生态渠道技术及其应用前景探讨

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

一直以来，我国对于粮食等大规模种植作物的灌溉体系均以灌区为基本单元，灌区在我国农业发展和粮食安全方面起着至关重要的作用。目前，灌区在现代化水利建设和水资源配置过程中，均主要采取混凝土衬砌、浆砌石衬砌等传统硬质化节水改造措施保障渠道的水量调配和输水效率，以此提高水资源利用率，减少水体渗漏，保证粮食产量不受到缺水影响。但近年来，硬质化渠道陆续出现水质恶化、自净能力下降、生物多样性降低等生态环境问题，农田生态系统的物质和能量连续性遭到破坏，在人们对生态环境要求越来越高的需求下，体现生态、环境、景观、农业和社会功能相结合的生态渠道将是未来灌区生态化发展的必然趋势。

2 传统渠道存在的问题

灌区传统渠道大多只注重渠道输水功能的实现，用混凝土等材料将渠道建设成矩形或梯形等标准断面，以保障渠道的稳定性，提高输水效率，减少水体渗漏，但对于农田生态环境将造成一系列的不良影响。主要表现在：①阻碍农田生态系统的物质、能量交换和循环，造成水体污染的净化能力极大降低；②造成渠道水体与地下水体的隔离，影响水的循环和地下水补给，可能导致地下水位降低；③渠道生境变得单一，使动植物缺少生存空间和自然栖息地，造成农田生物多样性的严重下降；④田间自然景观被破坏，缺乏景观的活力和生机，不符合人们亲水性的需求和农田景观的构建。

3 生态渠道主要形式及特点

由于传统渠道存在诸多生态环境问题，在人们日益重视生活环境的现在，传统渠道已不能满足需求，在这种情况下，既能满足输水需要又能降低对生态环境影响的生态渠道已成为灌区生态化建设的重要发展趋势。

从20世纪60年代开始，欧美国家开始注重河道的生态建设，通过恢复裁弯取直、拆除混凝土护岸、去除堤坝等措施，让河流自然形态和生态环境得以恢复，增强河流自净能力，使退化的河流生态系统重新恢复生机与活力。目前，国外河流生态恢复措施已普遍应用，并逐渐扩展到渠道方面。我国近年来已逐渐认识到水利工程对生态环境的影响，并逐步探索实施生态修复技术和措施。而灌区农田水利工程建设也越来越引起重视，已开始考虑对生态环境功能的兼顾，使水利工程能与生态环境和谐共存。随着我国专家学者的研究不断深入，生态渠道技术发展迅速，为生态型灌区的建设奠定了良好基础。

3.1 混凝土渠道生态处理

对混凝土渠道进行的生态处理是在常规混凝土衬砌的基础上，建立立体的生态空间。对混凝土渠道的生态改造类型众多，但总体上都是在渠道底部布置纵向生态带，在渠底和边坡上布置横向生态带，使之交叉形成多个网格，并在生态带中填充有机材质作为防渗，之后可种植筛选后的适当植被。但在水工建筑物下游尽量不设置生态带，以避免冲刷破坏，且纵向生态带宽度不宜过大，横向生态带可稍大，并保持一定的间距，不影响渠道的防渗和整体糙率以及生态和景观需要。为保证渠道的输水功能，在渠道水力设计中还要着重控制好流速、比降和糙率。

高邮灌区[1]的头闸干渠、车八干渠、车逻干渠集镇段、南关干渠下段等采用的就是混凝土生态处理，主要采用了护坡不护底、复合式衬砌两种生态处理方式。护坡不护底是用黏土碾压夯实渠道底部，而渠道护坡则用空心透水砖等材料代替传统渠道用的混凝土，砖块下方用黏土作为防渗层，砖块空心处种植适当植物。为保障动物迁徙的要求，护坡必须设置一定数量的动物逃逸通道。复合式衬砌方式是指渠道护坡采用多种断面形式和衬砌方式，主要有两种方式：①渠道断面为梯形，护坡的灌溉水位以下为混凝土，上方修建草皮护坡；②采用上矩下梯形式的断面，梯形断面用混凝土衬砌，而矩形断面采用空心透水砖，并在梯形断面和矩形断面结合处平台上种植植被，设置水平生态带。

混凝土渠道的生态处理，其优点是通过建设生态带形成生态网格，增强渠道的边坡稳定性、抗冲蚀性、防渗性、生态多样性和景观性，基本的输水功能也得以保证，且对于北方地区来说具有一定的抗冻性，造价与传统硬质化渠道差不多，但存在生态带面积和效果有限、防渗结构易老化、不易维护的缺点。这种生态渠道适合于灌区渠道，且多用于干渠。

