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一种污染物的拦截与消纳方法

申请号 CN202310842108.4 申请日 2023-07-11 公开(公告)号 CN116956407A 公开(公告)日 2023-10-27
申请人 重庆师范大学; 重庆地质矿产研究院; 发明人 邵景安; 李满意; 郭跃; 司洪涛; 胥迟英; 马磊; 李成;
摘要 本 发明 公开了一种污染物的拦截与消纳方法,包括:构建集点、线、面于一体的污染物拦截与消纳工程体系;利用所构建的污染物拦截与消纳工程体系对研究区的污染物进行拦截和消纳处理。
权利要求

1.一种污染物的拦截与消纳方法,其特征在于,包括:
构建集点、线、面于一体的污染物拦截与消纳工程体系;
利用所构建的污染物拦截与消纳工程体系对研究区的污染物进行拦截和消纳处理。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述构建集点、线、面于一体的污染物拦截与消纳工程体系包括:
根据研究区居民点的聚集信息和研究区道路与沟渠的分布信息,确定垃圾池的布设,并将所述垃圾池的布设作为污染物拦截与消纳工程体系中的点;
根据研究区的自然流汇集路径、农业生产灌排需求和自然坑塘水面的分布,确定生态沟渠的布设,并将所述生态沟渠的布设作为污染物拦截与消纳工程体系中的线;
根据研究区内的河流和水库,确定植被缓冲带的布设,并将所述植被缓冲带作为污染物拦截与消纳工程体系中的面;
利用所述垃圾池的布设、所述生态沟渠的布设以及所述植被缓冲带的布设,构建集点、线、面于一体的污染物拦截与消纳工程体系。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述根据研究区居民点的聚集信息和研究区道路与沟渠的分布信息,确定垃圾池的布设包括:
根据研究区居民点的分布图,创建居民点的泰森多边形,并根据泰森多边形面积的变异系数,评估所述研究区居民点的分布类型;
利用所述研究区居民点的分布类型,对所述研究区居民点作密度分析,得到居民点密度图层,并提取分布密度大于预设分布密度值的多个区域;
对所述研究区域的现状道路作5m缓冲区,得到道路缓冲区图层;
将所述多个区域与所述道路缓冲区图层作叠加相交分析处理,得到叠加相交分析结果;
将所述叠加相交分析结果与沟渠缓冲区图层作叠加擦除分析,得到垃圾池的布设位置
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,还包括:
以所述垃圾池的布设位置为圆心向四周作100m缓冲区;
统计所述100m缓冲区内的居住人数,并根据所述居住人数计算垃圾池的布设位置的垃圾池设计总容量;
若所述垃圾池设计总容量大于预设总容量,则根据所述垃圾池设计总容量与预设总容量之间的差值,增加垃圾池布设数量。
5.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,根据研究区的自然水流汇集路径、农业生产灌排需求和自然坑塘水面的分布,确定生态沟渠的布设包括:
根据研究区的最适流水累计量阈值,得到研究区的自然水流汇集路径,并根据所述研究区的自然水流汇集路径,在所述研究区布设沟渠;
根据研究区农业发展的灌溉需要,以研究区沟渠辐射半径单边50m对自然水流汇集路径作缓冲区,并与研究区范围、坑塘水面、DEM重叠,在缓冲区未覆盖的农业区域内,布设多个灌溉沟渠;
将所布设的多个沟渠与坑塘水面相连接,再在灌溉沟渠的进水口布设蓄水池,在排水沟和截水沟的出水口布设多个沉砂凼。
6.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述植被缓冲带的布设宽度为至少9m。

说明书全文

一种污染物的拦截与消纳方法

技术领域

[0001] 本发明涉及线性建设工程技术领域,特别涉及一种污染物的拦截与消纳方法。

背景技术

[0002] 近年来,随着点源污染得到有效控制,农业经济的快速增长又使得非点源污染问题变得尤为突出,日益成为大江大河和库等水环境污染的重要原因,农业非点源污染主要来源于农业生产过程中的化肥、农药、农膜、集约化养殖场、农业机械渗漏以及农村生活垃圾等。据统计,每年约有1500万t的氮从农田流失,造成大江大河和水库等水生生态系统的污染,进入长江和黄河的氮素中,约92%和88%均来自于农业。目前,关于污染物拦截与消纳,主要是采取生态工程措施来解决,污染物拦截与消纳生态工程措施主要包括生态沟渠、植被缓冲带和人工湿地等。这些工程措施各有优缺点,对污染物的拦截与消纳效果也各不相同,但它们存在着相互独立未形成系统体系、成本高、空间布局不合理和大范围开展困难等问题,如何对各种工程措施进行优化布局与设计,使多种工程措施耦合协调形成污染物拦截与消纳工程体系是当前开展污染物拦截与消纳工作急需解决的关键技术之一。
