哈爾濱市農田排水溝道透水材料選擇研究

王 崢，張亞梅

(1.哈爾濱市水務科學研究院，哈爾濱 150001； 2.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，武漢 430010)

1 概 述

截止2017年，哈爾濱市水田面積約65.075×104hm2，大部分集中分布在各灌區。目前，哈爾濱市灌區排水溝道多為傳統土質，不僅穩定性差，而且極易產生溝道淤積、排水效率低等問題，而常見的混凝土溝渠對農田排水及生態環境所造成的負面效應越來越引起人們的重視。因此，在生態型灌區的建設過程中選擇使用適當材料，為農田排水溝道中植物、動物、微生物制造良好的棲息條件和繁衍場所，通過溝道的過濾、吸附(物理)、攔截、沉淀、植物吸收、微生物降解等作用，改善農田生態環境和減少污染物排放量是十分必要的。

農田退水在由溝道進入受納水體的過程中，要想達到被材料過濾、凈化的目的，需要具備以下兩個條件：①材料必須是透水的，即允許溝道內的水體能穿過；②材料的透水性不能過大，通常在土壤滲透系數的4倍以上即可。為達到以上條件，所選用的材料必須具備適當的透水性，既能保證一定的結構穩定性，又能使水體在穿透材料時具有足夠的接觸時間，以充分發揮其物理、化學以及生物作用，從而降低哈爾濱市灌區農田非點源污染對受納水體的污染和影響。

2 透水材料主要類型和特點

透水材料多為有孔材料，除卵石、塊石等天然材料和現有材料的簡單加工外，還有一些具備透水性、生態性和工程力學性能的材料可供選擇。本文主要介紹生態混凝土、透水型秸稈混凝土、生物磚排水溝和棱形水泥板這4種典型材質，以供排水溝道建設選用，其結構和特點分析如下。

2.1 生態混凝土

生態混凝土是一類特殊混凝土的統稱，1995年由日本混凝土工學協會提出此概念，強調綠色理念及與自然的和諧共生，降低污染和環境負荷，為植物和微生物提供生長和繁衍場所，構建更加綠色、自然、友好、舒適的環境。

1) 結構：生態混凝土是采用特殊工藝，由單一粒徑的粗骨料、少量細骨料、水泥、水和添加劑進行攪拌、加固及養護后，形成具有間隙且呈米花糖狀的多孔混凝土，屬于特殊混凝土的一種，具有特殊表面特性和結構，呈現多孔性和透水性。最大特點為存在大量單獨或連續孔隙，利于空氣和水通過其內部的孔隙和通道。

2) 特點：生態混凝土在吸附和降低污染物、植物種植、凈化水體、水土保持等方面具有多重效益，與自然環境的適應性和協調性非常好。其力學性能、結構功能、使用年限能夠滿足一般性需求，但強度和耐久性相比于普通混凝土略低。其造價稍低于普通混凝土。

2.2 透水型秸稈混凝土

透水型秸稈混凝土主要是由秸稈與骨料、水泥、砂、粉煤灰、水攪拌制成的，屬于多孔輕質混凝土。秸稈主要起到加強作用，有利于增強和改善混凝土的結構穩定性、耐久性、抗拉性等。

1) 結構：透水型秸稈混凝土主要由粗骨料形成的骨架、水泥砂漿形成的膠結層及其間的孔隙3部分組成，形成由水泥砂漿包裹粗骨料并相互黏結的多孔蜂窩狀結構。與普通的生態混凝土相比，透水型秸稈混凝土摻加的秸稈能夠給微生物提供所必需的有機質碳源和能源，并為反硝化細菌等微生物提供適宜的生存環境，改善結構的耐久性和透水性。

2) 特點：具有多孔結構，其表面有利于動植物和微生物的生長。秸稈的添加對結構穩定性、材料耐久性、透水性等特性均有所提升和改善，但在材料級配組成、水灰比、水泥含量等方面具有特殊要求，秸稈纖維與水泥的相容性、秸稈破碎篩選等方面尚需進一步研究。相對于普通混凝土，造價較高。

2.3 生物磚排水溝

生物磚排水溝是由深圳市大自然生態園林技術有限公司于2003年獲得專利，兼具排水和生態恢復功能。目前，已在交通建設項目水土保持工程中成功應用，其他開發和生態工程建設項目正在逐步推廣。

1) 結構：以具有種植孔的水泥磚為基本材料單元，在坡道上通過咬合、鑲嵌形成穩定的梯形、矩形斷面形式的排水溝，將帶有草籽的營養土充滿種植孔，最終形成植被完全覆蓋的坡面，達到與自然環境融為一體的效果。

2) 特點：具有滲水及排水性能、生態功能、生態景觀效果、循環利用、便于施工、造價較低等優點，但僅適合流量小、水力沖刷力度小的排水溝道，且技術在實際中的應用效果還需進一步實踐驗證。

