渠道生态衬砌技术的应用实践

2020-05-06刘玉武马丽娟

黄河水利职业技术学院学报 2020年2期

刘玉武，马丽娟

（1.甘肃省临泽县水务局，甘肃临泽 734200； 2.甘肃省临泽县农业农村局，甘肃临泽 734200）

0 引言

灌溉渠道是连接灌溉水源和灌溉土地的水道，它是灌区的主要组成部分。长期以来，在灌区建设和改造中，为了减少水体渗漏，保障渠道的水量调配和输水效率，提高水资源利用率，采用混凝土、块石等材料对渠道进行衬砌。这种传统的衬砌渠道具有节水、坚固、美观、运行安全等优点，在灌区的建设和发展中发挥了巨大作用。但从生态角度看，传统的衬砌渠道不利于多样性生物的生存，降低了渠道的自净能力，切断了地下水的补给途径，造成地下水位下降，还会使农田生态系统的物质和能量连续性遭到破坏［1］。

党的十八大把生态文明建设纳入中国特色社会主义事业“五位一体”总体布局。水是生态之基，水生态文明是生态文明的基础和重要组成部分。甘肃省临泽县提出了“水系绕城、绿带拥城、塞上江南、秀美临泽”的生态文明建设目标。按照生态水利建设和生态环境保护的需求，传统的衬砌技术已不适应现代水利建设的要求。为了使沟渠能发挥正常功能，需通过创新改造，研究出生态衬砌技术，以解决传统衬砌渠道带来的问题，并修复县域水系的生态功能。基于此，笔者试对生态衬砌技术进行探究，并对新技术的应用前景进行探讨［2］。

1 传统衬砌渠道的弊端

临泽县位于甘肃省河西走廊中部，是张掖盆地的重要组成部分［3］。该区年均降水量不足120 mm，戈壁荒山面积约占全县总面积的70%，“有水为绿洲、无水为荒漠”的特征十分明显。近年来，临泽县在水资源有效利用和现代化水利建设的过程中，大多采用传统的衬砌渠道。传统衬砌渠道存在以下弊端。

1.1 植被逐年退化，树木干枯

在小型河道治理中，采取混凝土或砌石衬砌形式，虽起到了有效防洪和保护周边农田的作用，但也阻断了河道两岸堤防周边的水域、沙洲、滩地、洪水侵蚀区、护堤地等区域的补水通道，致使河岸两侧无耕区的沙洲、淤泥夹心滩、河床过渡区等区域的植被因缺水而逐年退化，树木干枯，生态系统受到影响。

1.2 自净能力下降，生物多样性降低

在灌区干支渠道改建及水系连通工程中，对渠道进行硬化衬砌后，渠道表面光滑，但因无植被及泥土原生态地貌，致使水体的自净能力下降、生物多样性降低，导致生态循环系统遭到破坏。

1.3 保湿能力下降，补水通道阻断

在一些地下水平衡的地区，因渠道的改建衬砌，阻断了地下水自然补给平衡通道，导致地下水位逐年降低。通过运行观察，笔者发现，这些区域地面农田的保湿能力和抗旱能力逐年下降，尤其是在地表水与地下水混合灌溉灌区，因地下水被过度抽取，已引发了新的生态问题。

1.4 土壤盐渍化，生态失去平衡

在地下水位较高的湿地地区（如梨园河灌区小屯片），地下水较丰富，涌泉泉眼较多，其水利设施命名都与泉眼有关，如双泉湖水库、九眼泉干渠、五眼泉干渠等。无衬砌渠道在引泉水至湿地周边的农田进行灌溉时，渠道穿过湿地，对湿地起到了一定的补水作用，一直保持着其周边的生态平衡。用传统的方法对渠道进行防渗改建后，湿地不能通过自然的方式补水，水位逐年下降，湿地的水草连年有退化趋势，且土壤出现了不同程度的盐渍化，打破了生态平衡。

