哈尔滨市农田排水沟道透水材料选择研究

王 峥，张亚梅

(1.哈尔滨市水务科学研究院，哈尔滨 150001； 2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉 430010)

1 概 述

截止2017年，哈尔滨市水田面积约65.075×104hm2，大部分集中分布在各灌区。目前，哈尔滨市灌区排水沟道多为传统土质，不仅稳定性差，而且极易产生沟道淤积、排水效率低等问题，而常见的混凝土沟渠对农田排水及生态环境所造成的负面效应越来越引起人们的重视。因此，在生态型灌区的建设过程中选择使用适当材料，为农田排水沟道中植物、动物、微生物制造良好的栖息条件和繁衍场所，通过沟道的过滤、吸附(物理)、拦截、沉淀、植物吸收、微生物降解等作用，改善农田生态环境和减少污染物排放量是十分必要的。

农田退水在由沟道进入受纳水体的过程中，要想达到被材料过滤、净化的目的，需要具备以下两个条件：①材料必须是透水的，即允许沟道内的水体能穿过；②材料的透水性不能过大，通常在土壤渗透系数的4倍以上即可。为达到以上条件，所选用的材料必须具备适当的透水性，既能保证一定的结构稳定性，又能使水体在穿透材料时具有足够的接触时间，以充分发挥其物理、化学以及生物作用，从而降低哈尔滨市灌区农田非点源污染对受纳水体的污染和影响。

2 透水材料主要类型和特点

透水材料多为有孔材料，除卵石、块石等天然材料和现有材料的简单加工外，还有一些具备透水性、生态性和工程力学性能的材料可供选择。本文主要介绍生态混凝土、透水型秸秆混凝土、生物砖排水沟和棱形水泥板这4种典型材质，以供排水沟道建设选用，其结构和特点分析如下。

2.1 生态混凝土

生态混凝土是一类特殊混凝土的统称，1995年由日本混凝土工学协会提出此概念，强调绿色理念及与自然的和谐共生，降低污染和环境负荷，为植物和微生物提供生长和繁衍场所，构建更加绿色、自然、友好、舒适的环境。

1) 结构：生态混凝土是采用特殊工艺，由单一粒径的粗骨料、少量细骨料、水泥、水和添加剂进行搅拌、加固及养护后，形成具有间隙且呈米花糖状的多孔混凝土，属于特殊混凝土的一种，具有特殊表面特性和结构，呈现多孔性和透水性。最大特点为存在大量单独或连续孔隙，利于空气和水通过其内部的孔隙和通道。

2) 特点：生态混凝土在吸附和降低污染物、植物种植、净化水体、水土保持等方面具有多重效益，与自然环境的适应性和协调性非常好。其力学性能、结构功能、使用年限能够满足一般性需求，但强度和耐久性相比于普通混凝土略低。其造价稍低于普通混凝土。

2.2 透水型秸秆混凝土

透水型秸秆混凝土主要是由秸秆与骨料、水泥、砂、粉煤灰、水搅拌制成的，属于多孔轻质混凝土。秸秆主要起到加强作用，有利于增强和改善混凝土的结构稳定性、耐久性、抗拉性等。

1) 结构：透水型秸秆混凝土主要由粗骨料形成的骨架、水泥砂浆形成的胶结层及其间的孔隙3部分组成，形成由水泥砂浆包裹粗骨料并相互黏结的多孔蜂窝状结构。与普通的生态混凝土相比，透水型秸秆混凝土掺加的秸秆能够给微生物提供所必需的有机质碳源和能源，并为反硝化细菌等微生物提供适宜的生存环境，改善结构的耐久性和透水性。

2) 特点：具有多孔结构，其表面有利于动植物和微生物的生长。秸秆的添加对结构稳定性、材料耐久性、透水性等特性均有所提升和改善，但在材料级配组成、水灰比、水泥含量等方面具有特殊要求，秸秆纤维与水泥的相容性、秸秆破碎筛选等方面尚需进一步研究。相对于普通混凝土，造价较高。

2.3 生物砖排水沟

生物砖排水沟是由深圳市大自然生态园林技术有限公司于2003年获得专利，兼具排水和生态恢复功能。目前，已在交通建设项目水土保持工程中成功应用，其他开发和生态工程建设项目正在逐步推广。

1) 结构：以具有种植孔的水泥砖为基本材料单元，在坡道上通过咬合、镶嵌形成稳定的梯形、矩形断面形式的排水沟，将带有草籽的营养土充满种植孔，最终形成植被完全覆盖的坡面，达到与自然环境融为一体的效果。

2) 特点：具有渗水及排水性能、生态功能、生态景观效果、循环利用、便于施工、造价较低等优点，但仅适合流量小、水力冲刷力度小的排水沟道，且技术在实际中的应用效果还需进一步实践验证。