[0003] 近年来,土地整理作为促进国土资源合理利用、实现耕地总量动态平衡的重要手段,不仅在促进土地节约集约利用、提高土地利用率等方面发挥着重要作用,还对改善生态环境和景观格局具有重要影响。中国每年投资1000亿元左右,进行大规模土地整治,若借助土地整治项目,利用其资金与工程优势,进行污染物拦截与消纳工程体系建设,将是一件经济效益与生态效益双丰收的利国利民之举。但通过调查发现,一些土地整治工程的不合理布局河生态化设计的不足,导致一些工程成为“空摆设”,其功能不能有效发挥。

发明内容

[0004] 根据本发明实施例提供的方案解决的技术问题是如何实现污染物的拦截与消纳。
[0005] 根据本发明实施例提供的一种污染物的拦截与消纳方法,包括:
[0006] 构建集点、线、面于一体的污染物拦截与消纳工程体系;
[0007] 利用所构建的污染物拦截与消纳工程体系对研究区的污染物进行拦截和消纳处理。
[0008] 优选地,所述构建集点、线、面于一体的污染物拦截与消纳工程体系包括:
[0009] 根据研究区居民点的聚集信息和研究区道路与沟渠的分布信息,确定垃圾池的布设,并将所述垃圾池的布设作为污染物拦截与消纳工程体系中的点;
[0010] 根据研究区的自然水流汇集路径、农业生产灌排需求和自然坑塘水面的分布,确定生态沟渠的布设,并将所述生态沟渠的布设作为污染物拦截与消纳工程体系中的线;
[0011] 根据研究区内的河流和水库,确定植被缓冲带的布设,并将所述植被缓冲带作为污染物拦截与消纳工程体系中的面。
[0012] 利用所述垃圾池的布设、所述生态沟渠的布设以及所述植被缓冲带的布设,构建集点、线、面于一体的污染物拦截与消纳工程体系。
[0013] 优选地,所述根据研究区居民点的聚集信息和研究区道路与沟渠的分布信息,确定垃圾池的布设包括:
[0014] 根据研究区居民点的分布图,创建居民点的泰森多边形,并根据泰森多边形面积的变异系数,评估所述研究区居民点的分布类型;
[0015] 利用所述研究区居民点的分布类型,对所述研究区居民点作密度分析,得到居民点密度图层,并提取分布密度大于预设分布密度值的多个区域;
[0016] 对所述研究区域的现状道路作5m缓冲区,得到道路缓冲区图层;
[0017] 将所述多个区域与所述道路缓冲区图层作叠加相交分析处理,得到叠加相交分析结果;
[0018] 将所述叠加相交分析结果与沟渠缓冲区图层作叠加擦除分析,得到垃圾池的布设位置
[0019] 优选地,还包括:
[0020] 以所述垃圾池的布设位置为圆心向四周作100m缓冲区;
[0021] 统计所述100m缓冲区内的居住人数,并根据所述居住人数计算垃圾池的布设位置的垃圾池设计总容量;
[0022] 若所述垃圾池设计总容量大于预设总容量,则根据所述垃圾池设计总容量与预设总容量之间的差值,增加垃圾池布设数量。
[0023] 优选地,根据研究区的自然水流汇集路径、农业生产灌排需求和自然坑塘水面的分布,确定生态沟渠的布设包括:
[0024] 根据研究区的最适流水累计量阈值,得到研究区的自然水流汇集路径,并根据所述研究区的自然水流汇集路径,在所述研究区布设沟渠;
[0025] 根据研究区农业发展的灌溉需要,以研究区沟渠辐射半径单边50m对自然水流汇集路径作缓冲区,并与研究区范围、坑塘水面、DEM重叠,在缓冲区未覆盖的农业区域内,布设多个灌溉沟渠;
[0026] 将所布设的多个沟渠与坑塘水面相连接,再在灌溉沟渠的进水口布设蓄水池,在排水沟和截水沟的出水口布设多个沉砂凼。
[0027] 优选地,所述植被缓冲带的布设宽度为至少9m。
[0028] 根据本发明实施例提供的方案,利用ArcGIS10.2中的泰森多边形、点密度分析和Hydrology模等方法进行污染物拦截与消纳工程布局优化,提高了布局方案的空间准确性,具有简单方便、易推广、成本低、效果好等特点,该方法不仅可用于污染物拦截与消纳工程布局优化,而且对土地整治工程和水土保持工程等布局优化也有借鉴意义。附图说明
[0029] 此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解,构成本发明的一部分,本发明的示意性实施例及其说明用于理解本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
[0030] 图1是本发明实施例提供的一种污染物的拦截与消纳方法的流程图
[0031] 图2是本发明实施例提供的研究区地理位置及DEM的示意图;
