灌溉渠道生态护坡建设效果的监测与评价

刘 志，陈 菁，陈 丹，毕利东，王 刚，李雪纯，朱 营

(1.河海大学 南方地区高效灌排与农业水土环境教育部重点实验室，南京 210098； 2. 河海大学水利水电学院，南京 210098)

0 引 言

灌区是我国重要的商品粮、棉、油生产基地，是促进现代农业发展和保障国家粮食安全的重要基础，也是保护生态和改善环境的重要屏障，开展节水生态型灌区建设与改造是当前灌区发展和生态文明建设的主要方向。在中国生态文明论坛成都年会上，水利部部长陈雷做了“加快水生态文明建设 夯实美丽中国水利基础”的主旨演讲，提出“要新建一批节水型、生态型灌区，把中国人的饭碗牢牢端在自己手上”。节水型生态灌区建设是水生态文明建设的重要组成部分，是社会主义新农村建设的必然要求[1]。灌溉渠道是灌区的重要组成部分，而护坡又是渠道的关键构成，因此生态护坡是节水生态型灌区建设的重要内容之一，对其建设效果开展现场监测和定量评价是灌溉渠道生态护坡建设和管理的重要依据。文献检索发现，国内外学者已经从设计理念、设计技术等方面对渠道生态护坡建设技术进行了大量研究，但对其实际建设效果的相关研究不多见，且主要以定性分析为主。例如，顾宏等人对江苏省高邮灌区的混凝土衬砌渠道生态处理、植生型防渗砌块、原生态植被防护3种生态技术形式进行了对比与评价[2]；俞双恩等人则以混凝土防渗与土渠作为参照，对渠底土工膜防渗+干垒块挡墙和渠底土工膜防渗+混凝土结合连锁块护坡这两种生态防渗模式从防渗效果、生境变化等方面进行了对比研究[3]。与灌溉渠道生态护坡相类似，相关学者对河道生态生态护坡建设效果开展了相关评价研究，包括评价指标的筛选以及生态健康评价[4,5]等方面。本文通过研究灌溉渠道生态护坡建设效果的评价指标体系，并以江苏省淮安市周桥灌区的空心砖生态护坡建设模式为例，通过现场监测及其与混凝土渠、土渠等护坡的对比分析，定量评价该种生态护坡建设的效果，为完善生态渠道的建设和管护提供参考依据。

1 评价指标体系

1.1 渠道生态护坡的内涵分析

渠道生态处理是指渠道在满足输水要求的基础上，通过工程或非工程措施，提高渠道边坡稳定性，减少坡面水土流失，形成的能够创造、维持生物生存、生长所需的生活环境，并在营造物种多样性的同时产生一定观赏价值的综合护坡体系[6-8]。渠道生态处理的形式主要包括在混凝土衬砌渠道断面打洞[9]、布设生态带[2]、网笼垫块护坡[10]、铺设植生型防渗砌块[11]等。为了构建渠道生态护坡建设效果的评价指标体系，对渠道生态护坡的内涵进行了分析和归纳，主要包括4个方面：①功能性：渠道的功能是输配水，渠道生态建设首先需满足设计所需的输水能力；②安全性：渠道在边坡防护方面须发挥巩固边坡、安全防护的作用，保证渠道稳定安全，并防止边坡水土流失；③生物性：渠道为动物、植物、微生物生存、生长创造良好的生态环境；④景观性：生态渠道应与周围生态景观环境相融洽、协调，在人口集中居住区域还可展现当地文化特色，形成灌区特有的景观带。

1.2 评价指标体系的确定

通过对渠道生态护坡的内涵分析，并参考阅读相关文献、标准、规范，以渠道的功能性、安全性、生物性及景观性四个方面为评价指标体系的一级指标层，构建灌区渠道生态护坡建设效果的评价指标：①功能性指标：渠道边坡进行了生态建设后，边坡原有糙率系数以及渗漏强度可能会发生改变。渠道边坡植物的生长会对原设计过水断面的面积以及过流能力产生一定程度的影响，因此选取渠道流速、渠道体积流量、渠道渗漏强度、渠道水位等功能性指标；②安全性指标：灌溉渠道系统建设、运行、管理的好坏与否，将直接影响渠道的输配水功能和灌溉效益，而渠道边坡失稳以及坡面侵蚀会对渠道边坡工程产生较大危害，因此选取渠道边坡稳定系数、土壤侵蚀模数等安全性指标；③生物性指标：渠道生态护坡为动物、植物以及土壤微生物提供庇护所及生存空间，因此选取出反映渠道有：边坡植物(水生、陆生)种类数量、边坡植被盖度、边坡动物(水生、陆生、两栖)种类数量、边坡土壤有机质含量、边坡土壤微生物群落数量等生物性指标；④景观性指标：景观指一定范围内包含了地形、地貌、土壤、水、动物和植物等相关因素在内的复杂度较高的综合体系。生态渠道景观性的核心在于协调人类活动与自然景观的关系。渠道景观一般包含渠道边坡的景观与渠道顶部的景观两部分，因此选取景观复杂度、景观观赏度、景观时序性、景观协调性等景观性指标。

