水田灌区混凝土渠道生态改造技术探究

陈科巨 蔡其成 王兴华

（无锡市水利设计研究院有限公司 江苏无锡 214023）

引言

我国混凝土衬砌技术推广十分迅速，但是随着我国经济、社会、文化综合发展，而单一混凝土衬砌与土渠相比，虽然很大程度上提高了输水效率，但对于生态环境的破坏是十分严重的，无论在枯水期还是汛期，水中动植物都是无法生存的，尤其是在河岸生活的两栖动物，在坡度较陡的混凝土衬砌的渠道中更难以生存，水中生物群落较衬砌之前大量减少，对周围的生态环境破坏极大，使渠道水自净能力下降，所以未来对混凝土渠道进行生态化改造有很大的可发展空间。

1 混凝土衬砌渠道的利弊

混凝土衬砌渠道具有节水、坚固、美观、运行安全、管理方便等优点，极大地促进了农田灌溉的节水和增效。

但是，许多地方兴建混凝土衬砌渠道主要注重于提高灌溉效率，忽视了渠道自身的生态问题。用混凝土衬砌将渠道封闭后，渠中的生物和微生物由于失去了赖以生存的环境而难以存活，渠道的自净能力找到了破坏；各种植物也难以在坚硬的混凝土坡面上生长，各种水生生物也因失去了生存环境而无法生存；尤其是混凝土面较为光滑，不利于水生动物生存和行走，在炎炎烈日的暴晒下混凝土衬砌渠道也成了蛙、蛇等爬行动物死亡之地。整个渠道的生态功能因一层坚硬的护砌结构而缺失，渠道生态系统遭到了破坏。

除此之外，在地下水质较好的地区，渠道衬砌后，切断了地下水的补给途径，往往造成地下水位降低，对井灌以及当地居民生活用水产生了不利影响。

2 混凝土衬砌渠道生态处理方案

对混凝土衬砌渠道进行生态处理，是在渠道防渗节水的前提下恢复衬砌渠道的生态功能，通过生态措施使之在生态保护方面科学做到在节水上可行，在造价上合理，在灌溉运行中实用。混凝土衬砌渠道生态处理是在常规混凝土衬砌渠道的基础上奖励渠道立体的生态空间。其方案就是在混凝土衬砌渠道中设置专门的生态带，形成类似于土渠的生态区域，便于动植物生存，恢复渠道的生态自净能力；在渠道内开辟与外界相连的生态通道，便于水生动物行走，还原渠道的生机。

2.1 植生型防渗砌块技术

对干旱性和半干旱地区渠道，一方面要考虑下渗引起的水资源损失，必须时要对渠道进行不透水性全衬砌；另一方面也要创造适宜的水生生物生存环境，维持渠道内的生态系统完整性，并保持一定的自净能力。

植生型防渗砌块技术可以较好地解决这一矛盾，它由不透水的混凝土块体和供水生植物生长的“井”形无砂混凝土框格组成，如图1所示。无砂混凝土是由大粒径的粗骨料、水泥和水配置而成的混凝土。由于水泥浆不起填充作用，只是包裹在石子表面将石子胶结成大孔结构的整块混凝土结构，因此，它具有孔隙多、透水性大、抗变形能力好的特点。孔隙多、透水性大有利于植物的生长发育。在对河道进行防渗衬砌时，砌块之间通过凸块和凹槽的联结紧密地排列于河床底部，可以有效地防止渗漏；“井”形无砂混凝土框格中填土，种植适宜的水生植物，水生植物的生长也为其他微生物提供了生长环境，构成的水生生物系统还可以吸收降解水体中的污染物质，提高水体的自净能力。

