現(xiàn)代農(nóng)業(yè)溝渠生態(tài)化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用

楊 洋，郭宗樓

（浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，杭州310058）

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)溝渠生態(tài)化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用

楊 洋，郭宗樓*

（浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，杭州310058）

以四川省蘆山縣生態(tài)溝渠工程建設(shè)項(xiàng)目為例，綜合考慮渠道生產(chǎn)、生活、生態(tài)、景觀等功能，從渠道的斷面形式、襯砌方式、護(hù)坡樣式、水生植物、生態(tài)景觀化等方面進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一種新型的生態(tài)化精細(xì)灌排溝渠，介紹了構(gòu)建該溝渠的設(shè)計(jì)原則和關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)構(gòu)建的生態(tài)化溝渠的綜合效果評(píng)價(jià)結(jié)果表明：生態(tài)化溝渠處理方案的最終得分為84.65，等級(jí)屬于良，優(yōu)于普通溝渠處理方案（最終得分為77.90，等級(jí)屬于中）；雖然溝渠生態(tài)化處理工程在經(jīng)濟(jì)性及操作管理方面與普通溝渠處理方案沒有顯著差異，但在處理效果和廢水回收利用方面表現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢(shì)，如溝渠生態(tài)化設(shè)計(jì)對(duì)污染物的去除效果好，出水回收利用率及達(dá)標(biāo)率較高。說明溝渠生態(tài)化工程設(shè)計(jì)具有良好的生態(tài)性、經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性。

生態(tài)系統(tǒng)；溝渠；精細(xì)設(shè)計(jì)；示范運(yùn)用

Summary Ditch is one of the most important elements in modern agriculture,which has a great impact on agricultural production and ecological environment.Traditional ditches mainly focus on convenient traffic,economic and engineering cost,irrigation and drainage,butneglectthe environmentecosystem.

In order to coordinate the relationship of ecology,economy and sustainability,and realize the win-win situation of water conservancy function and ecological function,proposing a new ecological detailed ditch is of great importance.Based on the research materials and experimentalresults in domestic and overseas,an ecological canalproject was constructed in Lushan County of Sichuan Province with combination of the section form,lining method,slope protection style,aquatic plant, ecologicallandscape,etc.This article puts forward suitable ecologicaldetailed design principles,key technologies,and actual ditch design reference styles.With the consideration of functionalrequirements,such as production,life,ecology,landscape, etc.,some advanced,practical and new concepts with great significance were proposed,which can be used in practical engineering demonstration.Comprehensive evaluation of the ditch ecological effect showed that the final score of the ecological ditch treatment project was 84.65,and the grade was good,better than the ordinary ditch treatment project(the finalscore was 77.90,and the grade was middle).Although the ecologicalditch treatmentprojecthad no significantdifference in the economic and operationalmanagementas compared with the conventionalditch treatmentproject,ithad good effectonthe removal of pollutants,water recycling and compliance rate.In conclusion,the ecological design of engineering ditch has good ecology,economy and sustainability.The following main achievements were obtained:

1)Ecology:Slope and escape lanes were provided to facilitate the escapementof animals falling into the ditches;aquatic plants in the ditches can remove pollutants such as nitrogen,phosphorus and pesticides in the water body,and purify water quality;canal plants can slow down the water flow rate and reduce the temperature changes within the canal to promote crop growth;ecological corridor was set to strengthen the exchange of farmland and protect the integrity;water level monitoring equipmentwas applied to improve the water utilization ata large extent.

2)Economy:The fine design of each section greatly reduced the relevant project cost;aquatic plants purified water quality and reduced the costofsewage treatment.

3)Sustainability:This projectintegrated a series of detailed designs,ensuring the function of traditional ditch irrigation and drainage,and reducing the impact on the environment,which maintained the original ecology of farmland system and improved the use of ditch sustainability.