表1 渠道生态护坡建设效果评价指标体系Tab.1 Evaluation system of ecological revetment in irrigation canal

2 研究实例

2.1 研究区概况

本文选择在江苏省淮安市周桥灌区开展渠道生态护坡建设效果的现场调查、监测与评估工作。周桥灌区西接洪泽湖，南以草泽河为界，与淮安市洪金灌区毗邻，东靠白马湖，北连苏北灌溉总渠，设计灌溉面积2.13万hm2，属淮河冲积平原，地势平坦，土壤以黏黄土、灰黏黄土为主，土质肥沃，适宜种植水稻、三麦等多种作物。周桥灌区渠道生态护坡建设模式是，在常水位以下区运用混凝土或预制块全防渗衬砌、在水位变化区采用空心砖护坡、在安全超高水位以上区采用乔灌草相结合的空间立体植被护坡。本次所监测的生态渠道包括浔北支渠、三许斗渠和四斗渠，同时对附近的混凝土渠和土渠进行了监测以做对比分析。

2.2 监测方法与数据获取

对于评价所需的基础数据，主要通过2014年5月与10月的两次现场监测和室内理论计算、分析两种方式获得。考虑到植物多样性与动物、微生物多样性成正相关[14]，且受监测条件限制，因此在生物性指标方面仅对植物类相关指标进行监测调查。现场监测调查测量记录的数据包括：①渠道的断面尺寸数据；②渠道边坡生态衬砌方式中混凝土区域与植草砖区域分别的衬砌高度；③渠道边坡物种的类别、株高、数量；④渠道边坡的植被盖度；⑤渠道整体的景观复杂度与景观时序性变化。

生物性、景观性监测指标数据获取方式采用典型取样法。在每条监测渠道设置3个监测断面，在每个监测断面根据渠道具体情况选择样方数。取样面积为：渠道边坡样方面积为0.5×0.5 m2，渠顶样方面积为10×10 m2，取样样方示意图如图1所示。确定草本监测样方后，先将样方拍照留存，以便计算渠道边坡的植被覆盖率，在将样方内植物全部采集，分类、整理，并记录好各种植物的种类、数量等资料后，将植物分别装入预先准备的干燥信封中，带回实验室作进一步的处理。

图1 生态渠道植物取样样方示意图Fig.1 Plant sampling on ecological revetment in irrigation canal

2.3 评价结果与讨论

2.3.1功能性指标分析

对已知设计流量的渠道，校核渠道边坡在采用生态衬砌后渠道过流能力是否受到影响，需首先确定渠道的设计水位线，继而计算采用生态衬砌后渠道在设计水位线不变情况下，渠道断面的实际过水能力，继而比较渠道实际过水能力与设计流量的大小，确定渠道的功能性要求是否受到影响。因此生态衬砌渠道实际流量的计算步骤为：①根据设计水位线计算渠道设计过水面积；②计算植草砖区域植物生长面积；③计算渠道实际过水断面面积；④计算过水湿周；⑤计算渠道综合糙率；⑥计算水力半径；⑦计算谢才系数；⑧计算渠道流量。

与常规渠道流量计算相比，渠道采用生态衬砌后，边坡原有的糙率将发生改变，植物生长区域占有一定的空间，对原渠道过水断面面积大小产生影响。因此，渠道实际过流能力的计算首先需要确定渠道的实际过水断面面积与渠道边坡的综合糙率。生态衬砌渠道实际过水断面面积的确定主要在于对植物生长所占区域的确定，可根据现场观测植物生长高度与过水时植物倒伏状况确定。计算步骤⑤中生态衬砌渠道边坡综合糙率n的确定如以下公式所示。

(1)

