上海市练塘镇生态沟渠试点工程设计

张小平

（上海市青浦区练塘镇水务管理所，上海 201715）

1 工程概况

练塘镇生态沟渠试点工程以练塘镇东庄村为试验场地，试点项目选择练塘镇2014年小型农田水利设施工程中靠近项目区内小河，面积8.3hm2的田块作为试点项目区。

项目区地块近似于长方形，一级沟渠（长1410m）布设于项目区块四周，一级沟渠出水经集水井汇入地块南侧的小河道中，小河道（长500m）作为二级沟渠，通过构建生态渗滤坝和水生植被进一步净化水质。

2 一级生态沟渠设计

排水沟的主要功能是排涝，由毛沟即竖向排水沟和横向排水沟组成田间排水网络。即由平行于格田田块长边的毛沟，将涝水排入横沟，由横沟排入村、镇级河道。该项目中一级沟渠即为传统意义上的横沟，农田废水经毛沟汇流后进入一级沟渠，田块毛沟深度20cm左右，设计毛沟间距由田块长度确定，种植水稻时为60m，沟深30cm。毛沟采用开敞式土沟形式，每年在作物轮作时进行调整。格田中带有化肥、农药的回归水不得直接排入镇、村级河道，毛沟出水先经由一级沟渠中所设生态砖和水生植物等先期对污染物质进行截流。

2.1 一级沟渠方案比选

常见的一级沟渠形式主要有衬砌的T型混凝土沟、土沟，以及为推广生态农业技术所采用的生态沟渠等类型。

2.1.1 T型混凝土沟

断面为梯型，设计口宽1.3m，底宽0.3m，沟深1.0m。

明沟侧板采用装配式混凝土预制板，施工方便且整体性较好。施工中底板由上之下依次为：30mm厚C20素混凝土找平层，22mm厚C20素混凝土铺底，50mm厚C20素混凝土基础层，夯实填土，压顶采用C25钢筋混凝土现浇。沟顶高程部高出农田高程20cm。

2.1.2 土沟采用梯型断面

土沟设计底宽0.5m，沟深1.0m，口宽1.5m，边坡1∶0.63。土沟顶高程高出农田高程20cm。

2.1.3 生态沟渠采用梯型断面

生态沟渠顶高程高出农田高程20cm。

本次对沟渠进行比选，如表1。

表1 排水沟形式比选

从表1看出，土沟虽然施工简便、较为经济，但存在易渗漏、冲刷、淤堵、坍塌且维护周期短等缺点，实用性较差。

T型混凝土沟是青浦区农田水利建设中经常采用的排水沟类型，不抗渗、抗冲刷性好，维护周期较长，但是其对氮磷等营养物质没有截流净化功能，完全隔绝沟内外物质和能量的交换，且不适于植物和动物生长，与生态文明建设的要求背道而驰。

生态沟渠符合“青西郊野公园”生态、美观的建设要求，沟内可长水草、生物等，并可实现农田废水的初期净化和营养物质截流等。因此，综合考虑优缺点、适用条件和造价等方面因素，本工程横向排水沟拟采用生态沟渠的形式。

2.2 一级生态沟渠设计

项目区为砂性土质，为防坍塌，生态沟渠在原有土沟休整的基础上铺设生态站等以增强沟渠的抗坍塌和抗冲刷能力，并增强其净化能力。

控制排水节水减污技术可明显减少水田的渗漏损失，节省灌溉用水量，有效减少排水沟对承泄河道水体的污染。

排水沟的断面为梯型，口宽2.0m，底宽0.5m，沟深1.0m。在排水沟布置上，应尽量避免与干道、支道交叉，减少排水沟穿过道路所需的埋管、涵洞等工程量，故在道路较为密集的地方，排水沟采用沿灌区边缘布置的方法来绕过干道和支道。

2.2.1 生态沟渠布设

根据项目区块现状，在项目区北侧生态沟渠中部设土坝，保证农田出水向东西两侧分流，在东西两段分别设置不同的生态沟渠形式，形成并联模式，最后在项目区南侧的沟渠内通过集水井汇入河道。分别在东西两侧设置水质监测点以验证不同形式生态沟渠的拦截净化能力，其中生态砖沟渠位于项目区块的西北侧，长352m，预制连锁块沟渠位于项目区的西南侧，长368m，植生袋沟渠位于项目区的东北侧，长352m，生物混凝土沟渠位于项目的东南侧，长338m。

2.2.2 生态断面

生态沟渠中共选用4种材料，分别为生态砖、生物混凝土、植生袋和预制连锁块。

2.2.2.1 预制连锁块

预制连锁块生态沟渠位于项目区块的西南侧，采用独特的联锁型块体设计，周围的4块共同联锁，相互啮合固定，铺面在水流作用下具有良好的整体稳定性，渗水型柔性结构铺面能够降低流速，减小流体压力和提高排水能力预制连锁块中间留有种植孔，可供湿生植物生长，利用湿生植物的拦截和同化作用净化面源径流中的污染物。

2.2.2.2 生物混凝土

生物混凝土生态沟渠位于项目区块的东南侧。生物基质混凝土呈六边形，外圈为六边形的预制混凝土，骨料层由石料、水泥、生物添加剂（8kg/m3掺量）、水经机械拌合制备。所用石料要求无级配单一粒径50mm，石料粒径合格率应≥99%，含泥砂量＜0.5%（可采取预先水洗方法洁净）。生物添加剂富含的有效微生物菌落能自行分解落叶、枯枝、昆虫、小动物尸体等各种有机体，又能加速土壤中各种污染物的分解，避免使用化肥、农药等造成水体污染的可能性，既有利于水体安全保护，又利于环保生态和景观美化。水生植物、小动物、昆虫和微生物等均可在生物混凝土中存活，最终形成稳定的生物群落，取得长期的生态恢复效果。