溝渠，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)水土資源優(yōu)化配置和有效耦合的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是灌區(qū)的重要組成部分。它是為抗旱排澇而修建的人工輸水、配水設(shè)施，向灌區(qū)提供生活、生產(chǎn)、環(huán)境供水服務(wù)[1-2]，不僅能夠確保糧食安全[3]，還具有保護(hù)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)及多樣性的生態(tài)功能和提供休閑娛樂、景觀等社會(huì)功能?，F(xiàn)階段人們對(duì)維護(hù)生態(tài)資源及景觀品質(zhì)的要求日益提高，在農(nóng)地整理中溝渠工程對(duì)農(nóng)田生態(tài)影響方面的研究逐漸受到重視[4]。

在農(nóng)田系統(tǒng)中多數(shù)溝渠設(shè)計(jì)的主要技術(shù)目標(biāo)是為了方便生產(chǎn)通行以及提高水的利用率，忽略了對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，缺乏系統(tǒng)化、生態(tài)化設(shè)計(jì)，不僅影響了農(nóng)田物種的生存與擴(kuò)散，還導(dǎo)致了生物棲息環(huán)境的退化。當(dāng)前，溝渠設(shè)計(jì)存在的問題具體表現(xiàn)在：1）對(duì)混凝土襯砌的溝渠即使采用部分無砂混凝土澆筑，其透水性遠(yuǎn)不如自然土壤，不利于農(nóng)田的降漬[5]；2）改變了溝壁多孔土壤介質(zhì)對(duì)農(nóng)田流失的磷、氮等物質(zhì)的吸附基礎(chǔ)，增加了溝渠的富營養(yǎng)化負(fù)擔(dān)[6]；3）改變了溝渠中水生生物與植物的生長條件，減少了水生生物與植物對(duì)農(nóng)田排水中有害物質(zhì)的吸收[7]；4）青蛙、蟾蜍等動(dòng)物失去了越冬生存的場(chǎng)所和農(nóng)田施藥時(shí)的避難場(chǎng)所[8]；5）渠道大面積的防滲襯砌改變了地下水的補(bǔ)給條件，減少了下游地區(qū)回歸水的總量，可能會(huì)對(duì)地下水及下游地區(qū)水環(huán)境產(chǎn)生不利影響。因此，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)田溝渠水利功能和生態(tài)功能的雙贏，協(xié)調(diào)溝渠的功能性、生態(tài)性、經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性，本研究以四川省蘆山縣生態(tài)溝渠工程建設(shè)項(xiàng)目為例，從渠道的斷面形式、襯砌方式、護(hù)坡樣式、水生植物、生態(tài)景觀等方面進(jìn)行綜合考慮，設(shè)計(jì)了一種新型生態(tài)化精細(xì)灌排溝渠，并對(duì)其進(jìn)行生態(tài)化綜合效果評(píng)價(jià)，總結(jié)了生態(tài)化精細(xì)溝渠構(gòu)建的設(shè)計(jì)原則和關(guān)鍵技術(shù)，提出了一些可用于實(shí)際工程且具有現(xiàn)實(shí)意義的先進(jìn)理念。

1 溝渠生態(tài)化設(shè)計(jì)原則與要點(diǎn)

1.1 溝渠生態(tài)化設(shè)計(jì)原則

要協(xié)調(diào)溝渠的功能性、生態(tài)性、經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田溝渠水利功能和生態(tài)功能的雙贏，在研究農(nóng)田溝渠生態(tài)化精細(xì)設(shè)計(jì)技術(shù)過程中，需要堅(jiān)持以下原則。1）安全高效原則：維持溝渠輸排水功能的同時(shí)，滿足結(jié)構(gòu)安全要求。2）人性化原則：尊重原有的自然環(huán)境，并注意與周圍景觀的協(xié)調(diào)與配合，滿足人們的生產(chǎn)活動(dòng)需求。3）整體性原則：解決溝渠中泥沙淤積問題，營造水流環(huán)境的多樣化。4）生態(tài)性原則：以青蛙、蟾蜍等動(dòng)物為目標(biāo)，設(shè)計(jì)一系列逃生通道、棲息空間，制造有利于其生存的自然環(huán)境；通過生物方法降解水流中的污染物質(zhì)，減小對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。

1.2 溝渠生態(tài)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)