2 生态渠道的实践

由于传统的衬砌渠道存在诸多生态环境问题，在这种情况下，既能满足输水需要，又能降低工程设施对生态环境影响的生态渠道逐渐成为灌区生态化建设的重要发展趋势。自20 世纪60 年代起，国外就已开始进行生态河道的建设，如通过河道恢复裁弯取直，混凝土护岸拆除、堤坝去除等措施，恢复河流生态环境与自然形态，增强河流自净能力，使沿岸生态环境的生机与活力得以恢复。当前，国外关于建设生态河道的措施也应用到渠道建设方面。近年来，我国也已认识到水利工程对生态环境的影响，同时也进行了相关的研究。灌区渠道建设也融入了生态环境保护因素，实现了水利工程与生态环境的和谐共存。近年来，临泽县在河流综合治理、河湖库水系连通建设、灌区改造等工程中，积极探讨实践生态渠道建设，并取得了一些效果，对改善全县水生态环境，筑牢水生态安全屏障，保障经济社会高质量发展起到了积极的作用。

2.1 关于生态渠道方案的构想

建设生态渠道就是在渠道衬砌中引入生态护坡。根据不同地质条件、输水要求、造价等，生态渠道建设可采用以下不同设计方案。

2.1.1 渠道结构设计

（1）方案一。混凝土（或浆砌石）渠底、坡脚，生态护坡衬砌断面。该方案的优点是：渠道底部设计为刚性断面，抗变形能力强，施工质量易控制；渠道便于清淤，输水能力强。该方案的缺点是：工程造价相对高，设计必须考虑渠底的抗冻胀要求。另外，因为在冬天需要清理渠中积水及淤积物，不符合生态设计理念，且运行管理成本较高。

（2）方案二。干砌石渠底、坡脚，生态护坡衬砌断面。该方案的优点是：渠底、坡脚为柔性断面设计，冻融变形对渠道影响较小，抗变形能力较好，安全性高；施工技术简单。该方案的缺点是：耗用劳动力较多，难以采用机械化施工，工期较长；原材料取材局限性较大，工程造价相对较高。

（3）方案三。沙砾石渠底，生态护坡衬砌断面。该方案的优点是：渠底为柔性断面设计，对于沙砾石地基，施工时可就地取材，符合生态保护要求，冻融变形对渠道影响极小，施工技术简单，造价较低。该方案的缺点是：渠道水位线以下生态护坡中的种子不易生根发芽，且水位线以下坡脚抗变形能力较弱，加之坡脚常期浸泡在水中，容易引起滑塌。

（4）方案四。沙砾石渠底，干砌石坡脚，生态护坡衬砌断面。该方案的优点是：渠底为柔性断面设计，施工时可就地取材，符合生态保护要求，冻融变形对渠道影响极小，施工技术简单；干砌石坡脚稳定性较强，抗变形能力好，对冻融变形影响较小，安全度也较高，造价适中。该方案的缺点是施工工序较多。

2.1.2 生态护坡材料的选择

生态护坡主要采用的材料为土工格室、生态袋、水土保护毯。

土工格室是高强度土工合成材料，它是一种将强化的HDPE 片材经高强力超声波焊接而组成的三维网状格室结构［4］。土工格室的优点是：伸缩自如，运输折叠方便；施工时，可张拉成网状或蜂窝状立体网格，在其中填入泥土、碎石等松散物料，形成具有强大侧向限制和大刚度的结构体；材质轻、耐磨损、耐穿刺、耐光氧老化、耐酸碱、化学性能稳定，连接方便、施工迅速。

生态袋又称植生袋，是用以聚丙烯或聚酯纤维为原材料制成的双面熨烫针刺无纺布（一种抗紫外线耐酸碱的合成材料）加工成的袋子。生态袋具有施工铺设简便，草种可随意调整且分布均匀、成活率高，形成草皮护坡快的优点。它还可根据气候条件选择有较强的环境适应性、管理粗放、耐寒旱、生长迅速、再生能力强的黑麦草、高羊茅、细羊茅和波斯菊为生态袋参考草种。生态袋内装填材料主要由种植壤土、黄沙、有机肥及微生物菌剂组成，经充分拌和发酵后，装袋，沿渠道坡比分层横向叠砌。

水土保持毯是一种由PA6 聚酰胺单丝纤维制成的开孔的三维网垫，孔隙率在90%以上，孔隙中填入土料和草种，种植草穿过网垫生长，其根系深入土中，植物、网垫、根系与土合为一体，形成牢固密实整体，贴于坡面的表皮。该护坡结构耐久性极高，视觉上与天然植被护坡无异，具有固土性能优良、消能作用明显、网络加筋突出、保温功能良好的特点，使用寿命长达50 年，土壤握持率高，抗水流冲刷能力强［5］。

