2017, Vol. 43引用本文 |
| 现代农业沟渠生态化设计关键技术及其应用 |  [PDF全文] |
沟渠，是实现农业水土资源优化配置和有效耦合的重要基础设施，是灌区的重要组成部分。它是为抗旱排涝而修建的人工输水、配水设施，向灌区提供生活、生产、环境供水服务[1-2]，不仅能够确保粮食安全[3]，还具有保护农田生态系统及多样性的生态功能和提供休闲娱乐、景观等社会功能。现阶段人们对维护生态资源及景观品质的要求日益提高，在农地整理中沟渠工程对农田生态影响方面的研究逐渐受到重视[4]。
在农田系统中多数沟渠设计的主要技术目标是为了方便生产通行以及提高水的利用率，忽略了对生态环境的保护，缺乏系统化、生态化设计，不仅影响了农田物种的生存与扩散，还导致了生物栖息环境的退化。当前，沟渠设计存在的问题具体表现在：1）对混凝土衬砌的沟渠即使采用部分无砂混凝土浇筑，其透水性远不如自然土壤，不利于农田的降渍[5]；2）改变了沟壁多孔土壤介质对农田流失的磷、氮等物质的吸附基础，增加了沟渠的富营养化负担[6]；3）改变了沟渠中水生生物与植物的生长条件，减少了水生生物与植物对农田排水中有害物质的吸收[7]；4）青蛙、蟾蜍等动物失去了越冬生存的场所和农田施药时的避难场所[8]；5）渠道大面积的防渗衬砌改变了地下水的补给条件，减少了下游地区回归水的总量，可能会对地下水及下游地区水环境产生不利影响。因此，为实现农田沟渠水利功能和生态功能的双赢，协调沟渠的功能性、生态性、经济性和可持续性，本研究以四川省芦山县生态沟渠工程建设项目为例，从渠道的断面形式、衬砌方式、护坡样式、水生植物、生态景观等方面进行综合考虑，设计了一种新型生态化精细灌排沟渠，并对其进行生态化综合效果评价，总结了生态化精细沟渠构建的设计原则和关键技术，提出了一些可用于实际工程且具有现实意义的先进理念。
1 沟渠生态化设计原则与要点 1.1 沟渠生态化设计原则要协调沟渠的功能性、生态性、经济性和可持续性，实现农田沟渠水利功能和生态功能的双赢，在研究农田沟渠生态化精细设计技术过程中，需要坚持以下原则。1）安全高效原则：维持沟渠输排水功能的同时，满足结构安全要求。2）人性化原则：尊重原有的自然环境，并注意与周围景观的协调与配合，满足人们的生产活动需求。3）整体性原则：解决沟渠中泥沙淤积问题，营造水流环境的多样化。4）生态性原则：以青蛙、蟾蜍等动物为目标，设计一系列逃生通道、栖息空间，制造有利于其生存的自然环境；通过生物方法降解水流中的污染物质，减小对生态环境的影响。
1.2 沟渠生态化设计要点灌溉沟渠分为干、支、斗、农4级，不同等级和规格的沟渠，生态化精细设计的技术要点均有所区别。本研究从渠道的断面形式、衬砌方式、护坡样式、水生植物、生态景观等方面进行生态化精细设计，主要技术要点如下。
1）断面形式及缓坡设计：应当基于不同的工程区概况及输水规模，结合结构安全和生态化原则选取适当的断面。目前沟渠断面形式多运用矩形和梯形断面。缓坡设计不会因沟渠隔断原有生态系统，可形成连续的环境，以便于动物在水陆两域迁移，同时可减少渠道内水位高低变化带来的生态冲击[9-11]。参考叶艳妹等[4]的研究成果可以得出：当沟渠深度h≤30 cm时，可采用矩形断面；当30 cm＜h≤50 cm时，可设计矩形断面或者坡度≤1:0.85的缓坡（梯形断面），但应考虑在某些地段设计辅助设施如生态板以方便小青蛙跳出沟渠；当h＞50 cm时，边坡最好设计为坡度≤1:0.75的缓坡（梯形断面）。适当设计辅助设施以维持生态平衡，是解决当沟渠坡度不符合生态要求时的有效措施之一。
2）衬砌方式设计。（1）边坡衬砌：传统的边坡衬砌多为三面光衬砌方式，从防渗、输水效率和景观生态等多方面考虑，可采用表面多孔设计，为动植物的生存繁衍提供空间，如不填缝浆砌石的边坡衬砌（图 1），半浆砌石和半混凝土结合的边坡衬砌（图 2）等方式。（2）渠底衬砌：大多为混凝土硬质化衬砌，结合生态化理念设计，渠底不渗漏并能为植物提供生长空间的生态化衬砌方式十分必要。如经生态处理技术后的混凝土渠底衬砌，指在混凝土衬砌的基础上设计专门填充土壤的植物生长带（图 3），应注意合理布局，不影响防渗和渠道糙率。（3）采用由混凝土块、无砂混凝土框格（可种植水生植物）组成的改良植生型防渗砌块[12-13]（图 4），可与动植物及微生物构成自净效果较好的水生生态系统。
