渠道生態(tài)襯砌技術(shù)的應(yīng)用實踐

劉玉武，馬麗娟

（1.甘肅省臨澤縣水務(wù)局，甘肅 臨澤 734200； 2.甘肅省臨澤縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，甘肅 臨澤 734200）

0 引言

灌溉渠道是連接灌溉水源和灌溉土地的水道，它是灌區(qū)的主要組成部分。長期以來，在灌區(qū)建設(shè)和改造中，為了減少水體滲漏，保障渠道的水量調(diào)配和輸水效率，提高水資源利用率，采用混凝土、塊石等材料對渠道進行襯砌。 這種傳統(tǒng)的襯砌渠道具有節(jié)水、堅固、美觀、運行安全等優(yōu)點，在灌區(qū)的建設(shè)和發(fā)展中發(fā)揮了巨大作用。但從生態(tài)角度看，傳統(tǒng)的襯砌渠道不利于多樣性生物的生存， 降低了渠道的自凈能力， 切斷了地下水的補給途徑， 造成地下水位下降， 還會使農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)和能量連續(xù)性遭到破壞［1］。

黨的十八大把生態(tài)文明建設(shè)納入中國特色社會主義事業(yè)“五位一體”總體布局。水是生態(tài)之基，水生態(tài)文明是生態(tài)文明的基礎(chǔ)和重要組成部分。 甘肅省臨澤縣提出了“水系繞城、綠帶擁城、塞上江南、秀美臨澤”的生態(tài)文明建設(shè)目標(biāo)。按照生態(tài)水利建設(shè)和生態(tài)環(huán)境保護的需求， 傳統(tǒng)的襯砌技術(shù)已不適應(yīng)現(xiàn)代水利建設(shè)的要求。為了使溝渠能發(fā)揮正常功能，需通過創(chuàng)新改造，研究出生態(tài)襯砌技術(shù)，以解決傳統(tǒng)襯砌渠道帶來的問題，并修復(fù)縣域水系的生態(tài)功能?；诖?，筆者試對生態(tài)襯砌技術(shù)進行探究，并對新技術(shù)的應(yīng)用前景進行探討［2］。

1 傳統(tǒng)襯砌渠道的弊端

臨澤縣位于甘肅省河西走廊中部， 是張掖盆地的重要組成部分［3］。 該區(qū)年均降水量不足120 mm，戈壁荒山面積約占全縣總面積的70%，“有水為綠洲、無水為荒漠”的特征十分明顯。近年來，臨澤縣在水資源有效利用和現(xiàn)代化水利建設(shè)的過程中， 大多采用傳統(tǒng)的襯砌渠道。傳統(tǒng)襯砌渠道存在以下弊端。

1.1 植被逐年退化，樹木干枯

在小型河道治理中， 采取混凝土或砌石襯砌形式，雖起到了有效防洪和保護周邊農(nóng)田的作用，但也阻斷了河道兩岸堤防周邊的水域、沙洲、灘地、洪水侵蝕區(qū)、護堤地等區(qū)域的補水通道，致使河岸兩側(cè)無耕區(qū)的沙洲、淤泥夾心灘、河床過渡區(qū)等區(qū)域的植被因缺水而逐年退化，樹木干枯，生態(tài)系統(tǒng)受到影響。

1.2 自凈能力下降，生物多樣性降低

在灌區(qū)干支渠道改建及水系連通工程中， 對渠道進行硬化襯砌后，渠道表面光滑，但因無植被及泥土原生態(tài)地貌，致使水體的自凈能力下降、生物多樣性降低，導(dǎo)致生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)遭到破壞。

1.3 保濕能力下降，補水通道阻斷

在一些地下水平衡的地區(qū)，因渠道的改建襯砌，阻斷了地下水自然補給平衡通道， 導(dǎo)致地下水位逐年降低。 通過運行觀察，筆者發(fā)現(xiàn)，這些區(qū)域地面農(nóng)田的保濕能力和抗旱能力逐年下降， 尤其是在地表水與地下水混合灌溉灌區(qū)，因地下水被過度抽取，已引發(fā)了新的生態(tài)問題。

