土地整治項(xiàng)目中的生態(tài)型排水溝設(shè)計(jì)進(jìn)展與未來展望

回 禹，張 貞，付艷華

（天津城建大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，天津 300384）

傳統(tǒng)的土地整治項(xiàng)目主要以增加土地利用率、提高灌排效率、保障結(jié)構(gòu)安全、節(jié)約出資費(fèi)用、管理方便快捷為原則展開[1]，缺少必要的生態(tài)化設(shè)計(jì)，導(dǎo)致植物無法生存，動物棲息地退化嚴(yán)重，影響了生物多樣性保護(hù).為了實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的土地整治向生態(tài)化土地整治的轉(zhuǎn)型，需要迫切對現(xiàn)有的設(shè)施進(jìn)行改造.本文通過梳理傳統(tǒng)排水溝設(shè)計(jì)問題，總結(jié)生態(tài)型排水溝的設(shè)計(jì)進(jìn)展，以期為土地整治中生態(tài)型排水溝的設(shè)計(jì)提供參考.

1 傳統(tǒng)排水溝的設(shè)計(jì)

1.1 傳統(tǒng)排水溝材料的選擇

傳統(tǒng)排水溝的材料選擇多為混凝土類和磚石類的硬質(zhì)材料.混凝土材料可以根據(jù)排水溝功能需求制成不同強(qiáng)度和不同抗?jié)B等級的排水溝，并且能夠在凝結(jié)前按照模板預(yù)制成各種形狀，從而滿足排水溝不同斷面的需求，但是混凝土制成的排水溝自重普遍較大，容易產(chǎn)生裂縫，又因混凝土具有強(qiáng)聚熱性，當(dāng)天氣干燥炎熱時(shí)，排水溝內(nèi)溫度增加，嚴(yán)重影響排水溝內(nèi)生物的生存環(huán)境.另外，混凝土砌筑的排水溝滲透性極低，嚴(yán)重阻礙了排水溝與外界的互通關(guān)系.砌成后光滑的表面難以為排水溝內(nèi)的生物提供逃生支撐，排水溝內(nèi)的動物會因逃生不當(dāng)造成死亡，嚴(yán)重影響排水溝內(nèi)生物多樣性建設(shè).

磚石類排水溝普遍為條石或燒結(jié)磚砌體，在砌筑時(shí)無需支護(hù)模板，施工方便.但水泥砂漿抹面后的磚石排水溝的內(nèi)表面光滑，當(dāng)排水溝內(nèi)水流湍急時(shí)，容易沖刷排水溝內(nèi)的沉積物，不利于排水溝內(nèi)的生物群落建設(shè).不抹面砌筑雖保留了磚石表面的粗糙感，有利于排水溝內(nèi)沉積物的沉積作用，但是磚塊容易被水流侵蝕，長時(shí)間使用會造成磨損和斷裂，需要長期修復(fù)，經(jīng)濟(jì)性較差.除此之外，這種磚石的保溫隔熱性能很差，在排水溝工程中如果大面積使用，會影響排水溝內(nèi)的生物生存[2].

1.2 傳統(tǒng)排水溝斷面的設(shè)計(jì)

排水溝根據(jù)斷面的形狀可以分為矩形排水溝、梯形排水溝和U 形排水溝.矩形排水溝因結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，能適應(yīng)不同地形氣候條件施工建設(shè)，常建于山區(qū)或地形較復(fù)雜的地方，適用于堅(jiān)固巖石開鑿的石渠，可埋設(shè)于土基中，也可置于地面上[3].傳統(tǒng)的矩形排水溝的砌筑方式主要是全部采用現(xiàn)澆混凝土砌筑或護(hù)坡采用漿砌石砌筑，底板和壓頂采用現(xiàn)澆混凝土澆筑；梯形斷面作為一種常見的排水溝斷面形式，溝的深度與寬度成正比，不輕易調(diào)換，穩(wěn)定性較好.常見的砌筑方式主要有全現(xiàn)澆混凝土砌筑或邊坡采用預(yù)制板砌筑，其余部位混凝土砌筑[4]；U 形排水溝作為梯形排水溝的發(fā)展，是由一個(gè)半圓和兩個(gè)直線段組成，直線段高度一般約為半圓半徑的1/3 左右，U 形斷面基本符合最佳水力斷面的要求，溝內(nèi)表面的糙率最小，并且很好地解決了梯形排水溝兩岸掛冰的問題，在砌筑時(shí)常采用預(yù)制混凝土板砌筑[5].