[0032] 图3是本发明实施例提供的研究区产业规划的示意图;
[0033] 图4是本发明实施例提供的研究区居民点泰森多边形空间分布示意图;
[0034] 图5是本发明实施例提供的居民点密度及优化后垃圾池分布示意图;
[0035] 图6是本发明实施例提供的研究区自然水流汇集路径示意图;
[0036] 图7是本发明实施例提供的优化后沟渠池凼分布示意图;
[0037] 图8是本发明实施例提供的优化后植被缓冲带分布示意图;
[0038] 图9是本发明实施例提供的污染物拦截与消纳工程体系优化前后对比示意图。

具体实施方式

[0039] 以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明,应当理解,以下所说明的优选实施例仅用于说明和解释本发明,并不用于限定本发明。
[0040] 本发明借鉴国内外关于农业非点源污染治理的经验,在土地整治工程的基础上,根据大江大河流域和水库周围的特点,以YY市梁区南城街道办事处黄村国土整治研究区为例,运用ArcGIS10.2中的泰森多边形、点密度分析和Hydrology等方法模块构建了集点—线—面于一体的大江大河流域与水库周围污染物拦截与消纳工程体系,并系统的提出了污染物拦截与消纳工程优化布局与设计的原则、方法和技术要点。以期为大江大河流域和水库周围污染物拦截与消纳工程的优化布局与生态化设计、土地整治工程的优化布局与设计提供借鉴,为绿水青山与美丽乡村建设作出一点贡献。
[0041] 图1是本发明实施例提供的一种污染物的拦截与消纳方法的流程图,如图1所示,包括:
[0042] 步骤S101:构建集点、线、面于一体的污染物拦截与消纳工程体系;
[0043] 步骤S102:利用所构建的污染物拦截与消纳工程体系对研究区的污染物进行拦截和消纳处理。
[0044] 其中,所述构建集点、线、面于一体的污染物拦截与消纳工程体系包括:根据研究区居民点的聚集信息和研究区道路与沟渠的分布信息,确定垃圾池的布设,并将所述垃圾池的布设作为污染物拦截与消纳工程体系中的点;根据研究区的自然水流汇集路径、农业生产灌排需求和自然坑塘水面的分布,确定生态沟渠的布设,并将所述生态沟渠的布设作为污染物拦截与消纳工程体系中的线;根据研究区内的河流和水库,确定植被缓冲带的布设,并将所述植被缓冲带作为污染物拦截与消纳工程体系中的面;利用所述垃圾池的布设、所述生态沟渠的布设以及所述植被缓冲带的布设,构建集点、线、面于一体的污染物拦截与消纳工程体系。
[0045] 进一步地,所述根据研究区居民点的聚集信息和研究区道路与沟渠的分布信息,确定垃圾池的布设包括:根据研究区居民点的分布图,创建居民点的泰森多边形,并根据泰森多边形面积的变异系数,评估所述研究区居民点的分布类型;利用所述研究区居民点的分布类型,对所述研究区居民点作密度分析,得到居民点密度图层,并提取分布密度大于预设分布密度值的多个区域;对所述研究区域的现状道路作5m缓冲区,得到道路缓冲区图层;将所述多个区域与所述道路缓冲区图层作叠加相交分析处理,得到叠加相交分析结果;将所述叠加相交分析结果与沟渠缓冲区图层作叠加擦除分析,得到垃圾池的布设位置。
[0046] 本发明实施例还包括:以所述垃圾池的布设位置为圆心向四周作100m缓冲区;统计所述100m缓冲区内的居住人数,并根据所述居住人数计算垃圾池的布设位置的垃圾池设计总容量;若所述垃圾池设计总容量大于预设总容量,则根据所述垃圾池设计总容量与预设总容量之间的差值,增加垃圾池布设数量。
[0047] 进一步地,根据研究区的自然水流汇集路径、农业生产灌排需求和自然坑塘水面的分布,确定生态沟渠的布设包括:根据研究区的最适流水累计量阈值,得到研究区的自然水流汇集路径,并根据所述研究区的自然水流汇集路径,在所述研究区布设沟渠;根据研究区农业发展的灌溉需要,以研究区沟渠辐射半径单边50m对自然水流汇集路径作缓冲区,并与研究区范围、坑塘水面、DEM重叠,在缓冲区未覆盖的农业区域内,布设多个灌溉沟渠;将所布设的多个沟渠与坑塘水面相连接,再在灌溉沟渠的进水口布设蓄水池,在排水沟和截水沟的出水口布设多个沉砂凼。
[0048] 具体地说,所述植被缓冲带的布设宽度为至少9m。
[0049] 下面以具体的实施例对本发明进行说明
[0050] (1)区域概况
[0051] 根据研究需要,选择位于嘉陵江支流三滩河和玄天湖水库之间的YY市铜梁区南城街道办事处黄门村国土整治研究区为研究区,如图2所示,研究区介于106°1′56″E~106°3′37″E,29°46′51″N~29°48′17″N之间,地貌属于典型的方山丘陵地貌,局部区域呈浅丘平坝地形,海拔介于258m~640m间,整体地势相对较平坦。根据第二次全国土地调查成果数据统
