农田排水沟的生态化设计及效应

农翕智，邵东国，李浩鑫，王 琲

(武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072)

农田排水沟的生态化设计及效应

农翕智，邵东国，李浩鑫，王 琲

(武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072)

对农田排水沟进行生态化设计，是解决我国灌区的农业面源污染、混凝土在沟渠建设中过度使用、生态环境遭破坏，及水体自我净化能力降低等多方面问题的一条可行之路。本文阐述了农田排水沟生态化设计的特点、原则和方法，以湖北省荆门市谭店村示范区为例进行了含有生态型复式断面、鱼虾通道、阶梯式生物逃生通道，及生态净化吸附区等综合生态工法的农田排水沟生态化设计及效应研究，最后对排水标准进行校核，为其他灌区进行排水沟的生态化设计及升级改造提供参考。

农田排水沟；生态化；设计；效应；研究

农田排水沟作为小型农业水利工程建设的重要组成，不仅可以及时除涝排渍，为农业生产带来经济效益。作为农田污染物与河湖受纳水体间的连接带。通过排水沟内土壤的吸附、沟内植物的吸收，及微生物的降解等作用，改变排入水体的污染物组成及含量[1]，直接影响流域内生态系统的健康及农业生态系统的平衡[2]，此外排水沟还具有巨大的景观开发潜力。

近年来，在我国加速推进农业现代化进程下，生态环境条件日趋恶化、生物多样性逐渐下降，及水体自我净化功能降低等多重生态问题[3]，在传统灌区的排水沟中表现尤为突出。灌区片面追求排水效率，过度强调裁弯取直，大量采用传统硬质护坡的排水沟建设思路[4]，不仅使得排水沟内生态系统过于单一，破坏了农田生态系统原本相互依存的物质和能量循环，而且过量使用化肥所带来的农田污染物也直接通过排水沟汇集并排至下游，进一步加剧了农业面源污染[5]。

随着我国经济社会的迅速发展和国民生活水平的不断提高，生态环境的保护受到人们重视和关注，传统农田排水沟的建设已不能满足当前我国生态文明建设和生态景观型土地整治战略发展的需求[6]。因此，在保证农田排水沟正常功能的基础上，对其进行生态优化设计及升级改造，符合“经济效益—生态效益双赢”的发展方略，对未来国民经济建设具有重要的科学和实践意义，这也将成为未来我国农田水利建设研究的热点课题之一。

1 生态型农田排水沟的特点

与过去我国在灌区沟渠的建设中为了实现最优输水、排水功能，多运用混凝土、浆砌石等刚性衬砌，片面追求水力学中最佳水力断面等设计思路不同，生态型排水沟在满足排水沟正常排水功能的同时，更注重生态效应的发挥、生态系统的平衡和生物多样性的保护，是一种更加环保、功能多样的新型排水沟。主要体现在：

(1)生态沟对排入其中的污染物有一定的生态拦挡和净化消解作用。

(2)生态沟所用的生态护坡在具备传统排水沟护坡功能的基础上，兼具一定的生态保护和生态景观效应。

(3)生态沟减少了传统排水沟建设中对混凝土使用的总量及范围，运用生态工法的建设理念，符合“人类社会—经济发展—自然生态系统整体协调、有序发展”的生态文明建设要求。

2 生态型农田排水沟的设计原则

农田排水沟应首先按照《灌溉与排水工程设计规范》(GB 50288-1999)设计，要充分满足排水系统的设计原则，主要有：①排水沟应尽量布置在较低洼的地带，在条件允许时充分利用好天然河沟。②排水沟的线路要避免深坑、高坡或经过流沙、淤泥，及断层等地质条件较差的地带。③排水沟的线路尽量短，避免过度弯曲。④排水沟之间、排水沟与对接渠道，及河道的交角不宜过大。⑤排水沟出口尽量用自排形式，必要时采用抽排。⑥可以和其它型式的田间排水工程和设施结合布置[7]。

在满足上述相关设计原则的基础上，农田排水沟还应该按照如下要点进行设计，以取得多样的生态功能，主要包括：①保证排水沟的基本排水功能，及时排除农田余水、地下水以及地表径流，保证不冲不淤、工程结构安全。②尊重农田排水沟建设前已有的自然生态环境，尽量减少水利工程建设中对原有自然生态环境造成破坏的人工材料的使用，以自然、原生、生态化为设计原则，保障田间生物的自由通行不受阻碍、减少排水沟护坡的硬质化。③排水沟要具备一定的透水性，既能发挥正常的排水功能，又要保证排水沟内的正常水位，涵蓄地下水源，使农田排水沟的生态系统内的水循环通畅。④排水沟中适当设置田间生物栖息避难场所及多孔质空间，保护田间生物，增加水路两侧绿化和与周围自然景观的配合。⑤排水沟断面的型式要多样化，较小的排水沟的断面可选用梯形断面，排水标准要求较高、流量较大的排水沟可选用复式断面，营建多样化的排水沟环境，经过严格设计后，确实需要使用混凝土做排水沟护坡衬砌时，在满足水力学条件的前提下，尽量与生态材料(如生态混凝土)等综合使用[8]。

