哈爾濱市農(nóng)田排水溝道透水材料選擇研究

王 崢，張亞梅

(1.哈爾濱市水務(wù)科學(xué)研究院，哈爾濱 150001； 2.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，武漢 430010)

1 概 述

截止2017年，哈爾濱市水田面積約65.075×104hm2，大部分集中分布在各灌區(qū)。目前，哈爾濱市灌區(qū)排水溝道多為傳統(tǒng)土質(zhì)，不僅穩(wěn)定性差，而且極易產(chǎn)生溝道淤積、排水效率低等問(wèn)題，而常見(jiàn)的混凝土溝渠對(duì)農(nóng)田排水及生態(tài)環(huán)境所造成的負(fù)面效應(yīng)越來(lái)越引起人們的重視。因此，在生態(tài)型灌區(qū)的建設(shè)過(guò)程中選擇使用適當(dāng)材料，為農(nóng)田排水溝道中植物、動(dòng)物、微生物制造良好的棲息條件和繁衍場(chǎng)所，通過(guò)溝道的過(guò)濾、吸附(物理)、攔截、沉淀、植物吸收、微生物降解等作用，改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境和減少污染物排放量是十分必要的。

農(nóng)田退水在由溝道進(jìn)入受納水體的過(guò)程中，要想達(dá)到被材料過(guò)濾、凈化的目的，需要具備以下兩個(gè)條件：①材料必須是透水的，即允許溝道內(nèi)的水體能穿過(guò)；②材料的透水性不能過(guò)大，通常在土壤滲透系數(shù)的4倍以上即可。為達(dá)到以上條件，所選用的材料必須具備適當(dāng)?shù)耐杆裕饶鼙ＷC一定的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，又能使水體在穿透材料時(shí)具有足夠的接觸時(shí)間，以充分發(fā)揮其物理、化學(xué)以及生物作用，從而降低哈爾濱市灌區(qū)農(nóng)田非點(diǎn)源污染對(duì)受納水體的污染和影響。

2 透水材料主要類型和特點(diǎn)

透水材料多為有孔材料，除卵石、塊石等天然材料和現(xiàn)有材料的簡(jiǎn)單加工外，還有一些具備透水性、生態(tài)性和工程力學(xué)性能的材料可供選擇。本文主要介紹生態(tài)混凝土、透水型秸稈混凝土、生物磚排水溝和棱形水泥板這4種典型材質(zhì)，以供排水溝道建設(shè)選用，其結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)分析如下。

2.1 生態(tài)混凝土

生態(tài)混凝土是一類特殊混凝土的統(tǒng)稱，1995年由日本混凝土工學(xué)協(xié)會(huì)提出此概念，強(qiáng)調(diào)綠色理念及與自然的和諧共生，降低污染和環(huán)境負(fù)荷，為植物和微生物提供生長(zhǎng)和繁衍場(chǎng)所，構(gòu)建更加綠色、自然、友好、舒適的環(huán)境。

1) 結(jié)構(gòu)：生態(tài)混凝土是采用特殊工藝，由單一粒徑的粗骨料、少量細(xì)骨料、水泥、水和添加劑進(jìn)行攪拌、加固及養(yǎng)護(hù)后，形成具有間隙且呈米花糖狀的多孔混凝土，屬于特殊混凝土的一種，具有特殊表面特性和結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)多孔性和透水性。最大特點(diǎn)為存在大量單獨(dú)或連續(xù)孔隙，利于空氣和水通過(guò)其內(nèi)部的孔隙和通道。

2) 特點(diǎn)：生態(tài)混凝土在吸附和降低污染物、植物種植、凈化水體、水土保持等方面具有多重效益，與自然環(huán)境的適應(yīng)性和協(xié)調(diào)性非常好。其力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)功能、使用年限能夠滿足一般性需求，但強(qiáng)度和耐久性相比于普通混凝土略低。其造價(jià)稍低于普通混凝土。

2.2 透水型秸稈混凝土

透水型秸稈混凝土主要是由秸稈與骨料、水泥、砂、粉煤灰、水?dāng)嚢柚瞥傻?，屬于多孔輕質(zhì)混凝土。秸稈主要起到加強(qiáng)作用，有利于增強(qiáng)和改善混凝土的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、耐久性、抗拉性等。

