鄧海龍,謝亨旺,劉方平,李 昂,廖 偉
(江西省灌溉試驗(yàn)中心站 江西省農(nóng)業(yè)高效節(jié)水與面源污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 水利部鄱陽(yáng)湖水資源水生態(tài)環(huán)境研究中心 江西 南昌 330201)
控水建筑物是生態(tài)溝攔截系統(tǒng)的重要組成部分,它在蓄積排水、調(diào)節(jié)適宜水位、促進(jìn)溝內(nèi)水生植物良好生長(zhǎng),延長(zhǎng)農(nóng)田排水在溝中的停留時(shí)間,發(fā)揮生態(tài)溝道對(duì)農(nóng)田排水中所攜帶的氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸附、吸收和降解功效起到了重要的作用。
常規(guī)排水系統(tǒng)只是單純從水量方面滿足農(nóng)業(yè)高產(chǎn)和排水的要求,而未考慮排水溝渠凈化水質(zhì)的功效。為了滿足排水系統(tǒng)原有的排水功能,又能起到改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的功效[1],必須在原有排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)建新式生態(tài)型排水溝。由于常規(guī)排水系統(tǒng)是無(wú)控制的,必須改無(wú)控制排水系統(tǒng)為合理控制排水系統(tǒng)。目前,量水建筑物的種類有三角堰、矩形堰、預(yù)制寬頂堰等[2],它們的顯著特點(diǎn)是固定式擋水,在遇到強(qiáng)降雨的情況下,需要提起或者打開堰(壩)體,恢復(fù)排水溝的排洪功能。因此,研發(fā)一種既能擋水又可以活動(dòng)調(diào)節(jié)水位的量水建筑物就顯得尤為必要。
升降式三角堰閘是結(jié)合運(yùn)用流體力學(xué)、機(jī)械工程學(xué)及信息控制技術(shù),研制而成的一種既能測(cè)量農(nóng)田排水溝的排水量,又能調(diào)節(jié)并控制農(nóng)田排水溝水深的升降式三角堰閘。通過(guò)電機(jī)旋轉(zhuǎn),帶動(dòng)與三角堰板相連接的螺旋桿上的啟閉機(jī)實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)。電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 轉(zhuǎn)/min,啟閉機(jī)的滑輪倍率為24。在工程過(guò)程中,矩形閘板和量水三角堰板平行疊裝在不銹鋼一體式閘室內(nèi),矩形閘板位于不銹鋼閘室的底部,凹形閘板可依靠外力帶動(dòng)與其相連接的螺旋桿,實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng),三角堰板與滑槽銜接,安插在凹型閘板上組合成一個(gè)整體式的三角量水堰。
升降式三角堰閘是將攔水板和量水三角堰板平行疊裝在一個(gè)框架內(nèi),組合形成一個(gè)量水三角堰板可升降的一體式閘門。升降式三角堰閘由不銹鋼一體式閘室、矩形閘板、凹形閘板、三角堰板、啟閉設(shè)備及通信設(shè)備等構(gòu)成。如圖1所示。
1-矩形閘板;2-凹形閘板;3-三角堰板;4-滑槽;5-止水橡膠;6-倒勾;7-門槽;8-螺旋孔;9-螺旋桿;10-連接桿;11-圓形旋轉(zhuǎn)柄;12-不銹鋼一體式閘室;13-預(yù)留孔;14-保護(hù)箱圖1 升降式三角堰閘正視圖Fig.1 Elevation view of lifting triangular weir sluice
常規(guī)排水系統(tǒng)主要功能只是單純從水量方面滿足農(nóng)業(yè)高產(chǎn)和排水的要求。安裝升降式三角堰閘的生態(tài)型排水溝,流經(jīng)區(qū)域更多,水流路徑更長(zhǎng),水力效率和有效容積比升高有效解決了排水系統(tǒng)同時(shí)具備減污功能與合理控制排水的功能。
當(dāng)渠道水位在上升或者有壅水不利于量水堰精準(zhǔn)測(cè)量時(shí),可以提升量水堰高度,使過(guò)堰水流可始終保持理想的自由流計(jì)量狀態(tài),并創(chuàng)造出能夠精準(zhǔn)的測(cè)量條件[3]。矩形閘板在三角量水堰提升時(shí),能夠攔住渠道水流必須經(jīng)過(guò)量水堰計(jì)量才能流過(guò)。當(dāng)遇到強(qiáng)降雨天氣是,這是就要提前將量水堰板和攔水板一起向上提起,全部放開渠道,實(shí)現(xiàn)排洪目的[4~8],這時(shí)渠道的排水量按照閘孔自由出流的公式來(lái)進(jìn)行計(jì)算。
(1)升降式三角堰閘沿用了三角堰易于安裝,造價(jià)便宜,容易量測(cè)水量,在旱季可以儲(chǔ)水,管理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),當(dāng)閘體上游段有碎片、垃圾等漂浮物時(shí),可將三角堰板取出,增加過(guò)流斷面尺寸,有利于垃圾、碎片等漂浮物下泄。