3）生态护坡设计：生态护坡是仿自然环境设计的，促进了人文与景观的结合。现有的护坡技术综合归纳为2类：纯植被护坡与工程措施+植物复合护坡[14-15]。人工种草取代混凝土覆盖的纯植被护坡技术适用于边坡坡度较缓的工程。工程措施+植物复合护坡技术主要有：用三维土工网填充土壤并种植植物的三维土工植被网护坡；通过在多孔生态混凝土上浇灌植物生长基质的多孔型生态混凝土护坡。生态护坡设计具有良好的通气吸水、防止土壤流失等优点。
4）动物保育设计：应设计便于动物迁移及逃生的设施，如生态走廊、逃生设施、动物栖息空间等。渠顶适当设置生态走廊（图 5），便于动物穿越沟渠；或者可沿沟渠纵向设计适宜坡度和高度的生态护坡（图 6）和生态阶梯（图 7）；也可在渠壁预留生态栖息孔洞、在渠底两侧设置凹槽等为动物提供栖息空间。
5）水生植物设计：对于农业面源污染及富营养化水体处理，水生植物占着举足轻重的地位，植物可以通过自身组织直接吸收利用污染水体中的营养物质，供其生长发育[16-20]；也可在渠底坡面种植一些净水植物，比如芦苇、菖蒲、灯心草等，净化水质，美化沟渠。
6）拦污栅及沉沙池设计：拦污栅能阻挡一部分的漂浮垃圾，可设置在沟渠进水口、排水暗涵入口；设计适合工程实际情况的沉沙池可在一定程度上拓宽断面、增加深度，起到减缓流速、沉降泥沙的作用。
2 沟渠生态化设计实践 2.1 项目区概况四川省芦山县地跨东经102°52'—103°11'，北纬30°01'—30°49'，位于四川盆地周山区西缘，青衣江上游。芦山县生态沟渠项目区位于该县芦阳镇金花社区公路以东罗纯山麓坡脚，水源主要来自罗纯山地表径流与玉溪河支渠集雨，起于该县罗纯山北路，止于已建成引水渠末端的该县友谊路，平均坡降3.2‰，全长889 m，集雨面积0.555 km2。该项目不仅承担了玉溪河灌区灌溉输水任务，还形成了靓丽的渠道景观，为改善生态环境起到了重要作用。
项目区所在地属于中纬度内陆亚热带湿润温和气候，四季分明，雨量充沛。多年平均气温15.3 ℃，历年最高气温35.5 ℃，最低气温-4.6 ℃；全年无霜期284.5 d；多年平均日照949.4 h；多年平均降雨量1216.1 mm，多年平均降雨日数209.3 d，雨量70%集中在6—9月，相对湿度83%。
项目区土壤为红壤、黄泥田等，区内有青蛙、蛇等田间动物生存；在现有沟渠工程中，几条主要田间道路以及道路两侧灌溉渠道均已部分混凝土化。
依据我国《灌溉与排水工程设计规范》（GB 50288—1999）规定，并结合工程实际概况，沟渠输水时段流量为1.14 m3/s，确定工程沟渠级别为5级，设计洪水标准频率为10%，校核洪水标准频率为5%，灌溉保证率为90%。工程渠道边坡系数取1.0，工程护岸采取混凝土与浆砌石结合衬砌方式；渠底采用混凝土衬砌的生态处理技术。本工程衔接于已建成的输水渠，起于芦山县友谊路，止于罗纯山北路。明渠长为756 m。根据《工程流体力学》中明渠均匀流基本公式，计算确定工程渠底宽为1.1 m，渠顶宽为3.3 m，渠道垂直高度为1.1 m（安全超高0.3 m），坡比1:1。结合灌溉需水量与防洪要求，确定工程设计洪水为10年一遇，设计流量为2.3 m3/s，校核洪水为20年一遇，满渠排水能力为4.3 m3/s。
渠底分为一般混凝土衬砌渠段与长4 m并与一般渠段间隔20 m的生态混凝土衬砌渠段；采用半浆砌石半混凝土方式衬砌渠壁，并在渠壁预留一定的生态孔洞段；设置排水暗涵，采用生态护坡。
2.2 生态化沟渠设计结果 2.2.1 生态景观渠道该工程渠道分为一般渠道段与生态渠道段。由于生态渠段对输水效率的阻碍作用，不宜设置过长。结合工程概况实际，设置长4 m、间隔20 m的生态渠段，同时为了方便行人亲水与检修，可设计亲水阶梯（设置堆石景观）于一般渠道段，平面布置见图 8。