2 2
计,研究区土地总面积为355.57hm ,其中,耕地153.60hm ,占总面积的38.80%,旱作地耕作台面坡度相对较小,水田田块之间田面高差较小,耕地地形坡度全部在25°以下。土壤以紫色水稻土和灰棕紫泥土为主,土壤质地偏粘,耕作费,宜耕期短,土壤养分丰富,供肥持久平稳。气候属于亚热带湿润气候,年平均气温17.9℃,多年平均降雨量1048mm,月最大降雨量164.1mm,月最少降雨量月22.7mm,1小时最大暴雨量45mm。研究区北部有三滩河自西向东北环绕研究区区北部;东北部石登河,起于玄天湖水库,与三滩河于富家桥相汇合,为玄天湖的泄洪渠道;东部玄天湖为降水和地下水补给性水库,水质为一级,是铜梁县城居民引用
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水源,日出水量1万m/d,同时也作为黄门村灌溉水源,年供水量约50万m 。研究区产业发展主要规划为现代设施农业区和休闲旅游度假区两类,如图3所示。
[0052] (2)数据来源
[0053] 研究区1:2000地形图、2015年土地利用现状图来源于铜梁区土地整理储备中心;DEM图由课题组人员根据1:2000地形图制作;沟渠体系的现状(宽度、长度、材质、节点搭配等)由铜梁县土地整理储备中心提供的土地整治工程现状沟渠图件和课题组人员调查所得,沟渠体系的未来规划目标在综合镇人民政府、村委会或村民代表提供、大多数农民、经营主体、相关部门意见的基础上得出;研究区内部及周围的建材、造价信息及当地材料、机械设备实际市场价格和运费情况等数据来源于实地调研和县建材市场。实地调研方法采用的是现场踏勘和参与式农村访谈(PRA)法,课题组(5人)于2017年7月22日至27日对研究区进行了现场踏勘和参与式农村访谈,具体内容主要是基于上述涉及到的数据获取,同时将具体的沟渠体系规划设计思路与安排与相关主体进行协商沟通。
[0054] (3)研究方法
[0055] 基于源‑汇景观理论,借助土地整治项目建设的污染物拦截与消纳工程体系,是在立足当前污染物源头难于减量的现实情况,通过新修或改造原有工程进行污染过程拦截与消纳,其关键在于识别出污染物的汇集路径,并在其路径上通过工程与生物措施进行拦截。集点(垃圾池)、线(生态沟渠)和面(植被缓冲带)于一体的污染物拦截与消纳工程体系,其数量、长度、面积、位置、结构及连通性等决定着污染物的拦截与消纳效率。本发明通过ArcGIS10.2软件对研究区污染物拦截与消纳工程进行布局优化,利用Hydrology模块提取研究区自然水流汇集路径,运用密度分析与缓冲叠加分析合理布局垃圾池位置,同时,选取辐射居民点占比、减少垃圾数量描述垃圾池优化布局后的变化,选取辐射耕地面积比、连接度、沟渠贴合度和沟渠长度描述沟渠池凼优化布局前后的变化,选取连接度、优势度和临接河库岸长度描述植被缓冲带优化布局后的变化。
[0056] ①泰森多边形
[0057] 泰森多边形法是对离散的采样点进行区域划分的重要方法。泰森多边形面积随样点的分布而变化,可用泰森多边形面积的变异系数来评估居民点的分布类型,再结合点密度分布对居民点进行区域划分,以便垃圾池布设。变异系数定义为泰森多变形面积的标准差与平均值得比值,计算公式为:
[0058] CV=SX
[0059] 式中,S为泰森多边形面积的标准差值;X为泰森多边形面积的平均值。
[0060] ②Hydrology模型
[0061] Hydrology模型是水文地理领域专业知识和GIS相结合的水文地理数据模型,因其在常用的ArcGIS软件中就镶嵌有Hydrology模块而在防止水旱灾害和开发、利用、保护水资源的工程或非工程措施的规划、设计、施工以及管理中大量运用。本发明运用坡面径流模拟算法(汇流累积算法),通过填洼、流向分析和计算流水累积量等步骤能快速的提取流域自然汇水路径,并据此作为沟渠优化的主要参考依据。
[0062] 污染物拦截与消纳工程空间优化与设计
[0063] 1、垃圾池空间优化与设计
[0064] 1.1、垃圾池空间优化与设计原则
[0065] 垃圾池主要用于防止研究区居民生活垃圾的随处丢放,从点上对污染物进行拦截并外运,以减少污染物的污染。垃圾池的分布主要受居民点及道路通达度等的影响,在垃圾池的空间优化与设计过程中,需坚持以下原则及要点:由于农村居民点存在着“大分散,小集中”的特点,不可能为每个居民点均配备垃圾池,而只需在居民点相对集中的地方布设垃圾池;垃圾池的布设既不能离居民点太远给居民生活垃圾投放造成不便,也不能太近使居住环境受到影响;垃圾池的布设应尽量靠近道路,以便于垃圾的及时外运;垃圾池的布设应尽量远离排灌沟渠以免造成水质污染;垃圾池的设计应设置雨棚,以防止垃圾污染物受地表及地下径流汇入河道及水田。