2.4 棱形水泥板

棱形水泥板是將水泥做成中空的棱形，部分埋進土中，中間空心處用于種植草皮、樹木或根系較發達的植被，起到防風護土、穩定邊坡和綠化作用。

1) 結構：多為六邊形中空框架結構，中空部分種植草皮等植被。

2) 特點：具有透水性、生態性、景觀效果、施工便捷、造價較低等優點。目前，廣泛應用于高速、鐵路、水庫、水利等工程建設領域，其造價與普通混凝土基本相同。

3 透水材料選擇

3.1 方法選擇

因指標特性和分類不同，透水材料的選擇涉及許多不確定、模糊的因素，而基于模糊數學理論的模糊模式識別模型是處理這類整體評價問題的有效途徑。本文將采用模糊模式識別，建立相關比選模型，利用模糊評價法對透水材料進行比選。

模糊綜合評價可分為一級和多級。其中，一級綜合評價具有如下大致過程：①確定評價對象的因素論域，即P個評價指標，U={u1，u2，…,un}；②確定評價等級論域，V={v1,v2,…,vp}，即等級集合，每個等級可對應一個模糊集；③單因素評價，建立模糊關系矩陣R；④確定評價因素的模糊權向量，A={a1,a2,…,ap} ；⑤將合適的合成算子將與各被評項的R合成，得到各模糊綜合評價的結果向量B；⑥對模糊綜合評價的結果向量B比較分析，最常用的方法是最大隸屬度原則。則(U,V,R)構成了一個模糊綜合評價模型。

3.2 評價因子選取

通過對材料特征進行分析，結合實際應用經驗，選擇生態凈化性(A1)、結構穩定性(A2)、透水性(A3)、施工管護(A4)、經濟性(A5)5個評價因子。從這5方面考慮各材料特點，見表1。

3.3 評價因子權重

各因子對技術選擇的影響程度不盡相同，在本次評價中，主要通過各因子的權重系數來反映這種差異性。權重的確定主要根據各因子對技術選擇的作用強弱來確定，按照表2的評價標準，建立判斷矩陣，見表3。

表1 材料對比分析表

表2 AHP法的標度原則

表3 判斷矩陣

經計算，該判斷矩陣的最大特征根λmax=4.895 1，特征向量為(0.381 0，0.230 2，0.079 3，0.079 3，0.230 2)T，CI=0.026 2。

因為CR=CI/RI=0.023 0，CR<0.1，所以該判斷矩陣是一致的。因此，技術評價各因子的權重系數分別為(0.381 0，0.230 2，0.079 3，0.079 3，0.230 2)T。由權重系數可知，各因子對材料比選影響的相對重要程度依次為A1>A2=A5>A3=A4，即重要性排序為：生態凈化性>結構穩定性=經濟性>透水性=施工管護。

3.4 透水材料比選

利用專家評定法，對隸屬度值進行確定。各等級隸屬度值見表4。

表4 隸屬度函數值

按照隸屬度模型公式，計算各因子的不同隸屬度值，從而得到模糊關系矩陣。以生態混凝土為例的模糊關系R為：

由評價向量B可以看出，生態混凝土隸屬于很適宜的隸屬度值為0.340 9，隸屬于較適宜的隸屬度值為0.245 6，隸屬于中等適宜的隸屬度值為0.189 7，隸屬于較不適宜的隸屬度值為0.227 8。比較幾個隸屬值發現，生態混凝土的隸屬于很適宜的隸屬度是最大的。根據模糊數學最大隸屬度原則，最終評定生態混凝土為很適宜的材料。

對其他材料進行評價，4種材料的模糊關系矩陣(R)計算結果見表5。

表5 模糊關系矩陣

經過模糊復合運算，不同等級的隸屬度值(B)見表6。

表6 材料隸屬度值(B)

3.5 技術比選結果

根據模糊綜合評價法的評價原理，對4種材料進行評價，結果見表7。

表7 評價結果

由評價結果可以看出，生態混凝土和生物磚排水溝兩種材料為很適宜采用的透水材料。

4 結論及展望

透水型農田排水溝道構筑材料首先保證了溝道整體的結構穩定性，并在此基礎上，其內部結構不僅是當地地下水和農田排出水體的溝通聯系載體，而且為農田動物、植物以及微生物提供了重要的生存環境。本文主要分析了生態混凝土、透水型秸稈混凝土、生物磚排水溝、棱形水泥板這4種透水材料，以生態凈化性、結構穩定性、透水性、施工管護、經濟性為評價指標，通過模糊評價法進行了評價。從評價結果來看，在哈爾濱市灌區生態建設和排水溝道基礎建設過程中，可根據實際情況考慮選用生態混凝土和生物磚排水溝作為透水型構筑材料，但其適宜性還需進一步實踐檢驗。