(2)升降式三角堰閘具備了普通閘門擋水、泄水的功能,又融合了三角堰量水的功能;同時(shí),為滿足不同類型排水溝道內(nèi)不同濕地植被適宜生長(zhǎng)水深的需要,通過(guò)升降三角堰板來(lái)調(diào)節(jié)排水溝道內(nèi)蓄水的深度。
本試驗(yàn)在江西省灌溉試驗(yàn)中心站南昌縣向塘實(shí)驗(yàn)基地生態(tài)型排水溝進(jìn)行開展,對(duì)升降式三角量水設(shè)備量水精度及生態(tài)型排水溝的水力參數(shù)變化情況進(jìn)行分析。升降式三角堰閘的寬度為0.50 m,底部的矩形攔水板的寬度為0.40 m,高度為0.20 m,三角堰板的寬度為0.30 m,堰高0.15 m。
本系統(tǒng)量水設(shè)備選用XD-WSS超聲波液位計(jì),它是是以超聲波技術(shù)與現(xiàn)代數(shù)字微處理技術(shù)相結(jié)合的監(jiān)測(cè)技術(shù)產(chǎn)品。該儀器具有低功耗、隱匿性安裝特點(diǎn)是專門針對(duì)野外應(yīng)用而設(shè)計(jì)的,安裝簡(jiǎn)單,性能穩(wěn)定,精度高,可全面實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守,內(nèi)置GPRS通訊模塊可直接與信息中心通訊,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線遠(yuǎn)距離傳輸。
圖2 升降式三角堰閘側(cè)視圖Fig.2 Side view of Lifting triangular weir sluice
圖3 升降式三角堰閘的現(xiàn)場(chǎng)效果圖Fig.3 Scene of lifting triangular weir sluice
在超聲波液位計(jì)的正下方的位置,通過(guò)人工用水尺觀測(cè)渠道內(nèi)水位的大小,作為人工觀測(cè)數(shù)據(jù)。在同一時(shí)刻獲取XD-WSS超聲波液位計(jì)的水位數(shù)據(jù)記為儀器自記數(shù)據(jù)。
從上述分析結(jié)果中可以看出,XD-WSS超聲波液位計(jì)自計(jì)的數(shù)據(jù)與人工觀測(cè)的數(shù)據(jù)相對(duì)誤差范圍在0~2.17%,均在5%的控制范圍內(nèi)。XD-WSS超聲波液位計(jì)自動(dòng)測(cè)量的精度滿足要求。
以種植菖蒲的生態(tài)溝為例,對(duì)其水力停留時(shí)間分布曲線進(jìn)行分析,數(shù)據(jù)選自2013年和2014年羅丹明示蹤試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
表1 人工觀測(cè)數(shù)據(jù)與XD-WSS超聲波液位計(jì)自記數(shù)據(jù)分析表Tab.1 The analysis of the manual measurement and the automatic measurement of XD-WSS
(1)不同排水強(qiáng)度下生態(tài)溝的流速分析由圖4可以看出:2013年和2014年生態(tài)溝流速變化趨勢(shì)基本一致,不同排水流量下無(wú)堰時(shí)的流速要高于有堰工況,原因是有堰時(shí)三角堰的攔截作用使得溝內(nèi)水位雍高,流速減緩。并表現(xiàn)出流速隨著流量的增加呈現(xiàn)非線性增加,甚至?xí)霈F(xiàn)一定降低的現(xiàn)象。
圖4 不同排水流量生態(tài)溝的流速Fig.4 The flow rate of the ecological ditch with different drainage flow
(2)不同排水強(qiáng)度下生態(tài)溝的平均停留時(shí)間分析。由圖5可以看出:不同排水流量下有堰時(shí)水流的實(shí)際平均停留時(shí)間均高于無(wú)堰情況。在無(wú)堰情況下,示蹤劑的實(shí)際平均停留時(shí)間隨著流量的增加逐漸降低,且當(dāng)流量較大或較小時(shí),變化趨于平緩;有堰情況下,示蹤劑流出溝段的時(shí)間表現(xiàn)出有所延長(zhǎng)的現(xiàn)象。
圖5 不同排水流量生態(tài)溝的平均停留時(shí)間Fig.5 Average residence time of ecological gully with different drainage flow
(3)不同排水強(qiáng)度下生態(tài)溝的有效容積分析。有效容積比為實(shí)際水力停留時(shí)間與理論停留時(shí)間的比值,表示濕地系統(tǒng)的有效利用情況,公式如下:
(1)
式中:Veffective為示蹤劑流經(jīng)過(guò)的有效容積,m3;Vtotal為濕地總體積,m3;e為濕地有效容積比。
由圖6可以看出:有堰情況下,不同排水流量下有堰時(shí)溝段的有效容積比高于無(wú)堰時(shí),分析其原因?yàn)椋河捎谌茄叩臄r截使水流與植物充分接觸,提高了有效容積比。
(4)不同排水強(qiáng)度下生態(tài)溝的水力效率分析。水力效率是水流在濕地內(nèi)分布的均勻程度,綜合反映了濕地內(nèi)部水流的狀態(tài),間接表明了污染物在濕地系統(tǒng)內(nèi)部的轉(zhuǎn)移輸送、停留時(shí)間及被降解的能力,計(jì)算公式如下:
