田-沟-塘系统纳洪减污效应研究进展

针对南方地区水资源时空分布不均、水旱灾害频发且极端气候加剧、农业用水效率不高且面源污染严重等水安全问题,探讨稻田、排水沟、塘堰组成的灌溉排水系统(简称田-沟-塘系统)的调蓄纳洪、协同减污效应,以期为灌区雨洪调蓄和节水减排提供理论参考。从灌区雨洪调蓄实际出发,对当前田-沟-塘系统的国内外研究工作和发展进行总结,对田-沟-塘系统承纳洪水、输水蓄水、优化调水、协同防控氮磷流失等基础理论和关键技术等问题进行阐述,提出了田-沟-塘系统的“虚拟水库”模式及其纳洪效应的模型模拟方法。目前关于田-沟-塘系统调水控水的研究还普遍停留在净化水质单方面效用上,水量调蓄方面则多以研究稻田、排水沟、塘堰单个体的水平衡过程为主,缺少田-沟-塘系统联合调度的系统研究,如何提高灌区粮食生产过程中雨洪调蓄利用仍缺乏系统思维和技术手段。未来的研究要进一步拓展和丰富田-沟-塘系统雨水调蓄利用和协同减污功能,揭示稻田作为“隐形蓄水池”的蓄水潜力以及田-沟-塘系统的调洪削峰减污能力。

潜水位动态计算灌溉回渗强度动力学方法研究

在沟渠侧渗与田间下渗都不可忽略的灌区,由于潜水水位动态数据分项计算田间下渗与沟渠侧渗的困难,研究基于地下水动力学原理,当田间下渗强度ε为常数,将ε作源汇项构建沟渠附近潜水非稳定流模型,对模型进行线性化、齐次化处理,利用Laplace变换,求出模型解;对随时间变化的下渗强度,利用分段函数将其离散,按叠加原理求出解.然后,基于模型解,构建利用潜水水位动态数据计算田间下渗强度的递推公式,结合Darcy定律给出计算沟渠侧渗算式,讨论沟渠边界对潜水位变动及对侧渗强度的影响规律.以淮北平原某干渠附近潜水位动态为例,演示上述过程:在48 h计算期内,沟渠侧渗对潜水位变动的贡献比例,从初期的4.3%迅速上升到末期的62.8%.据此所提出的计算灌溉回渗强度的动力学方法可为灌溉水入渗地下水计算提供参考.

基于两相流的氧化沟推流器分布特性研究

针对氧化沟污水处理技术中可能存在的能耗大、污泥淤积的问题,将活性污泥的黏度和沉降速率通过用户自定义函数导入Fluent软件,对某污水处理厂的标准氧化沟进行水-活性污泥两相流数值计算,得到氧化沟中推流器功率、速度分布情况及污泥分布情况,并对其进行分析比较,选出最优电机功率及推流器分布。对氧化沟内流场特性进行深入分析,将数值模拟及试验测得断面流速进行比较,结果表明各测点数据吻合程度较好,因此认为数值模拟能够较好地预测出真实流场中各点的流速,且速度死区率大的区域污泥质量浓度一般较高。