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| 图8 一般渠段与生态渠段平面图 Fig. 8 Ichnography of general and ecological ditches |
1）一般渠段。边坡采用混凝土与浆砌卵石结合衬砌的方式（图 9），夯实渠道边坡和渠底后，用C15混凝土浇筑渠底，厚18 cm。渠道常水位0.5 m，深1.1 m，常水位以下用C15混凝土衬砌17 cm，常水位以上用C15混凝土先衬砌7 cm，再用浆砌卵石衬砌10 cm（卵石突出渠面3~4 cm左右）。渠道每隔8 m做用沥青木板填缝的分缝。
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| 图9 A-A断面（一般渠段） Fig. 9 Section A-A (general ditches) |
2）生态渠段。图 10为生态渠段断面，边坡采用混凝土与浆砌卵石结合衬砌的方式，常水位以下用C15混凝土衬砌17 cm，并预留一定间距的生态孔洞。生态孔洞设置2排，上下排间距15 cm，直径10 cm，单孔间距75 cm（图 11），常水位以上用C15混凝土先衬砌7 cm，再用浆砌卵石衬砌10 cm，卵石突出渠面3~4 cm左右（图 10），渠道每隔8 m做用沥青木板填缝的分缝。
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| 图10 B-B断面（生态渠段） Fig. 10 Section B-B (ecological ditches) |
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| 图11 生态渠段边坡平面布置 Fig. 11 Plane layout of ecological ditch slope |
生态渠段渠底采用生态技术的方式衬砌。首先在渠底埋铺深色聚氯乙烯膜一层，再在膜料以上用厚20 cm的黏土碾压夯实，最后纵向布置2列距底边10 cm的混凝土栅格（设置宽度5 cm的混凝土格埂于黏土层上），尺寸为25 cm×30 cm，其中填充壤土并种植水生植物，平面布置见图 12。
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| 图12 生态渠段渠底平面布置 Fig. 12 Plane layout of ecological ditch bottom |
3）渠道梯步段。为了便于渠道管理和清淤，增加渠道美观，设置步宽1.5 m的下渠梯步，间隔2个生态渠段（即一般混凝土渠段中部）。渠道底部用C15混凝土浇筑18 cm，梯步用C15混凝土浇筑10 cm，单位阶梯宽、高均为24 cm，断面图见图 13。
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| 图13 渠道梯步断面图 Fig. 13 Sectional view of ditch ladder |
为将山体一侧的山溪沟水排至工程沟渠，修建排水暗涵，并在暗涵前设置浆砌石沉沙池（图 14、15）。
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| 图14 沉沙池和排水暗涵平面图 Fig. 14 Plane layout of desilting basin and drainage culvert |
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| 图15 沉沙池和排水暗涵断面图 Fig. 15 Sectional view of desilting basin and drainage culvert |
沉沙池：为方便山体一侧山溪水平稳流入，设置沉沙池紧靠山体一侧的坡度为1:0.25，池壁、池底均采用厚30 cm的浆砌卵石衬砌。
排水暗涵：采用外径80 cm的钢筋混凝土预制涵管，净空直径56 cm，涵管下用C15混凝土铺设厚10 cm的垫层。
