本實用新型涉及一種用于農(nóng)田灌溉水中重金屬凈化的沉砂池，特別是一種用于農(nóng)田灌溉水中重金屬凈化的表面流濕地型沉砂池。

背景技術(shù)：

隨著經(jīng)濟與社會工業(yè)化飛速發(fā)展、人類活動的劇烈，加上礦產(chǎn)資源的累年采冶與三廢無序、粗放排放，導(dǎo)致重金屬污染物不斷擴散到農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，尤其當(dāng)降雨發(fā)生時，礦區(qū)大量攜帶重金屬污染物的泥沙顆粒在雨水徑流的沖刷下隨徑流進入周圍的河流、湖泊中，進而通過灌溉在農(nóng)田積累。環(huán)保部和國土資源部聯(lián)合發(fā)布《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示，全國土壤總的點位超標(biāo)率為16.1%，總體情況不容樂觀，部分地區(qū)土壤污染較重，耕地土壤環(huán)境質(zhì)量堪憂，工礦業(yè)廢棄地土壤環(huán)境問題突出，我國55個污灌區(qū)和1378個污灌土壤樣品中，各類污染總點位超標(biāo)率分別達71.0%和26.4% ^[1]。

污水灌溉雖在一定程度上緩解了農(nóng)業(yè)用水的供需矛盾，但由于工業(yè)污水、畜禽養(yǎng)殖廢水、尾礦區(qū)水塘水庫等灌溉水源中含有一定量的重金屬，如果長期用這些污水進行灌溉就極易造成有毒重金屬在土壤和農(nóng)產(chǎn)品中累積。值得注意的是我國農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染大多由于污水灌溉造成的，如南方稻田土壤中重金屬超標(biāo)的最大輸入源為灌溉^[2]，常年引污灌彌補農(nóng)業(yè)用水不足致使干旱少雨的天津約23萬hm²農(nóng)田受到不同程度的重金屬污染 ^[3]，另外國內(nèi)有不少地方稻田土壤中Cd的含量嚴重超標(biāo)且達到生產(chǎn)鎘米（大米Cd含量≥1.0 mg/kg）的污染程度，如沈陽張士灌區(qū)、上海沙川灌區(qū)、湖南衡陽水口山和株洲清水塘等地區(qū)^[3]，大量文章表明，以重金屬超標(biāo)水源進行灌溉會導(dǎo)致農(nóng)田土壤重金屬累積超標(biāo)，進而造成農(nóng)產(chǎn)品重金屬超標(biāo)^{[4, 5]}。

以色列是世界上較早進行污水灌溉的國家之一，也是世界上水資源利用效率與污水利用程度最高的國家，每年有近百分之五十的污水經(jīng)處理后進行灌溉。我國灌溉水凈化技術(shù)研究尚處于起步和探索階段，多研究污水灌溉對作物與農(nóng)田土質(zhì)的影響，尤其缺乏統(tǒng)一的治理模式。

近年來，南方礦區(qū)灌溉水重金屬超標(biāo)問題日益受到國家與地方政府的關(guān)注，水稻的安全生產(chǎn)關(guān)乎我國糧食安全大計，對重金屬超標(biāo)的灌溉水進行處理后用于農(nóng)田灌溉具有十分重要的意義。已有研究報道顯示，灌溉水中重金屬主要以顆粒態(tài)存在，重金屬總量顯著高于可溶態(tài)，因此礦區(qū)降雨的匯流過程導(dǎo)致灌溉水中大量攜帶重金屬污染物的泥沙顆粒進入灌溉農(nóng)田，進而造成農(nóng)田土壤重金屬累積、超標(biāo)。

近年來，人工濕地作為一種投資低、構(gòu)建簡便、運行成本低，同時具備較好的凈化去污能力、壽命長、工藝簡單且組合多樣等優(yōu)點，被廣泛用于各領(lǐng)域的污水處理，并在灌溉水凈化領(lǐng)域進行了一定的實踐，然而人工濕地在運行一段時間后發(fā)現(xiàn)濕地的底泥重金屬含量明顯升高。針對灌溉水中重金屬主要以顆粒態(tài)存在，尤其降雨期灌溉水中泥沙量大，構(gòu)建簡便可行、高效的用于農(nóng)田灌溉水中顆粒態(tài)污染物凈化的沉砂池具有現(xiàn)實意義和推廣價值。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型擬解決的關(guān)鍵技術(shù)問題為，針對南方礦區(qū)灌溉成為農(nóng)田土壤重金屬累積超標(biāo)的主要來源與日益凸顯的稻田灌溉水重金屬超標(biāo)的現(xiàn)狀，提供一種用于農(nóng)田灌溉水中重金屬凈化的沉砂池，其摒棄了傳統(tǒng)的沉砂池設(shè)計思路和模式，可高效去除尤其是降雨導(dǎo)致的大量附著重金屬污染物的泥沙顆粒因灌溉進入農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，是一種新型的、簡單實用、環(huán)保高效的農(nóng)業(yè)灌溉水凈化裝置。