香蕉种植方式和环境因子对土壤热导率的影响

【目的】探究香蕉种植方式和环境因子对土壤热导率的影响,为广西调整香蕉合理种植模式及有效利用喀斯特地区土壤水热资源提供参考依据。【方法】以广西地区水田起畦(DT处理)与旱地开沟(ST处理)种植的香蕉为研究对象,利用田间定位监测系统对研究区域环境因子及5、20和40 cm深度土层的土壤含水量进行连续观测,计算土壤热导率,并结合土壤的基本理化性质,分析2种种植方式下土壤热导率的变化规律。【结果】DT处理的土壤砂粒和黏粒含量均高于ST处理,且在20和40 cm土层处差异显著(P<0.05,下同);土壤容重显著高于ST处理。随着土壤深度的增加,DT处理土壤的有机质含量分别比ST处理增加56.0%、35.8%和48.0%。在各土层中,DT处理的土壤热导率平均值均显著大于ST处理,其中DT处理20 cm土层的土壤热导率平均值高于ST处理26.2%。降雨和环境温度是影响土壤热导率的主要因素,其中,环境温度与2种种植方式下5和20 cm土层的土壤热导率呈负相关;降水量与2种种植方式下5和20 cm土层的土壤热导率呈显著或极显著(P<0.01,下同)正相关;在40 cm土层,降水量仅与DT处理的土壤热导率呈极显著正相关。除雨型Ⅰ外,DT处理的土壤热导率平均值均大于ST处理;雨型Ⅳ和Ⅵ发生时,DT处理在各土层对降雨的响应程度均大于ST处理。【结论】降雨和环境温度因子改变对广西地区种植香蕉的土壤热导率动态变化具有重要影响。降雨发生时,水田起畦种植香蕉方式对土壤热导率的提高效果更佳,更有利于广西地区调整香蕉合理种植模式和高效利用喀斯特地区水热资源。

果园开沟施肥机开沟器设计与试验

针对现果园开沟施肥机开沟器作业过程中耕作阻力大、功耗高、动土量大等问题,设计一种旋转式开沟器,运用正交试验对其结构参数进行优化确定。结合理论分析与经验设计,初步确定开沟器的刃口长度取值范围为100~110 mm,刃口宽度取值范围为30~50 mm,入土角取值范围为19°~23°。正交试验得到影响功耗的主次因素顺序为:入土角、刃口宽度、刃口长度,最优组合为入土角21°、刃口宽度40 mm、刃口长度105 mm;影响土壤扰动横截面面积的主次因素顺序为:入土角、刃口长度、刃口宽度,最优组合为入土角21°、刃口宽度40 mm、刃口长度110 mm。采用综合加权评分法对两指标综合评价得到最优组合为刃口长度105 mm、刃口宽度40 mm、入土角21°。田间验证试验表明:此参数组合时,开沟器作业时功耗为3.09 kW,土壤扰动横截面面积为9531.21 mm 2,相对各组正交试验结果均较优。

沟渠及塘堰湿地系统对稻田氮磷污染的去除试验

为研究原位状态下灌区沟渠及塘堰湿地系统对稻田氮磷污染的去除效应和规律,在湖北省漳河灌区选取农沟～斗沟尺度的3段典型排水沟渠和一处塘堰,分别于2009—2010年5—9月水稻生育期在沟渠和塘堰进出水口采集水样进行氮磷浓度化验分析。结果表明,灌区农沟～斗沟尺度典型排水沟渠对总氮、硝态氮、铵态氮、总磷整体去除率分别为44.6%、9.9%、37.3%、35.1%;塘堰对总氮、硝态氮、铵态氮、总磷的平均去除率分别为15.2%、15.6%、30.2%、-6.5%。典型沟渠和塘堰对氮磷污染的去除表现出一定的抗冲击自修复性。原位条件下,由于排水沟中水力停留时间都不长,使得种植不同植被的沟段之间对氮磷的去除效应差异性不明显。塘堰湿地系统中植被的选育及其管理对去除稻田排水氮磷污染具有重要意义。