3 生态型农田排水沟的设计方法

3.1 可选工材

(1)卵石、块石等天然生态型材料。排水沟一般不需考虑渗漏因素，在当地石材充足，符合就地或就近取材原则时，尽量选用卵石、块石等具有较大孔隙率、较好透水性、调温和透气等多种功能的天然生态材料。

(2)生态混凝土。在当地缺少石材、运输石材经济成本较高的情况下，也可选择混凝土进行护坡浇筑，排水沟护坡尽量选用透水性和生态功能较好的生态混凝土。生态混凝土具有改善生态环境、保护环境等多种功能，此外还具备较好的工程力学性能，能够防冲、防腐蚀，并能为周围植物提供良好的生长环境，而良好的植被生长又持续地辅助提高排水沟的水土保持能力。目前，生态混凝土已成功地应用在河道护坡护岸、公路护坡等多类工程中。

(3)三维土工网。三维土工网是一种广泛用于植草的生态材料，在尼龙丝内加入一定的碳黑等化学材料加工而成，土工网各丝之间的交叉点一般用熔接形式结合，土工网的各丝之间虽紧密缠绕，但质地蓬松，透水性较强，孔隙率一般大于90%，能为植物提供适宜的生长空间，在三维土工网的孔隙中可添加适量土料和植物种子，植物生长后茎叶穿过网垫，而根系则深入土中，植物的根系与三维土工网中的土能形成紧密的固结于排水沟护坡的生态表皮，可改善附近的生态环境[9]。

(4)土壤固化剂。土壤固化剂是一种无毒性、刺激小、无腐蚀性、燃点低的新型化学防渗材料，通过化学生物技术，对土壤进行加固，使土壤紧密地凝聚起来，形成结构更坚硬、致密的板块，提高土壤的抗剪、抗压、抗弯折等力学指标。土壤固化剂使土壤兼具有近似混凝土的硬质表面，又有近似蓬松软弱土壤的性能，在止水防渗的同时又利于排水沟内各类生物的生存，满足生态需要，具有就地取材、节约造价、减少砂石量，及污染较小等优点[10]。

3.2 生态护坡设计

生态型排水沟的护坡应有保护排水沟、避免沟被冲毁，及维持排水沟周围农田系统生态平衡的作用。在建设排水沟护坡时，人工设计种草植树的生态护坡方案应首先考虑。若遇到设计的生态护坡方案已经不具备保护排水沟护坡稳定或者生物多样性功能时，再考虑选择硬质护坡方案或其它工程方案，但硬质护坡应与生态型护坡方案综合应用[11]。

当一般的种草植树的生态型护坡方案能满足排水沟排水标准时，生态型护坡通常依靠其种植的植物的根系及茎叶来保护排水沟的边坡，不同植物根系的力学作用并不相同，草本植物根系一般类似工程中加设钢筋的作用，而木本植物的根系通常有类似锚杆的锚固功能[12]。此外，植物茎叶还具有截挡和削弱地表径流等作用。

生态护坡一般是在排水沟的两侧布置蜂窝状混凝土板，见图1、图2，也可直接采用泥质沟壁，条件允许或某区段有防渗要求时，可先在护坡上布置植生型防渗砌块，再种植适宜的水生植物，为其中的微生物、小体积动物提供适宜的生长环境，由其构成的生态系统中的微生物还可以吸收、降解和净化水体中的污染物质，对水体的净化有积极促进作用[13]。

图1 生态型排水沟生态护坡横断面示意图

图2 生态型排水沟生态护坡立体效果图

3.3 生态护坡植物选配

由农业面源污染引起的水体富营养化已经成为世界上突出的环境问题之一，农业活动所排水中过多的氮和磷等营养元素引起的水体富营养化，将导致藻类大量繁殖、物种组成变化、水体生态结构破坏、生物链断裂等水体功能的退化[14]。而通过生态型排水沟种植的水生植物来拦截、吸收、利用氮和磷等营养物质进行代谢活动，可以有效达到去除水体中氮、磷等营养物质的目的。这类生态减污法的最大特点是：水生植物生长速度快、生长要求低，并有能力积累营养元素和有毒物质，而且能节约投资，有利于建立合理的水生生态循环[15]。

