土地整治项目中的生态型排水沟设计进展与未来展望

回 禹，张 贞，付艳华

（天津城建大学经济与管理学院，天津 300384）

传统的土地整治项目主要以增加土地利用率、提高灌排效率、保障结构安全、节约出资费用、管理方便快捷为原则展开[1]，缺少必要的生态化设计，导致植物无法生存，动物栖息地退化严重，影响了生物多样性保护.为了实现传统的土地整治向生态化土地整治的转型，需要迫切对现有的设施进行改造.本文通过梳理传统排水沟设计问题，总结生态型排水沟的设计进展，以期为土地整治中生态型排水沟的设计提供参考.

1 传统排水沟的设计

1.1 传统排水沟材料的选择

传统排水沟的材料选择多为混凝土类和砖石类的硬质材料.混凝土材料可以根据排水沟功能需求制成不同强度和不同抗渗等级的排水沟，并且能够在凝结前按照模板预制成各种形状，从而满足排水沟不同断面的需求，但是混凝土制成的排水沟自重普遍较大，容易产生裂缝，又因混凝土具有强聚热性，当天气干燥炎热时，排水沟内温度增加，严重影响排水沟内生物的生存环境.另外，混凝土砌筑的排水沟渗透性极低，严重阻碍了排水沟与外界的互通关系.砌成后光滑的表面难以为排水沟内的生物提供逃生支撑，排水沟内的动物会因逃生不当造成死亡，严重影响排水沟内生物多样性建设.

砖石类排水沟普遍为条石或烧结砖砌体，在砌筑时无需支护模板，施工方便.但水泥砂浆抹面后的砖石排水沟的内表面光滑，当排水沟内水流湍急时，容易冲刷排水沟内的沉积物，不利于排水沟内的生物群落建设.不抹面砌筑虽保留了砖石表面的粗糙感，有利于排水沟内沉积物的沉积作用，但是砖块容易被水流侵蚀，长时间使用会造成磨损和断裂，需要长期修复，经济性较差.除此之外，这种砖石的保温隔热性能很差，在排水沟工程中如果大面积使用，会影响排水沟内的生物生存[2].

1.2 传统排水沟断面的设计

排水沟根据断面的形状可以分为矩形排水沟、梯形排水沟和U 形排水沟.矩形排水沟因结构简单，施工方便，能适应不同地形气候条件施工建设，常建于山区或地形较复杂的地方，适用于坚固岩石开凿的石渠，可埋设于土基中，也可置于地面上[3].传统的矩形排水沟的砌筑方式主要是全部采用现浇混凝土砌筑或护坡采用浆砌石砌筑，底板和压顶采用现浇混凝土浇筑；梯形断面作为一种常见的排水沟断面形式，沟的深度与宽度成正比，不轻易调换，稳定性较好.常见的砌筑方式主要有全现浇混凝土砌筑或边坡采用预制板砌筑，其余部位混凝土砌筑[4]；U 形排水沟作为梯形排水沟的发展，是由一个半圆和两个直线段组成，直线段高度一般约为半圆半径的1/3 左右，U 形断面基本符合最佳水力断面的要求，沟内表面的糙率最小，并且很好地解决了梯形排水沟两岸挂冰的问题，在砌筑时常采用预制混凝土板砌筑[5].

1.3 传统排水沟管护的设计

通常排水沟的管护工作是在排水沟出现问题之后进行，然而如何有效地预防排水沟的破坏是设计阶段需要考虑的问题.目前已有部分管护设计思路被提出，如：为了防止踏坡现象，通过采用预埋波纹管的方式进行固坡，能有效地减轻两侧水压对排水沟的影响[6]；为了减少渗漏损失，提升防渗效果，可以采取在排水沟迎水面做超出渗透沟道以外的防渗处理[7]或将断面底部改成弧形结构[8]的措施；为了避免水流冲刷造成的填料缺失和衬砌破损，可以在沟道内间断设置拦水闸控制排水沟内的水流速[9]；为了避免人员受伤，可以对敞开式的排水沟加设栏杆、盖板等防护装置[10].

