梅州市某生態(tài)灌區(qū)渠道斷面節(jié)水改造設(shè)計(jì)研究

張 柳，張 磊，陳記臣，張文軒，張鑠涵

(1. 廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州 510635；2. 河口水利技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，廣州 510635；3. 廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510635；4. 廣東省水利廳，廣州 510635；5. 廣東粵港供水有限公司，廣東 深圳 518002)

當(dāng)前廣東省的灌區(qū)工程功能單一，斷面以三面光硬底化為主，生態(tài)、景觀功能不突出。多數(shù)灌區(qū)采用的渠系全硬質(zhì)襯砌和順直化，雖然減少了滲漏損失，但也影響了灌區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境，使原有水生態(tài)系統(tǒng)退化和灌區(qū)自我凈化能力下降，不符合我國(guó)當(dāng)前生態(tài)文明建設(shè)理念。灌區(qū)面臨的水質(zhì)惡化和污染嚴(yán)重等問(wèn)題不僅威脅到灌區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，而且影響到區(qū)域的糧食安全[1]。

生態(tài)灌區(qū)是推動(dòng)生態(tài)文明采取的一項(xiàng)舉措，在現(xiàn)階段的農(nóng)業(yè)發(fā)展中占據(jù)非常關(guān)鍵的地位。國(guó)外的Marinus[2]在1997年就提出了環(huán)境可持續(xù)性的灌區(qū)管理指標(biāo)。國(guó)內(nèi)目前對(duì)生態(tài)灌區(qū)的研究還處于起步階段。朱嘉俊和王少華[3]通過(guò)試驗(yàn)顯示生態(tài)護(hù)坡和生態(tài)護(hù)岸極大改善了渠道生態(tài)環(huán)境；周鑫等[4]梳理了寧夏引黃現(xiàn)代化生態(tài)灌區(qū)頂層設(shè)計(jì)中的建設(shè)主旨與特征、基本原則、標(biāo)準(zhǔn)與目標(biāo)；何振[5]通過(guò)分析贛撫平原灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造工程后認(rèn)為單純的混凝土襯砌不能與水生態(tài)、水環(huán)境、水景觀、水文化有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，灌區(qū)改造應(yīng)實(shí)現(xiàn)人水和諧、工程與周邊人文生態(tài)相協(xié)調(diào)。已有的研究主要集中在我國(guó)黃河流域等北方地區(qū)，而對(duì)于廣東省等南方豐水地區(qū)生態(tài)灌區(qū)的研究卻比較少，如何在傳統(tǒng)的灌區(qū)建設(shè)改造中融合新時(shí)期生態(tài)理念，是南方豐水地區(qū)的灌區(qū)發(fā)展過(guò)程中亟須解決的問(wèn)題。《水利工程生態(tài)設(shè)計(jì)導(dǎo)則》(DB44/T 2283—2021)亦指出，河道渠化等水利工程，會(huì)對(duì)河湖生態(tài)系統(tǒng)造成了不利影響，為貫徹落實(shí)綠色發(fā)展理念，減少水利工程對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)可能存在的負(fù)面影響，維護(hù)河湖健康，有必要對(duì)渠道等水利工程進(jìn)行生態(tài)設(shè)計(jì)。為緩解水資源供需矛盾，提高渠系水利用系數(shù)，傳統(tǒng)灌區(qū)改造普遍加大了防滲工程建設(shè)的力度，渠道往往采用無(wú)差異的“三面光”硬質(zhì)化襯砌，且多數(shù)為一襯到頂，此舉雖然可以充分利用水資源，大力發(fā)展生產(chǎn)，保障了工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益，但在灌區(qū)改造中往往忽視了生態(tài)保護(hù)[6]。因此，本研究擬對(duì)廣東省梅州市某灌區(qū)采用生態(tài)改造方式，恢復(fù)渠道生態(tài)鏈，可為國(guó)內(nèi)其他地方特別是南方豐水地區(qū)生態(tài)灌區(qū)的建設(shè)提供參考。

1 灌區(qū)簡(jiǎn)介及設(shè)計(jì)理念

1.1 灌區(qū)簡(jiǎn)介

本研究選取的灌區(qū)是廣東省梅州市非常重要的糧食基地，始建于1953年，以韓江支流石窟河為灌溉水源，灌區(qū)設(shè)計(jì)灌溉面積為760 hm2。雖然灌區(qū)部分渠道進(jìn)行了“三面光”防滲改造，但由于灌溉渠道運(yùn)行多年，且灌區(qū)工程功能單一，目前存在淤積、殘損等情況，不僅難以滿足實(shí)際灌溉需求，而且改變灌區(qū)生態(tài)環(huán)境，嚴(yán)重影響了灌區(qū)工程效益的發(fā)揮，灌區(qū)內(nèi)渠道與水塘連通性較差，難以實(shí)現(xiàn)自?xún)艋?，防污水平較低。灌區(qū)內(nèi)地勢(shì)較為平緩，有利于生態(tài)灌區(qū)改造工作的開(kāi)展，本次對(duì)其A、B和C3段干渠進(jìn)行生態(tài)灌區(qū)節(jié)水改造，改造總長(zhǎng)為6.42 km(如圖1所示)。