3.2 植生型防渗砌块

植生型防渗砌块技术最早由河海大学王超、王沛芳等研究开发，在实际工程应用过程中具有多种构造和实现形式，玛纳斯灌区、浑蒲灌区、高邮灌区均采用此种生态渠道。

玛纳斯灌区[2]在西岸大渠的建设中，由不透水的混凝土块和供水生植物生长的“井”型无砂混凝土(由大粒径的粗骨料、水泥和水配置而成)框格组成防渗砌块，块体之间由凸起和凹槽的联结紧密排列于渠道底部，有效防止了渗漏，无砂混凝土框格中填充土质，种植适宜的水生植物。这种形式的生态渠道具有大孔结构，由于孔隙众多，其透水性极佳。

浑蒲灌区[3]在渠道土工布防渗的基础上，加大水位线以下采用自嵌式植生挡土墙砖护坡，土工布上铺50cm的土质，内坡角使用素混凝土。自嵌式植生挡土墙砖就是带有供水生植物生长的“井”型混凝土框格通过凸块和凹槽连结，同样在框格空间中填土种植植物。

高邮灌区[1]使用的植生型防渗砌块有两种：①是由不透水的混凝土块体和供水生植物生长的“日”字型混凝土框格组成，渠道护坡按台阶状铺设砌块，“日”字型面朝上并填充土质，种植耐水植物，渠底用黏土夯实；②另一种是渠道底部同样使用黏土夯实，护坡下部采用混凝土衬砌，以保证防渗效果，其上缓坡利用空隙种植耐水植物的花形或六边形空心砖，最上方立面采取空心透水砖砌筑，此种方式断面结构较复杂。

植生型防渗砌块技术优点在于施工简单，有利于边坡稳定，且对边坡的保护具有持久性和景观性，材料易获取；缺点是造价相对较高，边坡防护所用混凝土较少，孔隙率较低，不利于植物生长，且对于质量要求较高，否则一旦渗漏、冻胀破坏很大。目前，这种生态渠道技术多用于城市河道治理，在灌区中也是一种比较新型的技术，适用于经济较为发达的灌区，多用于干渠、支渠。

3.3 植物-工程措施复合护坡

植物-工程措施复合是指现浇或预制的混凝土块体和营养型无纺布或种植土的有机结合，并种植植被。赣抚平原灌区[4]西总干二干渠高田渠段采用生态混凝土六角混凝土块护坡、植生袋六角混凝土块护坡、植草六角混凝土块护坡和现浇生态混凝土护坡这4种不同设计形式进行试验。生态混凝土六角混凝土块护坡，需先预制正六角形混凝土块，其中铺设营养型无纺布，然后铺上无砂碎石混凝土，最后在混凝土表面上覆盖种植土并种植草籽，渠道底部设混凝土齿槽或浇筑混凝土护底，压顶混凝土浇筑；植生袋六角混凝土块护坡是使用带有草种的植生袋代替无纺布；植草六角混凝土块护坡，是在正六角形混凝土块内，直接填满用于撒播草籽或种植草皮的种植土；现浇生态混凝土护坡采用现浇混凝土板单元格，拆模后铺设营养型无纺布、无砂碎石混凝土，让后覆盖营养种植土栽种草籽。

多种植物、工程措施复合护坡对比试验结果表明，植草六角混凝土块护坡较优，但不同护坡形式和不同植物组合所适应的情况不同，如赣抚平原灌区具有灌溉功能的渠道适合推广植草六角混凝土块护坡，水下部分采用矮小的水生植物。

3.4 原生态植被防护

原生态植被防护是一种原生态草皮护坡，特点是保持当地自然生长的植被，利用岸边原有的芦苇、柳树等天然植物所组成的生态系统保护渠道生态，最大程度地保持水体自净能力和当地原有的生态群落。高邮灌区的周山干渠采用了此生态渠道技术进行工程建设。

这种生态渠道技术经济性和生态性都很好，但群众满意度不高。因岸坡稳定性较低，故具有一定局限性，只适用于水体流动缓慢、对岸坡侵蚀较小的渠道，且在输水效率和防渗方面较差，一般适用没有防冲要求的渠道。

4 结论与应用前景

鉴于灌区传统渠道在生态环境方面的问题，生态渠道技术应运而生，可极大改善灌区生态环境和水体自净能力，对于保障农田生态系统生物多样性具有重要作用。在高邮灌区、玛纳斯灌区、浑蒲灌区、赣抚平原灌区等均有所应用和试验(表1)，目前主要使用于干渠，但不同的生态渠道技术都存在自身局限，在适用性方面还需要结合当地社会、经济、动植物等情况进一步完善与优化。

表1 生态渠道主要类型及工程案例

目前，对灌溉渠道引起的生态环境问题研究尚且不足，传统渠道对生态环境影响的机理还未完全清晰，灌溉渠道对农田生态系统的具体影响尚缺乏系统全面的理论。生态渠道技术的研究是由河流生态治理措施借鉴、演变、扩展而来，尚处于发展阶段，对生态渠道后期管理、维护和监测也缺乏深入探讨，生态渠道的构建技术及其在生态型灌区的应用等方面还需进一步试验研究。