灌溉渠道生態(tài)護坡建設效果的監(jiān)測與評價

劉 志，陳 菁，陳 丹，畢利東，王 剛，李雪純，朱 營

(1.河海大學 南方地區(qū)高效灌排與農業(yè)水土環(huán)境教育部重點實驗室，南京 210098； 2. 河海大學水利水電學院，南京 210098)

0 引 言

灌區(qū)是我國重要的商品糧、棉、油生產(chǎn)基地，是促進現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展和保障國家糧食安全的重要基礎，也是保護生態(tài)和改善環(huán)境的重要屏障，開展節(jié)水生態(tài)型灌區(qū)建設與改造是當前灌區(qū)發(fā)展和生態(tài)文明建設的主要方向。在中國生態(tài)文明論壇成都年會上，水利部部長陳雷做了“加快水生態(tài)文明建設 夯實美麗中國水利基礎”的主旨演講，提出“要新建一批節(jié)水型、生態(tài)型灌區(qū)，把中國人的飯碗牢牢端在自己手上”。節(jié)水型生態(tài)灌區(qū)建設是水生態(tài)文明建設的重要組成部分，是社會主義新農村建設的必然要求[1]。灌溉渠道是灌區(qū)的重要組成部分，而護坡又是渠道的關鍵構成，因此生態(tài)護坡是節(jié)水生態(tài)型灌區(qū)建設的重要內容之一，對其建設效果開展現(xiàn)場監(jiān)測和定量評價是灌溉渠道生態(tài)護坡建設和管理的重要依據(jù)。文獻檢索發(fā)現(xiàn)，國內外學者已經(jīng)從設計理念、設計技術等方面對渠道生態(tài)護坡建設技術進行了大量研究，但對其實際建設效果的相關研究不多見，且主要以定性分析為主。例如，顧宏等人對江蘇省高郵灌區(qū)的混凝土襯砌渠道生態(tài)處理、植生型防滲砌塊、原生態(tài)植被防護3種生態(tài)技術形式進行了對比與評價[2]；俞雙恩等人則以混凝土防滲與土渠作為參照，對渠底土工膜防滲+干壘塊擋墻和渠底土工膜防滲+混凝土結合連鎖塊護坡這兩種生態(tài)防滲模式從防滲效果、生境變化等方面進行了對比研究[3]。與灌溉渠道生態(tài)護坡相類似，相關學者對河道生態(tài)生態(tài)護坡建設效果開展了相關評價研究，包括評價指標的篩選以及生態(tài)健康評價[4,5]等方面。本文通過研究灌溉渠道生態(tài)護坡建設效果的評價指標體系，并以江蘇省淮安市周橋灌區(qū)的空心磚生態(tài)護坡建設模式為例，通過現(xiàn)場監(jiān)測及其與混凝土渠、土渠等護坡的對比分析，定量評價該種生態(tài)護坡建設的效果，為完善生態(tài)渠道的建設和管護提供參考依據(jù)。

1 評價指標體系

1.1 渠道生態(tài)護坡的內涵分析

渠道生態(tài)處理是指渠道在滿足輸水要求的基礎上，通過工程或非工程措施，提高渠道邊坡穩(wěn)定性，減少坡面水土流失，形成的能夠創(chuàng)造、維持生物生存、生長所需的生活環(huán)境，并在營造物種多樣性的同時產(chǎn)生一定觀賞價值的綜合護坡體系[6-8]。渠道生態(tài)處理的形式主要包括在混凝土襯砌渠道斷面打洞[9]、布設生態(tài)帶[2]、網(wǎng)籠墊塊護坡[10]、鋪設植生型防滲砌塊[11]等。為了構建渠道生態(tài)護坡建設效果的評價指標體系，對渠道生態(tài)護坡的內涵進行了分析和歸納，主要包括4個方面：①功能性：渠道的功能是輸配水，渠道生態(tài)建設首先需滿足設計所需的輸水能力；②安全性：渠道在邊坡防護方面須發(fā)揮鞏固邊坡、安全防護的作用，保證渠道穩(wěn)定安全，并防止邊坡水土流失；③生物性：渠道為動物、植物、微生物生存、生長創(chuàng)造良好的生態(tài)環(huán)境；④景觀性：生態(tài)渠道應與周圍生態(tài)景觀環(huán)境相融洽、協(xié)調，在人口集中居住區(qū)域還可展現(xiàn)當?shù)匚幕厣纬晒鄥^(qū)特有的景觀帶。

