利條件,農(nóng)業(yè)面源污染防控薄弱,導(dǎo)致建成項(xiàng)目防控體系薄弱,同時(shí)由于土地整理后項(xiàng)目區(qū)化肥、農(nóng)藥等投入強(qiáng)度提高,加大了區(qū)域農(nóng)田生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。因此,筆者基于土地利用工程技術(shù)角度,系統(tǒng)梳理與設(shè)計(jì)了農(nóng)田污染防控主要構(gòu)件,結(jié)合土地整理工程,探討了土地整治田間工程污染防控方案,拓展了土地整理工程內(nèi)容,為區(qū)域土地整理規(guī)劃設(shè)計(jì)提供借鑒。1農(nóng)業(yè)污染防治工程重要性1.1農(nóng)田重金屬污染嚴(yán)重中國(guó)農(nóng)田污染形勢(shì)嚴(yán)峻,與1985年相比,全國(guó)化肥施用密度增加了1.4倍,農(nóng)藥使用密度增加了1.89倍,畜禽糞便污染密度增加了1.0倍,農(nóng)膜年殘留量高達(dá)30.00×104t,導(dǎo)致地力下降,削弱了農(nóng)田抗旱能力。盡管存在地域差異,但是土壤重金屬含量普遍嚴(yán)重超標(biāo),如云南個(gè)舊砷量超標(biāo)100倍以上,湘江中下游衡陽(yáng)——長(zhǎng)沙段沿岸農(nóng)田土壤鎘、鉛、鋅含量分別超標(biāo)7.97倍、3.69倍和1.63倍,華南地區(qū)部分城市50%的耕地遭受鎘、砷、汞等有毒重金屬和石油類有機(jī)物污染,農(nóng)田污染在糧食產(chǎn)量、食品安全和生態(tài)環(huán)境方面造成了嚴(yán)重的負(fù)面影響。農(nóng)田重金屬污染導(dǎo)致長(zhǎng)江三角洲地區(qū)農(nóng)田10%的土壤基本喪失生產(chǎn)力,全國(guó)約1/5耕地受到重金屬污染,每年因重金屬污染而減產(chǎn)糧食1000.00×104t;全國(guó)受污水污染的農(nóng)田達(dá)約330×104hm2;部分地區(qū)蔬菜硝酸鹽和亞硝酸鹽含量已高達(dá)3000~4000mg/kg;農(nóng)藥、化肥的過(guò)量使用造成水質(zhì)污染嚴(yán)重,將近50%的地下水被農(nóng)業(yè)面源污染影響。1.2污染源的主要來(lái)源根據(jù)農(nóng)田污染形態(tài)可以分為大氣污染、水污染、固體廢棄物污染和農(nóng)業(yè)污染。其中,大氣污染物主要來(lái)自被污染的大氣,污染物主要集中在土壤表層,如SO2、NO2等酸性氣體,通過(guò)酸雨形式降落到地面,破壞土壤肥力與生態(tài)系統(tǒng);水污染的污染物主要來(lái)自城鄉(xiāng)工業(yè)廢水和生活污水,以及農(nóng)用灌溉的排放水。污染物通常以污灌、污水等形式進(jìn)入環(huán)境,主要集中在土壤表層;固體廢棄物污染物主要來(lái)自工廠固體廢棄物、廢渣、垃圾和污泥等,直接或間接進(jìn)入農(nóng)業(yè)環(huán)境,使周?chē)耐寥?、地下水和地表水受到污?農(nóng)業(yè)污染物主要來(lái)自農(nóng)藥、化肥等。根據(jù)污染來(lái)源可以分為外源污染和內(nèi)源污染,外源污染指的是城市、工業(yè)等所引起農(nóng)田污染,內(nèi)源污染主要指農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自身(如農(nóng)藥、化肥等)所造成的污染。農(nóng)田污染具有面積大、時(shí)間長(zhǎng)、隱蔽性強(qiáng)等特點(diǎn),同時(shí)還具有滯后性、隨機(jī)性和難以檢測(cè)性的特征。隨著近年來(lái)農(nóng)田系統(tǒng)污染的趨勢(shì)不斷加劇,污染源逐步由工業(yè)為主與工農(nóng)并重,向以農(nóng)業(yè)自身為主的方向轉(zhuǎn)變。2作物污染防治工程正在開(kāi)展中2.1非工程措施農(nóng)田污染防控從管理措施角度出發(fā),可以分為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、水處理設(shè)施等;非工程措施主要體現(xiàn)在農(nóng)業(yè)管理制度、農(nóng)藥化肥施用控制等。非工程措施綜合性較高,涉及的生產(chǎn)部門(mén)較廣,而工程性措施則時(shí)間短、見(jiàn)效快,對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)時(shí)影響較小。