工程排水和农业措施改良鄱阳湖区潜育化稻田的效果

【目的】潜育化水稻土存在渍、冷、烂、闭(气)、毒及缺素等障碍因素。开沟排水是改良潜育化稻田最有效的方法,而垄作、湿润灌溉及冬季晒阀等栽培管理措施也具有调控水分、改善土壤结构和氧化还原状况的作用。本文研究开沟排水与农业措施相结合改良鄱阳湖区潜育化稻田的效果,旨在为湖区潜育化水稻土改良提供技术参考。【方法】2012 2013年在鄱阳湖区潜育化双季稻田以工程排水(Ditching Drainage,D-D)为主处理,持续淹水(对照,Continuously Flooded,CF)、垄作(Ridge Culture,RC)、湿润灌溉(Wet Irrigation,WI)、冬季晒阀(Winter Plough,WP)4个农业措施为副处理,通过2年4季的田间试验研究了工程排水与农业措施相结合对鄱阳湖区潜育化稻田水稻产量、土壤还原物质总量及土壤物理化学性质的影响,分析了工程排水及农业措施相结合改良鄱阳湖区潜育化稻田的潜力。【结果】工程排水及优化农业措施可以明显提高水稻产量。工程排水条件下持续淹水、垄作、湿润灌溉和冬季晒阀处理的早晚稻产量分别比对应的无工程排水处理增加12.8%、10.1%、13.3%和13.3%,农业措施中垄作处理的产量最高;其中工程排水与垄作相结合增产效果最明显,每季增产1.11-1.89 t/hm2。受排水造成田内养分流失等因素影响工程排水和农业措施对水稻收获期秸秆和籽粒中的养分含量影响没有明显规律。工程排水显著降低了潜育化稻田0—15 cm土壤还原物质总量,冬季晒阀和垄作处理也显著降低了土壤还原物质总量,工程排水与优化栽培模式相结合降低土壤还原物质总量的作用更明显,其中也以工程排水与垄作相结合作用最好,可减少1.11 1.87 cmol/kg。潜育化稻田耕层土壤还原物质总量随着土壤深度增加而增高。工程排水显著提高了潜育化稻田的土壤阳离子交换量、速效磷、全氮含量,农业措施中垄作对提高土壤养分含量及改善养分供应状况的作用最明显。工程排水还提高了垄作、湿润灌溉和冬季晒阀等农业措施土壤腐殖质碳和富里酸碳含量。【结论】工程排水可以显著降低土壤还原物质总量,提高土壤阳离子交换量、速效磷、土壤全氮含量,垄作、湿润灌溉和冬季晒阀等农业措施也可降低土壤还原物质总量,提高土壤养分含量及改善养分供应状况,其中垄作的作用最明显。因此,在采用工程排水措施改良鄱阳湖区潜育化稻田时,还应采取适当的栽培措施。

不同毛沟布置方式下农田次降雨氮素流失特性分析

为了研究田间工程对农田氮素随径流流失的影响,该文通过设置不同排水毛沟布置方式下农田对比试验,观测研究了农田出口的降雨径流特征以及氮素流失特征,结果表明:与毛沟布置多的处理相比,毛沟布置少的处理径流对雨强变化敏感度相对较小,其径流峰值滞后,且高峰径流量持续时间长,但总氮输出负荷减少7.44%;2个处理之间铵态氮和硝态氮的流失量均差异显著;在径流初始及峰值阶段铵态氮占总氮的比例显著高于径流消减阶段,硝态氮的比例全过程变化不大;硝态氮、铵态氮、总氮的输出负荷与径流量呈线性正相关。研究表明:汇水面积小,毛沟布置多的处理减少农田涝渍效果明显,而汇水面积大,毛沟布置少的处理能有效降低总氮的输出负荷。

农业小流域“田-沟”系统氮素时空变化分析

为研究农业小流域尺度上氮素的时空变化趋势,以夏作期内位于南京市溧水县白马镇的典型农业小流域为研究对象,通过野外监测和室内化验分析相结合,探讨了小流域内土壤氮素含量的时空变化,并分析了排水沟道中氮素质量浓度的时空分布特征.结果表明:夏作期小流域内土壤3种形态氮素质量分数时间上存在一定差异性,土壤全氮质量分数呈先增大后减小趋势,土壤硝态氮、铵态氮质量分数均呈总体减小趋势,降幅分别为37.1%,60.9%;小流域土壤全氮质量分数空间上分布趋势为中部较高,四周较低,南部相对于北部质量分数较大.夏作期排水沟道中总氮、硝态氮、铵态氮平均质量浓度依次为3.54,0.81,0.59 mg/L;在排水沟道的迁移过程中,3种形态氮素质量浓度均是沟道出口处大于沟道入口处.