2.2.3 拦污栅为保证渠道不被杂物垃圾堵塞，设置由扁钢和槽钢焊接而成的拦污栅（图 16）于渠道暗涵进水口前及排水暗涵沉沙池前，放置在拦污栅槽内（用C30混凝土现浇并与垂直面呈10°角，见图 17）。
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| 图16 拦污栅样式图 Fig. 16 Style map of trash rack |
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| 图17 拦污槽样式图 Fig. 17 Style map of trash groove |
本工程选择生态护坡，坡比为1:1，护坡平均高度1.5 m；边坡先用厚43 cm的浆砌块石作为内衬，并浆砌填充有生态混凝土的厚5 cm的六方砖（图 18）；护坡坡体内每隔2 m设置一组纵向孔距50 cm、孔径30 mm的排水孔，选用PVC塑料管并向护坡外倾斜5%；坡脚浇筑厚30 cm的C15素混凝土边沟。断面图见图 19。
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| 图18 充填多孔生态混凝土六方砖 Fig. 18 Hexagonal brick filled porous ecological concrete |
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| 图19 生态护坡断面 Fig. 19 Sectional view of ecological slope protection |
本工程采用生态技术方式衬砌，有足够的空间供植物生长，在渠底与边坡生态带区域内可选择水质净化与景观性俱佳、适应繁殖能力强、容易种植的水生植物，如黄花鸢尾、菖蒲、千屈菜依次分段单种于生态带内。
2.2.6 其他附属物1）逃生阶梯：供沟渠中的动物（如青蛙）活动。由于沟渠表面光滑，青蛙不慎掉入沟渠后无法逃生，因此，设置一定间隔的逃生阶梯可方便其逃出。
2）逃生缓坡：为方便蛇类从斗渠中逃生，设置一定间隔的坡比为1:0.2的斜坡面，可让蛇类顺着坡面逃走；并在坡面上不均匀的铺设卵石，方便蛇类靠这些突出的卵石顺利逃生。
3）渠顶生态走廊：在农田与农田交界处的沟渠上修筑宽度为1.0 m的渠顶生态走廊，方便生物交流，为动物提供栖息空间，避免农田生态系统出现隔绝。
4）水质监测仪：实时监测沟渠中的水量、流速、水质等，标志着信息化在未来农田沟渠上的应用。
3 沟渠生态化的综合效果评价 3.1 沟渠综合评价指标体系构建及权值确定为了进一步研究沟渠生态化工程的环境效应和生态功能，验证该沟渠的生态化设计是否具有可行性和推广性，本研究结合实地调查，对该沟渠生态化工程的处理技术和工艺、处理效果和运行情况进行了评估。从环境、经济、技术3个方面筛选出评价指标，通过层次分析法确定各评价指标的权重，构建生态沟渠技术评价指标体系，并对其进行综合评价。其中：环境指标包括资源化利用程度；经济指标包括工程投资、运行成本；技术指标包括污染物去除率、技术的成熟度、工程运行的稳定性、技术操作和运行管理的难易度。根据各项指标的重要性，构建了沟渠生态化工程处理技术的评价指标体系（表 1）。
| 表1 沟渠生态化工程处理技术评价指标体系 Table 1 Evaluation index system of ditch ecological engineering treatment technology |
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为了使评价指标体系更好地与实际工程评价相结合，需要对指标层的评价标准进行具体规定并进行等级划分，结果见表 2。
| 表2 沟渠生态化工程综合评价指标的评价标准规定与等级划分 Table 2 Comprehensive evaluation standards and hierarchies of ditch ecological engineering |