農(nóng)田污染防控工程建設(shè)的主要目標(biāo):(1)從源頭上減少外源污染對(duì)農(nóng)田地力、產(chǎn)量和生產(chǎn)環(huán)境的影響;(2)減少農(nóng)田利用中所產(chǎn)生的內(nèi)源污染的負(fù)效應(yīng),減少農(nóng)業(yè)污染對(duì)水資源、農(nóng)田外部環(huán)境的污染。2.2主要工程建設(shè)措施從工程技術(shù)角度出發(fā),以土地整治為契機(jī),緊密結(jié)合土地整治工程技術(shù)體系中已形成的土地平整工程、灌溉排水工程、田間道路工程和農(nóng)田防護(hù)工程等工程措施,堅(jiān)持“因地制宜,生態(tài)治理”,充分利用當(dāng)?shù)刈匀粭l件,合理進(jìn)行工程技術(shù)改造,滿足生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性的需求,符合水文學(xué)和工程力學(xué)的規(guī)律,確保工程設(shè)施的安全、穩(wěn)定和耐久性,遵循風(fēng)險(xiǎn)最小和效益最大原則,在合理技術(shù)經(jīng)濟(jì)投入目標(biāo)下確定技術(shù)路線。同時(shí)兼顧景觀需求,發(fā)揮整體性原則。2.3“三大”工程措施農(nóng)田污染防控工程主要通過(guò)對(duì)田間污染防控構(gòu)件與已有土地整理“四大”工程措施,基于系統(tǒng)理念,對(duì)各類工程進(jìn)行合理有序的組合,充分發(fā)揮系統(tǒng)整體功能,實(shí)現(xiàn)區(qū)域農(nóng)田污染防控與管理。農(nóng)田水利構(gòu)件包括:過(guò)濾池、格柵、沉沙池、攔截箱、隔水板、坑塘、植物緩沖帶等。2.3.1過(guò)濾池2.3.2格柵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植物緩沖區(qū)3農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)3.1主要布局設(shè)計(jì)渠首污染防控設(shè)計(jì)主要通過(guò)構(gòu)件對(duì)灌溉水源污染防控。其主要構(gòu)建有格柵、沉沙池、過(guò)濾池。其主要布局為:格柵→泵站→沉淀池→過(guò)濾池→坑塘。其工作原理為,通過(guò)格柵過(guò)濾較粗的固體物質(zhì),然后通過(guò)沉淀池對(duì)水中的懸浮顆粒進(jìn)行沉淀分離,過(guò)濾池進(jìn)行過(guò)濾、水溫的調(diào)節(jié)和污水的凈化。3.2農(nóng)田區(qū)污水治理田間污染防控主要通過(guò)攔截箱、隔水板、生態(tài)坑塘來(lái)實(shí)現(xiàn)的,其主要設(shè)計(jì)為:斗、農(nóng)主要用混凝土修建,用于快速排水,將斗、農(nóng)水排到農(nóng)田區(qū)的坑塘,以及干、支溝中,將坑塘修建成為厭氧塘(生態(tài)塘、水生植物塘)進(jìn)行農(nóng)田區(qū)污水的凈化,同時(shí)在坑塘中種植相應(yīng)植物,如空心菜、水芹、黑麥草等植物,在干、支溝中設(shè)置隔水板、放置攔截箱,溝壁由蜂窩狀水泥板構(gòu)成。其工作原理為:農(nóng)田水主要通過(guò)田間排水系統(tǒng),快速排放到農(nóng)田中的坑塘中,這些坑塘一方面起到保持一定水量,在旱季緩解干旱的作用,另一方面通過(guò)在坑塘中種植植物、養(yǎng)殖等起到凈化污水,增加經(jīng)濟(jì)收益的作用,當(dāng)坑塘飽和時(shí),田間水將通過(guò)干、支溝排到承泄區(qū),干、支溝溝壁由蜂窩狀水泥板構(gòu)成,其中在水泥板上孔內(nèi)且種植相應(yīng)植物,在溝中排中放置隔水板,其作用是在需要排水量較小時(shí),蓄積水量,使得干、支溝保持一定的水量,同時(shí)在溝中放置攔截箱以凈化農(nóng)田水(形成生態(tài)型排水溝),如圖2。3.3組成綜合生態(tài)緩沖帶在承泄區(qū)修建4m植物緩沖帶以凈化水污水。利用草地與林地在承泄區(qū)周?chē)M成綜合生態(tài)緩沖帶,即植被生態(tài)攔截帶。生態(tài)攔截帶不僅起到對(duì)地表徑流中的水體流失的滯緩作用,減少入河水土流失量,還對(duì)地表徑流中來(lái)自旱田因施肥、農(nóng)藥等引起的氮、磷等有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行生態(tài)截留,降低進(jìn)入河道中的污染物含量。