1.4 土壤鹽漬化，生態(tài)失去平衡

在地下水位較高的濕地地區(qū)（如梨園河灌區(qū)小屯片），地下水較豐富，涌泉泉眼較多，其水利設(shè)施命名都與泉眼有關(guān)，如雙泉湖水庫、九眼泉干渠、五眼泉干渠等。無襯砌渠道在引泉水至濕地周邊的農(nóng)田進行灌溉時，渠道穿過濕地，對濕地起到了一定的補水作用，一直保持著其周邊的生態(tài)平衡。用傳統(tǒng)的方法對渠道進行防滲改建后， 濕地不能通過自然的方式補水，水位逐年下降，濕地的水草連年有退化趨勢，且土壤出現(xiàn)了不同程度的鹽漬化，打破了生態(tài)平衡。

2 生態(tài)渠道的實踐

由于傳統(tǒng)的襯砌渠道存在諸多生態(tài)環(huán)境問題，在這種情況下，既能滿足輸水需要，又能降低工程設(shè)施對生態(tài)環(huán)境影響的生態(tài)渠道逐漸成為灌區(qū)生態(tài)化建設(shè)的重要發(fā)展趨勢。自20 世紀(jì)60 年代起，國外就已開始進行生態(tài)河道的建設(shè)，如通過河道恢復(fù)裁彎取直，混凝土護岸拆除、堤壩去除等措施，恢復(fù)河流生態(tài)環(huán)境與自然形態(tài)，增強河流自凈能力，使沿岸生態(tài)環(huán)境的生機與活力得以恢復(fù)。當(dāng)前，國外關(guān)于建設(shè)生態(tài)河道的措施也應(yīng)用到渠道建設(shè)方面。 近年來，我國也已認(rèn)識到水利工程對生態(tài)環(huán)境的影響， 同時也進行了相關(guān)的研究。 灌區(qū)渠道建設(shè)也融入了生態(tài)環(huán)境保護因素，實現(xiàn)了水利工程與生態(tài)環(huán)境的和諧共存。 近年來，臨澤縣在河流綜合治理、河湖庫水系連通建設(shè)、灌區(qū)改造等工程中，積極探討實踐生態(tài)渠道建設(shè)，并取得了一些效果，對改善全縣水生態(tài)環(huán)境，筑牢水生態(tài)安全屏障，保障經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展起到了積極的作用。

2.1 關(guān)于生態(tài)渠道方案的構(gòu)想

建設(shè)生態(tài)渠道就是在渠道襯砌中引入生態(tài)護坡。根據(jù)不同地質(zhì)條件、輸水要求、造價等，生態(tài)渠道建設(shè)可采用以下不同設(shè)計方案。

2.1.1 渠道結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）方案一?；炷粒ɑ驖{砌石）渠底、坡腳，生態(tài)護坡襯砌斷面。該方案的優(yōu)點是：渠道底部設(shè)計為剛性斷面，抗變形能力強，施工質(zhì)量易控制；渠道便于清淤，輸水能力強。 該方案的缺點是：工程造價相對高，設(shè)計必須考慮渠底的抗凍脹要求。 另外，因為在冬天需要清理渠中積水及淤積物， 不符合生態(tài)設(shè)計理念，且運行管理成本較高。

（2）方案二。干砌石渠底、坡腳，生態(tài)護坡襯砌斷面。該方案的優(yōu)點是：渠底、坡腳為柔性斷面設(shè)計，凍融變形對渠道影響較小， 抗變形能力較好， 安全性高；施工技術(shù)簡單。 該方案的缺點是：耗用勞動力較多，難以采用機械化施工，工期較長；原材料取材局限性較大，工程造價相對較高。

（3）方案三。沙礫石渠底，生態(tài)護坡襯砌斷面。該方案的優(yōu)點是：渠底為柔性斷面設(shè)計，對于沙礫石地基，施工時可就地取材，符合生態(tài)保護要求，凍融變形對渠道影響極小，施工技術(shù)簡單，造價較低。 該方案的缺點是： 渠道水位線以下生態(tài)護坡中的種子不易生根發(fā)芽，且水位線以下坡腳抗變形能力較弱，加之坡腳常期浸泡在水中，容易引起滑塌。

（4）方案四。 沙礫石渠底，干砌石坡腳，生態(tài)護坡襯砌斷面。 該方案的優(yōu)點是：渠底為柔性斷面設(shè)計，施工時可就地取材，符合生態(tài)保護要求，凍融變形對渠道影響極小，施工技術(shù)簡單；干砌石坡腳穩(wěn)定性較強， 抗變形能力好， 對凍融變形影響較小，安全度也較高，造價適中。 該方案的缺點是施工工序較多。

