上海市練塘鎮(zhèn)生態(tài)溝渠試點(diǎn)工程設(shè)計

張小平

（上海市青浦區(qū)練塘鎮(zhèn)水務(wù)管理所，上海 201715）

1 工程概況

練塘鎮(zhèn)生態(tài)溝渠試點(diǎn)工程以練塘鎮(zhèn)東莊村為試驗(yàn)場地，試點(diǎn)項目選擇練塘鎮(zhèn)2014年小型農(nóng)田水利設(shè)施工程中靠近項目區(qū)內(nèi)小河，面積8.3hm2的田塊作為試點(diǎn)項目區(qū)。

項目區(qū)地塊近似于長方形，一級溝渠（長1410m）布設(shè)于項目區(qū)塊四周，一級溝渠出水經(jīng)集水井匯入地塊南側(cè)的小河道中，小河道（長500m）作為二級溝渠，通過構(gòu)建生態(tài)滲濾壩和水生植被進(jìn)一步凈化水質(zhì)。

2 一級生態(tài)溝渠設(shè)計

排水溝的主要功能是排澇，由毛溝即豎向排水溝和橫向排水溝組成田間排水網(wǎng)絡(luò)。即由平行于格田田塊長邊的毛溝，將澇水排入橫溝，由橫溝排入村、鎮(zhèn)級河道。該項目中一級溝渠即為傳統(tǒng)意義上的橫溝，農(nóng)田廢水經(jīng)毛溝匯流后進(jìn)入一級溝渠，田塊毛溝深度20cm左右，設(shè)計毛溝間距由田塊長度確定，種植水稻時為60m，溝深30cm。毛溝采用開敞式土溝形式，每年在作物輪作時進(jìn)行調(diào)整。格田中帶有化肥、農(nóng)藥的回歸水不得直接排入鎮(zhèn)、村級河道，毛溝出水先經(jīng)由一級溝渠中所設(shè)生態(tài)磚和水生植物等先期對污染物質(zhì)進(jìn)行截流。

2.1 一級溝渠方案比選

常見的一級溝渠形式主要有襯砌的T型混凝土溝、土溝，以及為推廣生態(tài)農(nóng)業(yè)技術(shù)所采用的生態(tài)溝渠等類型。

2.1.1 T型混凝土溝

斷面為梯型，設(shè)計口寬1.3m，底寬0.3m，溝深1.0m。

明溝側(cè)板采用裝配式混凝土預(yù)制板，施工方便且整體性較好。施工中底板由上之下依次為：30mm厚C20素混凝土找平層，22mm厚C20素混凝土鋪底，50mm厚C20素混凝土基礎(chǔ)層，夯實(shí)填土，壓頂采用C25鋼筋混凝土現(xiàn)澆。溝頂高程部高出農(nóng)田高程20cm。

2.1.2 土溝采用梯型斷面

土溝設(shè)計底寬0.5m，溝深1.0m，口寬1.5m，邊坡1∶0.63。土溝頂高程高出農(nóng)田高程20cm。

2.1.3 生態(tài)溝渠采用梯型斷面

生態(tài)溝渠頂高程高出農(nóng)田高程20cm。

本次對溝渠進(jìn)行比選，如表1。

表1 排水溝形式比選

從表1看出，土溝雖然施工簡便、較為經(jīng)濟(jì)，但存在易滲漏、沖刷、淤堵、坍塌且維護(hù)周期短等缺點(diǎn)，實(shí)用性較差。

T型混凝土溝是青浦區(qū)農(nóng)田水利建設(shè)中經(jīng)常采用的排水溝類型，不抗?jié)B、抗沖刷性好，維護(hù)周期較長，但是其對氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)沒有截流凈化功能，完全隔絕溝內(nèi)外物質(zhì)和能量的交換，且不適于植物和動物生長，與生態(tài)文明建設(shè)的要求背道而馳。