1.3 傳統(tǒng)排水溝管護(hù)的設(shè)計(jì)

通常排水溝的管護(hù)工作是在排水溝出現(xiàn)問題之后進(jìn)行，然而如何有效地預(yù)防排水溝的破壞是設(shè)計(jì)階段需要考慮的問題.目前已有部分管護(hù)設(shè)計(jì)思路被提出，如：為了防止踏坡現(xiàn)象，通過采用預(yù)埋波紋管的方式進(jìn)行固坡，能有效地減輕兩側(cè)水壓對排水溝的影響[6]；為了減少滲漏損失，提升防滲效果，可以采取在排水溝迎水面做超出滲透溝道以外的防滲處理[7]或?qū)嗝娴撞扛某苫⌒谓Y(jié)構(gòu)[8]的措施；為了避免水流沖刷造成的填料缺失和襯砌破損，可以在溝道內(nèi)間斷設(shè)置攔水閘控制排水溝內(nèi)的水流速[9]；為了避免人員受傷，可以對敞開式的排水溝加設(shè)欄桿、蓋板等防護(hù)裝置[10].

1.4 傳統(tǒng)排水溝設(shè)計(jì)的問題

傳統(tǒng)排水溝選擇的材料僅注重承載力需求，忽略了生態(tài)建設(shè).材料因彈性不足、隔熱性差、滲透率低、表面光滑等問題，導(dǎo)致排水溝內(nèi)的生物群落建設(shè)被嚴(yán)重破壞，排水溝與外界的物質(zhì)交換受到阻礙.排水溝的斷面設(shè)計(jì)通常只考慮過水?dāng)嗝娴拿娣e和排水效率，對排水溝斷面的生態(tài)設(shè)計(jì)考慮甚少，高護(hù)岸型排水溝嚴(yán)重隔斷與外界的聯(lián)系，造成排水溝內(nèi)的動物無法借助邊坡進(jìn)行逃生而導(dǎo)致死亡的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生.

2 生態(tài)型排水溝的設(shè)計(jì)

2.1 生態(tài)型排水溝材料的選擇

2.1.1 邊坡生態(tài)材料

再生混凝土是一種將建筑物中的拆遷廢棄混凝土進(jìn)行破碎、清洗、分級等工序處理后[11]，生產(chǎn)的粗骨料可以替代天然骨料用于混凝土的再生利用的建筑物綠色轉(zhuǎn)型產(chǎn)物[12].山東農(nóng)業(yè)大學(xué)通過對再生混凝土進(jìn)行物理性能的研究發(fā)現(xiàn)，在邊坡上使用再生混凝土能起到固坡的作用，并且材料的多孔性結(jié)構(gòu)能滿足生物生存時(shí)建立穩(wěn)定的生態(tài)體系，起到凈化水質(zhì)的效果[13]；植生型混凝土具有超過20%的孔隙率，通過在孔隙中填充植物和營養(yǎng)劑后，能滿足植物在孔隙中的生長需求.目前植生型混凝土在發(fā)達(dá)國家主要被用于修建住宅、道路、廣場、屋頂、護(hù)坡等區(qū)域[14].我國對植生型混凝土的研究較晚，適用范圍局限于護(hù)岸[15]，如：對泰州市周山河護(hù)坡采用植生型混凝土砌筑，不僅加固了邊坡，而且削弱了波浪的流速和大小，還減輕了水流對溝道沖刷帶來的損失[16].黃浦江生態(tài)護(hù)坡示范區(qū)對植生型混凝土修建的護(hù)坡進(jìn)行粗放式管理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)護(hù)坡處的植被漲勢喜人，能起到安全防護(hù)的作用[17].

連鎖磚是一種在干燥情況下將1 ∶（8-10）比例的水泥和土壤經(jīng)過充分融合再浸水濕潤后，通過壓榨機(jī)壓榨形成，可以替代混凝土預(yù)制構(gòu)件的安全、環(huán)保、廉價(jià)的新型生態(tài)建材.連鎖磚的首次應(yīng)用是為生活在默拉皮山斜坡地區(qū)的人們建造房屋，之后又被應(yīng)用于砌筑道路、擋土墻、蓄水池、溝渠等領(lǐng)域[18].在我國，連鎖磚常被用于水利工程的邊坡建設(shè)中，錦州市小凌河匯流口段堤防的迎水面護(hù)坡首次使用連鎖磚建設(shè)，達(dá)到了固坡的效果[19]；研究表明利用熱液凝固技術(shù)將河道內(nèi)的沉積物與生物炭結(jié)合，形成可再生的熱液后鑄成磚石，可以作為新型護(hù)岸材料.這種護(hù)岸材料通過利用沉積物代替混凝土和石材等硬性材料，提高了材料的彈性強(qiáng)度，生物炭的加入也可以吸附河道內(nèi)氨氮和磷等營養(yǎng)物質(zhì).目前該材料已被用于長期受咸潮和徑流侵蝕影響，導(dǎo)致河岸受到嚴(yán)重破壞，河道嚴(yán)重淤積的上海崇明島的橫河西段[20].