2.1.2 生態(tài)護坡材料的選擇

生態(tài)護坡主要采用的材料為土工格室、生態(tài)袋、水土保護毯。

土工格室是高強度土工合成材料， 它是一種將強化的HDPE 片材經(jīng)高強力超聲波焊接而組成的三維網(wǎng)狀格室結(jié)構(gòu)［4］。 土工格室的優(yōu)點是：伸縮自如，運輸折疊方便；施工時，可張拉成網(wǎng)狀或蜂窩狀立體網(wǎng)格，在其中填入泥土、碎石等松散物料，形成具有強大側(cè)向限制和大剛度的結(jié)構(gòu)體；材質(zhì)輕、耐磨損、耐穿刺、耐光氧老化、耐酸堿、化學(xué)性能穩(wěn)定，連接方便、施工迅速。

生態(tài)袋又稱植生袋， 是用以聚丙烯或聚酯纖維為原材料制成的雙面熨燙針刺無紡布（一種抗紫外線耐酸堿的合成材料）加工成的袋子。生態(tài)袋具有施工鋪設(shè)簡便， 草種可隨意調(diào)整且分布均勻、 成活率高，形成草皮護坡快的優(yōu)點。它還可根據(jù)氣候條件選擇有較強的環(huán)境適應(yīng)性、管理粗放、耐寒旱、生長迅速、再生能力強的黑麥草、高羊茅、細(xì)羊茅和波斯菊為生態(tài)袋參考草種。 生態(tài)袋內(nèi)裝填材料主要由種植壤土、黃沙、有機肥及微生物菌劑組成，經(jīng)充分拌和發(fā)酵后，裝袋，沿渠道坡比分層橫向疊砌。

水土保持毯是一種由PA6 聚酰胺單絲纖維制成的開孔的三維網(wǎng)墊，孔隙率在90%以上，孔隙中填入土料和草種，種植草穿過網(wǎng)墊生長，其根系深入土中，植物、網(wǎng)墊、根系與土合為一體，形成牢固密實整體，貼于坡面的表皮。 該護坡結(jié)構(gòu)耐久性極高，視覺上與天然植被護坡無異，具有固土性能優(yōu)良、消能作用明顯、網(wǎng)絡(luò)加筋突出、保溫功能良好的特點，使用壽命長達50 年，土壤握持率高，抗水流沖刷能力強［5］。

2.2 生態(tài)渠道方案的實踐及應(yīng)用

生態(tài)渠道襯砌形式的選擇不可千篇一律， 因為這樣不僅起不到生態(tài)和環(huán)保的作用， 也不利于工程造價。應(yīng)根據(jù)不同地質(zhì)情況及生態(tài)和供水的需求，因地制宜地選擇渠道襯砌形式，分類設(shè)計實施。

2.2.1 沙礫石地基灌溉渠道的生態(tài)建設(shè)

對于沙礫石地質(zhì)條件較好的引水灌溉渠道，除了考慮水質(zhì)凈化生態(tài)和水系兩側(cè)生態(tài)綠化的需要外，還要達到節(jié)水的目的，故應(yīng)采取干砌反坡腳，生態(tài)護坡襯砌斷面的設(shè)計方案（方案四），并外加防滲措施。 如渠道設(shè)計底寬為4～7 m，渠深為0.7 m，水深為0.4 m，渠底襯砌結(jié)構(gòu)從下到上依次為10 cm 厚中粗沙、0.3 mm 厚復(fù)合土工膜、10 cm 厚中粗沙、35 cm厚沙礫石墊層。土工膜及上、下中粗沙墊層以1∶3 坡度由渠底兩側(cè)向渠坡延伸至渠頂設(shè)計高程， 渠坡臨水坡水面以下采用30 cm 厚干砌石護砌， 水面以上采用生態(tài)護坡，按1∶3 坡度護砌至渠頂高程，生態(tài)護坡厚為30 cm。臨澤縣城鄉(xiāng)水系連通工程、臨澤縣14萬畝生態(tài)公益林供水工程等穿越沙礫石旱灘區(qū)段，采用該方案，取得了生態(tài)保護與節(jié)水的雙重效果，其生態(tài)渠道橫斷面如圖1 所示。

圖1 沙礫石地基生態(tài)渠道橫斷面圖Fig.1 Cross-section of ecological channel of sand and gravel foundation

2.2.2 地下水位比較高的湖泊、 濕地區(qū)域生態(tài)渠道建設(shè)

