生態渠道技術及其應用前景探討

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

一直以來，我國對于糧食等大規模種植作物的灌溉體系均以灌區為基本單元，灌區在我國農業發展和糧食安全方面起著至關重要的作用。目前，灌區在現代化水利建設和水資源配置過程中，均主要采取混凝土襯砌、漿砌石襯砌等傳統硬質化節水改造措施保障渠道的水量調配和輸水效率，以此提高水資源利用率，減少水體滲漏，保證糧食產量不受到缺水影響。但近年來，硬質化渠道陸續出現水質惡化、自凈能力下降、生物多樣性降低等生態環境問題，農田生態系統的物質和能量連續性遭到破壞，在人們對生態環境要求越來越高的需求下，體現生態、環境、景觀、農業和社會功能相結合的生態渠道將是未來灌區生態化發展的必然趨勢。

2 傳統渠道存在的問題

灌區傳統渠道大多只注重渠道輸水功能的實現，用混凝土等材料將渠道建設成矩形或梯形等標準斷面，以保障渠道的穩定性，提高輸水效率，減少水體滲漏，但對于農田生態環境將造成一系列的不良影響。主要表現在：①阻礙農田生態系統的物質、能量交換和循環，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，影響水的循環和地下水補給，可能導致地下水位降低；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田景觀的構建。

3 生態渠道主要形式及特點

由于傳統渠道存在諸多生態環境問題，在人們日益重視生活環境的現在，傳統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環境影響的生態渠道已成為灌區生態化建設的重要發展趨勢。

從20世紀60年代開始，歐美國家開始注重河道的生態建設，通過恢復裁彎取直、拆除混凝土護岸、去除堤壩等措施，讓河流自然形態和生態環境得以恢復，增強河流自凈能力，使退化的河流生態系統重新恢復生機與活力。目前，國外河流生態恢復措施已普遍應用，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環境的影響，并逐步探索實施生態修復技術和措施。而灌區農田水利工程建設也越來越引起重視，已開始考慮對生態環境功能的兼顧，使水利工程能與生態環境和諧共存。隨著我國專家學者的研究不斷深入，生態渠道技術發展迅速，為生態型灌區的建設奠定了良好基礎。

3.1 混凝土渠道生態處理

對混凝土渠道進行的生態處理是在常規混凝土襯砌的基礎上，建立立體的生態空間。對混凝土渠道的生態改造類型眾多，但總體上都是在渠道底部布置縱向生態帶，在渠底和邊坡上布置橫向生態帶，使之交叉形成多個網格，并在生態帶中填充有機材質作為防滲，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置生態帶，以避免沖刷破壞，且縱向生態帶寬度不宜過大，橫向生態帶可稍大，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和景觀需要。為保證渠道的輸水功能，在渠道水力設計中還要著重控制好流速、比降和糙率。

高郵灌區[1]的頭閘干渠、車八干渠、車邏干渠集鎮段、南關干渠下段等采用的就是混凝土生態處理，主要采用了護坡不護底、復合式襯砌兩種生態處理方式。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傳統渠道用的混凝土，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，護坡必須設置一定數量的動物逃逸通道。復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合處平臺上種植植被，設置水平生態帶。

混凝土渠道的生態處理，其優點是通過建設生態帶形成生態網格，增強渠道的邊坡穩定性、抗沖蝕性、防滲性、生態多樣性和景觀性，基本的輸水功能也得以保證，且對于北方地區來說具有一定的抗凍性，造價與傳統硬質化渠道差不多，但存在生態帶面積和效果有限、防滲結構易老化、不易維護的缺點。這種生態渠道適合于灌區渠道，且多用于干渠。

3.2 植生型防滲砌塊

植生型防滲砌塊技術最早由河海大學王超、王沛芳等研究開發，在實際工程應用過程中具有多種構造和實現形式，瑪納斯灌區、渾蒲灌區、高郵灌區均采用此種生態渠道。

瑪納斯灌區[2]在西岸大渠的建設中，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結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，種植適宜的水生植物。這種形式的生態渠道具有大孔結構，由于孔隙眾多，其透水性極佳。

渾蒲灌區[3]在渠道土工布防滲的基礎上，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，內坡角使用素混凝土。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，同樣在框格空間中填土種植植物。

高郵灌區[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砌塊，“日”字型面朝上并填充土質，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，此種方式斷面結構較復雜。

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

3.3 植物-工程措施復合護坡

植物-工程措施復合是指現澆或預制的混凝土塊體和營養型無紡布或種植土的有機結合，并種植植被。贛撫平原灌區[4]西總干二干渠高田渠段采用生態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澆生態混凝土護坡這4種不同設計形式進行試驗。生態混凝土六角混凝土塊護坡，需先預制正六角形混凝土塊，其中鋪設營養型無紡布，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，直接填滿用于撒播草籽或種植草皮的種植土；現澆生態混凝土護坡采用現澆混凝土板單元格，拆模后鋪設營養型無紡布、無砂碎石混凝土，讓后覆蓋營養種植土栽種草籽。

多種植物、工程措施復合護坡對比試驗結果表明，植草六角混凝土塊護坡較優，但不同護坡形式和不同植物組合所適應的情況不同，如贛撫平原灌區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 原生態植被防護

原生態植被防護是一種原生態草皮護坡，特點是保持當地自然生長的植被，利用岸邊原有的蘆葦、柳樹等天然植物所組成的生態系統保護渠道生態，最大程度地保持水體自凈能力和當地原有的生態群落。高郵灌區的周山干渠采用了此生態渠道技術進行工程建設。

這種生態渠道技術經濟性和生態性都很好，但群眾滿意度不高。因岸坡穩定性較低，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 結論與應用前景

鑒于灌區傳統渠道在生態環境方面的問題，生態渠道技術應運而生，可極大改善灌區生態環境和水體自凈能力，對于保障農田生態系統生物多樣性具有重要作用。在高郵灌區、瑪納斯灌區、渾蒲灌區、贛撫平原灌區等均有所應用和試驗(表1)，目前主要使用于干渠，但不同的生態渠道技術都存在自身局限，在適用性方面還需要結合當地社會、經濟、動植物等情況進一步完善與優化。

表1 生態渠道主要類型及工程案例

目前，對灌溉渠道引起的生態環境問題研究尚且不足，傳統渠道對生態環境影響的機理還未完全清晰，灌溉渠道對農田生態系統的具體影響尚缺乏系統全面的理論。生態渠道技術的研究是由河流生態治理措施借鑒、演變、擴展而來，尚處于發展階段，對生態渠道后期管理、維護和監測也缺乏深入探討，生態渠道的構建技術及其在生態型灌區的應用等方面還需進一步試驗研究。