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层次分析法（analytic hierarchy process, AHP）是一种定性与定量相结合、层次化、系统化的分析方法。其赋权步骤主要包括：构造判断矩阵、层次单排序及一致性检验、层次总排序及一致性检验。其计算结果如下。1）准则层：包含经济A1、技术A2和环境A3共3项指标，指标权重分别为0.317、0.322、0.361。2）经济指标：包含工程投资B1、运行费用B2 2项分指标，指标权重分别为0.535、0.465；技术指标：包含污染物去除率B3、工程运行的稳定性B4、技术操作和运行管理难易度B5等3项分指标，指标权重分别为0.433、0.251、0.316；环境指标：主要有资源化利用程度指标B6。3）分指标层：包括生化需氧量去除率C1、化学需氧量去除率C2、氨氮去除率C3、总氮去除率C4、总磷去除率C5、管理人员数量C6、操作管理难易程度C7、出水达标率C8、废水回收利用率C9等9项分指标，各分指标权重分别为0.345、0.310、0.078、0.154、0.113、0.523、0.477、0.593、0.407。
3.2 沟渠生态化处理技术综合评价结果沟渠生态化处理技术评价涉及的因素较多，且各因素之间的主次关系也有所不同。为了能更直观地反映沟渠生态化处理技术的先进性和优越性，本研究采用最常用、最简单的优、良、中、差分数等级划分法对沟渠生态化处理技术进行评判，其参考标准为：90分以上属于优，80~90分属于良，70~80分属于中，70分以下属于差。通过结合沟渠生态化处理工程实际调研，得到普通沟渠（V1）和沟渠生态化处理方案(V2)的各项指标权重及综合评分情况（表 3），并根据该结果对沟渠生态化处理技术的可行性进行验证。结果显示，普通沟渠处理方案最终得分为77.90，等级属于中；沟渠生态化处理方案最终得分为84.65，等级属于良。沟渠生态化处理工程在经济性及操作管理方面与普通沟渠处理方案没有显著差异，但在处理效果和废水回收利用方面表现出了一定的优势，即沟渠生态化处理工程对污染物的去除效果更好，出水回收利用率及达标率更高。说明沟渠生态化工程的环境效应和生态功能得以体现，具有良好的可行性和推广性。
| 表3 不同处理方案各项指标权重及综合评分情况 Table 3 Index weights and comprehensive score of different treatment schemes |
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本文以四川省芦山县生态沟渠设计为例，综合考虑渠道生产、生活、生态、景观等功能，设计了一种新型的生态化精细沟渠，并着重介绍了该种沟渠构建的设计原则、基本原理和关键技术，评估了沟渠的环境效应和生态功能，实现了沟渠水利功能和生态功能的双赢。生态化综合效果评价表明，该生态化沟渠工程设计具有良好的生态性、经济性和可持续性，主要体现在以下3个方面。
1）生态性：在沟渠中设置了较缓的斜坡和逃生阶梯，为掉入沟渠内的动物逃出提供了方便；沟渠中的水生植物可以去除水体中氮、磷和农药等污染物，起到净化水质的效果；渠内植物可减缓水流流速，降低渠内水的温差变化，促进农作物生长；生态走廊的设置加强了农田间的“交流”，保护了农田的完整性；水位监测设备的应用更大程度地提高了水利用效率，起到了一定的增产效果。
2）经济性：各断面的精细化设计，使得相关工程造价大大降低；通过水生植物净化水质，可以降低处理污水的费用；在设计中考虑到保护生物多样性而减少化肥、农药的使用，降低了农业生产成本。
3）可持续性：本工程有机融合了一系列的细部设计，不仅保证了传统沟渠灌溉排水的功能，还降低了该工程对环境造成的影响，保持了农田系统的原生态性，提高了沟渠利用的可持续性。
在可预见的未来，人们会更加注重对生态环境的保护以及人与自然的和谐共处。因此，该生态化沟渠工程设计顺应了时代发展趋势，其应用前景十分广泛。
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