土工合成材料是土木工程中使用高分子聚合物材料為原料制成各種土工產(chǎn)品的總稱，被廣泛用于建筑、鐵路、水利工程[21].在塊石貧乏的地區(qū)，排水溝的護(hù)坡常采用土工布袋和土工網(wǎng)替代傳統(tǒng)的砂礫石坡面提升邊坡的穩(wěn)定性，防止水土流失[22].

2.1.2 溝底生態(tài)材料

在摩洛哥，專家通過模擬瓦爾扎扎特的著名歷史建筑陶里爾特古堡的氣候數(shù)據(jù)，對植物纖維制成的免燒結(jié)黏土磚的熱性能進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明這種黏土磚可以在不需要供暖和制冷的情況下提升建筑的舒適性，達(dá)到節(jié)能效果[23].基于對排水溝內(nèi)生物群落的保護(hù)，可以在排水溝底部修建時(shí)考慮免燒結(jié)植物纖維磚這種材料，因?yàn)樗粌H無毒無味，貼合自然，而且在極端氣候下，利用其保溫的特點(diǎn)能為排水溝內(nèi)的生物提供適宜棲息環(huán)境.

土壤固化劑是一種由多種無機(jī)、有機(jī)材料合成的用于固化土壤的材料，使用時(shí)能使土壤具有近似混凝土的硬質(zhì)表面，但是下層又能近似于土壤一樣松軟，并且具有無毒、無腐蝕性、抗?jié)B性強(qiáng)的特點(diǎn)[24].其在國外常被廣泛應(yīng)用于道路、土木建筑、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)田水利工程建設(shè)中，能夠固化處理各種污泥.在我國主要應(yīng)用于解決堤壩滲漏、固化路基等領(lǐng)域[25].排水溝在溝底砌筑時(shí)使用土壤固化劑這種新型生態(tài)材料，不僅能節(jié)約混凝土、磚石的消耗，還解決了提升輸水效率的硬質(zhì)溝底與水生動物保育需要軟質(zhì)溝底的矛盾.

2.2 生態(tài)型排水溝斷面的設(shè)計(jì)

2.2.1 矩形排水溝

為解決矩形斷面高硬護(hù)坡與外界物質(zhì)交流的阻礙，可以采用自嵌式生態(tài)擋墻砌筑護(hù)坡的方式[26]，并通過在側(cè)壁設(shè)魚巢或植槽的凹洞[27]，豐富排水溝內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)建設(shè).

針對排水溝內(nèi)兩棲和爬行動物無法借助矩形排水溝高護(hù)岸進(jìn)行逃生的困境，部分學(xué)者提出在溝渠護(hù)坡的一側(cè)或兩側(cè)間隔設(shè)計(jì)斜坡或階梯式臺階（見圖1）[28-29].

圖1 傳統(tǒng)矩形排水溝與生態(tài)型矩形排水溝的斷面對比

2.2.2 梯形排水溝

梯形排水溝斷面的生態(tài)襯砌多是采用生態(tài)護(hù)坡的襯砌方式，常見的襯砌方式分為兩種：一是常水位以上的部分采用生態(tài)護(hù)坡襯砌，其余部分用混凝土或漿砌石砌筑；二是溝底以上的部分進(jìn)行生態(tài)護(hù)坡襯砌，襯砌的方式可以對常水位上下部分的邊坡進(jìn)行差異性修改，溝底用混凝土、漿砌石或素土夯實(shí)等方式砌筑[30-31].

梯形排水溝的斷面改造主要是滿足排水溝內(nèi)動物的逃生和棲息，通過將斜坡改造成臺階可作為排水溝內(nèi)動物的逃生空間[32]；把護(hù)坡和溝底的交匯處設(shè)計(jì)成深槽（見圖2），形成復(fù)式斷面，能滿足排水溝內(nèi)的水生動物在枯水期借助深槽存活和避難[33].