式中：Pwi为第i种材料所占区域的湿周总长，m；ni为第i种材料所对应的糙率取值。

综上，以灌区渠道的设计资料如设计渠深、混凝土衬砌高度、渠道边坡比、渠底宽以及渠道比降等为基础，进行渠道过流能力的计算。参照廖绵睿[15]对台湾雀稗和蜈蚣草糙率系数取值确定的实验方法，结合调研实践结果，最终确定植草砖区域渠床糙率系数极大值。流量计算校核结果如表2所示。结果显示，生态护坡渠道均能满足其输水能力的要求，对渠道设计流量要求没有影响，表明周桥灌区所选择的生态护坡形式能满足功能性指标的要求。

表2 各监测点生态渠道流量校核表Tab.2 Flow monitoring and checklist of ecological channels

2.3.2安全性指标分析

通过比较渠道边坡最小稳定系数Fs与相关规范要求最低取值Fmin的大小来判断渠道边坡是否稳定。当Fs>Fmin时，渠道边坡稳定；当Fs≤Fmin时，边坡存在潜在失稳的风险。使用有限元数值模拟软件开展渠道边坡稳定性分析的数值模拟实验，将所研究生态渠道边坡简化为二维平面计算模型[16]，分析边坡的稳定状态。以周桥灌区三许斗渠为例进行渠道边坡稳定性分析(表3)，结果表明在施工期、运行期、洪水期及水位骤降期这四种工况下渠道边坡抗滑稳定系数均满足设计所需要求，同理经计算了浔北支渠与四斗渠其渠道边坡抗滑稳定系数也均满足设计要求，说明目前在周桥灌区所选择的生态渠道衬砌形式能满足安全性指标的要求。

表3 边坡稳定性计算成果表Tab.3 Calculation results of slope stability in ecological irrigation canal

2.3.3生物性指标分析

2014年5月所调查的18个生态渠样方统计资料显示，三条生态渠共有种子植物16种，隶属9科16属；10月监测所调查的12个生态渠样方统计资料显示，三条生态渠共有种子植物16种，隶属于10科18属。由此可见，科、属、种的组成差异较小，单种属、单种科以及单属科在区系物种组成中所占比例较大，渠道植物群落物种组成较复杂，表明周桥灌区生态护坡对于生物多样性保护具有积极作用。

(1)不同护坡形式的生物多样性比较。通过将两次监测调查的生态渠30个调查样方与土渠9个调查样方统计资料进行比较分析(具体数据由于篇幅限制，暂略)，生态护坡虽然在植物的种类、数量、盖度及生物量等生物多样性方面略低于土渠，但与混凝土渠相比显示出了良好的生态恢复和保育效果。

(2)生态护坡形式下人工植草措施下生物多样性比较。根据调查的三许斗渠、四斗渠各9个草本样方与浔北干渠的12个草本样方统计资料，各渠道之间的科、属、种的组成差异较大，未人工植草的三许斗渠和四斗渠采样植物中单种属、单种科以及单属科在区系物种组成中所占的比例较大，而人工植草的浔北干渠采样植物科属比较集中，优势科属的数量虽少，但其在物种总数中占比较大。主要原因是浔北干渠在人工培土后种植狗牙根，种植种类较单一，造成植物多样性减小。

(3)生态衬砌形式下同一施工年限下生物多样性比较。三许斗渠生态渠道与四斗渠生态渠道于同一年施工完成，且都未经人工培土、植草，让其自然恢复，但四斗渠植物种类及数量要明显高于三许斗渠，主要原因是三许斗渠旁的碎石子路冲刷了部分石子填入生态砖孔洞中，土壤有机质较少，不利于植物的生长，由此可见是否及时覆土对生态砖护坡的效果影响较大。

(4)生态衬砌形式下同一渠道不同监测时间生物多样性比较。将周桥灌区三条监测生态渠道不同季节所采集调查样方统计资料相比，在植物的种类或数量方面10月份监测数据均明显优于5月监测数据，主要原因是经过4个多月的自然生长，边坡生态系统得到了显著的恢复。因此，对于生态渠道建设效果的评价应是一个长期动态的过程。对于各监测点渠道植物空间分布，从植草砖衬砌到渠顶的植被呈现递减趋势：越靠近水边的区域，无论是植物数量还是长势基本上都高于远离渠底的区域(表4和图2，由于篇幅限制仅展示了5月监测的情况)。以三许斗渠A、B两个监测断面为例，由监测样方的统计数据可知：在A上植被盖度为40.25%，样方内植物总生物量为23.80 g/m2；A下植被盖度为90.82%，样方内植物总生物量为107.56 g/m2；在B上植被盖度为6.99%，样方内植物总生物量为6.52 g/m2；B下植被盖度为27.29%，样方内植物总生物量为100.32 g/m2。

