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(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，武漢 430010)

1 概 述

目前，哈爾濱市灌區(qū)在現(xiàn)代化水利建設(shè)和水資源配置過(guò)程中，主要采取混凝土襯砌等傳統(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。但近年來(lái)，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(wèn)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(duì)生態(tài)環(huán)境要求越來(lái)越高的需求下，體現(xiàn)生態(tài)、環(huán)境、景觀、農(nóng)業(yè)和社會(huì)功能相結(jié)合的生態(tài)渠道將是哈爾濱市未來(lái)灌區(qū)生態(tài)化發(fā)展的必然趨勢(shì)。

2 傳統(tǒng)渠道存在的問(wèn)題

灌區(qū)傳統(tǒng)渠道大多只注重渠道輸水功能的實(shí)現(xiàn)，用混凝土等材料將渠道建設(shè)成矩形或梯形等標(biāo)準(zhǔn)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(duì)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(bǔ)給，可能導(dǎo)致地下水位降低；③渠道生境變得單一，使動(dòng)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(yán)重下降；④田間自然景觀被破壞，缺乏景觀的活力和生機(jī)，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(diǎn)

由于傳統(tǒng)渠道存在諸多生態(tài)環(huán)境問(wèn)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(duì)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(shì)。

3.1 混凝土渠道生態(tài)處理

對(duì)混凝土渠道進(jìn)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(duì)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(gè)網(wǎng)格，并在生態(tài)帶中填充有機(jī)材質(zhì)作為防滲，之后可種植適當(dāng)植被。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。

混凝土渠道的生態(tài)處理，其優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)建設(shè)生態(tài)帶形成生態(tài)網(wǎng)格，增強(qiáng)了渠道的邊坡穩(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(duì)于北方地區(qū)來(lái)說(shuō)具有一定的抗凍性，造價(jià)與傳統(tǒng)硬質(zhì)化渠道差不多。但也存在生態(tài)帶面積和效果有限、防滲結(jié)構(gòu)易老化、不易維護(hù)的缺點(diǎn)。

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(kāi)發(fā)，在實(shí)際工程應(yīng)用過(guò)程中具有多種構(gòu)造和實(shí)現(xiàn)形式，通常由不透水的混凝土塊和供水生植物生長(zhǎng)的井型無(wú)砂混凝土框格組成防滲砌塊，塊體之間由凸起和凹槽的聯(lián)結(jié)緊密排列于渠道底部，框格中填充土質(zhì)，種植水生植物?，敿{斯灌區(qū)、渾蒲灌區(qū)、高郵灌區(qū)均已應(yīng)用此種生態(tài)渠道。

植生型防滲砌塊技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在于施工簡(jiǎn)單，有利于邊坡穩(wěn)定，且對(duì)邊坡的保護(hù)具有持久性和景觀性，材料易獲取；缺點(diǎn)是造價(jià)相對(duì)較高，邊坡防護(hù)所用混凝土較少，孔隙率較低，且對(duì)于質(zhì)量要求較高，否則一旦滲漏、凍脹破壞很大。

3.3 植物-工程措施復(fù)合護(hù)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(yíng)養(yǎng)型無(wú)紡布或種植土的有機(jī)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就試驗(yàn)了4種不同設(shè)計(jì)形式的植物-工程措施復(fù)合護(hù)坡，包括生態(tài)混凝土六角混凝土塊護(hù)坡、植生袋六角混凝土塊護(hù)坡、植草六角混凝土塊護(hù)坡和現(xiàn)澆生態(tài)混凝土護(hù)坡。這種生態(tài)渠道在施工、后期管理、經(jīng)濟(jì)性和社會(huì)生態(tài)效益等方面均具有一定優(yōu)勢(shì)。

3.4 原生態(tài)植被防護(hù)

原生態(tài)植被防護(hù)是一種原生態(tài)草皮護(hù)坡，特點(diǎn)是保持當(dāng)?shù)刈匀簧L(zhǎng)的植被，利用岸邊原有的蘆葦、柳樹(shù)等天然植物所組成的生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)渠道生態(tài)，最大程度保持水體自凈能力和當(dāng)?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(jìn)行工程建設(shè)。

這種生態(tài)渠道技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(dòng)緩慢、對(duì)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(méi)有防沖要求的渠道。

4 生態(tài)渠道比選

在生態(tài)渠道型式比選時(shí)，指標(biāo)特性及分類標(biāo)準(zhǔn)不同，同時(shí)涉及許多不確定、模糊的因素，基于模糊數(shù)學(xué)理論的模糊模式識(shí)別模型是處理這類整體評(píng)價(jià)問(wèn)題的有效途徑。本文將采用基于模糊數(shù)學(xué)理論的模糊模式識(shí)別，建立相關(guān)比選模型，利用模糊評(píng)價(jià)法對(duì)生態(tài)渠道進(jìn)行比較選擇。