灌溉溝渠分為干、支、斗、農(nóng)4級(jí)，不同等級(jí)和規(guī)格的溝渠，生態(tài)化精細(xì)設(shè)計(jì)的技術(shù)要點(diǎn)均有所區(qū)別。本研究從渠道的斷面形式、襯砌方式、護(hù)坡樣式、水生植物、生態(tài)景觀等方面進(jìn)行生態(tài)化精細(xì)設(shè)計(jì)，主要技術(shù)要點(diǎn)如下。

1）斷面形式及緩坡設(shè)計(jì)：應(yīng)當(dāng)基于不同的工程區(qū)概況及輸水規(guī)模，結(jié)合結(jié)構(gòu)安全和生態(tài)化原則選取適當(dāng)?shù)臄嗝?。目前溝渠斷面形式多運(yùn)用矩形和梯形斷面。緩坡設(shè)計(jì)不會(huì)因溝渠隔斷原有生態(tài)系統(tǒng)，可形成連續(xù)的環(huán)境，以便于動(dòng)物在水陸兩域遷移，同時(shí)可減少渠道內(nèi)水位高低變化帶來的生態(tài)沖擊[9-11]。參考葉艷妹等[4]的研究成果可以得出：當(dāng)溝渠深度h≤30 cm時(shí)，可采用矩形斷面；當(dāng)30 cm＜h≤50 cm時(shí)，可設(shè)計(jì)矩形斷面或者坡度≤1∶0.85的緩坡（梯形斷面），但應(yīng)考慮在某些地段設(shè)計(jì)輔助設(shè)施如生態(tài)板以方便小青蛙跳出溝渠；當(dāng)h＞50 cm時(shí)，邊坡最好設(shè)計(jì)為坡度≤1∶0.75的緩坡（梯形斷面）。適當(dāng)設(shè)計(jì)輔助設(shè)施以維持生態(tài)平衡，是解決當(dāng)溝渠坡度不符合生態(tài)要求時(shí)的有效措施之一。

2）襯砌方式設(shè)計(jì)。（1）邊坡襯砌：傳統(tǒng)的邊坡襯砌多為三面光襯砌方式，從防滲、輸水效率和景觀生態(tài)等多方面考慮，可采用表面多孔設(shè)計(jì)，為動(dòng)植物的生存繁衍提供空間，如不填縫漿砌石的邊坡襯砌（圖1），半漿砌石和半混凝土結(jié)合的邊坡襯砌（圖2）等方式。（2）渠底襯砌：大多為混凝土硬質(zhì)化襯砌，結(jié)合生態(tài)化理念設(shè)計(jì)，渠底不滲漏并能為植物提供生長空間的生態(tài)化襯砌方式十分必要。如經(jīng)生態(tài)處理技術(shù)后的混凝土渠底襯砌，指在混凝土襯砌的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)專門填充土壤的植物生長帶（圖3），應(yīng)注意合理布局，不影響防滲和渠道糙率。（3）采用由混凝土塊、無砂混凝土框格（可種植水生植物）組成的改良植生型防滲砌塊[12-13]（圖4），可與動(dòng)植物及微生物構(gòu)成自凈效果較好的水生生態(tài)系統(tǒng)。

圖1 不填縫漿砌石邊坡襯砌[11]Fig.1 Stone revetmentofgrouted rubble withoutseam filler[11]

圖2 半混凝土半漿砌石邊坡襯砌[11]Fig.2 Stone revetmentofsemi-concrete and semi-grouted rubble[11]

圖3 混凝土襯砌植物生長帶[11]Fig.3 Concrete lining structure with plantgrowth[11]

圖4 改良的植生型防滲砌塊[12-13]Fig.4 Improved vegetation type ofseepage controlblock[12-13]

3）生態(tài)護(hù)坡設(shè)計(jì)：生態(tài)護(hù)坡是仿自然環(huán)境設(shè)計(jì)的，促進(jìn)了人文與景觀的結(jié)合?，F(xiàn)有的護(hù)坡技術(shù)綜合歸納為2類：純植被護(hù)坡與工程措施+植物復(fù)合護(hù)坡[14-15]。人工種草取代混凝土覆蓋的純植被護(hù)坡技術(shù)適用于邊坡坡度較緩的工程。工程措施+植物復(fù)合護(hù)坡技術(shù)主要有：用三維土工網(wǎng)填充土壤并種植植物的三維土工植被網(wǎng)護(hù)坡；通過在多孔生態(tài)混凝土上澆灌植物生長基質(zhì)的多孔型生態(tài)混凝土護(hù)坡。生態(tài)護(hù)坡設(shè)計(jì)具有良好的通氣吸水、防止土壤流失等優(yōu)點(diǎn)。