生態(tài)溝渠符合“青西郊野公園”生態(tài)、美觀的建設(shè)要求，溝內(nèi)可長水草、生物等，并可實(shí)現(xiàn)農(nóng)田廢水的初期凈化和營養(yǎng)物質(zhì)截流等。因此，綜合考慮優(yōu)缺點(diǎn)、適用條件和造價等方面因素，本工程橫向排水溝擬采用生態(tài)溝渠的形式。

2.2 一級生態(tài)溝渠設(shè)計

項目區(qū)為砂性土質(zhì)，為防坍塌，生態(tài)溝渠在原有土溝休整的基礎(chǔ)上鋪設(shè)生態(tài)站等以增強(qiáng)溝渠的抗坍塌和抗沖刷能力，并增強(qiáng)其凈化能力。

控制排水節(jié)水減污技術(shù)可明顯減少水田的滲漏損失，節(jié)省灌溉用水量，有效減少排水溝對承泄河道水體的污染。

排水溝的斷面為梯型，口寬2.0m，底寬0.5m，溝深1.0m。在排水溝布置上，應(yīng)盡量避免與干道、支道交叉，減少排水溝穿過道路所需的埋管、涵洞等工程量，故在道路較為密集的地方，排水溝采用沿灌區(qū)邊緣布置的方法來繞過干道和支道。

2.2.1 生態(tài)溝渠布設(shè)

根據(jù)項目區(qū)塊現(xiàn)狀，在項目區(qū)北側(cè)生態(tài)溝渠中部設(shè)土壩，保證農(nóng)田出水向東西兩側(cè)分流，在東西兩段分別設(shè)置不同的生態(tài)溝渠形式，形成并聯(lián)模式，最后在項目區(qū)南側(cè)的溝渠內(nèi)通過集水井匯入河道。分別在東西兩側(cè)設(shè)置水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)以驗(yàn)證不同形式生態(tài)溝渠的攔截凈化能力，其中生態(tài)磚溝渠位于項目區(qū)塊的西北側(cè)，長352m，預(yù)制連鎖塊溝渠位于項目區(qū)的西南側(cè)，長368m，植生袋溝渠位于項目區(qū)的東北側(cè)，長352m，生物混凝土溝渠位于項目的東南側(cè)，長338m。

2.2.2 生態(tài)斷面

生態(tài)溝渠中共選用4種材料，分別為生態(tài)磚、生物混凝土、植生袋和預(yù)制連鎖塊。

2.2.2.1 預(yù)制連鎖塊

預(yù)制連鎖塊生態(tài)溝渠位于項目區(qū)塊的西南側(cè)，采用獨(dú)特的聯(lián)鎖型塊體設(shè)計，周圍的4塊共同聯(lián)鎖，相互嚙合固定，鋪面在水流作用下具有良好的整體穩(wěn)定性，滲水型柔性結(jié)構(gòu)鋪面能夠降低流速，減小流體壓力和提高排水能力預(yù)制連鎖塊中間留有種植孔，可供濕生植物生長，利用濕生植物的攔截和同化作用凈化面源徑流中的污染物。

2.2.2.2 生物混凝土

生物混凝土生態(tài)溝渠位于項目區(qū)塊的東南側(cè)。生物基質(zhì)混凝土呈六邊形，外圈為六邊形的預(yù)制混凝土，骨料層由石料、水泥、生物添加劑（8kg/m3摻量）、水經(jīng)機(jī)械拌合制備。所用石料要求無級配單一粒徑50mm，石料粒徑合格率應(yīng)≥99%，含泥砂量＜0.5%（可采取預(yù)先水洗方法潔凈）。生物添加劑富含的有效微生物菌落能自行分解落葉、枯枝、昆蟲、小動物尸體等各種有機(jī)體，又能加速土壤中各種污染物的分解，避免使用化肥、農(nóng)藥等造成水體污染的可能性，既有利于水體安全保護(hù)，又利于環(huán)保生態(tài)和景觀美化。水生植物、小動物、昆蟲和微生物等均可在生物混凝土中存活，最終形成穩(wěn)定的生物群落，取得長期的生態(tài)恢復(fù)效果。

