哈爾濱市灌區(qū)生態(tài)渠道技術選擇研究

王 崢，張亞梅

(1.哈爾濱市水務科學研究院，哈爾濱 150001； 2.長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，武漢 430010)

1 概 述

目前，哈爾濱市灌區(qū)在現(xiàn)代化水利建設和水資源配置過程中，主要采取混凝土襯砌等傳統(tǒng)硬質化節(jié)水改造措施保障渠道的水量調配和輸水效率，以此提高水資源利用率，減少水體滲漏，保證糧食產量。但近年來，硬質化渠道陸續(xù)出現(xiàn)水質惡化、自凈能力下降、生物多樣性降低等生態(tài)環(huán)境問題，農田生態(tài)系統(tǒng)的物質和能量連續(xù)性遭到破壞，在人們對生態(tài)環(huán)境要求越來越高的需求下，體現(xiàn)生態(tài)、環(huán)境、景觀、農業(yè)和社會功能相結合的生態(tài)渠道將是哈爾濱市未來灌區(qū)生態(tài)化發(fā)展的必然趨勢。

2 傳統(tǒng)渠道存在的問題

灌區(qū)傳統(tǒng)渠道大多只注重渠道輸水功能的實現(xiàn)，用混凝土等材料將渠道建設成矩形或梯形等標準斷面，以保障渠道的穩(wěn)定性，提高輸水效率，減少水體滲漏，但對于農田生態(tài)環(huán)境將造成一系列的不良影響。主要表現(xiàn)在：①阻礙農田生態(tài)系統(tǒng)的物質、能量交換和循環(huán)，造成水體污染的凈化能力極大降低；②造成渠道水體與地下水體的隔離，影響水的循環(huán)和地下水補給，可能導致地下水位降低；③渠道生境變得單一，使動植物缺少生存空間和自然棲息地，造成農田生物多樣性的嚴重下降；④田間自然景觀被破壞，缺乏景觀的活力和生機，不符合人們親水性的需求和農田景觀的構建。

3 生態(tài)渠道主要形式及特點

由于傳統(tǒng)渠道存在諸多生態(tài)環(huán)境問題，在人們日益重視生活環(huán)境的現(xiàn)在，傳統(tǒng)渠道已不能滿足需求，在這種情況下，既能滿足輸水需要又能降低對生態(tài)環(huán)境影響的生態(tài)渠道已成為灌區(qū)生態(tài)化建設的重要發(fā)展趨勢。

3.1 混凝土渠道生態(tài)處理

對混凝土渠道進行的生態(tài)處理是在常規(guī)混凝土襯砌的基礎上，建立立體的生態(tài)空間。對混凝土渠道的生態(tài)改造類型眾多，但總體上都是在渠道底部布置縱向生態(tài)帶，在渠底和邊坡上布置橫向生態(tài)帶，使之交叉形成多個網格，并在生態(tài)帶中填充有機材質作為防滲，之后可種植適當植被。高郵灌區(qū)[1]的頭閘干渠、車八干渠、車邏干渠集鎮(zhèn)段、南關干渠下段等采用的就是混凝土生態(tài)處理。

混凝土渠道的生態(tài)處理，其優(yōu)點是通過建設生態(tài)帶形成生態(tài)網格，增強了渠道的邊坡穩(wěn)定性、抗沖蝕性、防滲性、生態(tài)多樣性和景觀性，基本的輸水功能也得以保證，且對于北方地區(qū)來說具有一定的抗凍性，造價與傳統(tǒng)硬質化渠道差不多。但也存在生態(tài)帶面積和效果有限、防滲結構易老化、不易維護的缺點。

3.2 植生型防滲砌塊

植生型防滲砌塊技術最早由河海大學王超、王沛芳等研究開發(fā)，在實際工程應用過程中具有多種構造和實現(xiàn)形式，通常由不透水的混凝土塊和供水生植物生長的井型無砂混凝土框格組成防滲砌塊，塊體之間由凸起和凹槽的聯(lián)結緊密排列于渠道底部，框格中填充土質，種植水生植物。瑪納斯灌區(qū)、渾蒲灌區(qū)、高郵灌區(qū)均已應用此種生態(tài)渠道。

植生型防滲砌塊技術優(yōu)點在于施工簡單，有利于邊坡穩(wěn)定，且對邊坡的保護具有持久性和景觀性，材料易獲取；缺點是造價相對較高，邊坡防護所用混凝土較少，孔隙率較低，且對于質量要求較高，否則一旦滲漏、凍脹破壞很大。

3.3 植物-工程措施復合護坡

植物-工程措施復合是指現(xiàn)澆或預制的混凝土塊體和營養(yǎng)型無紡布或種植土的有機結合，并種植植被。贛撫平原灌區(qū)[4]西總干二干渠高田渠段就試驗了4種不同設計形式的植物-工程措施復合護坡，包括生態(tài)混凝土六角混凝土塊護坡、植生袋六角混凝土塊護坡、植草六角混凝土塊護坡和現(xiàn)澆生態(tài)混凝土護坡。這種生態(tài)渠道在施工、后期管理、經濟性和社會生態(tài)效益等方面均具有一定優(yōu)勢。