图1 植生型防渗砌块结构效果

2.2 生态固土护坡技术

渠道生态固土主要是生态护坡技术。生态护坡技术国外研究的相对较早也较成熟。近几年由于科技的进步与理念的更新，国内的此类技术也有了不错的发展。生态固土设计原则首先就是要保证渠道的水力稳定性，原混凝土渠道中水流流速一般较快，有些渠道水流流速超过了生态护面允许水流流速的上限，所以，除了限制流速外，对生态护面进行固土防冲设计就十分必要。应在坡脚处设计混凝土埂，厚度与生态护面厚度一致；若流速过快，在渠道纵向设计混凝土埂，厚度与生态护面一致，混凝土埂的纵向间距由实际渠道水流流速决定。其次，要保证渠道对周围生态环境干扰较小或是起到积极方面的作用，在渠坡上种植两栖植物，以达到生态固土的目的，并通过不同的两栖植物进行合理的生态配置，尽量多地采用当地对土壤要求低、寿命长、抗虫害能力强、维护成本低的两栖植物，且营造乔、灌、草结合的局部立体生态空间，增加渠道物种多样性，若引进外来植物，要做好充足的调查工作，以免对当地植物形成物种入侵。两栖植物主要有野稻、香蒲、芦苇、水毛莨、慈姑等。根据种植两栖植物种类的不同，可以增加渠道边坡面生态护面的厚度。

生态护坡以保护和创造良好的生物生存环境与自然景观为前提，在保证坡体强度、安全稳固性和耐久性能的同时，兼顾水利工程环境效应和生物效应，以达到一种土体和生物相互涵养，适合生物生长的自然状态，如图2所示。生态扩坡具有一定的开放性，能保护生物的多样性，较少改变河道生物栖息环境，生态护坡材料以环保材料为主，多数为天然材料，对环境污染小。从一定程度上说，用作生物护坡的植被根系具有一定的锚固加筋作用，能够有效降低坡体孔隙水压力，缓解降雨径流，防止水土流失，改善坡体环境的护坡功能。

图2 生态固土护坡示意图

2.3 生态工程在提高渠道水自净能力的应用

鉴于我国工业废水排放标准，工厂废水达到Ⅲ类或Ⅳ类水就可排放的实际状况，有效提高水的自净能力十分必要。而利用物理和化学的方法进行污水处理对生态环境还是有一定负面影响，尤其是化学方法处理污水，可能发生不易控制的负面效应，所以利用生态工程技术进行污水处理是对整体生态环境最友好的方法，本设计利用的是生态工程中的基于传统人工浮岛技术的新型技术，把可以有效吸收氮、磷、有机物等污染物质的植物放在可在水面漂浮的浮岛上，利用植物根系吸收水中的有害物质，以达到增加渠道水自净能力，为鸟类、两栖动物等提供栖息地等目的。人工浮岛实际上是在水面进行的无土栽培技术的新应用。新型人工浮岛技术与传统人工浮岛技术相比可以抵御小风浪，更适合在渠道中应用，为了节约成本，人工浮岛一般在距离居民较近或工厂较近的渠段设立，且新型人工浮岛技术高效应用了生物接触氧化法，比传统技术可更加明显提高渠道水的自净能力。新型人工浮岛是把具有净化作用的植物种植在空心竹排上，空心竹排再利用弹性填料固定在渠底，这种人工浮岛提高了生物接触氧化法的利用效率，增加了附着面，以利于生物膜载体中微生物的生长。生物接触氧化法是以附着在载体上的生物膜为主要手段净化有机废水的一种高效水处理工艺，目前在各种废水的净化处理方面已经有了较为广泛的应用。这种新型的人工浮岛在去除水中COD、TP、TN的含量上都明显高于传统的人工浮岛。

3 结语

在现代水利思想的指导下，渠道改造已不仅仅是一项水利工程，而是一项可持续工程，要以水资源的可持续利用带动城市生态、文化、社会、经济等各方面的可持续发展，最终促进城市的可持续发展，这就要求创造渠道文化。混凝土渠道的生态改造在当今与今后都是十分必要的任务，本文为混凝土渠道生态改造提供了一种对渠道、渠道水及渠道周围的立体生态改造方案，且有一定的科学性和可操作性，提高水利用效率，有较高的社会和生态价值。