沟塘湿地对农田面源污染的降解试验

农田排水导致的面源污染是灌区水环境恶化的重要原因之一。为寻找适合南方地区的治理办法,提出了运用排水沟与塘堰湿地结合的系统净化农田排水水质,并在江西省灌溉试验中心站开展了系统的试验研究。结果表明,该系统具有良好的净污效果,对TN、NH4+-N、NO3--N和TP的综合去除率分别为69.8%、88.1%、69.6%、81.2%,一定程度上实现了减少农田面源污染和修复农田水环境的目的。

生态沟渠对农田排水中氮磷的去除机理初探

在野外分别构建生态沟渠(采用分布有10 cm×10 cm长方形孔的混凝土板材,沟底、沟壁种植植物)、对照沟渠1(采用硬质化混凝土板材,未人为布设植物)和对照沟渠2(土质沟渠,未人为布设植物),研究了3种沟渠对颗粒物的拦截效果及其机理。结果表明,生态沟渠对农田排水中氮磷的高效去除机理主要表现在沟渠植物的吸收、过滤箱中的基质吸附和植物吸收、沟渠拦截坝所产生的减缓流速和沉降泥沙等方面。其中,沟渠植物吸收氮磷分别占夏季试验进水氮磷总量的68.30%和78.45%,泥沙沉降占1.05%和5.05%;生态沟渠放置过滤箱后的氮磷去除效果显著好于未放置时,过滤箱中的植物吸收氮磷占放置过滤箱试验进水氮磷量的0.37%和1.55%,过滤箱中的基质吸附占10.82%和37.94%;生态沟渠设置拦截坝时的水力停留时间较未设拦截坝时延长2.0倍。

明沟排水对冷浸田土壤理化性质及产量的影响

通过2年田间定位试验,研究了采用"田"字型明沟排水措施对冷浸田土壤理化性质及产量的影响。结果表明,与不开排水沟的对照处理相比,明沟排水处理土壤密度降低11.0%,总孔隙度和通气孔隙度分别增加6.0%和19.0%,移栽后10d和37d土壤温度增加1.3℃和1.9℃;2011年晚造和2012年早造易氧化有机质增加11.0%和15.0%,有效穗数提高7.6%和4.3%,结实率提高2.2%和1.2%,产量提高1 494和1 225.5kg/hm2。

生态沟渠植物对农田排水中氮磷的截留和去除效应

在室内构建生态沟渠(种植柳树、桃叶珊瑚、美人蕉、菖蒲等植物)和自然沟渠(对照,无植物),研究两种沟渠对农田排水中氮磷的拦截效果,结果表明植物生态沟渠对农田排水中氮磷的拦截效果明显好于自然沟渠。生态沟渠的高效去除机理主要表现在植物的吸收,基质和底泥的吸附等方面。4种不同植物生态沟渠对氮磷的拦截效果显示,其中柳树生态沟渠的去除效果稳定性好。

冷浸田开沟排水技术规程

冷浸田为我国主要中低产田之一,其改良与治理,开沟排水、防治渍害是其首要技术措施。结合国内已有研究成果及近年的实施效果,提出了冷浸田开沟排水技术规程。总体原则是排除渍水,降低地下水位;田内开沟方式应因地制宜开口字沟、日字沟、田字沟、囲字沟等,结合明沟排水、暗管排水措施引流;禾苗移栽后必须对排水沟进行清淤,以便形成排水良好的沟渠。