本實用新型的具體技術(shù)方案是：一種用于農(nóng)田灌溉水中重金屬凈化的沉砂池，包括一池體，該池體的底部土壤層上由下至上設(shè)置細沙層及粗砂填充層，且細沙層及粗砂填充層上種植水生植被；池體上設(shè)置進水口和出水口，且池體靠近出水口處的側(cè)壁上設(shè)置泥沙排污口，進水口設(shè)置第一擋板，出水口設(shè)置第二擋板，泥沙排污口設(shè)置第三檔板；池體的一側(cè)設(shè)置灌渠，灌渠內(nèi)設(shè)置第四擋板，第四擋板將灌渠截斷為第一段灌渠和第二段灌渠，第一段灌渠與池體的進水口連通，第二段灌渠與池體的出水口連通。

所述池體位于灌渠一側(cè)設(shè)置水力障礙墻，保障充足的水力停留時間及灌溉水與沉砂池內(nèi)水生植物的充分接觸沉淀作用。

所述細沙層填充10-15 cm 厚的粒徑為1-2 mm的細顆粒黃沙，粗砂填充層填充5 cm厚的粒徑為3-5 cm 的石粒、礫石或鵝卵石。

所述水生植被由按一間距種植的蘆葦和蘆葦間隙種植的狐尾藻形成。蘆葦株距不大于5 cm，行距不大于10 cm。

所述的池體內(nèi)的過境水深設(shè)計為60±5 cm。

所述進水口與出水口的底部與灌渠的底部保持在同一水平線，且進水口和出水口為直徑40-50cm的圓形，保障灌溉水自然順暢地流入流出沉砂池；泥沙排污口的底部距離粗砂填充層的上表面5 cm，泥沙排污口為直徑50-60cm的圓形。

本實用新型通過利用農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中灌溉水渠沿途的可利用空地，因地制宜進行沉砂池的構(gòu)建，避免了占用農(nóng)田，使用兩層顆粒填充（細沙層及粗砂填充層）沉砂池用來為水生植物系統(tǒng)提供生存基質(zhì)的同時吸附凈化灌溉水中附著在顆粒物上的重金屬等污染物，同時利用沉砂池中的蘆葦、狐尾藻等水生植物系統(tǒng)高效吸附去除灌溉水中的泥沙，并且對水溶態(tài)的重金屬污染也具有一定的吸附減低能力。

與現(xiàn)有的沉砂池技術(shù)相比，本實用新型的優(yōu)點主要在于：

灌溉水經(jīng)進水口進入沉砂池后，水流速度迅速下降，在水力障礙墻的作用下，相比現(xiàn)有的沉砂池系統(tǒng)，可提高灌溉水與水生植物系統(tǒng)的接觸程度，加上細沙層及粗砂填充層的吸附功能均更進一步提高了沉砂效果。

本實用新型提供的沉砂池為一種表面流濕地型沉砂池，對外形要求靈活，可因地制宜選取灌溉水渠進入農(nóng)田前渠段的空地，可建造成正方形，長方形等，同時根據(jù)水流特征設(shè)適宜的水力障礙墻，相比傳統(tǒng)技術(shù)更適宜推廣到實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐。

本實用新型設(shè)計的填充材料，可就地取材，選用一般黃沙和礫石，以及粒徑適宜的碎石顆粒，成本低而且取材方便。

本實用新型水生植被系統(tǒng)還可以種植一些可富集灌溉水中可溶態(tài)重金屬的、大生物量的水生植物，利用植物系統(tǒng)與沙石基質(zhì)對重金屬污染物進行高效吸附、去除，同時淤泥清洗簡便，避免二次污染農(nóng)田的風(fēng)險。

本實用新型的表面流濕地型沉砂池還可以串聯(lián)其他濕地處理技術(shù)對灌溉水進行深度處理。

附圖說明

圖1 表示的是本實用新型表面流濕地型沉砂池的俯視結(jié)構(gòu)圖。

圖2 為本實用新型表面流濕地型沉砂池的截面及水流概況圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖與實施案例對本實用新型作進一步說明。