圖2 傳統(tǒng)梯形排水溝與生態(tài)型梯形排水溝的斷面對比

2.2.3 U 形排水溝

排水溝溝底如果設(shè)計(jì)成封底的形式會對生態(tài)環(huán)境造成影響，因?yàn)榕潘疁霞臃獾椎淖饔檬菫榱私鉀Q滲透問題.但是在北方土壤中黏性土的含量較高，因此可以不用考慮滲透問題的影響，故可以設(shè)計(jì)為不加封底的形式.其優(yōu)點(diǎn)是有利于溝底微生物的繁衍，起到改善水質(zhì)的效果.為了在凈化水質(zhì)的同時(shí)減少水流沖刷對排水溝造成負(fù)面影響，可以在溝道內(nèi)每隔一定距離設(shè)置一段預(yù)制混凝土U 形板[34].

為解決農(nóng)田中的兩棲動物在干旱的條件下無法借助U 形渠道逃脫的問題，王錦堂[35]提出了對鉤形斷面改造（見圖3）.即將一側(cè)斜坡建成傾斜角為30°的階梯型斷面，階梯的底部用水泥砌筑，臺階處用磚石砌筑.階梯與U 形渠道底部銜接處形成凹陷的部位用水泥澆實(shí)，減少滲漏造成的水流失.

圖3 U 形排水溝逃生通道斷面圖

2.3 生態(tài)型排水溝生物多樣性保護(hù)設(shè)計(jì)

2.3.1 動物逃生通道

（1）逃生斜坡.當(dāng)排水溝的邊坡坡度較大時(shí)，為解決田間的爬行動物無法逃生的情況，可以每隔20～30 m距離在排水溝的縱向設(shè)置單側(cè)或兩側(cè)間隔錯(cuò)開設(shè)計(jì)斜坡通道，斜坡寬度根據(jù)田間動物的種類、大小和邊坡厚度確定，為方便動物的爬行，坡度的設(shè)計(jì)一般小于或等于1 ∶1[36].該逃生通道的設(shè)計(jì)有利于為逃生動物提供臨時(shí)停留點(diǎn)，增大動物成功逃脫的機(jī)率[27].

（2）逃生臺階. 通過模擬農(nóng)田溝渠生境進(jìn)行大小青蛙跳躍試驗(yàn)，俞婧設(shè)計(jì)了階梯式生態(tài)板.該階梯式生態(tài)板每節(jié)臺階的高度為青蛙最大垂直跳躍高度的最小值30 cm，為保證青蛙蹲立時(shí)的最小立地空間，寬度依據(jù)青蛙身長的一半，確定為3 cm 或5 cm.該生態(tài)板能靈活放置于排水溝內(nèi)幫助青蛙進(jìn)行逃生，目前這種生態(tài)板已應(yīng)用于福建省小湖項(xiàng)目區(qū)以及湖北省荊門市示范區(qū)的溝渠改造中[36]；利用階梯式生態(tài)板的原理，劉曉南等人將排水溝的護(hù)坡設(shè)計(jì)成跳板渠壁，并在水流沖刷嚴(yán)重的區(qū)域不予設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)通過對原斷面進(jìn)行改造，既能節(jié)省材料又能增加排水溝內(nèi)過水?dāng)嗝娴拿娣e[29].

（3）逃生走廊. 在排水溝的頂部分段建設(shè)逃生走廊，能避免各生物族群間的隔離，幫助排水溝周邊的動物成功越過排水溝，滿足遷徙和逃生需求[32].不僅如此，逃生走廊的設(shè)計(jì)相當(dāng)于在排水溝的上部安裝了蓋板，也可以使排水溝內(nèi)的水生動物在逃生走廊下抵擋暴曬，遮陰避涼.

2.3.2 動物棲息空間

（1）生態(tài)孔洞. 根據(jù)多孔性原理在傳統(tǒng)的硬質(zhì)排水溝的護(hù)坡處間隔打設(shè)孔洞或凹巢，并回填碎石或土壤，能夠?yàn)榕潘疁蟽?nèi)的水生和兩棲動物提供適宜筑巢和保育的生存環(huán)境，從而逐漸增加排水溝內(nèi)的生物數(shù)量，滿足排水溝內(nèi)的生態(tài)修復(fù).有代表性的設(shè)計(jì)是葉艷妹等人通過在排水溝的邊坡處間隔打設(shè)孔洞并用PVC 管道填充，使PVC 管道成為溝內(nèi)魚蝦的生存空間的同時(shí)，還能有效降低排水溝內(nèi)壁的水壓力造成的踏坡隱患[28]；針對土質(zhì)排水溝內(nèi)的生物保育空間設(shè)計(jì)，可以從中國臺灣地區(qū)柯林涌泉圳的溝渠改造項(xiàng)目中獲取經(jīng)驗(yàn)，通過在排水溝的邊坡基腳處每隔一段距離垂直水流方向埋設(shè)香蕉莖，待其腐爛后形成天然孔洞，能夠成為排水溝內(nèi)水生動物的棲息空間.

