王 崢，張亞梅

(1.哈爾濱市水務(wù)科學(xué)研究院，哈爾濱 150001； 2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)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(shè)和水資源配置過程中，主要采取混凝土襯砌等傳統(tǒng)硬質(zhì)化節(jié)水改造措施保障渠道的水量調(diào)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(chǎn)量。但近年來，硬質(zhì)化渠道陸續(xù)出現(xiàn)水質(zhì)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(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)和能量連續(xù)性遭到破壞，在人們對(duì)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(nóng)業(yè)和社會(huì)功能相結(jié)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(shì)。

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(shí)現(xiàn)，用混凝土等材料將渠道建設(shè)成矩形或梯形等標(biāo)準(zhǔn)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(duì)于農(nóng)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(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)、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(bǔ)給，可能導(dǎo)致地下水位降低；③渠道生境變得單一，使動(dòng)植物缺少生存空間和自然棲息地，造成農(nóng)田生物多樣性的嚴(yán)重下降；④田間自然景觀被破壞，缺乏景觀的活力和生機(jī)，不符合人們親水性的需求和農(nóng)田景觀的構(gòu)建。

3 生態(tài)渠道主要形式及特點(diǎn)

由于傳統(tǒng)渠道存在諸多生態(tài)環(huán)境問題，在人們?nèi)找嬷匾暽瞽h(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(duì)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(shè)的重要發(fā)展趨勢(shì)。

3.1 混凝土渠道生態(tài)處理

對(duì)混凝土渠道進(jìn)行的生態(tài)處理是在常規(guī)混凝土襯砌的基礎(chǔ)上，建立立體的生態(tài)空間。對(duì)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(gè)網(wǎng)格，并在生態(tài)帶中填充有機(jī)材質(zhì)作為防滲，之后可種植適當(dāng)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(guān)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(diǎn)是通過建設(shè)生態(tài)帶形成生態(tài)網(wǎng)格，增強(qiáng)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(duì)于北方地區(qū)來說具有一定的抗凍性，造價(jià)與傳統(tǒng)硬質(zhì)化渠道差不多。但也存在生態(tài)帶面積和效果有限、防滲結(jié)構(gòu)易老化、不易維護(hù)的缺點(diǎn)。

3.2 植生型防滲砌塊

植生型防滲砌塊技術(shù)最早由河海大學(xué)王超、王沛芳等研究開發(fā)，在實(shí)際工程應(yīng)用過程中具有多種構(gòu)造和實(shí)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(jié)緊密排列于渠道底部，框格中填充土質(zhì)，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(yīng)用此種生態(tài)渠道。

植生型防滲砌塊技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在于施工簡單，有利于邊坡穩(wěn)定，且對(duì)邊坡的保護(hù)具有持久性和景觀性，材料易獲取；缺點(diǎn)是造價(jià)相對(duì)較高，邊坡防護(hù)所用混凝土較少，孔隙率較低，且對(duì)于質(zhì)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(fù)合護(hù)坡

植物-工程措施復(fù)合是指現(xiàn)澆或預(yù)制的混凝土塊體和營養(yǎng)型無紡布或種植土的有機(jī)結(jié)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(yàn)了4種不同設(shè)計(jì)形式的植物-工程措施復(fù)合護(hù)坡，包括生態(tài)混凝土六角混凝土塊護(hù)坡、植生袋六角混凝土塊護(hù)坡、植草六角混凝土塊護(hù)坡和現(xiàn)澆生態(tài)混凝土護(hù)坡。這種生態(tài)渠道在施工、后期管理、經(jīng)濟(jì)性和社會(huì)生態(tài)效益等方面均具有一定優(yōu)勢(shì)。

3.4 原生態(tài)植被防護(hù)

原生態(tài)植被防護(hù)是一種原生態(tài)草皮護(hù)坡，特點(diǎn)是保持當(dāng)?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(hù)渠道生態(tài)，最大程度保持水體自凈能力和當(dāng)?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(shù)進(jìn)行工程建設(shè)。

這種生態(tài)渠道技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(dòng)緩慢、對(duì)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(shí)，指標(biāo)特性及分類標(biāo)準(zhǔn)不同，同時(shí)涉及許多不確定、模糊的因素，基于模糊數(shù)學(xué)理論的模糊模式識(shí)別模型是處理這類整體評(píng)價(jià)問題的有效途徑。本文將采用基于模糊數(shù)學(xué)理論的模糊模式識(shí)別，建立相關(guān)比選模型，利用模糊評(píng)價(jià)法對(duì)生態(tài)渠道進(jìn)行比較選擇。