對于地下水位比較高的湖泊、濕地區(qū)域（如臨澤縣梨園河灌區(qū)小屯片），由于地下水較豐富，涌泉泉眼較多，在設(shè)計中應(yīng)考慮引水渠段對渠道兩側(cè)自然補水的生態(tài)要求，更應(yīng)注重采取便于地下泉水溢出、暢通的工程措施。經(jīng)綜合分析，對于地下水位比較高的湖泊、濕地區(qū)域，可采取沙礫石渠底，生態(tài)護坡襯砌斷面（方案三）。 如渠道設(shè)計底寬為4～7 m，渠底襯砌45 cm 厚的沙夾礫石墊層， 兩邊渠坡按1∶3的坡度設(shè)置生態(tài)護岸。該方案最大的缺點是渠坡容易滑塌。 為防止岸坡滑坡，岸坡與溝底交界處加設(shè)木樁。 木樁直徑為35 cm，樁與樁有縫隙，使其具有透氣透水的優(yōu)點。 通過建設(shè)達到生態(tài)與供水雙達標(biāo)、濕地與工程措施相協(xié)調(diào)的目標(biāo)，臨澤縣梨園河灌區(qū)續(xù)建配套改建項目小屯段就采用了該設(shè)計方案，取得了較好的效果，其生態(tài)渠道橫斷面如圖2所示。

圖2 地下水位較高區(qū)域生態(tài)渠道橫斷面圖Fig.2 Cross-section of ecological channel of areas with higher groundwater levels

2.3 方案應(yīng)用注意事項

在生態(tài)渠道建設(shè)過程中，同時應(yīng)把握以下4 點［6］。

（1）順應(yīng)自然，增加渠道自然性。 渠道的自然性為渠道生態(tài)的生物多樣性提供了條件， 與直線渠道相比， 自然彎曲渠道適宜更復(fù)雜的動植物群落生長和棲息， 同時渠道彎曲性會增加渠道輸水的時間和降低流速。 因此，在增加渠道的蜿蜒性建設(shè)時，應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)場實測地面高程、 最大不沖流速等因素確定渠道縱斷面。

（2）渠道與蓄水池相結(jié)合。生態(tài)渠道斷面形狀主要采用寬淺式梯形斷面，采用沙礫石、干砌石和生態(tài)護坡復(fù)合方式襯砌。 因為梯形斷面難以實現(xiàn)景觀生態(tài)效應(yīng)，因此，在渠道建設(shè)中，應(yīng)適當(dāng)加入蓄水區(qū)。這樣，既能滿足渠道輸水和調(diào)蓄功能，也可以滿足高水位和低水位景觀生態(tài)效應(yīng)的要求， 有利于形成多樣化的生態(tài)環(huán)境，適宜水生植物、魚類、兩棲動物的生長和棲息。

（3）因地制宜設(shè)置多級溢流壩。對于底坡較大的渠道，可沿渠道人工設(shè)置若干溢流壩。 這樣，一方面可以通過溢流壩保證在灌水間歇期渠道內(nèi)保留水面， 另一方面可以增強水體的復(fù)氧能力和水流的多樣化，保持生物的多樣性。

（4）加強養(yǎng)護是保證生態(tài)護岸生長效果的關(guān)鍵。生態(tài)坡建設(shè)完成后， 應(yīng)及時灑水養(yǎng)護， 保持護坡濕潤， 有利于出苗整齊； 工程工期宜安排在9 月份以前，以利于生態(tài)植物根系成長發(fā)育，確保植物越冬，次年正常發(fā)芽生長，形成草皮護坡，保障渠道邊坡穩(wěn)定；對降雨量較少的干旱地區(qū)，宜與綠化供水微灌工程配合實施，以保證生態(tài)護坡植物灌水需求，降低人工養(yǎng)護成本。

3 結(jié)語

通過幾年的實踐， 生態(tài)渠道在臨澤縣水利工程建設(shè)中得到了持續(xù)應(yīng)用。 生態(tài)渠道不僅美化了渠道環(huán)境、改善了生態(tài)系統(tǒng)、提升了生態(tài)文明建設(shè)水平，還取得了水利工程措施與生態(tài)景觀相協(xié)調(diào)、 相適應(yīng)的效果。 臨澤縣渠道生態(tài)襯砌技術(shù)的成功應(yīng)用可為河西干旱地區(qū)灌區(qū)渠道生態(tài)襯砌提供借鑒和參考。