（2）仿自然設(shè)計(jì). 為了使排水溝內(nèi)的動物達(dá)到近乎于自然的生存條件，可以對排水溝進(jìn)行仿自然設(shè)計(jì)，使排水溝具備類似于自然河道的生態(tài)屬性.通過將卵石以不規(guī)則的形態(tài)放置于溝底，營造出水流多樣性的流動，可以滿足不同生物的棲息條件[37]；針對過高、過陡、斜長渠壁的排水溝可以對渠壁進(jìn)行改造，在護(hù)坡處放置土工袋，并在土工袋上間隔種植樹木，既有利于鳥類在樹木上筑巢生存，又能使排水溝的動物借助土工袋和樹木進(jìn)行逃生和棲息，而且排水溝與周圍的環(huán)境融為一體，也提升了景觀效果[29，38].

3 生態(tài)管護(hù)

我國2021 年頒布的《全國高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)規(guī)劃（2021—2030 年）》文件中提到了農(nóng)田建設(shè)三分建、七分管[39]，可見我國對土地整治項(xiàng)目的管護(hù)工作十分重視.生態(tài)管護(hù)作為保持良好生態(tài)環(huán)境的關(guān)鍵，涉及生態(tài)系統(tǒng)理論、生物多樣性保護(hù)理論、景觀生態(tài)學(xué)理論、生態(tài)經(jīng)濟(jì)理論等學(xué)科理論[40]，其核心是為實(shí)現(xiàn)“數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)”三位一體的綜合管理[41].土地整治中的生態(tài)管護(hù)工作可以概括為：在了解生態(tài)系統(tǒng)特征和功能的前提下，政府領(lǐng)導(dǎo)人們運(yùn)用法律、經(jīng)濟(jì)、行政等手段，對生態(tài)系統(tǒng)的健康進(jìn)行管理和維護(hù)的同時(shí)，提升生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)和景觀功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)資源在社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等領(lǐng)域的長期續(xù)存和可持續(xù)利用的管理活動[42].

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié) 論

土地整治項(xiàng)目的生態(tài)型排水溝的設(shè)計(jì)在為傳統(tǒng)排水溝賦予更多生態(tài)屬性的同時(shí)，能減少混凝土、磚石等硬性材料過度使用的現(xiàn)狀，減輕對排水溝內(nèi)外生境的破壞，進(jìn)而提升生物的存活率.設(shè)計(jì)階段應(yīng)基于生物多樣性保護(hù)的原則，重點(diǎn)考慮運(yùn)用生態(tài)材料對排水溝斷面進(jìn)行生態(tài)襯砌，為排水溝內(nèi)的兩棲和爬行動物提供逃生臺階或斜坡，為排水溝外的遷徙動物提供逃生走廊，利用生態(tài)孔洞、仿自然設(shè)計(jì)滿足排水溝內(nèi)的水生動物的棲息，并結(jié)合生態(tài)管護(hù)工作維持排水溝內(nèi)的生態(tài)環(huán)境.

4.2 展 望

目前，有關(guān)土地整治中生態(tài)型排水溝設(shè)計(jì)的研究成果逐漸豐富，但仍有需要改進(jìn)的地方.

（1）排水溝生態(tài)材料的選擇僅從承載力和生物多樣性保護(hù)兩個(gè)方面考慮，容易忽略排水溝的經(jīng)濟(jì)效益，未來可以結(jié)合經(jīng)濟(jì)性探討不同生態(tài)材料的價(jià)格和生態(tài)效益，并總結(jié)出低價(jià)格高效益的生態(tài)材料，為以后的排水溝生態(tài)材料的選擇提供依據(jù).

（2）排水溝護(hù)坡處種植的植被雖能起到預(yù)防水流沖刷的效果，但也需要定期進(jìn)行修剪，因此植被的種植對排水溝的生態(tài)設(shè)計(jì)是利大于弊還是弊大于利，還需要進(jìn)一步考究.未來可以通過試驗(yàn)分析植被種植對排水溝生態(tài)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣影響.

（3）有關(guān)土地整治項(xiàng)目中生態(tài)管護(hù)工作的內(nèi)容研究較少，且大多是結(jié)合國外經(jīng)驗(yàn)的宏觀論述，缺少針對具體項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)總結(jié).未來需對土地整治中的生態(tài)管護(hù)工作提起重視，并將理論賦予實(shí)踐，總結(jié)生態(tài)管護(hù)方案.