2.2.2.3 植生袋

植生袋生態(tài)溝渠位于項目區(qū)塊的東北側(cè)。采用無紡布和遮陽網(wǎng)制作，質(zhì)量輕，強(qiáng)度高，抗紫外線性能優(yōu)，耐用性長，透水性與透氣性俱佳。由“植生袋+連接扣+植被種植”通過穩(wěn)固堆疊方式構(gòu)成的生態(tài)溝渠，再加上后期發(fā)達(dá)根系穿透生態(tài)袋扎入邊坡泥土而使得邊坡更加穩(wěn)固。植生袋保土滲水的功能減小了邊坡靜水壓力，也保證了水分在土壤中的正常交流，提供了植被賴以生存的介質(zhì)，使得邊坡的綠化效果更加明顯、更加有效。

2.2.2.4 生態(tài)磚

生態(tài)磚生態(tài)溝渠位于項目區(qū)塊的西北側(cè)。生態(tài)磚呈井字型，井字型磚體中央為種植植物的種植孔，制作材料除常規(guī)的水泥黃沙外，并加入一定配比的火山石和礦渣，在保證強(qiáng)度的同時使得該預(yù)制磚孔隙率高，透水性好，可保證水土界面和所種植物間形成有效的能量物質(zhì)微循環(huán)，為植物、微生物生長提供良好的小生境，加快生態(tài)修復(fù)速度，并利用火山石和礦渣等的強(qiáng)吸附作用增強(qiáng)對氨氮和磷的去除能力；生態(tài)磚自身留有卡槽，相鄰磚體間可緊密咬合，形成柔性的生態(tài)護(hù)坡，具有施工簡單迅捷的優(yōu)點(diǎn)；此外，該生態(tài)預(yù)制磚的成本較低，運(yùn)輸方便，作為護(hù)岸材料施工完成后的抗沖刷性強(qiáng)，護(hù)岸牢固。

2.2.3 植被設(shè)計

一級生態(tài)溝渠植物選擇水芹菜和茨菰等矮形水生植物，且均可作為水生蔬菜利用，所種植的兩種水生植物要求無病蟲害、長勢旺盛，高度應(yīng)在0.1m以上。其中植生袋形式的生態(tài)溝渠植物選擇狗牙根和高羊茅等混植。預(yù)制連鎖塊生態(tài)溝渠植物株行距0.1m×0.15m，水芹菜和茨菰等2種植物品字形交錯種植；生物混凝土生態(tài)溝渠植物株行距0.15m×0.30m，水芹菜和茨菰等2種植物品字形交錯種植；生態(tài)磚生態(tài)溝渠植物株行距0.15m×0.30m，水芹菜和茨菰等2種植物品字形交錯種植，如圖1。

圖1 河道水生植被布設(shè)斷面

3 二級溝渠設(shè)計

二級溝渠為原有河道加以改造而成，二級溝渠長500m，設(shè)計內(nèi)容主要為水生植被設(shè)計，根據(jù)河道原有坡比和高程設(shè)計，根據(jù)不同的水深設(shè)計水生植物，河道底部高程0.5m，寬1.5m，種植鄉(xiāng)土沉水植物——金魚藻，種植間距0.1m×0.1m，種植面積750m2；高程0.5～1.25m區(qū)間內(nèi)，種植浮葉植物——芡實(shí)，種植間距0.5m×0.5m，種植面積2250m2；高程1.25～2.0m區(qū)間內(nèi)種植以采摘蓮蓬為目的的子蓮，種植間距0.5m×0.5m，種植面積2250m2。

