王 崢，張亞梅

(1.哈爾濱市水務(wù)科學(xué)研究院，哈爾濱 150001； 2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責任公司，武漢 430010)

1 概 述

一直以來，我國對于糧食等大規(guī)模種植作物的灌溉體系均以灌區(qū)為基本單元，灌區(qū)在我國農(nóng)業(yè)發(fā)展和糧食安全方面起著至關(guān)重要的作用。目前，灌區(qū)在現(xiàn)代化水利建設(shè)和水資源配置過程中，均主要采取混凝土襯砌、漿砌石襯砌等傳統(tǒng)硬質(zhì)化節(jié)水改造措施保障渠道的水量調(diào)配和輸水效率，以此提高水資源利用率，減少水體滲漏，保證糧食產(chǎn)量不受到缺水影響。但近年來，硬質(zhì)化渠道陸續(xù)出現(xiàn)水質(zhì)惡化、自凈能力下降、生物多樣性降低等生態(tài)環(huán)境問題，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)和能量連續(xù)性遭到破壞，在人們對生態(tài)環(huán)境要求越來越高的需求下，體現(xiàn)生態(tài)、環(huán)境、景觀、農(nóng)業(yè)和社會功能相結(jié)合的生態(tài)渠道將是未來灌區(qū)生態(tài)化發(fā)展的必然趨勢。

2 傳統(tǒng)渠道存在的問題

灌區(qū)傳統(tǒng)渠道大多只注重渠道輸水功能的實現(xiàn)，用混凝土等材料將渠道建設(shè)成矩形或梯形等標準斷面，以保障渠道的穩(wěn)定性，提高輸水效率，減少水體滲漏，但對于農(nóng)田生態(tài)環(huán)境將造成一系列的不良影響。主要表現(xiàn)在：①阻礙農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)、能量交換和循環(huán)，造成水體污染的凈化能力極大降低；②造成渠道水體與地下水體的隔離，影響水的循環(huán)和地下水補給，可能導(dǎo)致地下水位降低；③渠道生境變得單一，使動植物缺少生存空間和自然棲息地，造成農(nóng)田生物多樣性的嚴重下降；④田間自然景觀被破壞，缺乏景觀的活力和生機，不符合人們親水性的需求和農(nóng)田景觀的構(gòu)建。

3 生態(tài)渠道主要形式及特點

由于傳統(tǒng)渠道存在諸多生態(tài)環(huán)境問題，在人們?nèi)找嬷匾暽瞽h(huán)境的現(xiàn)在，傳統(tǒng)渠道已不能滿足需求，在這種情況下，既能滿足輸水需要又能降低對生態(tài)環(huán)境影響的生態(tài)渠道已成為灌區(qū)生態(tài)化建設(shè)的重要發(fā)展趨勢。

從20世紀60年代開始，歐美國家開始注重河道的生態(tài)建設(shè)，通過恢復(fù)裁彎取直、拆除混凝土護岸、去除堤壩等措施，讓河流自然形態(tài)和生態(tài)環(huán)境得以恢復(fù)，增強河流自凈能力，使退化的河流生態(tài)系統(tǒng)重新恢復(fù)生機與活力。目前，國外河流生態(tài)恢復(fù)措施已普遍應(yīng)用，并逐漸擴展到渠道方面。我國近年來已逐漸認識到水利工程對生態(tài)環(huán)境的影響，并逐步探索實施生態(tài)修復(fù)技術(shù)和措施。而灌區(qū)農(nóng)田水利工程建設(shè)也越來越引起重視，已開始考慮對生態(tài)環(huán)境功能的兼顧，使水利工程能與生態(tài)環(huán)境和諧共存。隨著我國專家學(xué)者的研究不斷深入，生態(tài)渠道技術(shù)發(fā)展迅速，為生態(tài)型灌區(qū)的建設(shè)奠定了良好基礎(chǔ)。

3.1 混凝土渠道生態(tài)處理

對混凝土渠道進行的生態(tài)處理是在常規(guī)混凝土襯砌的基礎(chǔ)上，建立立體的生態(tài)空間。對混凝土渠道的生態(tài)改造類型眾多，但總體上都是在渠道底部布置縱向生態(tài)帶，在渠底和邊坡上布置橫向生態(tài)帶，使之交叉形成多個網(wǎng)格，并在生態(tài)帶中填充有機材質(zhì)作為防滲，之后可種植篩選后的適當植被。但在水工建筑物下游盡量不設(shè)置生態(tài)帶，以避免沖刷破壞，且縱向生態(tài)帶寬度不宜過大，橫向生態(tài)帶可稍大，并保持一定的間距，不影響渠道的防滲和整體糙率以及生態(tài)和景觀需要。為保證渠道的輸水功能，在渠道水力設(shè)計中還要著重控制好流速、比降和糙率。