4）動(dòng)物保育設(shè)計(jì)：應(yīng)設(shè)計(jì)便于動(dòng)物遷移及逃生的設(shè)施，如生態(tài)走廊、逃生設(shè)施、動(dòng)物棲息空間等。渠頂適當(dāng)設(shè)置生態(tài)走廊（圖5），便于動(dòng)物穿越溝渠；或者可沿溝渠縱向設(shè)計(jì)適宜坡度和高度的生態(tài)護(hù)坡（圖6）和生態(tài)階梯（圖7）；也可在渠壁預(yù)留生態(tài)棲息孔洞、在渠底兩側(cè)設(shè)置凹槽等為動(dòng)物提供棲息空間。

圖5 生態(tài)走廊[14]Fig.5 Ecologicalcorridor[14]

圖6 生態(tài)斜坡[14]Fig.6 Ecologicalslope[14]

圖7 生態(tài)階梯[17]Fig.7 Ecologicalladder[17]

5）水生植物設(shè)計(jì)：對(duì)于農(nóng)業(yè)面源污染及富營養(yǎng)化水體處理，水生植物占著舉足輕重的地位，植物可以通過自身組織直接吸收利用污染水體中的營養(yǎng)物質(zhì)，供其生長發(fā)育[16-20]；也可在渠底坡面種植一些凈水植物，比如蘆葦、菖蒲、燈心草等，凈化水質(zhì)，美化溝渠。

6）攔污柵及沉沙池設(shè)計(jì)：攔污柵能阻擋一部分的漂浮垃圾，可設(shè)置在溝渠進(jìn)水口、排水暗涵入口；設(shè)計(jì)適合工程實(shí)際情況的沉沙池可在一定程度上拓寬斷面、增加深度，起到減緩流速、沉降泥沙的作用。

2 溝渠生態(tài)化設(shè)計(jì)實(shí)踐

2.1 項(xiàng)目區(qū)概況

四川省蘆山縣地跨東經(jīng)102°52'—103°11'，北緯30°01'—30°49'，位于四川盆地周山區(qū)西緣，青衣江上游。蘆山縣生態(tài)溝渠項(xiàng)目區(qū)位于該縣蘆陽鎮(zhèn)金花社區(qū)公路以東羅純山麓坡腳，水源主要來自羅純山地表徑流與玉溪河支渠集雨，起于該縣羅純山北路，止于已建成引水渠末端的該縣友誼路，平均坡降3.2‰，全長889 m，集雨面積0.555 km2。該項(xiàng)目不僅承擔(dān)了玉溪河灌區(qū)灌溉輸水任務(wù)，還形成了靚麗的渠道景觀，為改善生態(tài)環(huán)境起到了重要作用。

項(xiàng)目區(qū)所在地屬于中緯度內(nèi)陸亞熱帶濕潤溫和氣候，四季分明，雨量充沛。多年平均氣溫15.3℃，歷年最高氣溫35.5℃，最低氣溫－4.6℃；全年無霜期284.5 d；多年平均日照949.4 h；多年平均降雨量1 216.1 mm，多年平均降雨日數(shù)209.3 d，雨量70%集中在6—9月，相對(duì)濕度83%。

項(xiàng)目區(qū)土壤為紅壤、黃泥田等，區(qū)內(nèi)有青蛙、蛇等田間動(dòng)物生存；在現(xiàn)有溝渠工程中，幾條主要田間道路以及道路兩側(cè)灌溉渠道均已部分混凝土化。