1.4 传统排水沟设计的问题

传统排水沟选择的材料仅注重承载力需求，忽略了生态建设.材料因弹性不足、隔热性差、渗透率低、表面光滑等问题，导致排水沟内的生物群落建设被严重破坏，排水沟与外界的物质交换受到阻碍.排水沟的断面设计通常只考虑过水断面的面积和排水效率，对排水沟断面的生态设计考虑甚少，高护岸型排水沟严重隔断与外界的联系，造成排水沟内的动物无法借助边坡进行逃生而导致死亡的现象时有发生.

2 生态型排水沟的设计

2.1 生态型排水沟材料的选择

2.1.1 边坡生态材料

再生混凝土是一种将建筑物中的拆迁废弃混凝土进行破碎、清洗、分级等工序处理后[11]，生产的粗骨料可以替代天然骨料用于混凝土的再生利用的建筑物绿色转型产物[12].山东农业大学通过对再生混凝土进行物理性能的研究发现，在边坡上使用再生混凝土能起到固坡的作用，并且材料的多孔性结构能满足生物生存时建立稳定的生态体系，起到净化水质的效果[13]；植生型混凝土具有超过20%的孔隙率，通过在孔隙中填充植物和营养剂后，能满足植物在孔隙中的生长需求.目前植生型混凝土在发达国家主要被用于修建住宅、道路、广场、屋顶、护坡等区域[14].我国对植生型混凝土的研究较晚，适用范围局限于护岸[15]，如：对泰州市周山河护坡采用植生型混凝土砌筑，不仅加固了边坡，而且削弱了波浪的流速和大小，还减轻了水流对沟道冲刷带来的损失[16].黄浦江生态护坡示范区对植生型混凝土修建的护坡进行粗放式管理，结果发现护坡处的植被涨势喜人，能起到安全防护的作用[17].

连锁砖是一种在干燥情况下将1 ∶（8-10）比例的水泥和土壤经过充分融合再浸水湿润后，通过压榨机压榨形成，可以替代混凝土预制构件的安全、环保、廉价的新型生态建材.连锁砖的首次应用是为生活在默拉皮山斜坡地区的人们建造房屋，之后又被应用于砌筑道路、挡土墙、蓄水池、沟渠等领域[18].在我国，连锁砖常被用于水利工程的边坡建设中，锦州市小凌河汇流口段堤防的迎水面护坡首次使用连锁砖建设，达到了固坡的效果[19]；研究表明利用热液凝固技术将河道内的沉积物与生物炭结合，形成可再生的热液后铸成砖石，可以作为新型护岸材料.这种护岸材料通过利用沉积物代替混凝土和石材等硬性材料，提高了材料的弹性强度，生物炭的加入也可以吸附河道内氨氮和磷等营养物质.目前该材料已被用于长期受咸潮和径流侵蚀影响，导致河岸受到严重破坏，河道严重淤积的上海崇明岛的横河西段[20].

土工合成材料是土木工程中使用高分子聚合物材料为原料制成各种土工产品的总称，被广泛用于建筑、铁路、水利工程[21].在块石贫乏的地区，排水沟的护坡常采用土工布袋和土工网替代传统的砂砾石坡面提升边坡的稳定性，防止水土流失[22].

2.1.2 沟底生态材料

在摩洛哥，专家通过模拟瓦尔扎扎特的著名历史建筑陶里尔特古堡的气候数据，对植物纤维制成的免烧结黏土砖的热性能进行试验，结果表明这种黏土砖可以在不需要供暖和制冷的情况下提升建筑的舒适性，达到节能效果[23].基于对排水沟内生物群落的保护，可以在排水沟底部修建时考虑免烧结植物纤维砖这种材料，因为它不仅无毒无味，贴合自然，而且在极端气候下，利用其保温的特点能为排水沟内的生物提供适宜栖息环境.

土壤固化剂是一种由多种无机、有机材料合成的用于固化土壤的材料，使用时能使土壤具有近似混凝土的硬质表面，但是下层又能近似于土壤一样松软，并且具有无毒、无腐蚀性、抗渗性强的特点[24].其在国外常被广泛应用于道路、土木建筑、环境保护、农田水利工程建设中，能够固化处理各种污泥.在我国主要应用于解决堤坝渗漏、固化路基等领域[25].排水沟在沟底砌筑时使用土壤固化剂这种新型生态材料，不仅能节约混凝土、砖石的消耗，还解决了提升输水效率的硬质沟底与水生动物保育需要软质沟底的矛盾.