[0066] 1.2、垃圾池空间优化与设计方法及要点
[0067] 为科学合理地确定垃圾池的空间位置,应首先识别出居民点的聚集情况,再依据道路与沟渠分布情况,确定垃圾池的布设位置。根据研究区居民点分布图,利用ArcGIS10.22 2
对利用居民点创建的泰森多边形,如图4所示,面积统计发现,S≈103193m ,X≈1503m的,CV≈68.66%。根据Duyckaert的研究,当点状目标为“集群分布”时,CV=92%(包括大于
64%);当点状目标为“均匀分布”时,CV=29%(包括小于33%);当点集为“随机分布”时,CV=57%(包括33%~64%之间)(Duyckaerts and Godefroy,2000)。故研究区居民点呈集群分布。
[0068] 利用上述结果,进一步对研究区居民点作密度分析得到“居民点密度”图层,如图52
所示,通过统计发现,58.1%的居民点主要集中分布在密度0.0009~0.0027户/km之间的
14个区域,对现状道路作5m缓冲区得到“道路缓冲区”图层,将密度大于0.0009的14个区域与“道路缓冲区”作叠加相交分析,然后再与“沟渠缓冲区”图层作叠加擦除分析,最后得到垃圾池的布设位置。
[0069] 垃圾池设计标准。垃圾池的具体设计取决于布设能辐射到的人口数量,因此在进行垃圾池的容积与数量设计时,应首先以垃圾池为圆心向四周作100m缓冲区,统计在这个缓冲区内总共居住有多少人,然后再按照农村人均日生活性垃圾量0.86kg,计算得出垃圾布设点垃圾池设计的总容量,如果得出的总容量过大,则可以选择增加垃圾池数量以满足当地居民生活垃圾投放的需要。垃圾池的材质宜采用浆砌砖进行修建,以增加垃圾池的使用寿命。
[0070] 1.3、垃圾池空间与优化设计结果
[0071] 根据研究区现有垃圾池和居民点分布情况,发现共有居民525户,2347人,仅有垃圾池10个,且集中分布在研究区北部的两个地方,当地居民生活垃圾绝大部分随意堆放在居民点附近,不能满足当地居民生活垃圾处理需要;按照垃圾池空间优化与设计原则、方法及要点,结合《YY市土地开发整理工程建设标准》、研究区居民点、道路及沟渠分布对研究区垃圾池进行空间优化与设计,在研究区14个居民点相对集中的地方布局垃圾池,如图5所示,垃圾池容积以当地居民点数量而定。
[0072] 2、沟渠池凼空间优化与设计
[0073] 2.1、沟渠池凼空间优化与设计原则
[0074] 生态沟渠池凼系统能高效拦截净化氮磷污染物,并兼具生态景观美化之功能。生态沟渠的布设主要受自然水流汇集路径、农业生产灌排需求和自然坑塘水面分布等因素的影响,在进行沟渠池凼空间布局优化与设计时,应坚持以下原则与要点:沟渠应布局在自然水流汇集路径上或尽量与自然水流汇集路径贴合,以满足灌排需求,实现物尽其用;截水沟、排灌沟、沉砂凼和蓄水池(包括天然坑塘)等应相互串联,以延长污染物在沟渠池凼的停留时间,最大限度减少进入河流、水库的污染物;灌排沟渠布设因根据当地产业规划引导布设;沟渠设计应避免过度水泥化,宜因地取材,进行生态沟渠设计;蓄水池布设在坡面雨水汇流处,充分利用有利的汇水地形将天然降雨汇至蓄水地点。
[0075] 2.2、沟渠池凼空间优化与设计方法及要点
[0076] A.沟渠池凼空间优化方法
[0077] 沟渠池凼空间优化主要是通过对现有沟渠池凼的布局走向加以调整或在需要的区域额外增加新的沟渠池凼,使沟渠布局尽可能与天然汇水路径相贴合,并将截水沟、排灌沟、沉砂凼和蓄水池(包括天然坑塘)等相互串联,在满足研究区灌溉排水需要的基础上,延长污染物在沟渠池凼的停留时间,最大限度减少进入河流、水库的污染物量。其空间布局优化可采用以下方法:
[0078] 沟渠的空间布局主要依据ArcGIS10.2中的Hydrology分析模块进行,在分析过程中根据流水累积量阈值与河网密度的关系来确定合理流水累积量阈值,根据二者变化情况发现,当流水累积量阈值为3500时,河网密度出现一个突变后趋于平缓,故将3500作为最适流水累积量阈值,得出研究区自然水流汇集路径,如图6所示,再根据研究区自然水流汇集路径布设沟渠。依据自然水流汇集路径布设沟渠能充分满足研究区的排水需要,但对于研究区农业发展的灌溉需要尚显不足,为满足研究区农业发展的灌溉需要,根据实地调查研究所得,以研究区沟渠辐射半径单边50m对自然水流汇集路径作缓冲区,然后与研究区范围、坑塘水面、DEM重叠,在缓冲区未覆盖的农业区域新规划若干灌溉沟渠。将各种沟渠与坑塘水面相连接,再在灌溉沟渠的进水口布设蓄水池,在排水沟和截水沟的出水口布设沉砂凼,以增加污染物在沟渠池凼的停留时间,实现污染物的拦截与消纳。