依據(jù)我國《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50288—1999）規(guī)定，并結(jié)合工程實(shí)際概況，溝渠輸水時(shí)段流量為1.14 m3/s，確定工程溝渠級(jí)別為5級(jí)，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)頻率為10%，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)頻率為5%，灌溉保證率為90%。工程渠道邊坡系數(shù)取1.0，工程護(hù)岸采取混凝土與漿砌石結(jié)合襯砌方式；渠底采用混凝土襯砌的生態(tài)處理技術(shù)。本工程銜接于已建成的輸水渠，起于蘆山縣友誼路，止于羅純山北路。明渠長為756 m。根據(jù)《工程流體力學(xué)》中明渠均勻流基本公式，計(jì)算確定工程渠底寬為1.1 m，渠頂寬為3.3 m，渠道垂直高度為1.1 m（安全超高0.3 m），坡比1∶1。結(jié)合灌溉需水量與防洪要求，確定工程設(shè)計(jì)洪水為10年一遇，設(shè)計(jì)流量為2.3 m3/s，校核洪水為20年一遇，滿渠排水能力為4.3 m3/s。

渠底分為一般混凝土襯砌渠段與長4 m并與一般渠段間隔20 m的生態(tài)混凝土襯砌渠段；采用半漿砌石半混凝土方式襯砌渠壁，并在渠壁預(yù)留一定的生態(tài)孔洞段；設(shè)置排水暗涵，采用生態(tài)護(hù)坡。

圖8 一般渠段與生態(tài)渠段平面圖Fig.8 Ichnography ofgeneraland ecologicalditches

圖9 A-A斷面（一般渠段）Fig.9 Section A-A(generalditches)

2.2 生態(tài)化溝渠設(shè)計(jì)結(jié)果

2.2.1 生態(tài)景觀渠道

該工程渠道分為一般渠道段與生態(tài)渠道段。由于生態(tài)渠段對(duì)輸水效率的阻礙作用，不宜設(shè)置過長。結(jié)合工程概況實(shí)際，設(shè)置長4 m、間隔20 m的生態(tài)渠段，同時(shí)為了方便行人親水與檢修，可設(shè)計(jì)親水階梯（設(shè)置堆石景觀）于一般渠道段，平面布置見圖8。

1）一般渠段。邊坡采用混凝土與漿砌卵石結(jié)合襯砌的方式（圖9），夯實(shí)渠道邊坡和渠底后，用C15混凝土澆筑渠底，厚18 cm。渠道常水位0.5 m，深1.1 m，常水位以下用C15混凝土襯砌17 cm，常水位以上用C15混凝土先襯砌7 cm，再用漿砌卵石襯砌10 cm（卵石突出渠面3～4 cm左右）。渠道每隔8 m做用瀝青木板填縫的分縫。

2）生態(tài)渠段。圖10為生態(tài)渠段斷面，邊坡采用混凝土與漿砌卵石結(jié)合襯砌的方式，常水位以下用C15混凝土襯砌17 cm，并預(yù)留一定間距的生態(tài)孔洞。生態(tài)孔洞設(shè)置2排，上下排間距15 cm，直徑10 cm，單孔間距75 cm（圖11），常水位以上用C15混凝土先襯砌7 cm，再用漿砌卵石襯砌10 cm，卵石突出渠面3～4 cm左右（圖10），渠道每隔8 m做用瀝青木板填縫的分縫。

生態(tài)渠段渠底采用生態(tài)技術(shù)的方式襯砌。首先在渠底埋鋪深色聚氯乙烯膜一層，再在膜料以上用厚20 cm的黏土碾壓夯實(shí)，最后縱向布置2列距底邊10 cm的混凝土柵格（設(shè)置寬度5 cm的混凝土格埂于黏土層上），尺寸為25 cm×30 cm，其中填充壤土并種植水生植物，平面布置見圖12。

3）渠道梯步段。為了便于渠道管理和清淤，增加渠道美觀，設(shè)置步寬1.5 m的下渠梯步，間隔2個(gè)生態(tài)渠段（即一般混凝土渠段中部）。渠道底部用C15混凝土澆筑18 cm，梯步用C15混凝土澆筑10 cm，單位階梯寬、高均為24 cm，斷面圖見圖13。

圖10 B-B斷面（生態(tài)渠段）Fig.10 Section B-B(ecologicalditches)