不同的植物对水体中的污染物的吸收、净化的能力不尽相同，为生态护坡选择合适的种植植物对提高生态沟的净化能力起着关键的作用。植物种类筛选的原则及方法主要包括：①优先考量对氮、磷等营养元素有较强拦截和去除能力的植物。②优先选择抗逆性强的植物，抗逆性指标主要包括抗冻、耐污能力、抗热能力和抗虫害能力等。③优先选用本土的植物。谨慎选择外来植物，减少生物入侵可能性。所选植物要对种植地的气候和环境有较强的适应能力，易于移植和存活。④优先选择茎叶较为茂盛、根系较为发达的植物。具有发达根系的植物更易分泌适合微生物生存的物质，能够为生态沟中的各类微生物创造良好的生长空间，而微生物的生长又能促进植物根系的生物降解。⑤优先选择易于存活且生长周期更长的植物。⑥综合种植植物的多方价值，即：所种植的植物便于再度利用，如用作农家养殖的家禽饲料、农家菜的肥料或沤制沼气等。⑦优先选择具有一定生态景观效益的植物[16]。

(1)挺水植物。该类植物多分布在浅水区域，它们的根以及茎的部分长在水底的泥土里，茎、叶部分挺出水面，在空气中的部分具备陆生植物特征，而生长在水中的部分则具备水生植物特征[17]。参考植物：荸荠、莲、水芹和茭白等。

(2)浮水植物。该类植物多生长在浅水中，叶片部分浮于水面，根则长在水底的泥土里，浮水植物的根由于无氧呼吸，可以产生多种醇类物质，此外，通过叶柄通道，能由叶供给氧气[18]。参考植物：浮萍、水浮莲、睡莲和凤眼莲等。

(3)沉水植物。该类植物的特点是植物体全部位于水层之下，它们的根系大多不发达或完全退化，植物体的各部分都可吸收水中的养料。相对挺水植物、浮水植物而言，沉水植物的通气组织更为发达，有利于沉水植物在水中缺乏空气的条件下进行呼吸作用。参考植物：苦草、金鱼藻、狐尾藻和黑藻等[19]。

(4)陆生及种子护坡植物。适宜浅水以及旱地栽培的护坡植物。参考植物：菖蒲、芦苇、狗芽根和黑麦草等。

4 生态型农田排水沟设计实例

4.1 示范区概况

示范区位于湖北省荆门市掇刀区双喜街道(30.91°N，112.16°E)，属漳河灌区。北依漳河灌区总干渠，东邻凤凰水库，距漳河水库13.6 km，灌溉水源充足，离荆门市区8.4 km。多年平均气温15.8 ℃，多年平均无霜期为267 d，多年平均降雨量903.3 mm，多年平均蒸发量1413.9 mm，潮湿系数小于1。结合《灌溉与排水设计规范》(GB 50288-1999)相关要求及示范区的水文气象统计资料，项目区除涝标准为10 a一遇3 d暴雨150 mm，3 d排完，暴雨期间3 d的水面蒸发量为18 mm，水田有效滞涝水深为30 mm。项目区内原有3条试验排水沟，基本数据见表1，拟在已建3条排水沟基础之上进行生态型排水沟的精细化设计。

表1 示范区3条已建排水沟基本数据

4.2 生态型农田排水沟设计

本设计严格按照土地整治工程灌排设计规范《灌溉与排水设计规范》(GB 50288-1999)相关要求，在以10 a一遇3 d暴雨150 mm，3 d排完为排涝标准的基础上，引入生态学和景观学理念，以实现种养排结合的生态农业、防治生态退化和面源污染，以及维持生物多样性为目标，形成修复生态系统、改善周围环境，以及营造生态景观的生态型农田排水沟[20]。

示范区生态沟整体设计平面布局如图3。三条生态沟严格遵循“路—林—田—渠—沟”的模式，并结合一定的生态景观学设计理念。图中标注箭头示意水的流向。水流从农渠由入口A处(图3左上角)的进水闸经 600 mm的PVC 管向生态沟输水，生态型排水沟与水田连通，流经生态沟的水在生态净化吸附区净化后排入农沟。

生态沟的生态护坡采用蜂窝型生态混凝土板，板上所种植物以沟内常水位为分界线，常水位以上种植适宜浅水及旱地栽培的陆地护坡植物，如菖蒲、芦苇和美人蕉等；常水位以下种植挺水植物或