1.2 評價指標體系的確定

通過對渠道生態(tài)護坡的內涵分析，并參考閱讀相關文獻、標準、規(guī)范，以渠道的功能性、安全性、生物性及景觀性四個方面為評價指標體系的一級指標層，構建灌區(qū)渠道生態(tài)護坡建設效果的評價指標：①功能性指標：渠道邊坡進行了生態(tài)建設后，邊坡原有糙率系數(shù)以及滲漏強度可能會發(fā)生改變。渠道邊坡植物的生長會對原設計過水斷面的面積以及過流能力產(chǎn)生一定程度的影響，因此選取渠道流速、渠道體積流量、渠道滲漏強度、渠道水位等功能性指標；②安全性指標：灌溉渠道系統(tǒng)建設、運行、管理的好壞與否，將直接影響渠道的輸配水功能和灌溉效益，而渠道邊坡失穩(wěn)以及坡面侵蝕會對渠道邊坡工程產(chǎn)生較大危害，因此選取渠道邊坡穩(wěn)定系數(shù)、土壤侵蝕模數(shù)等安全性指標；③生物性指標：渠道生態(tài)護坡為動物、植物以及土壤微生物提供庇護所及生存空間，因此選取出反映渠道有：邊坡植物(水生、陸生)種類數(shù)量、邊坡植被蓋度、邊坡動物(水生、陸生、兩棲)種類數(shù)量、邊坡土壤有機質含量、邊坡土壤微生物群落數(shù)量等生物性指標；④景觀性指標：景觀指一定范圍內包含了地形、地貌、土壤、水、動物和植物等相關因素在內的復雜度較高的綜合體系。生態(tài)渠道景觀性的核心在于協(xié)調人類活動與自然景觀的關系。渠道景觀一般包含渠道邊坡的景觀與渠道頂部的景觀兩部分，因此選取景觀復雜度、景觀觀賞度、景觀時序性、景觀協(xié)調性等景觀性指標。

表1 渠道生態(tài)護坡建設效果評價指標體系Tab.1 Evaluation system of ecological revetment in irrigation canal

2 研究實例

2.1 研究區(qū)概況

本文選擇在江蘇省淮安市周橋灌區(qū)開展渠道生態(tài)護坡建設效果的現(xiàn)場調查、監(jiān)測與評估工作。周橋灌區(qū)西接洪澤湖，南以草澤河為界，與淮安市洪金灌區(qū)毗鄰，東靠白馬湖，北連蘇北灌溉總渠，設計灌溉面積2.13萬hm2，屬淮河沖積平原，地勢平坦，土壤以黏黃土、灰黏黃土為主，土質肥沃，適宜種植水稻、三麥等多種作物。周橋灌區(qū)渠道生態(tài)護坡建設模式是，在常水位以下區(qū)運用混凝土或預制塊全防滲襯砌、在水位變化區(qū)采用空心磚護坡、在安全超高水位以上區(qū)采用喬灌草相結合的空間立體植被護坡。本次所監(jiān)測的生態(tài)渠道包括潯北支渠、三許斗渠和四斗渠，同時對附近的混凝土渠和土渠進行了監(jiān)測以做對比分析。

2.2 監(jiān)測方法與數(shù)據(jù)獲取

對于評價所需的基礎數(shù)據(jù)，主要通過2014年5月與10月的兩次現(xiàn)場監(jiān)測和室內理論計算、分析兩種方式獲得?？紤]到植物多樣性與動物、微生物多樣性成正相關[14]，且受監(jiān)測條件限制，因此在生物性指標方面僅對植物類相關指標進行監(jiān)測調查?，F(xiàn)場監(jiān)測調查測量記錄的數(shù)據(jù)包括：①渠道的斷面尺寸數(shù)據(jù)；②渠道邊坡生態(tài)襯砌方式中混凝土區(qū)域與植草磚區(qū)域分別的襯砌高度；③渠道邊坡物種的類別、株高、數(shù)量；④渠道邊坡的植被蓋度；⑤渠道整體的景觀復雜度與景觀時序性變化。