2.2.2.3 植生袋

植生袋生态沟渠位于项目区块的东北侧。采用无纺布和遮阳网制作，质量轻，强度高，抗紫外线性能优，耐用性长，透水性与透气性俱佳。由“植生袋+连接扣+植被种植”通过稳固堆叠方式构成的生态沟渠，再加上后期发达根系穿透生态袋扎入边坡泥土而使得边坡更加稳固。植生袋保土渗水的功能减小了边坡静水压力，也保证了水分在土壤中的正常交流，提供了植被赖以生存的介质，使得边坡的绿化效果更加明显、更加有效。

2.2.2.4 生态砖

生态砖生态沟渠位于项目区块的西北侧。生态砖呈井字型，井字型砖体中央为种植植物的种植孔，制作材料除常规的水泥黄沙外，并加入一定配比的火山石和矿渣，在保证强度的同时使得该预制砖孔隙率高，透水性好，可保证水土界面和所种植物间形成有效的能量物质微循环，为植物、微生物生长提供良好的小生境，加快生态修复速度，并利用火山石和矿渣等的强吸附作用增强对氨氮和磷的去除能力；生态砖自身留有卡槽，相邻砖体间可紧密咬合，形成柔性的生态护坡，具有施工简单迅捷的优点；此外，该生态预制砖的成本较低，运输方便，作为护岸材料施工完成后的抗冲刷性强，护岸牢固。

2.2.3 植被设计

一级生态沟渠植物选择水芹菜和茨菰等矮形水生植物，且均可作为水生蔬菜利用，所种植的两种水生植物要求无病虫害、长势旺盛，高度应在0.1m以上。其中植生袋形式的生态沟渠植物选择狗牙根和高羊茅等混植。预制连锁块生态沟渠植物株行距0.1m×0.15m，水芹菜和茨菰等2种植物品字形交错种植；生物混凝土生态沟渠植物株行距0.15m×0.30m，水芹菜和茨菰等2种植物品字形交错种植；生态砖生态沟渠植物株行距0.15m×0.30m，水芹菜和茨菰等2种植物品字形交错种植，如图1。

图1 河道水生植被布设断面

3 二级沟渠设计

二级沟渠为原有河道加以改造而成，二级沟渠长500m，设计内容主要为水生植被设计，根据河道原有坡比和高程设计，根据不同的水深设计水生植物，河道底部高程0.5m，宽1.5m，种植乡土沉水植物——金鱼藻，种植间距0.1m×0.1m，种植面积750m2；高程0.5～1.25m区间内，种植浮叶植物——芡实，种植间距0.5m×0.5m，种植面积2250m2；高程1.25～2.0m区间内种植以采摘莲蓬为目的的子莲，种植间距0.5m×0.5m，种植面积2250m2。

4 配套建筑物设计（集水井）

集水井布置在一级生态沟渠汇流入河道处。地面以下采用钢筋混凝土结构，下部为C15素混凝土垫层厚100mm，C25钢筋混凝土基础厚200mm，地面以上井壁采用砖砌结构，井内安装SYZ型铸铁壤铜圆闸门控制管道的过流量，由启闭机控制，管道穿井壁时设膨胀止水带止水，圈梁采用C25钢筋混凝土浇筑，上部设预制盖板置。

5 面源污染监测

通过对4种生态沟渠及T型混凝土沟渠进出水水质对比分析，比较项目区内设置的5种沟渠形式对于农业面源污染中主要污染物的处理能力，为优化生态沟渠形式、推广生态沟渠技术提供技术支持。水质监测时间设置为2015年8～10月，每月监测2次，监测时间选择降雨或农田排水等时间节点。

5.1 水质监测样点布设

根据工程现场农田排水现状和监测目的，设置14个水质采样点，采样点布设如图2。

图2 监测样点布设

由图2可知，①采样点1和9为生态砖沟渠的起点和终点，通过水质对比分析生态砖沟渠的净化能力；②采样点2和4为植生袋沟渠的起点和终点，通过水质对比分析研究植生袋沟渠的净化能力；③采样点9和7为预制连锁块沟渠的起点和终点，通过水质对比分析研究预制连锁块沟渠的净化能力；④采样点4和采样点6为生物混凝土沟渠的起点和终点，通过水质对比分析研究预制连锁块沟渠的净化能力；⑤采样点11，12，13等3个监测样点为水泥明渠沿程监测点，通过水质对比分析研究水泥明渠的净化效果，与位于生态沟渠的8，9，10等3个采样点进行水质对比，研究不用水泥明渠和生态沟渠对于农田排水净化能力的差异；⑥采样点14，15，16布设于项目区块南侧的河道内，通过沿程水质监测研究河道内水生植被对于农田排水的净化效果。

5.2 水质监测指标和分析方法

水质监测指标有：SS、氨氮、CODMn、总氮和总磷等5个指标。

SS用重量法测定，氨氮用纳氏试剂比色法，CODMn用高锰酸钾氧化法，总氮用碱性过硫酸钾消解—紫外分光光度法，总磷用过硫酸钾消解—钼酸胺分光光度法。取样及水质监测执行GB3838—2002《地表水环境质量标准》。

6 结语

练塘镇生态沟渠试点工程以练塘镇东庄村为试验场地，在项目区块四周设置一级生态沟渠 （长1410m），一级沟渠出水经集水井汇入地块南侧的小河道中，小河道作为二级沟渠（长500m）通过水生植被进一步净化水质。提升河道景观，改善河道生态，逐步进行生态修复，营造休闲宜居水环境。