高郵灌區(qū)[1]的頭閘干渠、車八干渠、車邏干渠集鎮(zhèn)段、南關(guān)干渠下段等采用的就是混凝土生態(tài)處理，主要采用了護坡不護底、復(fù)合式襯砌兩種生態(tài)處理方式。護坡不護底是用黏土碾壓夯實渠道底部，而渠道護坡則用空心透水磚等材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)渠道用的混凝土，磚塊下方用黏土作為防滲層，磚塊空心處種植適當植物。為保障動物遷徙的要求，護坡必須設(shè)置一定數(shù)量的動物逃逸通道。復(fù)合式襯砌方式是指渠道護坡采用多種斷面形式和襯砌方式，主要有兩種方式：①渠道斷面為梯形，護坡的灌溉水位以下為混凝土，上方修建草皮護坡；②采用上矩下梯形式的斷面，梯形斷面用混凝土襯砌，而矩形斷面采用空心透水磚，并在梯形斷面和矩形斷面結(jié)合處平臺上種植植被，設(shè)置水平生態(tài)帶。

混凝土渠道的生態(tài)處理，其優(yōu)點是通過建設(shè)生態(tài)帶形成生態(tài)網(wǎng)格，增強渠道的邊坡穩(wěn)定性、抗沖蝕性、防滲性、生態(tài)多樣性和景觀性，基本的輸水功能也得以保證，且對于北方地區(qū)來說具有一定的抗凍性，造價與傳統(tǒng)硬質(zhì)化渠道差不多，但存在生態(tài)帶面積和效果有限、防滲結(jié)構(gòu)易老化、不易維護的缺點。這種生態(tài)渠道適合于灌區(qū)渠道，且多用于干渠。

3.2 植生型防滲砌塊

植生型防滲砌塊技術(shù)最早由河海大學(xué)王超、王沛芳等研究開發(fā)，在實際工程應(yīng)用過程中具有多種構(gòu)造和實現(xiàn)形式，瑪納斯灌區(qū)、渾蒲灌區(qū)、高郵灌區(qū)均采用此種生態(tài)渠道。

瑪納斯灌區(qū)[2]在西岸大渠的建設(shè)中，由不透水的混凝土塊和供水生植物生長的“井”型無砂混凝土(由大粒徑的粗骨料、水泥和水配置而成)框格組成防滲砌塊，塊體之間由凸起和凹槽的聯(lián)結(jié)緊密排列于渠道底部，有效防止了滲漏，無砂混凝土框格中填充土質(zhì)，種植適宜的水生植物。這種形式的生態(tài)渠道具有大孔結(jié)構(gòu)，由于孔隙眾多，其透水性極佳。

渾蒲灌區(qū)[3]在渠道土工布防滲的基礎(chǔ)上，加大水位線以下采用自嵌式植生擋土墻磚護坡，土工布上鋪50cm的土質(zhì)，內(nèi)坡角使用素混凝土。自嵌式植生擋土墻磚就是帶有供水生植物生長的“井”型混凝土框格通過凸塊和凹槽連結(jié)，同樣在框格空間中填土種植植物。

高郵灌區(qū)[1]使用的植生型防滲砌塊有兩種：①是由不透水的混凝土塊體和供水生植物生長的“日”字型混凝土框格組成，渠道護坡按臺階狀鋪設(shè)砌塊，“日”字型面朝上并填充土質(zhì)，種植耐水植物，渠底用黏土夯實；②另一種是渠道底部同樣使用黏土夯實，護坡下部采用混凝土襯砌，以保證防滲效果，其上緩坡利用空隙種植耐水植物的花形或六邊形空心磚，最上方立面采取空心透水磚砌筑，此種方式斷面結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。

植生型防滲砌塊技術(shù)優(yōu)點在于施工簡單，有利于邊坡穩(wěn)定，且對邊坡的保護具有持久性和景觀性，材料易獲?。蝗秉c是造價相對較高，邊坡防護所用混凝土較少，孔隙率較低，不利于植物生長，且對于質(zhì)量要求較高，否則一旦滲漏、凍脹破壞很大。目前，這種生態(tài)渠道技術(shù)多用于城市河道治理，在灌區(qū)中也是一種比較新型的技術(shù)，適用于經(jīng)濟較為發(fā)達的灌區(qū)，多用于干渠、支渠。