模糊綜合評(píng)價(jià)大致過(guò)程為：①確定評(píng)價(jià)因子及因子權(quán)重；②確定評(píng)價(jià)因素集及隸屬度；③單因素模糊評(píng)判，確定單因素評(píng)判模糊矩陣；④進(jìn)行綜合評(píng)判。

4.1 確定評(píng)價(jià)因子

通過(guò)對(duì)生態(tài)渠道特征進(jìn)行分析，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，選擇輸水穩(wěn)定性(A1)、生態(tài)性(A2)、施工管護(hù)(A3)、景觀性(A4)、經(jīng)濟(jì)性(A5)5個(gè)評(píng)價(jià)因子。從這5方面考慮各生態(tài)渠道特點(diǎn)，見(jiàn)表1-表2。

表1 生態(tài)渠道綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)

表2 生態(tài)渠道對(duì)比分析表

4.2 確定因子權(quán)重

各因子對(duì)技術(shù)選擇的影響程度不盡相同，在本次評(píng)價(jià)中，主要通過(guò)各因子的權(quán)重系數(shù)來(lái)反映這種差異性。權(quán)重的確定主要根據(jù)各因子對(duì)技術(shù)選擇的作用強(qiáng)弱來(lái)確定，按照表3的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，建立判斷矩陣，見(jiàn)表4。

表3 AHP法的標(biāo)度原則

表4 判斷矩陣

經(jīng)計(jì)算，該判斷矩陣的最大特征根λmax=4.8951，特征向量為(0.3810，0.2302，0.0793，0.0793，0.2302)T，CI=0.0262。

因?yàn)镃R=CI/RI=0.0230，CR<0.1，所以該判斷矩陣是一致的。因此，技術(shù)評(píng)價(jià)各因子的權(quán)重系數(shù)分別為(0.3810，0.2302，0.0793，0.0793，0.2302)T。由權(quán)重系數(shù)可知，各因子對(duì)生態(tài)渠道比選影響的相對(duì)重要程度依次為A1>A2=A5>A3=A4，即重要性排序?yàn)椋狠斔€(wěn)定性>生態(tài)性=經(jīng)濟(jì)性>施工管護(hù)=景觀性。

4.3 渠道型式比選

利用專家評(píng)定法，對(duì)隸屬度值進(jìn)行確定。按照隸屬度模型公式，計(jì)算各因子的不同隸屬度值，可以得到模糊關(guān)系矩陣。以混凝土渠道生態(tài)處理為例的模糊關(guān)系R為：

由評(píng)價(jià)向量B可以看出，混凝土渠道生態(tài)處理隸屬于很適宜的隸屬度值為0.3841，隸屬于較適宜的隸屬度值為0.3500，隸屬于中等適宜的隸屬度值為0.2579，隸屬于較不適宜的隸屬度值為0.0079。比較幾個(gè)隸屬值發(fā)現(xiàn)，混凝土渠道生態(tài)處理的隸屬于很適宜的隸屬度為最大。根據(jù)模糊數(shù)學(xué)最大隸屬度原則，最終評(píng)定混凝土渠道生態(tài)處理為很適宜。

對(duì)其他生態(tài)渠道進(jìn)行評(píng)價(jià)，4種生態(tài)渠道模糊關(guān)系矩陣(R)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 模糊關(guān)系矩陣

經(jīng)過(guò)模糊復(fù)合運(yùn)算，不同等級(jí)的隸屬度值(B)見(jiàn)表6。

表6 生態(tài)渠道隸屬度值(B)

4.4 評(píng)價(jià)比選結(jié)果

根據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)法的評(píng)價(jià)原理，對(duì)4種生態(tài)渠道進(jìn)行評(píng)價(jià)，其結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 評(píng)價(jià)結(jié)果

5 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(wèn)題，生態(tài)渠道技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，可極大改善灌區(qū)生態(tài)環(huán)境和水體自凈能力，對(duì)于保障農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性具有重要作用。本文對(duì)混凝土渠道生態(tài)處理、植生型防滲砌塊技術(shù)、植物-工程措施復(fù)合護(hù)坡、原生態(tài)植被防護(hù)等生態(tài)渠道主要形式進(jìn)行分析，并以模糊評(píng)價(jià)法進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，哈爾濱市灌區(qū)生態(tài)渠道建設(shè)可根據(jù)實(shí)際情況重點(diǎn)考慮混凝土渠道生態(tài)處理和植生型防滲砌塊這兩種形式。

目前，對(duì)灌溉渠道引起的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題研究尚且不足，傳統(tǒng)渠道對(duì)生態(tài)環(huán)境影響的機(jī)理還未完全清晰，灌溉渠道對(duì)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(kuò)展而來(lái)，尚處于發(fā)展階段，對(duì)生態(tài)渠道后期管理、維護(hù)和監(jiān)測(cè)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(jìn)一步試驗(yàn)研究。