灌溉水质对稻田沟渠水栖无脊椎动物多样性的影响

对浙江省安吉县具有不同灌溉水质的禹山坞和北村稻田及灌溉渠的水栖无脊椎动物，进行了定点取样调查。结果表明，在灌溉水质污染较重的北村稻田和沟渠，其水栖无脊椎动物的种类明显减少，仅为灌溉水质较好的禹山坞村稻田的６６．７％，但扁旋螺、萝卜螺和摇蚊幼虫等少数种种群数量比禹山坞高出１０培以上，生物的均匀度下降。调查指出，稻区的工业废水和城镇生活污水对稻田灌溉水的污染，将造成稻区水栖无脊椎动物的生物多样性降低、生态平衡遭受一定程度的损害。

生态型土地整理模式研究

从农业工程生态的角度出发,探讨一种土地整理中改善生产条件、提高耕地质量同时注重整理区生态环境改善,构建一种空间结构和谐、生态稳定的生态型土地整理模式。结果表明,融入生态理念的土地整理,提高了整理区粮食生产能力及抗灾害能力,改善了生态环境。

氧化沟流场的计算流体力学数值模型研究

该研究发展了氧化沟计算流体力学模型。采用三维标准k-ε湍流计算流体力学模型对全尺度氧化沟进行了数值模拟和试验验证,并用动量源项方法描述倒伞曝气机对氧化沟中流体的驱动作用,试验结果和模拟计算间良好的一致性证明了模型的合理性。模拟和试验均发现大量低流速区域的存在,尤其是表面曝气机下部靠近沟底的区域,有必要改善氧化沟的水力学性能。同时,对网格独立性进行了验证,比较了不同湍流模型的计算结果。

稻蟹共作模式稻田水质水平变化初步研究

以稻田为试验对象,设置了稻田养蟹与不养蟹两种模式,并在稻田四周开挖环沟。分别于水稻的4个生长时期(分蘖期、拔节期、扬花期和灌浆期),在环沟、边际和田间各随机选取3个点采集水样,测定两种模式稻田水质的水平变化。所测的水环境指标包括溶解氧(DO)、水温(T)、pH值、氨氮(NH3-N)、亚硝酸盐(NO2-N)、硝酸盐(NO3-N)和磷酸盐(PO4-P)。结果表明,养蟹田在水稻生长的4个时期,环沟、边际和田间之间的DO、pH值和T均无显著差异;但不养蟹田DO在拔节和灌浆期存在显著差异。在扬花期与灌浆期,养蟹田与不养蟹田的环沟、边际、田间的DO和NO3-N分别存在显著差异。前期因为施基肥的缘故,所测各项指标均较高,养蟹田在灌浆期,环沟与田间的NH3-N、NO2-N、PO4-P含量差异显著;扬花期和灌浆期,养蟹田与不养蟹田环沟、边际和田间NH3-N含量均存在显著差异。整体来看,养蟹田较不养蟹田的DO低,环沟中氮磷指标也较田间稍高。

氧化沟水力学分析及流场计算

氧化沟技术是一种改良的活性污泥技术,具有针对性强、耐高负荷冲击、处理效果稳定性好、维护管理方便以 及工程投资和运行费用相对较低的特点,在国内工业废水和生活污水处理中得到较广泛应用,尤其是在国内 制革企业废水处理中几乎都采用此技术,但氧化沟的设计是依据容积负荷、污泥龄等参数,未考虑沟内水体 的流动状况。本文采用k-ε紊流数学模型对卡鲁塞尔(Carrousel)氧化沟的流场及水力学进行了分析计算,模拟了氧化沟水体的流动状态,其结果对于评价氧化沟的结构和运行方式具有十分重要的指导作用。

软管涌流灌在大田垄膜沟种作物的应用试验研究

通过在水利部灌溉试验总站2年的试验研究,提出软管涌流灌溉配套垄膜沟种耕作方式的节水灌溉综合技术模式,提高了灌溉水的利用率,解决了微灌技术成本高和操作难度大等难题,探讨了微灌设施用于大田作物灌溉的可行性方案。