1) 結(jié)構(gòu)：透水型秸稈混凝土主要由粗骨料形成的骨架、水泥砂漿形成的膠結(jié)層及其間的孔隙3部分組成，形成由水泥砂漿包裹粗骨料并相互黏結(jié)的多孔蜂窩狀結(jié)構(gòu)。與普通的生態(tài)混凝土相比，透水型秸稈混凝土摻加的秸稈能夠給微生物提供所必需的有機(jī)質(zhì)碳源和能源，并為反硝化細(xì)菌等微生物提供適宜的生存環(huán)境，改善結(jié)構(gòu)的耐久性和透水性。

2) 特點(diǎn)：具有多孔結(jié)構(gòu)，其表面有利于動(dòng)植物和微生物的生長(zhǎng)。秸稈的添加對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、材料耐久性、透水性等特性均有所提升和改善，但在材料級(jí)配組成、水灰比、水泥含量等方面具有特殊要求，秸稈纖維與水泥的相容性、秸稈破碎篩選等方面尚需進(jìn)一步研究。相對(duì)于普通混凝土，造價(jià)較高。

2.3 生物磚排水溝

生物磚排水溝是由深圳市大自然生態(tài)園林技術(shù)有限公司于2003年獲得專利，兼具排水和生態(tài)恢復(fù)功能。目前，已在交通建設(shè)項(xiàng)目水土保持工程中成功應(yīng)用，其他開(kāi)發(fā)和生態(tài)工程建設(shè)項(xiàng)目正在逐步推廣。

1) 結(jié)構(gòu)：以具有種植孔的水泥磚為基本材料單元，在坡道上通過(guò)咬合、鑲嵌形成穩(wěn)定的梯形、矩形斷面形式的排水溝，將帶有草籽的營(yíng)養(yǎng)土充滿種植孔，最終形成植被完全覆蓋的坡面，達(dá)到與自然環(huán)境融為一體的效果。

2) 特點(diǎn)：具有滲水及排水性能、生態(tài)功能、生態(tài)景觀效果、循環(huán)利用、便于施工、造價(jià)較低等優(yōu)點(diǎn)，但僅適合流量小、水力沖刷力度小的排水溝道，且技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用效果還需進(jìn)一步實(shí)踐驗(yàn)證。

2.4 棱形水泥板

棱形水泥板是將水泥做成中空的棱形，部分埋進(jìn)土中，中間空心處用于種植草皮、樹木或根系較發(fā)達(dá)的植被，起到防風(fēng)護(hù)土、穩(wěn)定邊坡和綠化作用。

1) 結(jié)構(gòu)：多為六邊形中空框架結(jié)構(gòu)，中空部分種植草皮等植被。

2) 特點(diǎn)：具有透水性、生態(tài)性、景觀效果、施工便捷、造價(jià)較低等優(yōu)點(diǎn)。目前，廣泛應(yīng)用于高速、鐵路、水庫(kù)、水利等工程建設(shè)領(lǐng)域，其造價(jià)與普通混凝土基本相同。

3 透水材料選擇

3.1 方法選擇

因指標(biāo)特性和分類不同，透水材料的選擇涉及許多不確定、模糊的因素，而基于模糊數(shù)學(xué)理論的模糊模式識(shí)別模型是處理這類整體評(píng)價(jià)問(wèn)題的有效途徑。本文將采用模糊模式識(shí)別，建立相關(guān)比選模型，利用模糊評(píng)價(jià)法對(duì)透水材料進(jìn)行比選。

模糊綜合評(píng)價(jià)可分為一級(jí)和多級(jí)。其中，一級(jí)綜合評(píng)價(jià)具有如下大致過(guò)程：①確定評(píng)價(jià)對(duì)象的因素論域，即P個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，U={u1，u2，…,un}；②確定評(píng)價(jià)等級(jí)論域，V={v1,v2,…,vp}，即等級(jí)集合，每個(gè)等級(jí)可對(duì)應(yīng)一個(gè)模糊集；③單因素評(píng)價(jià)，建立模糊關(guān)系矩陣R；④確定評(píng)價(jià)因素的模糊權(quán)向量，A={a1,a2,…,ap} ；⑤將合適的合成算子將與各被評(píng)項(xiàng)的R合成，得到各模糊綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果向量B；⑥對(duì)模糊綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果向量B比較分析，最常用的方法是最大隸屬度原則。則(U,V,R)構(gòu)成了一個(gè)模糊綜合評(píng)價(jià)模型。