圖11 生態(tài)渠段邊坡平面布置Fig.11 Plane layoutofecologicalditch slope

圖12 生態(tài)渠段渠底平面布置Fig.12 Plane layoutofecologicalditch bottom

圖13 渠道梯步斷面圖Fig.13 Sectionalview ofditch ladder

2.2.2 沉沙池與排水暗涵

為將山體一側(cè)的山溪溝水排至工程溝渠，修建排水暗涵，并在暗涵前設(shè)置漿砌石沉沙池（圖14、15）。

圖14 沉沙池和排水暗涵平面圖Fig.14 Plane layoutofdesilting basin and drainage culvert

圖15 沉沙池和排水暗涵斷面圖Fig.15 Sectionalview ofdesilting basin and drainage culvert

沉沙池：為方便山體一側(cè)山溪水平穩(wěn)流入，設(shè)置沉沙池緊靠山體一側(cè)的坡度為1∶0.25，池壁、池底均采用厚30 cm的漿砌卵石襯砌。

排水暗涵：采用外徑80 cm的鋼筋混凝土預(yù)制涵管，凈空直徑56 cm，涵管下用C15混凝土鋪設(shè)厚10 cm的墊層。

2.2.3 攔污柵

為保證渠道不被雜物垃圾堵塞，設(shè)置由扁鋼和槽鋼焊接而成的攔污柵（圖16）于渠道暗涵進(jìn)水口前及排水暗涵沉沙池前，放置在攔污柵槽內(nèi)（用C30混凝土現(xiàn)澆并與垂直面呈10°角，見圖17）。

圖16 攔污柵樣式圖Fig.16 Style map oftrash rack

圖17 攔污槽樣式圖Fig.17 Style map oftrash groove

2.2.4 邊坡防護(hù)

本工程選擇生態(tài)護(hù)坡，坡比為1∶1，護(hù)坡平均高度1.5 m；邊坡先用厚43 cm的漿砌塊石作為內(nèi)襯，并漿砌填充有生態(tài)混凝土的厚5 cm的六方磚（圖18）；護(hù)坡坡體內(nèi)每隔2 m設(shè)置一組縱向孔距50 cm、孔徑30 mm的排水孔，選用PVC塑料管并向護(hù)坡外傾斜5%；坡腳澆筑厚30 cm的C15素混凝土邊溝。斷面圖見圖19。

圖19 生態(tài)護(hù)坡斷面Fig.19 Sectionalview ofecologicalslope protection

圖18 充填多孔生態(tài)混凝土六方磚Fig.18 Hexagonalbrick filled porous ecologicalconcrete

2.2.5 水生植物

本工程采用生態(tài)技術(shù)方式襯砌，有足夠的空間供植物生長，在渠底與邊坡生態(tài)帶區(qū)域內(nèi)可選擇水質(zhì)凈化與景觀性俱佳、適應(yīng)繁殖能力強(qiáng)、容易種植的水生植物，如黃花鳶尾、菖蒲、千屈菜依次分段單種于生態(tài)帶內(nèi)。

2.2.6 其他附屬物

1）逃生階梯：供溝渠中的動(dòng)物（如青蛙）活動(dòng)。由于溝渠表面光滑，青蛙不慎掉入溝渠后無法逃生，因此，設(shè)置一定間隔的逃生階梯可方便其逃出。

2）逃生緩坡：為方便蛇類從斗渠中逃生，設(shè)置一定間隔的坡比為1∶0.2的斜坡面，可讓蛇類順著坡面逃走；并在坡面上不均勻的鋪設(shè)卵石，方便蛇類靠這些突出的卵石順利逃生。

3）渠頂生態(tài)走廊：在農(nóng)田與農(nóng)田交界處的溝渠上修筑寬度為1.0 m的渠頂生態(tài)走廊，方便生物交流，為動(dòng)物提供棲息空間，避免農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)隔絕。

4）水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溝渠中的水量、流速、水質(zhì)等，標(biāo)志著信息化在未來農(nóng)田溝渠上的應(yīng)用。

3 溝渠生態(tài)化的綜合效果評(píng)價(jià)