2.2 生态型排水沟断面的设计

2.2.1 矩形排水沟

为解决矩形断面高硬护坡与外界物质交流的阻碍，可以采用自嵌式生态挡墙砌筑护坡的方式[26]，并通过在侧壁设鱼巢或植槽的凹洞[27]，丰富排水沟内的生态系统建设.

针对排水沟内两栖和爬行动物无法借助矩形排水沟高护岸进行逃生的困境，部分学者提出在沟渠护坡的一侧或两侧间隔设计斜坡或阶梯式台阶（见图1）[28-29].

图1 传统矩形排水沟与生态型矩形排水沟的断面对比

2.2.2 梯形排水沟

梯形排水沟断面的生态衬砌多是采用生态护坡的衬砌方式，常见的衬砌方式分为两种：一是常水位以上的部分采用生态护坡衬砌，其余部分用混凝土或浆砌石砌筑；二是沟底以上的部分进行生态护坡衬砌，衬砌的方式可以对常水位上下部分的边坡进行差异性修改，沟底用混凝土、浆砌石或素土夯实等方式砌筑[30-31].

梯形排水沟的断面改造主要是满足排水沟内动物的逃生和栖息，通过将斜坡改造成台阶可作为排水沟内动物的逃生空间[32]；把护坡和沟底的交汇处设计成深槽（见图2），形成复式断面，能满足排水沟内的水生动物在枯水期借助深槽存活和避难[33].

图2 传统梯形排水沟与生态型梯形排水沟的断面对比

2.2.3 U 形排水沟

排水沟沟底如果设计成封底的形式会对生态环境造成影响，因为排水沟加封底的作用是为了解决渗透问题.但是在北方土壤中黏性土的含量较高，因此可以不用考虑渗透问题的影响，故可以设计为不加封底的形式.其优点是有利于沟底微生物的繁衍，起到改善水质的效果.为了在净化水质的同时减少水流冲刷对排水沟造成负面影响，可以在沟道内每隔一定距离设置一段预制混凝土U 形板[34].

为解决农田中的两栖动物在干旱的条件下无法借助U 形渠道逃脱的问题，王锦堂[35]提出了对钩形断面改造（见图3）.即将一侧斜坡建成倾斜角为30°的阶梯型断面，阶梯的底部用水泥砌筑，台阶处用砖石砌筑.阶梯与U 形渠道底部衔接处形成凹陷的部位用水泥浇实，减少渗漏造成的水流失.

图3 U 形排水沟逃生通道断面图

2.3 生态型排水沟生物多样性保护设计

2.3.1 动物逃生通道

（1）逃生斜坡.当排水沟的边坡坡度较大时，为解决田间的爬行动物无法逃生的情况，可以每隔20～30 m距离在排水沟的纵向设置单侧或两侧间隔错开设计斜坡通道，斜坡宽度根据田间动物的种类、大小和边坡厚度确定，为方便动物的爬行，坡度的设计一般小于或等于1 ∶1[36].该逃生通道的设计有利于为逃生动物提供临时停留点，增大动物成功逃脱的机率[27].

（2）逃生台阶. 通过模拟农田沟渠生境进行大小青蛙跳跃试验，俞婧设计了阶梯式生态板.该阶梯式生态板每节台阶的高度为青蛙最大垂直跳跃高度的最小值30 cm，为保证青蛙蹲立时的最小立地空间，宽度依据青蛙身长的一半，确定为3 cm 或5 cm.该生态板能灵活放置于排水沟内帮助青蛙进行逃生，目前这种生态板已应用于福建省小湖项目区以及湖北省荆门市示范区的沟渠改造中[36]；利用阶梯式生态板的原理，刘晓南等人将排水沟的护坡设计成跳板渠壁，并在水流冲刷严重的区域不予设计，该设计通过对原断面进行改造，既能节省材料又能增加排水沟内过水断面的面积[29].