生物性、景觀性監(jiān)測指標數(shù)據(jù)獲取方式采用典型取樣法。在每條監(jiān)測渠道設置3個監(jiān)測斷面，在每個監(jiān)測斷面根據(jù)渠道具體情況選擇樣方數(shù)。取樣面積為：渠道邊坡樣方面積為0.5×0.5 m2，渠頂樣方面積為10×10 m2，取樣樣方示意圖如圖1所示。確定草本監(jiān)測樣方后，先將樣方拍照留存，以便計算渠道邊坡的植被覆蓋率，在將樣方內植物全部采集，分類、整理，并記錄好各種植物的種類、數(shù)量等資料后，將植物分別裝入預先準備的干燥信封中，帶回實驗室作進一步的處理。

圖1 生態(tài)渠道植物取樣樣方示意圖Fig.1 Plant sampling on ecological revetment in irrigation canal

2.3 評價結果與討論

2.3.1功能性指標分析

對已知設計流量的渠道，校核渠道邊坡在采用生態(tài)襯砌后渠道過流能力是否受到影響，需首先確定渠道的設計水位線，繼而計算采用生態(tài)襯砌后渠道在設計水位線不變情況下，渠道斷面的實際過水能力，繼而比較渠道實際過水能力與設計流量的大小，確定渠道的功能性要求是否受到影響。因此生態(tài)襯砌渠道實際流量的計算步驟為：①根據(jù)設計水位線計算渠道設計過水面積；②計算植草磚區(qū)域植物生長面積；③計算渠道實際過水斷面面積；④計算過水濕周；⑤計算渠道綜合糙率；⑥計算水力半徑；⑦計算謝才系數(shù)；⑧計算渠道流量。

與常規(guī)渠道流量計算相比，渠道采用生態(tài)襯砌后，邊坡原有的糙率將發(fā)生改變，植物生長區(qū)域占有一定的空間，對原渠道過水斷面面積大小產(chǎn)生影響。因此，渠道實際過流能力的計算首先需要確定渠道的實際過水斷面面積與渠道邊坡的綜合糙率。生態(tài)襯砌渠道實際過水斷面面積的確定主要在于對植物生長所占區(qū)域的確定，可根據(jù)現(xiàn)場觀測植物生長高度與過水時植物倒伏狀況確定。計算步驟⑤中生態(tài)襯砌渠道邊坡綜合糙率n的確定如以下公式所示。

(1)

式中：Pwi為第i種材料所占區(qū)域的濕周總長，m；ni為第i種材料所對應的糙率取值。

綜上，以灌區(qū)渠道的設計資料如設計渠深、混凝土襯砌高度、渠道邊坡比、渠底寬以及渠道比降等為基礎，進行渠道過流能力的計算。參照廖綿睿[15]對臺灣雀稗和蜈蚣草糙率系數(shù)取值確定的實驗方法，結合調研實踐結果，最終確定植草磚區(qū)域渠床糙率系數(shù)極大值。流量計算校核結果如表2所示。結果顯示，生態(tài)護坡渠道均能滿足其輸水能力的要求，對渠道設計流量要求沒有影響，表明周橋灌區(qū)所選擇的生態(tài)護坡形式能滿足功能性指標的要求。

表2 各監(jiān)測點生態(tài)渠道流量校核表Tab.2 Flow monitoring and checklist of ecological channels

2.3.2安全性指標分析

通過比較渠道邊坡最小穩(wěn)定系數(shù)Fs與相關規(guī)范要求最低取值Fmin的大小來判斷渠道邊坡是否穩(wěn)定。當Fs>Fmin時，渠道邊坡穩(wěn)定；當Fs≤Fmin時，邊坡存在潛在失穩(wěn)的風險。使用有限元數(shù)值模擬軟件開展渠道邊坡穩(wěn)定性分析的數(shù)值模擬實驗，將所研究生態(tài)渠道邊坡簡化為二維平面計算模型[16]，分析邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)。以周橋灌區(qū)三許斗渠為例進行渠道邊坡穩(wěn)定性分析(表3)，結果表明在施工期、運行期、洪水期及水位驟降期這四種工況下渠道邊坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)均滿足設計所需要求，同理經(jīng)計算了潯北支渠與四斗渠其渠道邊坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)也均滿足設計要求，說明目前在周橋灌區(qū)所選擇的生態(tài)渠道襯砌形式能滿足安全性指標的要求。

表3 邊坡穩(wěn)定性計算成果表Tab.3 Calculation results of slope stability in ecological irrigation canal