3.1 溝渠綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建及權(quán)值確定

為了進(jìn)一步研究溝渠生態(tài)化工程的環(huán)境效應(yīng)和生態(tài)功能，驗(yàn)證該溝渠的生態(tài)化設(shè)計(jì)是否具有可行性和推廣性，本研究結(jié)合實(shí)地調(diào)查，對(duì)該溝渠生態(tài)化工程的處理技術(shù)和工藝、處理效果和運(yùn)行情況進(jìn)行了評(píng)估。從環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)3個(gè)方面篩選出評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過層次分析法確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，構(gòu)建生態(tài)溝渠技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并對(duì)其進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。其中：環(huán)境指標(biāo)包括資源化利用程度；經(jīng)濟(jì)指標(biāo)包括工程投資、運(yùn)行成本；技術(shù)指標(biāo)包括污染物去除率、技術(shù)的成熟度、工程運(yùn)行的穩(wěn)定性、技術(shù)操作和運(yùn)行管理的難易度。根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)的重要性，構(gòu)建了溝渠生態(tài)化工程處理技術(shù)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系（表1）。

表1 溝渠生態(tài)化工程處理技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Table1 Evaluation index system ofditch ecologicalengineering treatmenttechnology

為了使評(píng)價(jià)指標(biāo)體系更好地與實(shí)際工程評(píng)價(jià)相結(jié)合，需要對(duì)指標(biāo)層的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行具體規(guī)定并進(jìn)行等級(jí)劃分，結(jié)果見表2。

表2 溝渠生態(tài)化工程綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定與等級(jí)劃分Table2 Comprehensive evaluation standards and hierarchies ofditch ecologicalengineering

層次分析法（analytic hierarchy process,AHP）是一種定性與定量相結(jié)合、層次化、系統(tǒng)化的分析方法。其賦權(quán)步驟主要包括：構(gòu)造判斷矩陣、層次單排序及一致性檢驗(yàn)、層次總排序及一致性檢驗(yàn)。其計(jì)算結(jié)果如下。1）準(zhǔn)則層：包含經(jīng)濟(jì)A1、技術(shù)A2和環(huán)境A3共3項(xiàng)指標(biāo)，指標(biāo)權(quán)重分別為0.317、0.322、0.361。2）經(jīng)濟(jì)指標(biāo)：包含工程投資B1、運(yùn)行費(fèi)用B22項(xiàng)分指標(biāo)，指標(biāo)權(quán)重分別為0.535、0.465；技術(shù)指標(biāo)：包含污染物去除率B3、工程運(yùn)行的穩(wěn)定性B4、技術(shù)操作和運(yùn)行管理難易度B5等3項(xiàng)分指標(biāo)，指標(biāo)權(quán)重分別為0.433、0.251、0.316；環(huán)境指標(biāo)：主要有資源化利用程度指標(biāo)B6。3）分指標(biāo)層：包括生化需氧量去除率C1、化學(xué)需氧量去除率C2、氨氮去除率C3、總氮去除率C4、總磷去除率C5、管理人員數(shù)量C6、操作管理難易程度C7、出水達(dá)標(biāo)率C8、廢水回收利用率C9等9項(xiàng)分指標(biāo)，各分指標(biāo)權(quán)重分別為0.345、0.310、0.078、0.154、0.113、0.523、0.477、0.593、0.407。

表3 不同處理方案各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重及綜合評(píng)分情況Table3 Index weights and comprehensive score ofdifferenttreatmentschemes