[0079] B.沟渠池凼生态设计要点
[0080] 按照《YY市土地开发整理工程建设标准》和《灌溉与排水工程设计规范》中关于渝西丘陵平坝工程类型区各项工程建设标准的要求,水田灌溉保证率应达到85%,旱地灌溉保证率应达到80%,地面排水工程按10年一遇标准设计,三日暴雨不淹田,一日内排除积水,干旱能满足蔬菜生长需要。
[0081] 沟渠设计应采用小流域设计洪水计算方法,由推理公式法进行洪峰流量计算,排水沟横断面设计采用均匀流公式计算,通过以上计算,选取新修排水沟理论断面结构,根据其控制面积、排水流量等、沟底比降等参数进一步确定排水沟断面设计尺寸。沟渠池凼的建设不应过度水泥化,而应该根据不同的沟渠类型和作用,采用不同的材质,在满足生产生活的需要上,还需沟渠的生态化设计。如针对传统的排灌沟渠,可以在渠底每隔10m设置一个长1m,深0.2m的凹形槽,在槽内种植湿生植物,以达到拦截和消纳部分污染物的目的。
[0082] 沉砂凼不仅发挥污染物的拦截作用,还应挖掘其污染物消纳功能。由于沟渠中的大量泥沙和营养物质在此沉积,可在其内种植莲藕以消纳泥沙中的营养物质。
[0083] 蓄水池的容积以其所在位置的汇流水量确定,宜采用浆砌砖修建并用水泥砂浆抹面以防渗漏。蓄水池前后应分别布设进水口和出水口,进水口接沉沙池引水入池,出水口经沟渠接入附近灌排渠沟或附近水田。在实际施工中,在满足蓄水池蓄水及供水要求的前提下,可以因地制宜结合当地地形适当调整蓄水池的具体形状,但要求尽量少占耕地,避免高填深挖。为达到消纳污染物的效果,蓄水池中可引入水葫芦等水生植物以消纳水中的过多营养物质。
[0084] 2.3、沟渠池凼空间与优化设计结果
[0085] 按照沟渠池凼空间优化与设计的原则、方法和技术要点,对研究区各类沟渠、沉砂凼和蓄水池进行空间优化布局与设计,如图7所示。根据研究区地形地貌、产业发展、自然水流汇集路径、现有沟渠分布等的不同,主要开展沟渠新修与改造、蓄水池和沉砂凼新修三种类型,如表1所示。具体如下:
[0086] 表1沟渠池凼空间优化与设计结果
[0087]
[0088]
[0089] 新修与改造沟渠。主要新修各类沟渠37条,改造沟渠3条,总长10570m。其材质主要为浆砌砖、浆砌石和生态袋,其尺寸依据汇水量计算得到,沟渠的生态化设计主要是渠底每隔10m设置一个长1m,深0.2m的凹形槽,在槽内放置鹅卵石或种植湿生植物,以达到拦截和消纳部分污染物的目的。
[0090] 新修沉沙池。主要布设在蓄水池前约2.5m处或沟渠交叉处,沉砂凼设计为净长2.0m,净宽1.0m,净深0.8m,池壁采用浆砌砖砌筑,壁厚240mm,并在池体内侧及顶部采用1:
2.5水泥砂浆抹面,抹面厚度不小于20mm,池底采用60mm厚C20砼底板。其生态化设计主要是在沉砂凼内种植莲藕或其他水生植物以消纳泥沙中的营养物质,不仅可减少进入蓄水池的泥沙,还可降低池中的养分含量。
[0091] 新修蓄水池。蓄水池主要布设在坡面雨水汇流处,即自然水流汇集路径的出水口,充分利用有利的汇水地形将天然降雨汇至蓄水地点。蓄水池的大小以其所在位置的汇流水3 3
量确定,因地制宜的修建。根据研究区情况,主要新修容积分别为50m、100m 两种规格的蓄
3
水池。设计50m 蓄水池结构采用圆形嵌入式水池,设计蓄水池内半径2.65m、外半径3.02m、水池净深2.5m,呈圆柱状,蓄水池池壁采用M7.5浆砌砖砌筑,厚度为370mm,底板采用现浇C20砼,厚度为100mm,在每个蓄水池设置梯段,梯段总长4.48mm,宽1.0m,总高2.5m,每个台阶踏步宽0.28m,高0.15m,蓄水池梯步采用C20混凝土现浇楼梯形式,主要布设直径
3
10mm和14mm钢筋;设计100m蓄水池结构也采用圆形嵌入式水池,设计蓄水池内半径3.7m、外半径3.9m、水池净深2.5m,呈圆柱状,蓄水池池壁采用现浇C20钢筋混凝土,厚度为200mm,底板采用现浇C20砼,厚度为200mm,在每个蓄水池设置梯段,梯段总长4.48mm,宽1.0m,总高
2.5m,每个台阶踏步宽0.28m,高0.15m,蓄水池梯步采用C20钢筋混凝土现浇楼梯形式,主要布设直径10mm和14mm钢筋。其生生态化设计主要是在池中养殖鱼类或引入水葫芦等水生动植物以消纳水中的过多营养物质。
[0092] 3、植被缓冲带空间优化与设计
[0093] 3.1、植被缓冲带空间优化与设计原则
[0094] 植被缓冲带在污染物栏截与消纳和景观生态修复方面具有重要作用,结构单一,宽度过窄的植被缓冲带污染物拦截与消纳功能难以发挥,而过于混杂和宽度过宽的植被缓冲带,则不能有针对性的拦截与消纳污染物,还可能占用其他土地,降低经济效益。植被缓冲带的空间优化配置与设计应遵循以下原则:
[0095] 因地制宜。这是污染物拦截与消纳工程优化布局与设计的基本原则,河库岸植被缓冲带的宽度可依据地势情况、产业规划等,设为不同宽度,但需保证最低宽度能有效拦截与消纳污染物;对于不同地段植被缓冲带的组成结构也应根据该地的不同情况采取不同的搭配,以有针对性的最大限度的拦截与消纳不同污染物。
[0096] 生态与经济效益兼顾原则。植被缓冲带越宽,对于污染物的拦截与消纳消果越好,但是当植被缓冲带达到一定宽度,其污染物的拦截与消纳效果减弱,超出的部分不但不能有效拦截与消纳,反而还会占用农业与建设用地,造成土地资源浪费。应兼顾生态与经济效益,做到合理规划、布局、设计植被缓冲带。
[0097] 产业引导原则。不同的产业发展规划和思路,对植被缓冲带的需求差异较大,而不同的植被缓冲带反过来对产业发展的推动作用也表现出较大差异性。产业规划定位不同对植被缓冲带的长宽、面积、植被类型、结构等需求均不同,在布局植被缓冲带时一定要基于产业发展导向。如在现状设施农业区,为了少占农用地,植被缓冲带以7~10m为宜,植被种类以对化肥、农药有较强吸附能力的植被为主;在旅游休闲度假区,为了提升该区生态环境,迎合产业发展,植被缓冲带可设置宽一些,植被以对氮、磷营养物质吸附较强,观赏性好的水生湿地植物为主。
[0098] 3.2、植被缓冲带空间优化与设计方法及要点
[0099] 植被缓冲带作为污染物拦截与消纳工程体系的最后一道防线,应紧临河流和水库岸线布设,需要协调河流、水库岸边的土地利用类型、开展营造林工程和生态湿地建设,如将紧临河流、水库岸边的耕地退还为林地或生态湿地,通过营造林工程合理规划配置树种和湿地植物,以达到污染物生态拦截与消纳的效果。对于植被缓冲带宽度的确定,目前国内外针对不同情况作了大量研究,但关于缓冲带能有效控制污染物的最小宽度争议较大。Castelleetal et al.(1994)建议将植被缓冲带宽度设置为10m,而Srivastava et al.(1995)和郭春秀等(2011)则认为很窄的缓冲带就能移除大部分的污染物,大部分沉淀物和营养物质在缓冲带开始的7.17m就能被有效拦截;李世锋(2003)研究表明,7.1m宽的植被缓冲带对地表径流中的污染物就能达到78%以上,李怀恩等(2010)研究得出10m宽的缓冲带便能拦截至少70%的污染物质。
[0100] 综合前人研究成果,结合研究区的实际,如研究区地形条件、土地利用类型及现有缓冲带最大宽度和最小宽度等因素,研究认为:
[0101] 在借助土地整治营建植被缓冲带过程中,植被缓冲带最适宽度,既不能为了生态效益一味求宽,也不能为了当地经济发展需要而尽量省略,而应该结合当地地形条件、土地利用现状分布和产业发展状况等因素,因地制宜,以生态效益不降低,经济发展有提高为目的,有效兼顾,进行合理布设。
[0102] 植被缓冲带的设计应能有效拦截和消纳土壤和水分中的富营养物质,其宽度至少要达到9m,依据地势与产业定位的不同,植被缓冲带在保证最低要求后,可适当调整,在沟渠的排水口植被缓冲带宽度应比其他地方更大。
[0103] 不同的产业发展区域植被缓冲带设计也应不同,如现代设施农业区植被缓冲带应以能拦截和消纳农业面源污染物的植为主,旅游休闲度假区植被缓冲带在能拦截与消纳污染物的基础上,还应注重植被缓冲带的美观效果。
[0104] 3.3、植被缓冲带空间优化与设计结果
[0105] 根据研究区现有植被缓冲带分布和产业发展规划,认为研究区河流和水库岸边均有宽度不一的植被缓冲带间断分布,且这些植被缓冲带都分布于河流、水库与河流岸线道路、环湖道路之间,通过测量发现河流与河流岸线道路的最短距离约为9m,已达到前人研究成果中植被缓冲带最小宽度7m左右的要求,且河流沿岸区域属于现代设施农业示范区范围,因此基于植被缓冲带的连续性、当地经济发展效益和生态效益考虑,在原有植被缓冲带宽度不改变的基础上,在河流与河流岸线道路之间的区域,以河流岸线为基准向道路方向9m的区域作为新增植被缓冲带。通过测量发现天玄湖水库库岸与环湖道路间隔约为6~
280m,考虑到该区域产业规划为休闲旅游度假区,玄天库水库为下游城区水源地,环湖线以外绝大部分为林地,环湖线离水库较远一侧布局有截水沟和沉砂凼,因此将位于环湖道路与水库之间的区域均划为植被缓冲带范围。优化后植被缓冲带,如图8所示。
[0106] 污染物拦截与消纳工程优化前后对比:为确保借助土地整治工程对污染物进行拦截与消纳的可行性和推广性,必须优化工程体系空间布局与设计。为此,对研究区污染物拦截与消纳工程体系的一些特性进行优化前后对比分析,结果见表2和图9所示。
[0107] 表2研究区污染物拦截与消纳工程优化前后对比
[0108]