2.3.4景观性指标分析

监测样方显示(表5)，渠道边坡植物生长高度范围为10～400 cm，主要集中在30～60 cm；不同生长高度的植物会产生错落的空间层次感，增加景观的复杂度效果，植物群落层次比较丰富；植物物种丰富，花色复杂，景观观赏性多样，且丰富度较高。

2.3.5结果讨论

通过对淮安市周桥灌区渠道生态护坡建设效果的评价分析可知，该护坡建设形式在功能性方面完全能满足渠道正常灌溉所需的要求；在安全性方面能够提供有效地固坡护坡作用；在生物性方面，渠道边坡植物物种丰富，边坡植草砖区和土壤区创造、提供了良好的生态环境；在景观性方面，景观复杂度、景观观赏性和景观协调性均较高。由此可知，这种渠道生态护坡建设模式是可行的，具有一定的应用推广价值。

表4 周桥灌区5月监测植被覆盖率计算表Tab.4 Plant coverage calculation of slope in Zhouqiao irrigation area in May

图2 渠道生态护坡现场监测照片(5月)Fig.2 Monitoring pictures in May

表5 周桥灌区生态渠植物种类及相关资料(5月、10月)Tab.5 Plant species and related information of ecological irrigation canal in Zhouqiao (May & October)

为进一步指导渠道植物恢复措施配置，通过分析周桥灌区渠道各监测点渠道边坡主要草本植物的重要值，得出各监测渠道边坡植物的群落类型(表6)，确定了该地的主要优势种(按出现频率)为：狗牙根、鹅观草、母草、水芹；次优势种为大巢菜、藜、紫苑、老鹳草、刺儿菜、鱼鳅串。在植物组合搭配时，推荐选择狗牙根、鹅观草、母草，并辅以种植大巢菜、藜、紫苑、老鹳草、刺儿菜、鱼鳅串等增加景观色彩；种植雏菊(花期3-6月)、孔雀草(花期3-5月及8-12月)、百日草(花期6-9月)、紫花苜蓿(花期5-7月)等提高景观时序性及景观丰富度。在确定渠道边坡优势植物种、辅助植物种的基础上，根据渠道边坡区位的不同(水位变化区受水位波动的影响，应优先选择植株较为柔软，且具有一定耐淹能力的植物)，结合植物种的生理特性，确定渠道边坡的植物组合搭配。具体的推荐种植植物见表7。

在表7中选择渠道边坡植物时，可按表中所示适生植物类别分别选择“优势植物+辅助植物+提高景观效果植物”或“优势植物+提高景观效果植物”或仅选择“优势植物”等不同形式进行自由组合搭配。一般地，同一地区人工种植植物品种数量不宜过多，最好不要超过4种。若当地植物生长较为缓慢，可选择速生性植物种进行人工栽植，以使渠道边坡在短时间内恢复生态效果。但要注意物种的搭配，要根据植物本身的生态习性将渠道边坡分区种植，尽量避免单一物种的选择，同时尽可能地选择本土植物进行人工栽植。

表6 周桥灌区各监测渠道边坡植物群落类型Tab.6 Plant community types of ecological irrigation channel in Zhouqiao

表7 周桥灌区渠道边坡土壤区植物选择表Tab.7 Plant selection of irrigation slope in Zhouqiao

3 结 语

生态护坡是生态渠道以及生态灌区的关键建设内容，也是现代农业发展和国家粮食安全保障基础，对其建设效果开展现场监测和定量评价具有重要的意义。本文从功能性、安全性、生物性和景观性4个方面进行了内涵分析，提出了灌溉渠道生态护坡建设效果的评价指标体系，并以江苏省周桥灌区空心砖护坡建设模式为例，运用现场监测和典型取样法，分别于2014年5月和10月开展了两次现场监测和分析评价。通过对不同护坡形式、不同监测时间下的生物多样性包括生物量、植物覆盖率和植物观赏性等进行了比较研究，结果表明，周桥灌区渠道生态护坡建设满足灌溉输水能力与稳定性要求，渠道生物多样性较好，景观观赏性较高，具有应用推广价值，并提出了相应的改进建议包括生态渠道边坡植物的搭配方式等。本文虽然在实例评价部分对一级指标的各个方面进行了定量结合定性的评价，但对于灌溉渠道生态护坡建设的统一定量评价以及生态衬砌渠道的成本费用、施工工艺、后期管护和经济效益等方面的评价，还需要进一步的深入探讨与研究。

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