3.2 溝渠生態(tài)化處理技術(shù)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

溝渠生態(tài)化處理技術(shù)評(píng)價(jià)涉及的因素較多，且各因素之間的主次關(guān)系也有所不同。為了能更直觀地反映溝渠生態(tài)化處理技術(shù)的先進(jìn)性和優(yōu)越性，本研究采用最常用、最簡(jiǎn)單的優(yōu)、良、中、差分?jǐn)?shù)等級(jí)劃分法對(duì)溝渠生態(tài)化處理技術(shù)進(jìn)行評(píng)判，其參考標(biāo)準(zhǔn)為：90分以上屬于優(yōu)，80～90分屬于良，70～80分屬于中，70分以下屬于差。通過結(jié)合溝渠生態(tài)化處理工程實(shí)際調(diào)研，得到普通溝渠（V1）和溝渠生態(tài)化處理方案(V2)的各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重及綜合評(píng)分情況（表3），并根據(jù)該結(jié)果對(duì)溝渠生態(tài)化處理技術(shù)的可行性進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果顯示，普通溝渠處理方案最終得分為77.90，等級(jí)屬于中；溝渠生態(tài)化處理方案最終得分為84.65，等級(jí)屬于良。溝渠生態(tài)化處理工程在經(jīng)濟(jì)性及操作管理方面與普通溝渠處理方案沒有顯著差異，但在處理效果和廢水回收利用方面表現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢(shì)，即溝渠生態(tài)化處理工程對(duì)污染物的去除效果更好，出水回收利用率及達(dá)標(biāo)率更高。說明溝渠生態(tài)化工程的環(huán)境效應(yīng)和生態(tài)功能得以體現(xiàn)，具有良好的可行性和推廣性。

4 結(jié)論

本文以四川省蘆山縣生態(tài)溝渠設(shè)計(jì)為例，綜合考慮渠道生產(chǎn)、生活、生態(tài)、景觀等功能，設(shè)計(jì)了一種新型的生態(tài)化精細(xì)溝渠，并著重介紹了該種溝渠構(gòu)建的設(shè)計(jì)原則、基本原理和關(guān)鍵技術(shù)，評(píng)估了溝渠的環(huán)境效應(yīng)和生態(tài)功能，實(shí)現(xiàn)了溝渠水利功能和生態(tài)功能的雙贏。生態(tài)化綜合效果評(píng)價(jià)表明，該生態(tài)化溝渠工程設(shè)計(jì)具有良好的生態(tài)性、經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性，主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

1）生態(tài)性：在溝渠中設(shè)置了較緩的斜坡和逃生階梯，為掉入溝渠內(nèi)的動(dòng)物逃出提供了方便；溝渠中的水生植物可以去除水體中氮、磷和農(nóng)藥等污染物，起到凈化水質(zhì)的效果；渠內(nèi)植物可減緩水流流速，降低渠內(nèi)水的溫差變化，促進(jìn)農(nóng)作物生長；生態(tài)走廊的設(shè)置加強(qiáng)了農(nóng)田間的“交流”，保護(hù)了農(nóng)田的完整性；水位監(jiān)測(cè)設(shè)備的應(yīng)用更大程度地提高了水利用效率，起到了一定的增產(chǎn)效果。

2）經(jīng)濟(jì)性：各斷面的精細(xì)化設(shè)計(jì)，使得相關(guān)工程造價(jià)大大降低；通過水生植物凈化水質(zhì)，可以降低處理污水的費(fèi)用；在設(shè)計(jì)中考慮到保護(hù)生物多樣性而減少化肥、農(nóng)藥的使用，降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。

3）可持續(xù)性：本工程有機(jī)融合了一系列的細(xì)部設(shè)計(jì)，不僅保證了傳統(tǒng)溝渠灌溉排水的功能，還降低了該工程對(duì)環(huán)境造成的影響，保持了農(nóng)田系統(tǒng)的原生態(tài)性，提高了溝渠利用的可持續(xù)性。

在可預(yù)見的未來，人們會(huì)更加注重對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)以及人與自然的和諧共處。因此，該生態(tài)化溝渠工程設(shè)計(jì)順應(yīng)了時(shí)代發(fā)展趨勢(shì)，其應(yīng)用前景十分廣泛。

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YANG Yang,GUO Zonglou*
(College of Biosystems Engineering and Food Science,Zhejiang University,Hangzhou 310058, China)

ecosystem;ditch;detailed design;demonstration application

S 27

A

10.3785/j.issn.1008-9209.2016.06.251

國家“水體污染控制與治理”科技重大專項(xiàng)（2012ZX-07403-003）。

郭宗樓（http://orcid.org/0000-0003-2563-7931），E-mail：zlguo@zju.edu.cn

（Firstauthor）：楊洋（http://orcid.org/0000-0003-2678-4571），E-mail：yyangyang@zju.edu.cn

2016-06-25；接受日期(Accepted):2017-03-21