图3 示范区生态沟整体设计平面布局图

沉水植物如金鱼藻、苦草等。护坡顶部两侧种植草皮和灌木，形成完整的植生生态护坡，营造良好的田间生态环境。生态沟在水田的非暴雨季节可蓄水作为鱼塘，养殖适应浅水生活、生长周期短、植食性，及不易跳脱出沟的草鱼和鲫鱼等鱼类。

生态沟内每隔30～40 m 放置长宽尺寸为1.5 m×1.5 m水生蔬菜浮床，见图4，浮床由轻巧而不易腐败的毛竹制成，浮床两边用木桩固定，在浮床上铺设渔网，上面种植空心菜、茭白，及水芹菜等适于水中栽种的蔬菜。沉水植物如金鱼藻、苦草等具有净化水质、拦截固氮等功能，可以成为优良的绿肥，还可以成为生态沟内鱼类的食物。鱼类通过食用沉水植物，能够防止其生长过度，维持生态沟的生态平衡。同时，鱼的排泄物又可作为水生蔬菜浮床的肥料，而水生蔬菜浮床在炎热的夏季可以为鱼类等水生生物遮荫挡凉，避免生态沟内生物因水温过高、水体缺氧而死亡，又可以使生态沟在排水功能之外具备一定经济效益。

在水生蔬菜浮床位置下设置深槽，形成复式断面，在生态沟水量较少时，深槽内仍有一些储蓄的水可以供沟中生物基本维持生命。研究表明，在生态沟横断面间断配置深槽，对有机物的去除效果较佳，而且具有净化生态沟内水体、维持生态沟内生物的生长环境的多重功效，在非灌溉期或枯水期，深槽将成为水生动物的避难所，在灌溉期或丰水期成为水生动物的栖息地。

图4 生态沟2水生蔬菜浮床及深槽断面图(A-A)

生态沟隔30～50 m设置鱼虾通道(见图5)和阶梯式生态板(见图6)。阶梯式生态板可以帮助误入生态沟内的两栖类生物如青蛙等逃脱出沟，而鱼虾通道是生态沟内鱼虾产卵、避暑和躲藏的空间，以调节生态沟的生态功能。鱼虾通道可以达到生态沟内生物互通、生态沟养分均布的小型生态环境的效果。根据学者水工试验结果，在孔洞直径D=10 cm，深度=0.7D，纵向间距=7.5D时，单位长度渠流能量损失率仅为0.145%～0.454%，对水流输水、排水效率影响甚微[21]。

图5 生态沟2鱼虾通道断面图(B-B)

图6 生态沟2阶梯式生物逃生通道断面图(C-C)

生态沟的进水闸和排水闸均采用不锈钢闸门控制进出水，进水闸两侧设置拦污栅作为拦污和拦鱼设施，排水闸设置在生态净化吸附区两侧，生态净化吸附区连接生态沟的一侧，设置聚乙烯网作为拦鱼设施，防止鱼类和沟底植物进入吸附区造成淤塞，架设时用木桩固定。

生态净化吸附区内侧设置连续的U形或弧形通道，营造蜿蜒曲折的水流，增加水流的流动，区内种植菖蒲、花叶芦竹等对氮磷等营养元素有较强拦截吸收作用的植物，底部设置防渗层，并放置吸附能力较强的基质来吸收水体污染物。生态净化吸附区设置的蜿蜒水流通道能够保证生态沟的生物多样性，拥有更复杂的动植物群落，水流蜿蜒的流动方式可以增加沟内污水的流动性，调节水体O2和CO2含量，增加水体中的细菌、水生植物和动物的活性，生态净化吸附区中种植的植物和设置的吸附基质，不仅能够吸收水体中的各类过剩营养元素，还可以增加植物根系表面各类细菌和微生物的数量和活性。

最后，“水田—生态沟—生态护坡—水生动物—水生植物—水生蔬菜浮床”形成一个互利共生的生态系统，该系统能实现生态沟蔬菜种植、鱼类饲养、水体净化，以及生物多样性保护等多功能，增强农田生态系统的生物多样性[22]。

4.3 生态沟排水标准校核

4.3.1 排涝模数及排涝流量

设计排涝模数主要与设计暴雨历时、暴雨强度和频率，农作物的组成，土壤的性质，地下水的埋深，排水沟纵深等因素有关，设计排涝模数有经验公式法和平均排除法，此处生态沟属于集水面积较小的排水沟，故用平均排除法，见表2。

表2 生态沟排涝流量计算表

4.3.2 设计水位推求

通过对设计水位的推求，校核三条生态沟是否满足自流排渍和排涝的水位要求。排渍水位要求在日常能控制地下水位在一定深度。与灌溉渠道的比降比较，排水沟的比降要缓。本设计根据天然河道的平均比降，结合测点，测出生态沟比降1/3000。

