本发明涉及消落带面源污染防治领域，具体是一种消落带面源污染防控人工湿地系统。
背景技术：
三峡库区位于长江流域腹地，是长江流域生态环境保护和修复的主控节点。生态环境尤其是库区水环境是三峡工程的主要关注点之一。自三峡工程竣工后，形成了库长约660km总库容393亿m3，岸线长达2200km的水库。为蓄清排浑，三峡水库采用夏落冬涨的季节性调节水位蓄水模式，即每年汛期将水位降至145m，汛期过后将水位升至175m拦蓄清水，水位消涨过程中形成了落差30m的消落带。
消落带湿地作为陆地生态系统和水域生态系统之前的过渡区域，是陆域集水区泥沙、有机物、化肥和农药等进入水域前的最后一道生态屏障，也是水体循环调节的缓冲带，对水陆生态系统的物质流、能量流、物种流起着廊道、过滤器、屏障等作用，在净化陆域集水区面源污染、稳定库岸、防止水土流失、提供生物生境、美化景观、维持水陆界面生态系统动态平衡等方面，都提供着不可替代的生态服务功能。但水位反复涨落对原有的生态环境发生巨大干扰，使得消落带植被生态系统十分脆弱，在植被初步形成阶段或退化状态，未能充分发挥拦截泥沙、过滤污染物的屏障作用。
就三峡库区而言，近年来，以工业污染源和城市市政废水为主的点源污染收到社会的广泛关注，现在在很大程度上已经有效控制，但是面源污染，尤其是农业农村生产生活带来的农业面源污染物逐渐成为其污染输入的主要来源。三峡库区地貌类型以低山丘陵为主，农业种植地位高，村庄与耕地多分布在长江干、支流两岸，且耕地大部分为坡地。包括农业种植过程过度使用的化肥和杀虫剂，不合理的农田灌溉，不合理处理飞农村家畜和家禽养殖粪便，随意丢弃的生活废弃物和随意排放的生活污水，都会通过渗透、排水、降雨形成的径流汇入水库。据估算三峡库区(重庆段)种植业化肥施用量高于全国平均水平，单位面积施肥折纯量为tn23.25t·km-2，tp20.43t·km-2，田间施用杀虫剂平均只有3％产生药效，除草剂剂有效利用部分占5％-40％。农业面源污染直接入库区，严重影响了库区水环境及生态系统健康。控制农业面源污染是保护和提升山峡水库水质的重中之重。
就面源污染物防控而言，一方面是从源头入手，优化农药化肥等施用，减少污染源，另一方面就是在污染物输移过程中进行拦截与消减。因此如何强化因水位涨跌削弱的消落带地区生态屏障作用就显得尤为重要。人工湿地系统是由人工构筑水池或沟槽，充填一定深度的基质层，种植水生植物，利用基质、植物、微生物的三重协同作用使污染物得到净化，是面源污染防控的有效手段之一，但针对消落带的人工湿地集成系统与体系研究不多，仍待进一步完善。、
本发明以三峡库区消落带为应用目标，通过对湿地植物的筛选、植物布局的调控、湿地系统结构组成构建，利用物理、化学、生物三重协同作用得到适用于消落带地区的可高效拦截、消耗面源污染物的人工湿地系统，并将其应用于消落带面源污染阻控。
技术实现要素：
本发明针对消落带植被初步形成和退化阶段生态屏障作用不足，不能有效拦截泥沙、n、p等污染物的问题，提供一种适用于三峡库区消落带的面源污染阻控人工湿地，以减少库区面源污染物输入。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种消落带面源污染防控人工湿地系统，自下而上包括防渗夯实层、吸附填料层、底泥种植层、水流分布调节组件；
所述防渗夯实层位于湿地最底部，通过将底部泥土夯实得到；
所述吸附填料层位于防渗夯实层上方，由具有较大比表面积的无机填料组成，所述吸附填料层中添加有厌氧微生物，所述吸附填料层中埋设有供氧管路，以提供厌氧微生物代谢所需要的氧气，防渗夯实层上部、吸附填料层底部设置若干出水管；
所述底泥种植层包括底泥层，底泥层下部铺设分离筛网，底泥层上模块化种植适合于消落带地区的耐水淹植物；
所述水流分布调控组件用于控制水体流速，使水流均匀分布且增加在湿地的停留时间。
进一步的，所述吸附填料层厚度为5cm-30cm。
进一步的，所述厌氧微生物为厌氧氨氧化微生物或反硝化微生物。
进一步的，所述出水管上设置有阀门，以根据入水情况调节出水流量。
进一步的，所述底泥层厚度为20cm-30cm。