3.3 植物-工程措施復(fù)合護坡

植物-工程措施復(fù)合是指現(xiàn)澆或預(yù)制的混凝土塊體和營養(yǎng)型無紡布或種植土的有機結(jié)合，并種植植被。贛撫平原灌區(qū)[4]西總干二干渠高田渠段采用生態(tài)混凝土六角混凝土塊護坡、植生袋六角混凝土塊護坡、植草六角混凝土塊護坡和現(xiàn)澆生態(tài)混凝土護坡這4種不同設(shè)計形式進行試驗。生態(tài)混凝土六角混凝土塊護坡，需先預(yù)制正六角形混凝土塊，其中鋪設(shè)營養(yǎng)型無紡布，然后鋪上無砂碎石混凝土，最后在混凝土表面上覆蓋種植土并種植草籽，渠道底部設(shè)混凝土齒槽或澆筑混凝土護底，壓頂混凝土澆筑；植生袋六角混凝土塊護坡是使用帶有草種的植生袋代替無紡布；植草六角混凝土塊護坡，是在正六角形混凝土塊內(nèi)，直接填滿用于撒播草籽或種植草皮的種植土；現(xiàn)澆生態(tài)混凝土護坡采用現(xiàn)澆混凝土板單元格，拆模后鋪設(shè)營養(yǎng)型無紡布、無砂碎石混凝土，讓后覆蓋營養(yǎng)種植土栽種草籽。

多種植物、工程措施復(fù)合護坡對比試驗結(jié)果表明，植草六角混凝土塊護坡較優(yōu)，但不同護坡形式和不同植物組合所適應(yīng)的情況不同，如贛撫平原灌區(qū)具有灌溉功能的渠道適合推廣植草六角混凝土塊護坡，水下部分采用矮小的水生植物。

3.4 原生態(tài)植被防護

原生態(tài)植被防護是一種原生態(tài)草皮護坡，特點是保持當?shù)刈匀簧L的植被，利用岸邊原有的蘆葦、柳樹等天然植物所組成的生態(tài)系統(tǒng)保護渠道生態(tài)，最大程度地保持水體自凈能力和當?shù)卦械纳鷳B(tài)群落。高郵灌區(qū)的周山干渠采用了此生態(tài)渠道技術(shù)進行工程建設(shè)。

這種生態(tài)渠道技術(shù)經(jīng)濟性和生態(tài)性都很好，但群眾滿意度不高。因岸坡穩(wěn)定性較低，故具有一定局限性，只適用于水體流動緩慢、對岸坡侵蝕較小的渠道，且在輸水效率和防滲方面較差，一般適用沒有防沖要求的渠道。

4 結(jié)論與應(yīng)用前景

鑒于灌區(qū)傳統(tǒng)渠道在生態(tài)環(huán)境方面的問題，生態(tài)渠道技術(shù)應(yīng)運而生，可極大改善灌區(qū)生態(tài)環(huán)境和水體自凈能力，對于保障農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性具有重要作用。在高郵灌區(qū)、瑪納斯灌區(qū)、渾蒲灌區(qū)、贛撫平原灌區(qū)等均有所應(yīng)用和試驗(表1)，目前主要使用于干渠，但不同的生態(tài)渠道技術(shù)都存在自身局限，在適用性方面還需要結(jié)合當?shù)厣鐣?、?jīng)濟、動植物等情況進一步完善與優(yōu)化。

表1 生態(tài)渠道主要類型及工程案例

目前，對灌溉渠道引起的生態(tài)環(huán)境問題研究尚且不足，傳統(tǒng)渠道對生態(tài)環(huán)境影響的機理還未完全清晰，灌溉渠道對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的具體影響尚缺乏系統(tǒng)全面的理論。生態(tài)渠道技術(shù)的研究是由河流生態(tài)治理措施借鑒、演變、擴展而來，尚處于發(fā)展階段，對生態(tài)渠道后期管理、維護和監(jiān)測也缺乏深入探討，生態(tài)渠道的構(gòu)建技術(shù)及其在生態(tài)型灌區(qū)的應(yīng)用等方面還需進一步試驗研究。