4田間污染防控工程構(gòu)件設(shè)計(jì)以農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染防控為研究目標(biāo),在傳統(tǒng)的土地平整工程中,農(nóng)田水利用工程,道路工程以及農(nóng)田防護(hù)工程等土地整理工程的基礎(chǔ)上,根據(jù)系統(tǒng)理論與農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染防控技術(shù),設(shè)計(jì)了田間污染防控主要構(gòu)件,基于土地整治過(guò)程,將控件進(jìn)行有機(jī)組合,設(shè)計(jì)了土地整治田間污染防控方案,該方案主要包括田間污染防控設(shè)計(jì)、承泄區(qū)污染防控設(shè)計(jì)以及渠首污染防控設(shè)計(jì)。隨著中國(guó)土地整治理念的提出,土地整治與整理的異同、土地整治研究?jī)?nèi)容如何確定已成為國(guó)內(nèi)學(xué)者研究的重點(diǎn),本研究?jī)?nèi)容是對(duì)土地整治研究有益的探討,對(duì)中國(guó)土地整治內(nèi)容與目標(biāo)的進(jìn)一步明確具有一定的借鑒意義。根據(jù)已有研究成果,馬健等在遼河流域的實(shí)驗(yàn)表明無(wú)水草攔截相比,4m植物緩沖帶(蘆葦群落)根區(qū)土壤對(duì)總磷的截留率可達(dá)90%、全氮的截留率可達(dá)64%,陳海生等以田水氮磷濃度為參照,研究表明生態(tài)溝渠對(duì)總氮、總磷的多次平均去除率分別為48.36%和40.53%。這些研究表明局部的污染防控工程,在田間污染防控方面具有良好的作用。而筆者的研究將土地整治田間污染防控工程構(gòu)件,根據(jù)系統(tǒng)原理進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)與重構(gòu),其綜合效益還有待進(jìn)一步明確。一般是使用水泥或條石修建成長(zhǎng)方形,指以池內(nèi)放入石英砂等粒狀材料組成的濾料層截留水中的懸浮雜質(zhì),濾層下部為一定厚度的卵石或碎石承托層從而使水獲得澄清的工藝過(guò)程。過(guò)濾池主要用于處理含顆粒較小的固體雜質(zhì)以及污水中的BOD等化學(xué)物質(zhì),兼顧條件水溫作用,保障灌溉水質(zhì)安全。在進(jìn)行過(guò)濾池設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況選擇合適的濾料和承托層。由一組平行的金屬柵條制成的框架,斜置在進(jìn)水渠道上,或泵站集水池的進(jìn)口處,用以攔截污水中大塊的呈懸浮或飄浮狀態(tài)的污物。格柵可以分為平面格柵和曲面格柵。格柵的設(shè)計(jì)主要考慮設(shè)置位置與格網(wǎng)大小,如在水泵或取水口防治的格柵其格網(wǎng)可以大一些,可設(shè)計(jì)為3~10mm,而在渠首,格網(wǎng)大小要滿足農(nóng)田灌溉水含沙量“0.10mm的泥沙不允許入渠道”一般要求。多用混凝土筑造,也可用磚石圬工結(jié)構(gòu),或用磚石襯砌的所成,一般由進(jìn)、出水口、水流部分和污泥斗3個(gè)部分組成。沉淀池功能主要除去水中的砂粒等固體物質(zhì)與調(diào)節(jié)水溫的作用。沉淀池設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮水流方向、水溫以及占地面積。由箱體、基質(zhì)和植物組成,箱體四周為孔狀結(jié)構(gòu)(圖1),水流能順利進(jìn)出箱體,內(nèi)充基質(zhì)。攔截箱有助于降緩水速,其中填充的基質(zhì)對(duì)水體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)具有吸附作用,它和生長(zhǎng)其上的植物共同組成一個(gè)功能完整的小單元,起到凈化水質(zhì)的作用。攔截箱設(shè)計(jì)主要包括箱內(nèi)填充物的選擇、種植植物的選擇、箱體體積以及箱體位置擺放。利用水泥或石板設(shè)計(jì)而成,其具有中位、底位2個(gè)排水孔,根據(jù)需要可將攔截段的水位分為排干、半滿和溢流3種狀態(tài)。隔水板可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)渠道水量與渠道蓄水功能。隔水板設(shè)計(jì)時(shí)要就地取材以減少成本,根據(jù)渠道界面進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)區(qū)域已有的坑塘進(jìn)行優(yōu)化與整修,充分發(fā)揮坑塘蓄水、緩沖作用,同時(shí)在坑