3.4 原生態(tài)植被防護

原生態(tài)植被防護是一種原生態(tài)草皮護坡，特點是保持當?shù)刈匀簧L的植被，利用岸邊原有的蘆葦、柳樹等天然植物所組成的生態(tài)系統(tǒng)保護渠道生態(tài)，最大程度保持水體自凈能力和當?shù)卦械纳鷳B(tài)群落。高郵灌區(qū)的周山干渠采用了此生態(tài)渠道技術進行工程建設。

這種生態(tài)渠道技術經濟性和生態(tài)性都很好，但群眾滿意度不高。因岸坡穩(wěn)定性較低，故具有一定局限性，只適用于水體流動緩慢、對岸坡侵蝕較小的渠道，且在輸水效率和防滲方面較差，一般適用沒有防沖要求的渠道。

4 生態(tài)渠道比選

在生態(tài)渠道型式比選時，指標特性及分類標準不同，同時涉及許多不確定、模糊的因素，基于模糊數(shù)學理論的模糊模式識別模型是處理這類整體評價問題的有效途徑。本文將采用基于模糊數(shù)學理論的模糊模式識別，建立相關比選模型，利用模糊評價法對生態(tài)渠道進行比較選擇。

模糊綜合評價大致過程為：①確定評價因子及因子權重；②確定評價因素集及隸屬度；③單因素模糊評判，確定單因素評判模糊矩陣；④進行綜合評判。

4.1 確定評價因子

通過對生態(tài)渠道特征進行分析，結合實際應用經驗，選擇輸水穩(wěn)定性(A1)、生態(tài)性(A2)、施工管護(A3)、景觀性(A4)、經濟性(A5)5個評價因子。從這5方面考慮各生態(tài)渠道特點，見表1-表2。

表1 生態(tài)渠道綜合評價指標

表2 生態(tài)渠道對比分析表

4.2 確定因子權重

各因子對技術選擇的影響程度不盡相同，在本次評價中，主要通過各因子的權重系數(shù)來反映這種差異性。權重的確定主要根據各因子對技術選擇的作用強弱來確定，按照表3的評價標準，建立判斷矩陣，見表4。

表3 AHP法的標度原則

表4 判斷矩陣

經計算，該判斷矩陣的最大特征根λmax=4.8951，特征向量為(0.3810，0.2302，0.0793，0.0793，0.2302)T，CI=0.0262。

因為CR=CI/RI=0.0230，CR<0.1，所以該判斷矩陣是一致的。因此，技術評價各因子的權重系數(shù)分別為(0.3810，0.2302，0.0793，0.0793，0.2302)T。由權重系數(shù)可知，各因子對生態(tài)渠道比選影響的相對重要程度依次為A1>A2=A5>A3=A4，即重要性排序為：輸水穩(wěn)定性>生態(tài)性=經濟性>施工管護=景觀性。

4.3 渠道型式比選

利用專家評定法，對隸屬度值進行確定。按照隸屬度模型公式，計算各因子的不同隸屬度值，可以得到模糊關系矩陣。以混凝土渠道生態(tài)處理為例的模糊關系R為：

由評價向量B可以看出，混凝土渠道生態(tài)處理隸屬于很適宜的隸屬度值為0.3841，隸屬于較適宜的隸屬度值為0.3500，隸屬于中等適宜的隸屬度值為0.2579，隸屬于較不適宜的隸屬度值為0.0079。比較幾個隸屬值發(fā)現(xiàn)，混凝土渠道生態(tài)處理的隸屬于很適宜的隸屬度為最大。根據模糊數(shù)學最大隸屬度原則，最終評定混凝土渠道生態(tài)處理為很適宜。

對其他生態(tài)渠道進行評價，4種生態(tài)渠道模糊關系矩陣(R)計算結果見表5。

表5 模糊關系矩陣

經過模糊復合運算，不同等級的隸屬度值(B)見表6。

表6 生態(tài)渠道隸屬度值(B)

4.4 評價比選結果

根據模糊綜合評價法的評價原理，對4種生態(tài)渠道進行評價，其結果見表7。

表7 評價結果

5 結論與應用前景

鑒于灌區(qū)傳統(tǒng)渠道在生態(tài)環(huán)境方面的問題，生態(tài)渠道技術應運而生，可極大改善灌區(qū)生態(tài)環(huán)境和水體自凈能力，對于保障農田生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性具有重要作用。本文對混凝土渠道生態(tài)處理、植生型防滲砌塊技術、植物-工程措施復合護坡、原生態(tài)植被防護等生態(tài)渠道主要形式進行分析，并以模糊評價法進行了評價。結果表明，哈爾濱市灌區(qū)生態(tài)渠道建設可根據實際情況重點考慮混凝土渠道生態(tài)處理和植生型防滲砌塊這兩種形式。

目前，對灌溉渠道引起的生態(tài)環(huán)境問題研究尚且不足，傳統(tǒng)渠道對生態(tài)環(huán)境影響的機理還未完全清晰，灌溉渠道對農田生態(tài)系統(tǒng)的具體影響尚缺乏系統(tǒng)全面的理論。生態(tài)渠道技術的研究是由河流生態(tài)治理措施借鑒、演變、擴展而來，尚處于發(fā)展階段，對生態(tài)渠道后期管理、維護和監(jiān)測也缺乏深入探討，生態(tài)渠道的構建技術及其在生態(tài)型灌區(qū)的應用等方面還需進一步試驗研究。