2.3.3生物性指標分析

2014年5月所調查的18個生態(tài)渠樣方統(tǒng)計資料顯示，三條生態(tài)渠共有種子植物16種，隸屬9科16屬；10月監(jiān)測所調查的12個生態(tài)渠樣方統(tǒng)計資料顯示，三條生態(tài)渠共有種子植物16種，隸屬于10科18屬。由此可見，科、屬、種的組成差異較小，單種屬、單種科以及單屬科在區(qū)系物種組成中所占比例較大，渠道植物群落物種組成較復雜，表明周橋灌區(qū)生態(tài)護坡對于生物多樣性保護具有積極作用。

(1)不同護坡形式的生物多樣性比較。通過將兩次監(jiān)測調查的生態(tài)渠30個調查樣方與土渠9個調查樣方統(tǒng)計資料進行比較分析(具體數(shù)據(jù)由于篇幅限制，暫略)，生態(tài)護坡雖然在植物的種類、數(shù)量、蓋度及生物量等生物多樣性方面略低于土渠，但與混凝土渠相比顯示出了良好的生態(tài)恢復和保育效果。

(2)生態(tài)護坡形式下人工植草措施下生物多樣性比較。根據(jù)調查的三許斗渠、四斗渠各9個草本樣方與潯北干渠的12個草本樣方統(tǒng)計資料，各渠道之間的科、屬、種的組成差異較大，未人工植草的三許斗渠和四斗渠采樣植物中單種屬、單種科以及單屬科在區(qū)系物種組成中所占的比例較大，而人工植草的潯北干渠采樣植物科屬比較集中，優(yōu)勢科屬的數(shù)量雖少，但其在物種總數(shù)中占比較大。主要原因是潯北干渠在人工培土后種植狗牙根，種植種類較單一，造成植物多樣性減小。

(3)生態(tài)襯砌形式下同一施工年限下生物多樣性比較。三許斗渠生態(tài)渠道與四斗渠生態(tài)渠道于同一年施工完成，且都未經(jīng)人工培土、植草，讓其自然恢復，但四斗渠植物種類及數(shù)量要明顯高于三許斗渠，主要原因是三許斗渠旁的碎石子路沖刷了部分石子填入生態(tài)磚孔洞中，土壤有機質較少，不利于植物的生長，由此可見是否及時覆土對生態(tài)磚護坡的效果影響較大。

(4)生態(tài)襯砌形式下同一渠道不同監(jiān)測時間生物多樣性比較。將周橋灌區(qū)三條監(jiān)測生態(tài)渠道不同季節(jié)所采集調查樣方統(tǒng)計資料相比，在植物的種類或數(shù)量方面10月份監(jiān)測數(shù)據(jù)均明顯優(yōu)于5月監(jiān)測數(shù)據(jù)，主要原因是經(jīng)過4個多月的自然生長，邊坡生態(tài)系統(tǒng)得到了顯著的恢復。因此，對于生態(tài)渠道建設效果的評價應是一個長期動態(tài)的過程。對于各監(jiān)測點渠道植物空間分布，從植草磚襯砌到渠頂?shù)闹脖怀尸F(xiàn)遞減趨勢：越靠近水邊的區(qū)域，無論是植物數(shù)量還是長勢基本上都高于遠離渠底的區(qū)域(表4和圖2，由于篇幅限制僅展示了5月監(jiān)測的情況)。以三許斗渠A、B兩個監(jiān)測斷面為例，由監(jiān)測樣方的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知：在A上植被蓋度為40.25%，樣方內植物總生物量為23.80 g/m2；A下植被蓋度為90.82%，樣方內植物總生物量為107.56 g/m2；在B上植被蓋度為6.99%，樣方內植物總生物量為6.52 g/m2；B下植被蓋度為27.29%，樣方內植物總生物量為100.32 g/m2。

2.3.4景觀性指標分析

監(jiān)測樣方顯示(表5)，渠道邊坡植物生長高度范圍為10～400 cm，主要集中在30～60 cm；不同生長高度的植物會產(chǎn)生錯落的空間層次感，增加景觀的復雜度效果，植物群落層次比較豐富；植物物種豐富，花色復雜，景觀觀賞性多樣，且豐富度較高。

2.3.5結果討論

通過對淮安市周橋灌區(qū)渠道生態(tài)護坡建設效果的評價分析可知，該護坡建設形式在功能性方面完全能滿足渠道正常灌溉所需的要求；在安全性方面能夠提供有效地固坡護坡作用；在生物性方面，渠道邊坡植物物種豐富，邊坡植草磚區(qū)和土壤區(qū)創(chuàng)造、提供了良好的生態(tài)環(huán)境；在景觀性方面，景觀復雜度、景觀觀賞性和景觀協(xié)調性均較高。由此可知，這種渠道生態(tài)護坡建設模式是可行的，具有一定的應用推廣價值。