模糊綜合評(píng)價(jià)大致過程為：①確定評(píng)價(jià)因子及因子權(quán)重；②確定評(píng)價(jià)因素集及隸屬度；③單因素模糊評(píng)判，確定單因素評(píng)判模糊矩陣；④進(jìn)行綜合評(píng)判。

4.1 確定評(píng)價(jià)因子

通過對(duì)生態(tài)渠道特征進(jìn)行分析，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，選擇輸水穩(wěn)定性(A1)、生態(tài)性(A2)、施工管護(hù)(A3)、景觀性(A4)、經(jīng)濟(jì)性(A5)5個(gè)評(píng)價(jià)因子。從這5方面考慮各生態(tài)渠道特點(diǎn)，見表1-表2。

表1 生態(tài)渠道綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)

表2 生態(tài)渠道對(duì)比分析表

4.2 確定因子權(quán)重

各因子對(duì)技術(shù)選擇的影響程度不盡相同，在本次評(píng)價(jià)中，主要通過各因子的權(quán)重系數(shù)來反映這種差異性。權(quán)重的確定主要根據(jù)各因子對(duì)技術(shù)選擇的作用強(qiáng)弱來確定，按照表3的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，建立判斷矩陣，見表4。

表3 AHP法的標(biāo)度原則

表4 判斷矩陣

經(jīng)計(jì)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?yàn)镃R=CI/RI=0.0230，CR<0.1，所以該判斷矩陣是一致的。因此，技術(shù)評(píng)價(jià)各因子的權(quán)重系數(shù)分別為(0.3810，0.2302，0.0793，0.0793，0.2302)T。由權(quán)重系數(shù)可知，各因子對(duì)生態(tài)渠道比選影響的相對(duì)重要程度依次為A1>A2=A5>A3=A4，即重要性排序?yàn)椋狠斔€(wěn)定性>生態(tài)性=經(jīng)濟(jì)性>施工管護(hù)=景觀性。

4.3 渠道型式比選

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

由評(píng)價(jià)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(gè)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(jù)模糊數(shù)學(xué)最大隸屬度原則，最終評(píng)定混凝土渠道生態(tài)處理為很適宜。

對(duì)其他生態(tài)渠道進(jìn)行評(píng)價(jià)，4種生態(tài)渠道模糊關(guān)系矩陣(R)計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 模糊關(guān)系矩陣

經(jīng)過模糊復(fù)合運(yùn)算，不同等級(jí)的隸屬度值(B)見表6。

表6 生態(tài)渠道隸屬度值(B)

4.4 評(píng)價(jià)比選結(jié)果

根據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)法的評(píng)價(jià)原理，對(duì)4種生態(tài)渠道進(jìn)行評(píng)價(jià)，其結(jié)果見表7。

表7 評(píng)價(jià)結(jié)果

5 結(jié)論與應(yīng)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(shù)應(yīng)運(yùn)而生，可極大改善灌區(qū)生態(tài)環(huán)境和水體自凈能力，對(duì)于保障農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性具有重要作用。本文對(duì)混凝土渠道生態(tài)處理、植生型防滲砌塊技術(shù)、植物-工程措施復(fù)合護(hù)坡、原生態(tài)植被防護(hù)等生態(tài)渠道主要形式進(jìn)行分析，并以模糊評(píng)價(jià)法進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，哈爾濱市灌區(qū)生態(tài)渠道建設(shè)可根據(jù)實(shí)際情況重點(diǎn)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(duì)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(duì)生態(tài)環(huán)境影響的機(jī)理還未完全清晰，灌溉渠道對(duì)農(nóng)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(shù)的研究是由河流生態(tài)治理措施借鑒、演變、擴(kuò)展而來，尚處于發(fā)展階段，對(duì)生態(tài)渠道后期管理、維護(hù)和監(jiān)測也缺乏深入探討，生態(tài)渠道的構(gòu)建技術(shù)及其在生態(tài)型灌區(qū)的應(yīng)用等方面還需進(jìn)一步試驗(yàn)研究。