2.4 棱形水泥板

棱形水泥板是将水泥做成中空的棱形，部分埋进土中，中间空心处用于种植草皮、树木或根系较发达的植被，起到防风护土、稳定边坡和绿化作用。

1) 结构：多为六边形中空框架结构，中空部分种植草皮等植被。

2) 特点：具有透水性、生态性、景观效果、施工便捷、造价较低等优点。目前，广泛应用于高速、铁路、水库、水利等工程建设领域，其造价与普通混凝土基本相同。

3 透水材料选择

3.1 方法选择

因指标特性和分类不同，透水材料的选择涉及许多不确定、模糊的因素，而基于模糊数学理论的模糊模式识别模型是处理这类整体评价问题的有效途径。本文将采用模糊模式识别，建立相关比选模型，利用模糊评价法对透水材料进行比选。

模糊综合评价可分为一级和多级。其中，一级综合评价具有如下大致过程：①确定评价对象的因素论域，即P个评价指标，U={u1，u2，…,un}；②确定评价等级论域，V={v1,v2,…,vp}，即等级集合，每个等级可对应一个模糊集；③单因素评价，建立模糊关系矩阵R；④确定评价因素的模糊权向量，A={a1,a2,…,ap} ；⑤将合适的合成算子将与各被评项的R合成，得到各模糊综合评价的结果向量B；⑥对模糊综合评价的结果向量B比较分析，最常用的方法是最大隶属度原则。则(U,V,R)构成了一个模糊综合评价模型。

3.2 评价因子选取

通过对材料特征进行分析，结合实际应用经验，选择生态净化性(A1)、结构稳定性(A2)、透水性(A3)、施工管护(A4)、经济性(A5)5个评价因子。从这5方面考虑各材料特点，见表1。

3.3 评价因子权重

各因子对技术选择的影响程度不尽相同，在本次评价中，主要通过各因子的权重系数来反映这种差异性。权重的确定主要根据各因子对技术选择的作用强弱来确定，按照表2的评价标准，建立判断矩阵，见表3。

表1 材料对比分析表

表2 AHP法的标度原则

表3 判断矩阵

经计算，该判断矩阵的最大特征根λmax=4.895 1，特征向量为(0.381 0，0.230 2，0.079 3，0.079 3，0.230 2)T，CI=0.026 2。

因为CR=CI/RI=0.023 0，CR<0.1，所以该判断矩阵是一致的。因此，技术评价各因子的权重系数分别为(0.381 0，0.230 2，0.079 3，0.079 3，0.230 2)T。由权重系数可知，各因子对材料比选影响的相对重要程度依次为A1>A2=A5>A3=A4，即重要性排序为：生态净化性>结构稳定性=经济性>透水性=施工管护。

3.4 透水材料比选

利用专家评定法，对隶属度值进行确定。各等级隶属度值见表4。

表4 隶属度函数值

按照隶属度模型公式，计算各因子的不同隶属度值，从而得到模糊关系矩阵。以生态混凝土为例的模糊关系R为：

由评价向量B可以看出，生态混凝土隶属于很适宜的隶属度值为0.340 9，隶属于较适宜的隶属度值为0.245 6，隶属于中等适宜的隶属度值为0.189 7，隶属于较不适宜的隶属度值为0.227 8。比较几个隶属值发现，生态混凝土的隶属于很适宜的隶属度是最大的。根据模糊数学最大隶属度原则，最终评定生态混凝土为很适宜的材料。

对其他材料进行评价，4种材料的模糊关系矩阵(R)计算结果见表5。

表5 模糊关系矩阵

经过模糊复合运算，不同等级的隶属度值(B)见表6。

表6 材料隶属度值(B)

3.5 技术比选结果

根据模糊综合评价法的评价原理，对4种材料进行评价，结果见表7。

表7 评价结果

由评价结果可以看出，生态混凝土和生物砖排水沟两种材料为很适宜采用的透水材料。

4 结论及展望

透水型农田排水沟道构筑材料首先保证了沟道整体的结构稳定性，并在此基础上，其内部结构不仅是当地地下水和农田排出水体的沟通联系载体，而且为农田动物、植物以及微生物提供了重要的生存环境。本文主要分析了生态混凝土、透水型秸秆混凝土、生物砖排水沟、棱形水泥板这4种透水材料，以生态净化性、结构稳定性、透水性、施工管护、经济性为评价指标，通过模糊评价法进行了评价。从评价结果来看，在哈尔滨市灌区生态建设和排水沟道基础建设过程中，可根据实际情况考虑选用生态混凝土和生物砖排水沟作为透水型构筑材料，但其适宜性还需进一步实践检验。