（3）逃生走廊. 在排水沟的顶部分段建设逃生走廊，能避免各生物族群间的隔离，帮助排水沟周边的动物成功越过排水沟，满足迁徙和逃生需求[32].不仅如此，逃生走廊的设计相当于在排水沟的上部安装了盖板，也可以使排水沟内的水生动物在逃生走廊下抵挡暴晒，遮阴避凉.

2.3.2 动物栖息空间

（1）生态孔洞. 根据多孔性原理在传统的硬质排水沟的护坡处间隔打设孔洞或凹巢，并回填碎石或土壤，能够为排水沟内的水生和两栖动物提供适宜筑巢和保育的生存环境，从而逐渐增加排水沟内的生物数量，满足排水沟内的生态修复.有代表性的设计是叶艳妹等人通过在排水沟的边坡处间隔打设孔洞并用PVC 管道填充，使PVC 管道成为沟内鱼虾的生存空间的同时，还能有效降低排水沟内壁的水压力造成的踏坡隐患[28]；针对土质排水沟内的生物保育空间设计，可以从中国台湾地区柯林涌泉圳的沟渠改造项目中获取经验，通过在排水沟的边坡基脚处每隔一段距离垂直水流方向埋设香蕉茎，待其腐烂后形成天然孔洞，能够成为排水沟内水生动物的栖息空间.

（2）仿自然设计. 为了使排水沟内的动物达到近乎于自然的生存条件，可以对排水沟进行仿自然设计，使排水沟具备类似于自然河道的生态属性.通过将卵石以不规则的形态放置于沟底，营造出水流多样性的流动，可以满足不同生物的栖息条件[37]；针对过高、过陡、斜长渠壁的排水沟可以对渠壁进行改造，在护坡处放置土工袋，并在土工袋上间隔种植树木，既有利于鸟类在树木上筑巢生存，又能使排水沟的动物借助土工袋和树木进行逃生和栖息，而且排水沟与周围的环境融为一体，也提升了景观效果[29，38].

3 生态管护

我国2021 年颁布的《全国高标准农田建设规划（2021—2030 年）》文件中提到了农田建设三分建、七分管[39]，可见我国对土地整治项目的管护工作十分重视.生态管护作为保持良好生态环境的关键，涉及生态系统理论、生物多样性保护理论、景观生态学理论、生态经济理论等学科理论[40]，其核心是为实现“数量、质量、生态”三位一体的综合管理[41].土地整治中的生态管护工作可以概括为：在了解生态系统特征和功能的前提下，政府领导人们运用法律、经济、行政等手段，对生态系统的健康进行管理和维护的同时，提升生态系统的服务和景观功能，进而实现资源在社会、经济、环境等领域的长期续存和可持续利用的管理活动[42].

4 结论与展望

4.1 结 论

土地整治项目的生态型排水沟的设计在为传统排水沟赋予更多生态属性的同时，能减少混凝土、砖石等硬性材料过度使用的现状，减轻对排水沟内外生境的破坏，进而提升生物的存活率.设计阶段应基于生物多样性保护的原则，重点考虑运用生态材料对排水沟断面进行生态衬砌，为排水沟内的两栖和爬行动物提供逃生台阶或斜坡，为排水沟外的迁徙动物提供逃生走廊，利用生态孔洞、仿自然设计满足排水沟内的水生动物的栖息，并结合生态管护工作维持排水沟内的生态环境.

4.2 展 望

目前，有关土地整治中生态型排水沟设计的研究成果逐渐丰富，但仍有需要改进的地方.

（1）排水沟生态材料的选择仅从承载力和生物多样性保护两个方面考虑，容易忽略排水沟的经济效益，未来可以结合经济性探讨不同生态材料的价格和生态效益，并总结出低价格高效益的生态材料，为以后的排水沟生态材料的选择提供依据.

（2）排水沟护坡处种植的植被虽能起到预防水流冲刷的效果，但也需要定期进行修剪，因此植被的种植对排水沟的生态设计是利大于弊还是弊大于利，还需要进一步考究.未来可以通过试验分析植被种植对排水沟生态设计的优劣影响.

（3）有关土地整治项目中生态管护工作的内容研究较少，且大多是结合国外经验的宏观论述，缺少针对具体项目的经验总结.未来需对土地整治中的生态管护工作提起重视，并将理论赋予实践，总结生态管护方案.