圖1 灌區(qū)位置示意

1.2 渠道改造設(shè)計(jì)理念和原則

灌區(qū)渠道是為了輸水、配水、排水而修建的人工設(shè)施，也是灌區(qū)中主要水通道。生態(tài)渠道是生態(tài)灌區(qū)建設(shè)的主要內(nèi)容[7]。渠道的“三面光”硬質(zhì)化使灌區(qū)的調(diào)水、配水能力得到顯著提高，但隨著渠道生態(tài)環(huán)境的惡化，其附著生物多樣性的下降，引發(fā)的農(nóng)業(yè)面源污染嚴(yán)重、渠道水體自?xún)艋芰λネ说葐?wèn)題日趨明顯。因此，渠道無(wú)區(qū)別硬質(zhì)化，已不再適應(yīng)當(dāng)前灌區(qū)生態(tài)建設(shè)要求[8-11]。灌區(qū)節(jié)水改造在滿足提高渠道水利用系數(shù)的要求基礎(chǔ)上，一方面要考慮通過(guò)襯砌減少滲漏，另一方面也要圍繞水生態(tài)文明建設(shè)，對(duì)渠道生態(tài)環(huán)境進(jìn)行治理和修復(fù)，通過(guò)采用生態(tài)型護(hù)岸，滿足安全穩(wěn)定、生態(tài)景觀和自然親水等要求同時(shí)，盡可能地創(chuàng)造水生生物適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，提高渠道生物多樣性，維持渠溝內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)完整性，保持一定自我凈化能力[12-13]。

改造渠道旨在提升灌區(qū)渠系自我更新和自我凈化能力，通過(guò)構(gòu)建新型的生態(tài)灌排系統(tǒng)，既可實(shí)現(xiàn)提升灌區(qū)生態(tài)效益，實(shí)現(xiàn)節(jié)水和生態(tài)共贏以及生態(tài)效益、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益的三贏的局面，既可保障較高的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力和資源利用率，又能與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。

2 建設(shè)內(nèi)容

2.1 總體思路

灌區(qū)水源穩(wěn)定，供水可靠，但干渠存在淤積、崩塌、漏水和襯砌損壞等問(wèn)題，秉承節(jié)水與生態(tài)并重的理念，改造目標(biāo)是總體實(shí)現(xiàn)灌溉渠道保障灌溉效率的同時(shí)，修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)功能。因此，本次改造主要保持土質(zhì)渠底，灌溉渠道采用直墻襯砌方式和生態(tài)磚擋墻護(hù)岸，打造水生植被型渠道。直墻襯砌的作用是穩(wěn)定渠道兩邊泥土，防止水土流失。生態(tài)磚擋墻護(hù)岸通過(guò)生態(tài)磚凸凹緊密聯(lián)結(jié)，有效防止?jié)B漏。根據(jù)渠道需求，通過(guò)種植合適的植物，實(shí)現(xiàn)渠道水質(zhì)凈化的效果。據(jù)灌區(qū)的地質(zhì)資料，項(xiàng)目區(qū)地質(zhì)性質(zhì)較好，渠底主要置于沖積層粉質(zhì)黏土中，滲透系數(shù)平均值K20=2.29×10-5m/s，滲透性較弱，且項(xiàng)目區(qū)所在區(qū)域?qū)儆谀戏綕駶?rùn)地區(qū)，地下水位較高，渠底保水性好，因此，該項(xiàng)目區(qū)襯砌必要性較小，僅需采用土質(zhì)渠底，并進(jìn)行壤土夯實(shí)，即可在有效滿足渠底防滲要求的同時(shí)，提升灌區(qū)生態(tài)效益。

為避免占用農(nóng)田和影響農(nóng)戶耕作，對(duì)渠道寬度較小(寬度在1.5 m以?xún)?nèi))且位于支渠和田間的灌排渠道，將不對(duì)其進(jìn)行生態(tài)灌區(qū)改造。因此，本研究?jī)H針對(duì)渠道寬度較寬(寬度1.5 m以上)的灌溉渠道，采用生態(tài)性渠岸和土質(zhì)渠底方案進(jìn)行生態(tài)灌區(qū)改造。生態(tài)型渠道主要采用透水透氣性能強(qiáng)的生態(tài)砌磚，并選擇合適的植物，增加生態(tài)渠道的植物多樣性，土質(zhì)渠道主要種植沉水植物，并多選用本土植物，最大程度地實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)卦械纳鷳B(tài)群落保護(hù)。