列表(见表3)计算各自的排渍水位：

(1)

式中：A0为参考点地面高程，m；D农为农沟排渍水位离地面高程，m；D农=0.4 m+0.2 m，其中，0.4 m为控制的地下水埋深，0.2 m为相邻排水沟中心地下水位距离农沟水面的高度；∑Li为各级沟道沿程水头损失之和，m；∑△z为各级沟道局部水头损失之和，m。

设计要求生态沟的排渍水位>68.09 m(排入湿地日常水位)+0.2 m(满足自流要求的水头差)，控制点A、B、C分别取在三条生态沟下游与农沟连接处。

排涝水位应使涝水顺利自排入外河。其步骤与排渍水位的推求过程一样，主要区别是选择参考点列表(见表4)计算各自的排涝水位时，农沟排涝水位离地面高程用h表示，h取0.2 m[23]。

表3 生态沟排渍水位计算表

表4 生态沟排涝水位计算表

经校核，三条排水沟在进行生态型精细化设计后，并未降低其排水标准，均符合排涝、排渍的自排要求，不需要另行设置泵站进行抽排。可知，在原有排水沟符合排水标准的基础上，引入生态工法，具有一举多得的效果，符合生态水利建设的需求。

5 结 语

本文对生态型农田排水沟进行了相关设计和效应分析，阐述了生态型农田排水沟的设计特点、原则和方法，并以湖北省荆门市谭店村示范区的三条排水沟为实例，进行具体的生态型农田排水沟的精细化设计，设计了“水田—生态沟—生态护坡—水生动物—水生植物—水生蔬菜浮床”的互利共生的田间生态系统。该系统能实现生态沟内蔬菜种植、鱼类饲养、水体净化，以及生物多样性保护等多项功能，增强农田生态系统的生物多样性及抵御病虫害的能力，最后校核了生态型排水沟的排水标准，符合《灌溉与排水工程设计规范》的相关要求。

(1)农田排水沟的生态化设计及升级改造，可以为传统农业水利工程赋予更多的生态功能。生态沟的建设不仅能减少传统水利工程建设中混凝土过度使用的现状，而且还能保护田间生物的多样性，维持生态系统的平衡。

随着人们环保的意识不断提高和国家对生态文明建设的愈发重视，在未来的水利工程建设中势必更注重农业生产与生态系统的平衡，而生态沟的建设正符合生态水利建设、生态灌区建设的基本要求，未来是一条大有可为之路。

(2)本设计不仅在排水沟中引入生态护坡、种植水生植物，还加入了深槽复式断面、鱼虾通道、生物逃生通道等生态工法，符合“人类社会—经济发展—自然生态系统整体协调、有序发展”的生态现代化理念，并且生态工法的引入并未对农田排水沟的基本排水功能带来负影响，是一种值得持续研究和发展的设计思路。

(3)生态沟的设计和升级改造，需要因地制宜，结合当地农业生产实际。而生态沟建设对周围田间生物以及水质的影响等问题，涉及水利学科、生物学科等多种学科交叉，在加强理论研究和完善设计工艺的基础上，值得开展进一步研究。

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Study on ecological design of farm drainage ditch and its effects

NONG Xizhi，SHAO Dongguo，LI Haoxin,WANG Bei

(StateKeyLaboratoryofWaterResourcesandHydropowerEngineeringScience，WuhanUniversity，Wuhan430072，China)

t：The ecological design of the farm drainage ditch is a feasible way to solve the problems such as agricultural non-point source pollution of the irrigation area，overuse of concrete in the ditch construction，ecological environment destruction and reduction of water self-purification capability in our country.This article presented the characteristics，principles and methods of ecological design of farm drainage ditch，studied the ecological design technology including ecological compound section，fish channel，ladder-shape animal escaping slope，ecological purification section and the effects of farm drainage ditch in the demonstration farm belt in Tandian Village of Hubei Province，and verified the drainage standard of the ditch.The obtained results would provide the references for the ecological design and update in other irrigation areas.

farm drainage ditch；ecological；design；effects；study

国家自然科学基金(51379150)；“十二五”国家科技支撑计划(2012BAD08B05-3)

农翕智(1992-)，男，本科生，主要从事农业水利工程研究。E-mail：nongxizhi@126.com

李浩鑫(1989-),男，博士生，主要从事水资源高效利用与环境保护研究。E-mail：2963369100@qq.com

S276

A

2096-0506(2015)01-0011-08