4 配套建筑物設(shè)計（集水井）

集水井布置在一級生態(tài)溝渠匯流入河道處。地面以下采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，下部為C15素混凝土墊層厚100mm，C25鋼筋混凝土基礎(chǔ)厚200mm，地面以上井壁采用磚砌結(jié)構(gòu)，井內(nèi)安裝SYZ型鑄鐵壤銅圓閘門控制管道的過流量，由啟閉機(jī)控制，管道穿井壁時設(shè)膨脹止水帶止水，圈梁采用C25鋼筋混凝土澆筑，上部設(shè)預(yù)制蓋板置。

5 面源污染監(jiān)測

通過對4種生態(tài)溝渠及T型混凝土溝渠進(jìn)出水水質(zhì)對比分析，比較項目區(qū)內(nèi)設(shè)置的5種溝渠形式對于農(nóng)業(yè)面源污染中主要污染物的處理能力，為優(yōu)化生態(tài)溝渠形式、推廣生態(tài)溝渠技術(shù)提供技術(shù)支持。水質(zhì)監(jiān)測時間設(shè)置為2015年8～10月，每月監(jiān)測2次，監(jiān)測時間選擇降雨或農(nóng)田排水等時間節(jié)點(diǎn)。

5.1 水質(zhì)監(jiān)測樣點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)工程現(xiàn)場農(nóng)田排水現(xiàn)狀和監(jiān)測目的，設(shè)置14個水質(zhì)采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)布設(shè)如圖2。

圖2 監(jiān)測樣點(diǎn)布設(shè)

由圖2可知，①采樣點(diǎn)1和9為生態(tài)磚溝渠的起點(diǎn)和終點(diǎn)，通過水質(zhì)對比分析生態(tài)磚溝渠的凈化能力；②采樣點(diǎn)2和4為植生袋溝渠的起點(diǎn)和終點(diǎn)，通過水質(zhì)對比分析研究植生袋溝渠的凈化能力；③采樣點(diǎn)9和7為預(yù)制連鎖塊溝渠的起點(diǎn)和終點(diǎn)，通過水質(zhì)對比分析研究預(yù)制連鎖塊溝渠的凈化能力；④采樣點(diǎn)4和采樣點(diǎn)6為生物混凝土溝渠的起點(diǎn)和終點(diǎn)，通過水質(zhì)對比分析研究預(yù)制連鎖塊溝渠的凈化能力；⑤采樣點(diǎn)11，12，13等3個監(jiān)測樣點(diǎn)為水泥明渠沿程監(jiān)測點(diǎn)，通過水質(zhì)對比分析研究水泥明渠的凈化效果，與位于生態(tài)溝渠的8，9，10等3個采樣點(diǎn)進(jìn)行水質(zhì)對比，研究不用水泥明渠和生態(tài)溝渠對于農(nóng)田排水凈化能力的差異；⑥采樣點(diǎn)14，15，16布設(shè)于項目區(qū)塊南側(cè)的河道內(nèi)，通過沿程水質(zhì)監(jiān)測研究河道內(nèi)水生植被對于農(nóng)田排水的凈化效果。

5.2 水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)和分析方法

水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)有：SS、氨氮、CODMn、總氮和總磷等5個指標(biāo)。

SS用重量法測定，氨氮用納氏試劑比色法，CODMn用高錳酸鉀氧化法，總氮用堿性過硫酸鉀消解—紫外分光光度法，總磷用過硫酸鉀消解—鉬酸胺分光光度法。取樣及水質(zhì)監(jiān)測執(zhí)行GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》。

6 結(jié)語

練塘鎮(zhèn)生態(tài)溝渠試點(diǎn)工程以練塘鎮(zhèn)東莊村為試驗(yàn)場地，在項目區(qū)塊四周設(shè)置一級生態(tài)溝渠 （長1410m），一級溝渠出水經(jīng)集水井匯入地塊南側(cè)的小河道中，小河道作為二級溝渠（長500m）通過水生植被進(jìn)一步凈化水質(zhì)。提升河道景觀，改善河道生態(tài)，逐步進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，營造休閑宜居水環(huán)境。