如圖1、圖2所示，本實用新型一種用于典型礦區(qū)農(nóng)田灌溉水中重金屬凈化的表面流濕地型沉砂池包括一池體9，該池體9的四壁由水泥硬化形成，池體9底部為土壤層。池體9的土壤層上由下至上設(shè)置細沙層7及粗砂填充層4，且細沙層7及粗砂填充層4上種植水生植被11。池體9的頂部設(shè)置進水口1和出水口2，池體9的靠近出水口處的側(cè)壁上設(shè)置泥沙排污口3，且進水口1設(shè)置第一擋板，出水口2設(shè)置第二擋板，泥沙排污口3設(shè)置第三檔板。池體9的一側(cè)設(shè)置灌渠10，灌渠10內(nèi)設(shè)置第四擋板8，第四擋板8將灌渠10截斷為第一段灌渠101和第二段灌渠102，第一段灌渠101與池體9的進水口1連通，第二段灌渠102與池體9的出水口2連通。池體9內(nèi)位于灌渠10一側(cè)設(shè)置水力障礙墻5，以保證灌溉水的水力停留及其與水生植物系統(tǒng)的接觸時間，充分發(fā)揮池體9內(nèi)的粗砂填充層4、水生植被的過濾沉砂能力。

細沙層7填充10-15 cm 厚的細顆粒黃沙，提供水生植物的種植基質(zhì)。粗砂填充層4填充5 cm厚的粒徑為3-5 cm 的石粒、礫石或鵝卵石等顆粒填充物。

水生植被11由按一定間距種植的蘆葦，及蘆葦間隙種植的狐尾藻形成。蘆葦株距不大于5 cm，行距不大于10 cm。池體運行期間對死亡植物進行定期補充，以保證植物的沉砂能力。雜草的控制無需特意投入人力去除雜草，僅需在補充或更換蘆葦或狐尾藻時一并處理即可，但需要保證植物的高效生長態(tài)勢。冬季應(yīng)對死亡的植物進行收割，收割后的植物組織由于可能富集重金屬，盡量避免用于堆肥或者飼料。

灌溉期，合上第四擋板8，打開進水口1的第一擋板，出水口2的第二擋板，灌溉水由第一段灌渠101及進水口1直接進入池體9，在水力障礙墻5的作用下，水流速度迅速減緩，并沿圖1中箭頭6所示方向流經(jīng)水生植被，經(jīng)過水生植被（蘆葦和狐尾藻）的莖葉等組織被系統(tǒng)過濾后實現(xiàn)高效沉砂，尤其可高效去除因降雨沖刷帶來的大量富含重金屬的泥沙等顆粒物，最后經(jīng)出水口2排入第二段灌渠102，并被送入農(nóng)田作為灌溉水使用。

當(dāng)本實用新型沉砂效果因泥沙淤積而明顯下降時或者在非灌溉期可選擇合上出水口2的第二擋板，打開泥沙排污口3的第三擋板，通過人工清掃攪拌，排除池體內(nèi)的淤積物。泥沙排污口3的設(shè)置需考慮實地的周邊地形情況，盡量選擇排入主河道或廢棄低洼區(qū)，避免排到農(nóng)田區(qū)域，以免因后續(xù)降雨沖刷作用而再次進入農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)。

非灌溉期間，灌渠10內(nèi)的第三擋板8打開，關(guān)閉出水口2的第二擋板與泥沙排污口3的第三擋板，僅保證有少量水通過進水口1進入池體9，維系池體9中的水生植被的生態(tài)需水。

參考文獻

[1]環(huán)境保護部, 國土資源部. 全國土壤污染狀況調(diào)查公報[R]. [2014-04-17]. http:// www.mlr.gov. cn/xwdt/jrxw/201404/t20140417_1312998. htm.

[2]Zhao F J, Ma Y B, Zhu Y G et al. Soil Contamination in China: Current Status and Mitigation Strategies [J]. Environmental Science & Technology,2015, 49,750-759.

[3]Liu K, Lv J, He W, et al. Major factors influencing cadmium uptake from the soil into wheat plants. Ecotoxicology and environmental safety, 2015, 113: 207-213.

[4]Hu P, Ouyang Y, Wu L, et al. Effects of water management on arsenic and cadmium speciation and accumulation in an upland rice cultivar. Journal of Environmental Sciences, 2015, 27: 225-231.

[5]姜國輝, 周雪梅, 李玉清, 等. 不同濃度鎘水灌溉對土壤及水稻品質(zhì)的影響. 水土保持學(xué)報, 2012, 26(5): 264-267.