2.2 生态渠道方案的实践及应用

生态渠道衬砌形式的选择不可千篇一律，因为这样不仅起不到生态和环保的作用，也不利于工程造价。应根据不同地质情况及生态和供水的需求，因地制宜地选择渠道衬砌形式，分类设计实施。

2.2.1 沙砾石地基灌溉渠道的生态建设

对于沙砾石地质条件较好的引水灌溉渠道，除了考虑水质净化生态和水系两侧生态绿化的需要外，还要达到节水的目的，故应采取干砌反坡脚，生态护坡衬砌断面的设计方案（方案四），并外加防渗措施。如渠道设计底宽为4～7 m，渠深为0.7 m，水深为0.4 m，渠底衬砌结构从下到上依次为10 cm 厚中粗沙、0.3 mm 厚复合土工膜、10 cm 厚中粗沙、35 cm厚沙砾石垫层。土工膜及上、下中粗沙垫层以1∶3 坡度由渠底两侧向渠坡延伸至渠顶设计高程，渠坡临水坡水面以下采用30 cm 厚干砌石护砌，水面以上采用生态护坡，按1∶3 坡度护砌至渠顶高程，生态护坡厚为30 cm。临泽县城乡水系连通工程、临泽县14万亩生态公益林供水工程等穿越沙砾石旱滩区段，采用该方案，取得了生态保护与节水的双重效果，其生态渠道横断面如图1 所示。

图1 沙砾石地基生态渠道横断面图Fig.1 Cross-section of ecological channel of sand and gravel foundation

2.2.2 地下水位比较高的湖泊、湿地区域生态渠道建设

对于地下水位比较高的湖泊、湿地区域（如临泽县梨园河灌区小屯片），由于地下水较丰富，涌泉泉眼较多，在设计中应考虑引水渠段对渠道两侧自然补水的生态要求，更应注重采取便于地下泉水溢出、畅通的工程措施。经综合分析，对于地下水位比较高的湖泊、湿地区域，可采取沙砾石渠底，生态护坡衬砌断面（方案三）。如渠道设计底宽为4～7 m，渠底衬砌45 cm 厚的沙夹砾石垫层，两边渠坡按1∶3的坡度设置生态护岸。该方案最大的缺点是渠坡容易滑塌。为防止岸坡滑坡，岸坡与沟底交界处加设木桩。木桩直径为35 cm，桩与桩有缝隙，使其具有透气透水的优点。通过建设达到生态与供水双达标、湿地与工程措施相协调的目标，临泽县梨园河灌区续建配套改建项目小屯段就采用了该设计方案，取得了较好的效果，其生态渠道横断面如图2所示。

图2 地下水位较高区域生态渠道横断面图Fig.2 Cross-section of ecological channel of areas with higher groundwater levels

2.3 方案应用注意事项

在生态渠道建设过程中，同时应把握以下4 点［6］。

（1）顺应自然，增加渠道自然性。渠道的自然性为渠道生态的生物多样性提供了条件，与直线渠道相比，自然弯曲渠道适宜更复杂的动植物群落生长和栖息，同时渠道弯曲性会增加渠道输水的时间和降低流速。因此，在增加渠道的蜿蜒性建设时，应该根据现场实测地面高程、最大不冲流速等因素确定渠道纵断面。

（2）渠道与蓄水池相结合。生态渠道断面形状主要采用宽浅式梯形断面，采用沙砾石、干砌石和生态护坡复合方式衬砌。因为梯形断面难以实现景观生态效应，因此，在渠道建设中，应适当加入蓄水区。这样，既能满足渠道输水和调蓄功能，也可以满足高水位和低水位景观生态效应的要求，有利于形成多样化的生态环境，适宜水生植物、鱼类、两栖动物的生长和栖息。

（3）因地制宜设置多级溢流坝。对于底坡较大的渠道，可沿渠道人工设置若干溢流坝。这样，一方面可以通过溢流坝保证在灌水间歇期渠道内保留水面，另一方面可以增强水体的复氧能力和水流的多样化，保持生物的多样性。

（4）加强养护是保证生态护岸生长效果的关键。生态坡建设完成后，应及时洒水养护，保持护坡湿润，有利于出苗整齐；工程工期宜安排在9 月份以前，以利于生态植物根系成长发育，确保植物越冬，次年正常发芽生长，形成草皮护坡，保障渠道边坡稳定；对降雨量较少的干旱地区，宜与绿化供水微灌工程配合实施，以保证生态护坡植物灌水需求，降低人工养护成本。