2.2 排水溝道改造設(shè)計(jì)

根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50288—2018)，結(jié)合該灌區(qū)改造工程的初步設(shè)計(jì)資料，本設(shè)計(jì)的A、B、C 3段渠道設(shè)計(jì)流量分別為2.80 m3/s、1.72 m3/s和1.54 m3/s，相應(yīng)工程等級(jí)均為5級(jí)。在保證灌溉用水過(guò)流的情況下，將灌區(qū)改造與周邊生態(tài)環(huán)境建設(shè)相銜接[14]，保障當(dāng)?shù)剞r(nóng)田生態(tài)環(huán)境生物多樣性，維護(hù)呵護(hù)生態(tài)系統(tǒng)。對(duì)3段渠道進(jìn)行生態(tài)改造。

2.2.1A段干渠改造

A段干渠屬于灌排結(jié)合渠道，寬度較大，為保證汛期排水的通暢，宜建設(shè)較高的生態(tài)磚擋墻護(hù)岸，打造生態(tài)灌排系統(tǒng)，結(jié)合植被，降低水流速度和水流沖擊力，提高渠道排水能力，以保證排水通暢。A段干渠的改造長(zhǎng)度為2.14 km，渠道寬為2.50 m，渠道寬度較大，屬于灌排結(jié)合渠道，無(wú)防滲必要，采用生態(tài)型渠道和土質(zhì)渠道相結(jié)合，因此改造采用兩岸新建1.4 m高生態(tài)擋墻。生態(tài)擋墻磚規(guī)格為0.4 m×0.4 m×0.2 m，插入鋼筋到生態(tài)砌塊錨固孔，并灌注細(xì)石混凝土，在距離0.70 m高處放置一層長(zhǎng)2.00 m的土工格柵，對(duì)生態(tài)擋墻進(jìn)行強(qiáng)化加固(見(jiàn)圖2)。選擇對(duì)土壤環(huán)境要求較低的本土植物或具有較強(qiáng)抗病蟲(chóng)害對(duì)工程環(huán)境維護(hù)較小的植物，種植在生態(tài)砌磚空腔內(nèi)，土壤可選擇耕作土或營(yíng)養(yǎng)土[3]。生態(tài)磚擋墻達(dá)到了防滲和為植物種植的雙重效果，不同層的生態(tài)磚之間可以在考慮其耐淹情況而種植不同種類(lèi)的水生植物，同時(shí)比較自然美觀，兼顧了灌溉渠道的防滲、過(guò)水功能和景觀設(shè)計(jì)。

圖2 A段干渠護(hù)岸生態(tài)改造標(biāo)準(zhǔn)橫剖面示意(單位：mm)

2.2.2B段干渠改造

B段干渠片區(qū)附近有較多池塘，采用直徑800 mm涵管將分布于四周的零星魚(yú)塘與A段干渠連通，原有渠道現(xiàn)狀已經(jīng)相互連通，形成較完整的溝塘系統(tǒng)，增強(qiáng)灌區(qū)內(nèi)水系連通和水體循環(huán)，打造渠道生態(tài)濕地系統(tǒng)，提高了區(qū)內(nèi)蓄排澇能力和生態(tài)系統(tǒng)的自我更新和自我凈化能力。B段干渠的改造長(zhǎng)度為2.32 km，渠道寬為2.00 m，四周零星分布有魚(yú)塘，可通過(guò)渠道改造進(jìn)行聯(lián)通，形成溝塘系統(tǒng)，提高渠道的蓄排澇功能，因此對(duì)于渠道的生態(tài)要求不高，可采用兩岸新建0.60 m高生態(tài)擋墻。生態(tài)擋墻磚規(guī)格為0.4 m×0.4 m×0.2 m，插入鋼筋到生態(tài)砌塊錨固孔，并灌注細(xì)石混凝土，在距離0.70 m高處放置一層長(zhǎng)2.00 m土工格柵，對(duì)生態(tài)擋墻進(jìn)行強(qiáng)化加固(如圖3所示)。與A段干渠類(lèi)似，種植合適的植物，土壤可選擇耕作土或營(yíng)養(yǎng)土[3]。

圖3 B段干渠護(hù)岸生態(tài)改造標(biāo)準(zhǔn)橫剖面示意(單位：mm)