进一步的，所述水流分布调控组件包括挡流板、溢流堰以及模块化植物组件；
所述溢流堰位于出水侧，由夯实的土壤或绿化混凝土组成；
所述挡流板位于湿地中间，由相互间隔的两块挡板组成，一侧连接进水端，另一侧连接溢流堰，面源污染来水的进水口位于两挡板中间，所述挡流板上部与溢流堰平齐，下部中空距离底泥种植层上部一定距离；
所述模块化植物组件为底泥层上模块化种植适合于消落带地区的耐水淹植物。
进一步的，所述耐水淹植物包括美人蕉、黄昌蒲、水葱、茭白、藕中的一种或几种的混合。
进一步的，所述挡流板的两块挡板相距30cm-50cm，挡流板下部距离底泥种植层上部3cm-5cm。
进一步的，所述溢流堰顶部种植耐水淹植物。
进一步的，所述溢流堰外侧底部，即下层湿地上端设置防溅集水槽，所述防溅集水槽用以避免溅射和收集溢流来水。
本发明具有如下优点：
1、具有良好的泥沙拦截作用，在降雨量较小流量较小的时候，通过位于吸附填料层的出水口排水，实现泥沙全拦截；当径流量较大时，通过水流分布调控降低流速，增加水在湿地中的停留时间，从出水口和溢流堰同时排水，使更多泥沙沉降，降低泥沙及其吸附的n、p等面源污染输出。
2、利用植物吸收、化学吸附、微生物代谢等多种手段，多重拦截，将进水中的n、p等面源污染物，当成植物微生物代谢生长的营养源，高效去除水体中面源污染物。
3、通过水流分布调控，使进水在湿地中分布更均匀，停留时间更长，避免了死水区和回水区，提升处理效果。
附图说明
图1为本发明消落带面源污染防控人工湿地系统的结构示意图；
图2为本发明消落带面源污染防控人工湿地系统的俯视图；
图3为本发明水流分布图。
图中：1—防渗夯实层、2—吸附填料层、3—底泥种植层、4—挡流板、5—溢流堰、6—防溅集水槽、7—耐水淹植物、8—分离筛网、9—曝气管、10—出水管、11—进水口。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1所示为本发明消落带面源污染防控人工湿地系统的结构示意图，其利用物理、化学、生物三重协同作用实现人工湿地系统对面源污染物的拦截与消减。该人工湿地系统自下而上包括防渗夯实层1、吸附填料层2、底泥种植层3、水流分布调节组件。
所述防渗夯实层1位于湿地最底部，通过人工或机械将底部泥土夯实得到，以增加土壤容重，减少湿地水分下渗。
所述吸附填料层2位于防渗夯实层1上方，厚度5cm-30cm，由具有较大比表面积的无机填料组成，包括添加厌氧微生物的颗粒状生物质炭、颗粒状活性炭、多孔陶瓷、沸石、分子筛、凹凸棒石、麦饭石中的一种或几种的混合，可通过其微孔、介孔等大量孔隙吸附从底泥种植层下渗水中的面源污染物，同时吸附填料层2中的厌氧微生物可消耗下渗水和填料颗粒吸附的n、有机物等污染物，以减少出水中此类面源污染物。所述厌氧微生物为厌氧氨氧化、反硝化微生物，所述无机填料的粒径0.5cm-3cm，所述吸附填料层2中间埋设供氧管路，例如曝气管9，以提供厌氧微生物代谢所需要的少量氧气。防渗夯实层1上部、吸附填料层2底部设置若干出水管10，所述出水管10上接阀门以根据入水情况调节出水流量，出水管10的直径为5cm-7cm。
所述底泥种植层3包括厚度为20cm-30cm的底泥层，底泥层下部铺设分离筛网8，底泥层上模块化种植适合于消落带地区的耐水淹植物7，包括美人蕉、黄昌蒲、水葱、茭白、藕等，可根据需求，在不同模块上种植相同或不同植物，以根据需求调节湿地景观效益与经济效益。植物模块与模块间相隔20cm以上，以促进水流循环。所述底泥种植层3中的底泥对可过滤泥沙等大颗粒物质，同时吸附n、p等面源污染源物，所述耐水淹植物7通过植物代谢、生长可消耗底泥中n、p等物质已达到平衡，也可直接消耗来水中n、p等面源污染源物。
所述水流分布调控组件包括挡流板4、溢流堰5以及模块化植物组件。
所述溢流堰5位于出水侧，其根据需要由夯实的土壤或绿化混凝土组成，其上沿高于底泥种植层3上沿50cm以上，溢流堰5顶部种植耐水淹植物，例如狗牙根。溢流堰5外侧底部，即下层湿地上端设置防溅集水槽6，用以避免溅射和收集溢流来水。