表4 周橋灌區(qū)5月監(jiān)測植被覆蓋率計算表Tab.4 Plant coverage calculation of slope in Zhouqiao irrigation area in May

圖2 渠道生態(tài)護坡現(xiàn)場監(jiān)測照片(5月)Fig.2 Monitoring pictures in May

表5 周橋灌區(qū)生態(tài)渠植物種類及相關資料(5月、10月)Tab.5 Plant species and related information of ecological irrigation canal in Zhouqiao (May & October)

為進一步指導渠道植物恢復措施配置，通過分析周橋灌區(qū)渠道各監(jiān)測點渠道邊坡主要草本植物的重要值，得出各監(jiān)測渠道邊坡植物的群落類型(表6)，確定了該地的主要優(yōu)勢種(按出現(xiàn)頻率)為：狗牙根、鵝觀草、母草、水芹；次優(yōu)勢種為大巢菜、藜、紫苑、老鸛草、刺兒菜、魚鰍串。在植物組合搭配時，推薦選擇狗牙根、鵝觀草、母草，并輔以種植大巢菜、藜、紫苑、老鸛草、刺兒菜、魚鰍串等增加景觀色彩；種植雛菊(花期3-6月)、孔雀草(花期3-5月及8-12月)、百日草(花期6-9月)、紫花苜蓿(花期5-7月)等提高景觀時序性及景觀豐富度。在確定渠道邊坡優(yōu)勢植物種、輔助植物種的基礎上，根據(jù)渠道邊坡區(qū)位的不同(水位變化區(qū)受水位波動的影響，應優(yōu)先選擇植株較為柔軟，且具有一定耐淹能力的植物)，結合植物種的生理特性，確定渠道邊坡的植物組合搭配。具體的推薦種植植物見表7。

在表7中選擇渠道邊坡植物時，可按表中所示適生植物類別分別選擇“優(yōu)勢植物+輔助植物+提高景觀效果植物”或“優(yōu)勢植物+提高景觀效果植物”或僅選擇“優(yōu)勢植物”等不同形式進行自由組合搭配。一般地，同一地區(qū)人工種植植物品種數(shù)量不宜過多，最好不要超過4種。若當?shù)刂参锷L較為緩慢，可選擇速生性植物種進行人工栽植，以使渠道邊坡在短時間內恢復生態(tài)效果。但要注意物種的搭配，要根據(jù)植物本身的生態(tài)習性將渠道邊坡分區(qū)種植，盡量避免單一物種的選擇，同時盡可能地選擇本土植物進行人工栽植。

表6 周橋灌區(qū)各監(jiān)測渠道邊坡植物群落類型Tab.6 Plant community types of ecological irrigation channel in Zhouqiao

表7 周橋灌區(qū)渠道邊坡土壤區(qū)植物選擇表Tab.7 Plant selection of irrigation slope in Zhouqiao

3 結 語

生態(tài)護坡是生態(tài)渠道以及生態(tài)灌區(qū)的關鍵建設內容，也是現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展和國家糧食安全保障基礎，對其建設效果開展現(xiàn)場監(jiān)測和定量評價具有重要的意義。本文從功能性、安全性、生物性和景觀性4個方面進行了內涵分析，提出了灌溉渠道生態(tài)護坡建設效果的評價指標體系，并以江蘇省周橋灌區(qū)空心磚護坡建設模式為例，運用現(xiàn)場監(jiān)測和典型取樣法，分別于2014年5月和10月開展了兩次現(xiàn)場監(jiān)測和分析評價。通過對不同護坡形式、不同監(jiān)測時間下的生物多樣性包括生物量、植物覆蓋率和植物觀賞性等進行了比較研究，結果表明，周橋灌區(qū)渠道生態(tài)護坡建設滿足灌溉輸水能力與穩(wěn)定性要求，渠道生物多樣性較好，景觀觀賞性較高，具有應用推廣價值，并提出了相應的改進建議包括生態(tài)渠道邊坡植物的搭配方式等。本文雖然在實例評價部分對一級指標的各個方面進行了定量結合定性的評價，但對于灌溉渠道生態(tài)護坡建設的統(tǒng)一定量評價以及生態(tài)襯砌渠道的成本費用、施工工藝、后期管護和經(jīng)濟效益等方面的評價，還需要進一步的深入探討與研究。

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