哈尔滨市灌区生态渠道技术选择研究

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

目前，哈尔滨市灌区在现代化水利建设和水资源配置过程中，主要采取混凝土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。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哈尔滨市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。

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，之后可种植适当植被。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。

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，增强了渠道的边坡稳定性、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。但也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。

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，通常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，框格中填充土质，种植水生植物。玛纳斯灌区、浑蒲灌区、高邮灌区均已应用此种生态渠道。

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，且对于质量要求较高，否则一旦渗漏、冻胀破坏很大。

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就试验了4种不同设计形式的植物-工程措施复合护坡，包括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。这种生态渠道在施工、后期管理、经济性和社会生态效益等方面均具有一定优势。

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 生态渠道比选

在生态渠道型式比选时，指标特性及分类标准不同，同时涉及许多不确定、模糊的因素，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。本文将采用基于模糊数学理论的模糊模式识别，建立相关比选模型，利用模糊评价法对生态渠道进行比较选择。

模糊综合评价大致过程为：①确定评价因子及因子权重；②确定评价因素集及隶属度；③单因素模糊评判，确定单因素评判模糊矩阵；④进行综合评判。

4.1 确定评价因子

通过对生态渠道特征进行分析，结合实际应用经验，选择输水稳定性(A1)、生态性(A2)、施工管护(A3)、景观性(A4)、经济性(A5)5个评价因子。从这5方面考虑各生态渠道特点，见表1-表2。

表1 生态渠道综合评价指标

表2 生态渠道对比分析表

4.2 确定因子权重

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3的评价标准，建立判断矩阵，见表4。

表3 AHP法的标度原则

表4 判断矩阵

经计算，该判断矩阵的最大特征根λmax=4.8951，特征向量为(0.3810，0.2302，0.0793，0.0793，0.2302)T，CI=0.0262。

因为CR=CI/RI=0.0230，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(0.3810，0.2302，0.0793，0.0793，0.2302)T。由权重系数可知，各因子对生态渠道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：输水稳定性>生态性=经济性>施工管护=景观性。

4.3 渠道型式比选

利用专家评定法，对隶属度值进行确定。按照隶属度模型公式，计算各因子的不同隶属度值，可以得到模糊关系矩阵。以混凝土渠道生态处理为例的模糊关系R为：

由评价向量B可以看出，混凝土渠道生态处理隶属于很适宜的隶属度值为0.3841，隶属于较适宜的隶属度值为0.3500，隶属于中等适宜的隶属度值为0.2579，隶属于较不适宜的隶属度值为0.0079。比较几个隶属值发现，混凝土渠道生态处理的隶属于很适宜的隶属度为最大。根据模糊数学最大隶属度原则，最终评定混凝土渠道生态处理为很适宜。

对其他生态渠道进行评价，4种生态渠道模糊关系矩阵(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 生态渠道隶属度值(B)

4.4 评价比选结果

根据模糊综合评价法的评价原理，对4种生态渠道进行评价，其结果见表7。

表7 评价结果

5 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。本文对混凝土渠道生态处理、植生型防渗砌块技术、植物-工程措施复合护坡、原生态植被防护等生态渠道主要形式进行分析，并以模糊评价法进行了评价。结果表明，哈尔滨市灌区生态渠道建设可根据实际情况重点考虑混凝土渠道生态处理和植生型防渗砌块这两种形式。

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。