所述挡流板4位于湿地中间，由相距30cm-50cm的两块挡板组成，一侧连接进水端，面源污染来水的进水口11位于两挡板中间，另一侧连接溢流堰5，所述挡流板4上部与溢流堰5平齐，下部中空距离底泥种植层3上部3cm-5cm。
所述模块化植物组件为底泥层上模块化种植适合于消落带地区的耐水淹植物7，底泥层上密级种植耐水淹植物7形成植物块，各植物块之间间隔20cm以上。
本发明工作原理：当来水流量较小时，通过挡流板4与模块化植物组件，让水流均匀分布，减少死水区，回水区，而后均匀下渗，透过底泥种植层3，达到吸附填料层2。当来水量较大超过湿地处理量时，较高的溢流堰5可提升湿地蓄水量，将来水蓄积，而后处理。当来水量进一步加大，多余来水可通过溢流堰5流出，而后通过防溅集水槽6流进下一级湿地或流出，此时通过挡流板4、植物等共同作用，降低了水体流速，增加停留时间，可让大部泥沙及其所吸附的营养物质沉积，以减少面源污染物输出。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
技术特征：
1.一种消落带面源污染防控人工湿地系统，其特征在于：自下而上包括防渗夯实层、吸附填料层、底泥种植层、水流分布调节组件；
所述防渗夯实层位于湿地最底部，通过将底部泥土夯实得到；
所述吸附填料层位于防渗夯实层上方，由具有较大比表面积的无机填料组成，所述吸附填料层中添加有厌氧微生物，所述吸附填料层中埋设有供氧管路，以提供厌氧微生物代谢所需要的氧气，防渗夯实层上部、吸附填料层底部设置若干出水管；
所述底泥种植层包括底泥层，底泥层下部铺设分离筛网；
所述水流分布调控组件用于控制水体流速，使水流均匀分布且增加在湿地的停留时间。
2.如权利要求1所述的消落带面源污染防控人工湿地系统，其特征在于：所述吸附填料层厚度为5cm-30cm。
3.如权利要求1所述的消落带面源污染防控人工湿地系统，其特征在于：所述厌氧微生物为厌氧氨氧化微生物或反硝化微生物。
4.如权利要求1所述的消落带面源污染防控人工湿地系统，其特征在于：所述出水管上设置有阀门，以根据入水情况调节出水流量。
5.如权利要求1所述的消落带面源污染防控人工湿地系统，其特征在于：所述底泥层厚度为20cm-30cm。
6.如权利要求1所述的消落带面源污染防控人工湿地系统，其特征在于：所述水流分布调控组件包括挡流板、溢流堰以及模块化植物组件；
所述溢流堰位于出水侧，由夯实的土壤或绿化混凝土组成；
所述挡流板位于湿地中间，由相互间隔的两块挡板组成，一侧连接进水端，另一侧连接溢流堰，面源污染来水的进水口位于两挡板中间，所述挡流板上部与溢流堰平齐，下部中空距离底泥种植层上部一定距离；
所述模块化植物组件为底泥层上模块化种植适合于消落带地区的耐水淹植物。
7.如权利要求6所述的消落带面源污染防控人工湿地系统，其特征在于：所述耐水淹植物包括美人蕉、黄昌蒲、水葱、茭白、藕中的一种或几种的混合。
8.如权利要求6所述的消落带面源污染防控人工湿地系统，其特征在于：所述挡流板的两块挡板相距30cm-50cm，挡流板下部距离底泥种植层上部3cm-5cm。
9.如权利要求6所述的消落带面源污染防控人工湿地系统，其特征在于：所述溢流堰顶部种植耐水淹植物。
10.如权利要求6所述的消落带面源污染防控人工湿地系统，其特征在于：所述溢流堰外侧底部，即下层湿地上端设置防溅集水槽，所述防溅集水槽用以避免溅射和收集溢流来水。
技术总结
本发明提供一种消落带面源污染防控人工湿地系统，自下而上包括防渗夯实层、吸附填料层、底泥种植层、水流分布调节组件；防渗夯实层位于湿地最底部；吸附填料层位于防渗夯实层上方，由具有较大比表面积的无机填料组成，吸附填料层中添加有厌氧微生物，防渗夯实层上部、吸附填料层底部设置若干出水管；底泥种植层包括底泥层，底泥层下部铺设分离筛网，底泥层上模块化种植适合于消落带地区的耐水淹植物；水流分布调控组件用于控制水体流速，使水流均匀分布且增加在湿地的停留时间。本发明利用物理、化学、生物三重协同作用得到适用于消落带地区的可高效拦截、消耗面源污染物的人工湿地系统，并将其应用于消落带面源污染阻控。
技术开发人、权利持有人：刘纪根;李昊;孙宝洋;邱佩;程冬兵;任斐鹏;李建明;张长伟;张文杰