(2)
(3)
(4)
式中:λ為水力效率;e為有效容積比;N為混合槽數(shù);tp為溝段出口示蹤劑濃度達(dá)到最大時(shí)所用的時(shí)間;tn為理論平均停留時(shí)間,h;tmean實(shí)際平均停留時(shí)間,h;σ2為方差,用于描述示蹤劑濃度的響應(yīng)曲線相對(duì)于分布平均值的分散范圍。
由圖7可以看出:有堰情況下,生態(tài)溝的水力效率均普遍高于無(wú)堰工況下的水力效率。主要原因是受到三角堰的攔截影響,致使生態(tài)溝內(nèi)水體流速降低,水流停留時(shí)間延長(zhǎng),水流與植物充分接觸,有效容積比得到提高。
圖6 不同排水流量生態(tài)溝的有效容積比Fig.6 Effective volume ratio of ecological gully with different drainage flow
圖7 不同排水流量生態(tài)溝的水力效率Fig.7 Hydraulic efficiency of ecological ditch with different drainage flow
圖8 示范區(qū)平面布置圖Fig.8 The layout plan of demonstration area
取樣時(shí)期進(jìn)口濃度/(mg·L)-1TNNH+4-NTP出口濃度TNNH+4-NTP去除率/%TNNH+4-NTP201606245.522.5940.342.010.7120.1563.59 72.55 55.88 201609201.460.1630.21.120.10.09723.29 38.65 51.50
為了探究農(nóng)田排水溝塘濕地系統(tǒng)在有堰運(yùn)行管理模式下對(duì)農(nóng)田面源污染物氮磷的去除效果,于2016在江西省南昌縣向塘鎮(zhèn)高田村禮坊自然村典型示范區(qū)展開早、晚稻生育期間農(nóng)田排水取樣檢測(cè)。示范區(qū)面積約66.92 hm2,其中水域面積6.61 hm2,包括村前門塘3.53 hm2,村塘2 hm2。村地勢(shì)低洼,遇強(qiáng)降雨容易產(chǎn)生內(nèi)澇。根據(jù)地形,以東南方位的灌水入口點(diǎn)為高程基點(diǎn)20.0 m,西北向高程19.44 m,中部地區(qū)19.10~19.33 m,西南方位為19.63 m,東南方高程為19.43~20.0 m,最低點(diǎn)位于東北方位,為19.19 m,且為該地區(qū)的出口。兩條生態(tài)型排水溝,一條長(zhǎng)度約245.5 m,溝頂寬2~7.5 m,溝深0.6~1.5 m,淤積深度0.3~1.03 m;另一條長(zhǎng)度約614.84 m,溝頂寬1.2~8.5 m,溝深0.6~2.5 m,淤積深度0.4~1.65 m,并安裝升降式三角堰閘3處。生態(tài)溝內(nèi)種植當(dāng)?shù)厮参?,茭白、蘆葦、蓮藕、水薺菜,邊坡采取土質(zhì)邊坡與生態(tài)袋護(hù)坡相結(jié)合的方式,生態(tài)塘中央安裝兩處面積為20 m2的生態(tài)浮島,兩岸邊坡種植常綠鳶尾、皇冠澤苔草、千屈菜、梭魚草、再力花等水生植物。
綜合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析得出:該示范區(qū)通過(guò)工程建設(shè)可減少總氮排放量0.17 t,折算為2 796.45 g/hm2,減少總磷排放量0.01 t,折算為111.9 g/hm2,按照防護(hù)費(fèi)用法計(jì)算,環(huán)境效益達(dá)到1.80 萬(wàn)元。
升降式三角堰閘經(jīng)過(guò)兩年的試驗(yàn)與應(yīng)用,及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,不斷改進(jìn)和完善,應(yīng)用結(jié)果表明:升降式三角堰閘具有操作方便、功耗小、測(cè)量精度可靠、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn);安裝升降式三角堰閘的生態(tài)溝,溝內(nèi)水體流速降低,水流停留時(shí)間延長(zhǎng),水流與植物充分接觸,有效容積比得到提高,對(duì)污染物質(zhì)起到了較好的截留凈化效果,當(dāng)流量在0.5~2.8 L/s時(shí),有堰情況下溝段的水力性能較好,當(dāng)流量較大時(shí),有堰時(shí)溝段滯留區(qū)比無(wú)堰時(shí)大,造成較大的厭氧區(qū),不利于污染物的降解,當(dāng)流量較小時(shí),兩種工況下污水的水力停留時(shí)間均較長(zhǎng),均能與污染物充分接觸。所以,對(duì)安裝堰閘條件下的生態(tài)溝,應(yīng)當(dāng)調(diào)節(jié)三角堰板的高度,控制適宜的水深,控制水體流速,發(fā)揮出生態(tài)溝對(duì)污染物質(zhì)最好的截留凈化效果,對(duì)保護(hù)鄱陽(yáng)湖“一湖清水”具有重要的作用。
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