3.2 評(píng)價(jià)因子選取

通過(guò)對(duì)材料特征進(jìn)行分析，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，選擇生態(tài)凈化性(A1)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性(A2)、透水性(A3)、施工管護(hù)(A4)、經(jīng)濟(jì)性(A5)5個(gè)評(píng)價(jià)因子。從這5方面考慮各材料特點(diǎn)，見(jiàn)表1。

3.3 評(píng)價(jià)因子權(quán)重

各因子對(duì)技術(shù)選擇的影響程度不盡相同，在本次評(píng)價(jià)中，主要通過(guò)各因子的權(quán)重系數(shù)來(lái)反映這種差異性。權(quán)重的確定主要根據(jù)各因子對(duì)技術(shù)選擇的作用強(qiáng)弱來(lái)確定，按照表2的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，建立判斷矩陣，見(jiàn)表3。

表1 材料對(duì)比分析表

表2 AHP法的標(biāo)度原則

表3 判斷矩陣

經(jīng)計(jì)算，該判斷矩陣的最大特征根λmax=4.895 1，特征向量為(0.381 0，0.230 2，0.079 3，0.079 3，0.230 2)T，CI=0.026 2。

因?yàn)镃R=CI/RI=0.023 0，CR<0.1，所以該判斷矩陣是一致的。因此，技術(shù)評(píng)價(jià)各因子的權(quán)重系數(shù)分別為(0.381 0，0.230 2，0.079 3，0.079 3，0.230 2)T。由權(quán)重系數(shù)可知，各因子對(duì)材料比選影響的相對(duì)重要程度依次為A1>A2=A5>A3=A4，即重要性排序?yàn)椋荷鷳B(tài)凈化性>結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性=經(jīng)濟(jì)性>透水性=施工管護(hù)。

3.4 透水材料比選

利用專家評(píng)定法，對(duì)隸屬度值進(jìn)行確定。各等級(jí)隸屬度值見(jiàn)表4。

表4 隸屬度函數(shù)值

按照隸屬度模型公式，計(jì)算各因子的不同隸屬度值，從而得到模糊關(guān)系矩陣。以生態(tài)混凝土為例的模糊關(guān)系R為：

由評(píng)價(jià)向量B可以看出，生態(tài)混凝土隸屬于很適宜的隸屬度值為0.340 9，隸屬于較適宜的隸屬度值為0.245 6，隸屬于中等適宜的隸屬度值為0.189 7，隸屬于較不適宜的隸屬度值為0.227 8。比較幾個(gè)隸屬值發(fā)現(xiàn)，生態(tài)混凝土的隸屬于很適宜的隸屬度是最大的。根據(jù)模糊數(shù)學(xué)最大隸屬度原則，最終評(píng)定生態(tài)混凝土為很適宜的材料。

對(duì)其他材料進(jìn)行評(píng)價(jià)，4種材料的模糊關(guān)系矩陣(R)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 模糊關(guān)系矩陣

經(jīng)過(guò)模糊復(fù)合運(yùn)算，不同等級(jí)的隸屬度值(B)見(jiàn)表6。

表6 材料隸屬度值(B)

3.5 技術(shù)比選結(jié)果

根據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)法的評(píng)價(jià)原理，對(duì)4種材料進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 評(píng)價(jià)結(jié)果

由評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出，生態(tài)混凝土和生物磚排水溝兩種材料為很適宜采用的透水材料。

4 結(jié)論及展望

透水型農(nóng)田排水溝道構(gòu)筑材料首先保證了溝道整體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并在此基礎(chǔ)上，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)不僅是當(dāng)?shù)氐叵滤娃r(nóng)田排出水體的溝通聯(lián)系載體，而且為農(nóng)田動(dòng)物、植物以及微生物提供了重要的生存環(huán)境。本文主要分析了生態(tài)混凝土、透水型秸稈混凝土、生物磚排水溝、棱形水泥板這4種透水材料，以生態(tài)凈化性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、透水性、施工管護(hù)、經(jīng)濟(jì)性為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)模糊評(píng)價(jià)法進(jìn)行了評(píng)價(jià)。從評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看，在哈爾濱市灌區(qū)生態(tài)建設(shè)和排水溝道基礎(chǔ)建設(shè)過(guò)程中，可根據(jù)實(shí)際情況考慮選用生態(tài)混凝土和生物磚排水溝作為透水型構(gòu)筑材料，但其適宜性還需進(jìn)一步實(shí)踐檢驗(yàn)。