2.2.3C段干渠改造

C段干渠位于下游，屬灌溉、排山洪相結(jié)合渠道，來(lái)沙量較大，宜建設(shè)沉沙池，以避免渠道淤積問(wèn)題，打造沉沙凈化生態(tài)系統(tǒng)。沉沙池功能定位為沉沙、攔污和水質(zhì)凈化，在沉沙池中種植水生植物，可起到沉沙和凈化水質(zhì)作用。C段干渠的改造總長(zhǎng)為1.96 km，渠道寬為1.50 m，渠道寬度較小，主要是提高渠道水利用系數(shù)，便于耕種，因此采用C25混凝土直立墻，渠底采用土質(zhì)渠底，進(jìn)行壤土夯實(shí)，每隔1 m設(shè)置1條0.2 m×0.2 m的混凝土地梁。C干渠斷面寬為1.5 m、高為1.0 m(如圖4所示)。與A、B段干渠不同，位于下游的C段干渠主要是對(duì)渠底進(jìn)行黏土夯實(shí)和碾壓，并在渠底的黏土層種植沉水植物，豐富了睡眠與駁岸的景觀層次，保障土壤和水體的通透性的同時(shí)，結(jié)合渠道末端的沉沙池具有進(jìn)一步凈化水質(zhì)和減少懸浮顆粒的功能。

圖4 C段干渠護(hù)岸生態(tài)改造標(biāo)準(zhǔn)橫剖面示意(單位：mm)

因A、B和C段干渠屬于鄉(xiāng)村渠道，不宜配置名貴樹(shù)種、大草坪等，并充分考慮植物養(yǎng)護(hù)成本，植物品種優(yōu)先采用本土種類(lèi)。與排水渠道對(duì)比而言，灌區(qū)渠道需要有一定的輸水能力，且其水位、流量受灌溉需求的影響較大，灌水期的渠道水位高而且流速大，非灌水期則流量大幅降低，因此應(yīng)選用耐貧瘠、可適應(yīng)干濕環(huán)境的景觀植物品種。

3 預(yù)期效果評(píng)價(jià)

該灌區(qū)通過(guò)渠道斷面節(jié)水改造，其渠系水利用系數(shù)由0.51提高到0.65以上，年增節(jié)水量達(dá)203.6萬(wàn)m3，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件得到改善，節(jié)水效益顯著，對(duì)該灌區(qū)A、B和C3段渠道進(jìn)行不同斷面形式的生態(tài)改造，提高防洪排澇抗旱能力的同時(shí)，也營(yíng)造別致的植物景觀風(fēng)貌。

建設(shè)生態(tài)輸配水渠道，可有效解決因砼和漿砌石對(duì)渠道的襯砌產(chǎn)生的水系與其水生物環(huán)境相分離而致使相應(yīng)自?xún)裟芰p弱的問(wèn)題[15]。通過(guò)對(duì)灌區(qū)進(jìn)行生態(tài)化改造，可有效地改善灌區(qū)自身?xiàng)l件和生態(tài)環(huán)境，減少灌區(qū)水環(huán)境承載能力超載的困境，改善灌區(qū)生物多樣性，恢復(fù)灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)功能，展現(xiàn)水利工程綠色優(yōu)美面貌，同時(shí)，生態(tài)灌區(qū)建設(shè)對(duì)于提高灌區(qū)農(nóng)民收入，促進(jìn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)發(fā)展，增強(qiáng)實(shí)力，繁榮地區(qū)經(jīng)濟(jì)，為保障農(nóng)村生態(tài)良好和促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化穩(wěn)定發(fā)展創(chuàng)造條件，對(duì)促進(jìn)實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略提供水利保障具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

4 結(jié)語(yǔ)

生態(tài)灌區(qū)的有效建設(shè)已經(jīng)是現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵性任務(wù)，生態(tài)灌區(qū)建設(shè)對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著非凡的意義。本研究以采用生態(tài)改造方式，恢復(fù)渠道生態(tài)鏈，助力生態(tài)灌區(qū)節(jié)水改造，可有效促進(jìn)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)文明建設(shè)，并為鄉(xiāng)村振興基礎(chǔ)建設(shè)持續(xù)賦能。

灌區(qū)渠道斷面生態(tài)節(jié)水改造服務(wù)于農(nóng)業(yè)，保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌溉用水，提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力，實(shí)現(xiàn)渠道自我更新和自我凈化能力，構(gòu)建渠道生態(tài)灌排系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水利功能和生態(tài)功能的雙贏，對(duì)營(yíng)造良好灌區(qū)生態(tài)，提高農(nóng)民生產(chǎn)生活水平，發(fā)揮其社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益，促進(jìn)農(nóng)村生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，助力鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略具有重要意義。