[0109] 研究区优化后的污染物拦截与消纳体系明显体现出资源节约、环境友好的生态型土地整治理念。优化前的沟渠布局生硬仅能或部分不能满足灌排需要,其设计过度水泥化,拦截与消纳污染物的功能缺失,而优化后的沟渠池凼不仅能满足灌排需要,还与研究区自然坑塘水面连通,加之于蓄水池和沉砂凼配套,对沟渠进行生态改造,不仅增加了污染物在沟渠池凼中的停留时间,还使大量污染物和营养物质被沟渠池凼中的苔藓、莲藕、水葫芦等湿生植物所消纳。优化前,研究区缺乏人工植被缓冲带,仅在河流和水库沿岸间断分布有一些自然小树林,这些小树林在一定程度上发挥着植被缓冲带的作用,但分布间断、植被品种单一,对污染物的拦截与消纳不足,而优化后的植被缓冲带在河流和水库沿岸呈连续的带状分布,其植被群落坚持乔‑灌‑草相结合,植被品种以对氮和磷等营养物质吸附作用较大的物种为主,能有效拦截消纳经垃圾池和生态沟渠池后的残留污染物。
[0110] 在大江大河流域与水库周围,为满足农业的现代化生产、大江大河流域和水库水质的保护,污染物拦截与消纳工程体系优化须遵循:
[0111] 第一、基于污染物“源”与“汇”分析,明确其来源及识别污染物的汇集途径;
[0112] 第二、现有污染物“源”和“汇”处理措施分析,包括现有沟渠池凼、垃圾池的位置分布与设计,坑塘水面的和河流库岸自然植被分布状况;
[0113] 第三、现有污染物拦截与消纳工程问题分析,根据自然水流汇集路径和坑塘水面分布,判别断沟渠池凼布局的合理性,依据居民点的密度分析诊断垃圾池的布局问题,依据研究区产业发展规划、研究区所处位置分析植被缓冲带存在的问题;
[0114] 第四、根据微地域分异和产业发展规划的差异,针对不同地形特点、产业发展规划特点,明晰不同区域污染物拦截与消纳工程体系配套的侧重;
[0115] 第五、根据研究区地形地貌特点、耕地资源分布、产业发展规划、聚落分布、自然水流汇集路径等,基于现有污染物拦截与消纳工程,以服务于当地居民“三生”最终目标,制定污染物拦截与消纳工程体系优化定位与思路;
[0116] 第六、在ArcGIS10.2平台下,对研究区道路体系和沟渠体系作缓冲区分析,将缓冲后的道路和沟渠影响域与居民点密度进行叠加,找出垃圾池的适宜布局位置;将1:2000地形图转为DEM数据,并在此基础上利用ArcGIS10.2的Hydrology分析工具提取自然水流汇集路径,将自然水流汇集路径与研究区坑塘水面、现有沟渠池凼进行叠加,在利于污染物拦截与消纳思想的考虑下,对现有沟渠池凼与坑塘水面进行连通与优化;利用土地利用现状图、道路分布图和产业发展规划相叠加,在植被缓冲带宜紧临河流水库沿岸思想指导下,优化植被缓冲带布局;
[0117] 第七、以拦截和消纳污染物为目标对土地整治工程进行生态化优化设计。沟渠应避免过度水泥化,在渠底间隔增加生态槽,沉砂凼和蓄水池可分别在内栽植莲藕与水葫芦吸收过多营养物质;垃圾池应根据居民点密度和服务人口数量设计规模大小,减少占地;植被缓冲带应坚持乔‑灌‑草相结合,以种植氮磷等营养物质吸收能力强的品种为主,提高缓冲区的生态完整性。
[0118] 大江大河流域与水库周围污染物拦截与消纳工程优化布局与设计关键在于把握好垃圾池、沟渠池凼和植被缓冲带的布局优化与设计,构建集点‑线‑面于一体的污染物拦截与消纳工程体系;垃圾池的布局优化与设计应满足相对集中的大部分居民点需求,其布设与设计需考虑垃圾投放的方便程度、垃圾外运的便利度、是否会造成水污染等因素;沟渠池凼的布局优化与设计主要考虑自然水流汇集路径、坑塘水面、灌排需要等要素进行布局优化与生态化设计,通过沟渠对水系的归并,增加污染物在沟渠池凼系统中的停留时间,以达到污染物拦截与消纳的目的;植被缓冲带的布局优化与设计应因地制宜,尽量使植被缓冲带连续成片不间断,宽度可依据产业发展灵活确定,但不应低于最低限度9m,植被组成应根据附近污染物的特征而确定;优化后的污染物拦截与消纳工程既能有效拦截与消纳研究区污染物,改善大江大河和水库水质环境,还能有效满足研究区灌排要求与产业发展。
[0119] 根据本发明实施例提供的方案,利用ArcGIS10.2中的泰森多边形、点密度分析和Hydrology模块等方法进行污染物拦截与消纳工程布局优化,提高了布局方案的空间准确性,具有简单方便、易推广、成本低、效果好等特点,该方法不仅可用于污染物拦截与消纳工程布局优化,而且对土地整治工程和水土保持工程等布局优化也有借鉴意义。
[0120] 尽管上文对本发明进行了详细说明,但是本发明不限于此,本技术领域技术人员可以根据本发明的原理进行各种修改。因此,凡按照本发明原理所作的修改,都应当理解为落入本发明的保护范围。
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