張 柳，張 磊，陳記臣，張文軒，張鑠涵

(1. 廣東省水利水電科學研究院，廣州 510635；2. 河口水利技術國家地方聯合工程實驗室，廣州 510635；3. 廣東省水動力學應用研究重點實驗室，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。多數灌區(qū)采用的渠系全硬質襯砌和順直化，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，不符合我國當前生態(tài)文明建設理念。灌區(qū)面臨的水質惡化和污染嚴重等問題不僅威脅到灌區(qū)的社會經濟發(fā)展，而且影響到區(qū)域的糧食安全[1]。

生態(tài)灌區(qū)是推動生態(tài)文明采取的一項舉措，在現階段的農業(yè)發(fā)展中占據非常關鍵的地位。國外的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。國內目前對生態(tài)灌區(qū)的研究還處于起步階段。朱嘉俊和王少華[3]通過試驗顯示生態(tài)護坡和生態(tài)護岸極大改善了渠道生態(tài)環(huán)境；周鑫等[4]梳理了寧夏引黃現代化生態(tài)灌區(qū)頂層設計中的建設主旨與特征、基本原則、標準與目標；何振[5]通過分析贛撫平原灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造工程后認為單純的混凝土襯砌不能與水生態(tài)、水環(huán)境、水景觀、水文化有機地結合起來，灌區(qū)改造應實現人水和諧、工程與周邊人文生態(tài)相協(xié)調。已有的研究主要集中在我國黃河流域等北方地區(qū)，而對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)建設改造中融合新時期生態(tài)理念，是南方豐水地區(qū)的灌區(qū)發(fā)展過程中亟須解決的問題?！端こ躺鷳B(tài)設計導則》(DB44/T 2283—2021)亦指出，河道渠化等水利工程，會對河湖生態(tài)系統(tǒng)造成了不利影響，為貫徹落實綠色發(fā)展理念，減少水利工程對自然生態(tài)系統(tǒng)可能存在的負面影響，維護河湖健康，有必要對渠道等水利工程進行生態(tài)設計。為緩解水資源供需矛盾，提高渠系水利用系數，傳統(tǒng)灌區(qū)改造普遍加大了防滲工程建設的力度，渠道往往采用無差異的“三面光”硬質化襯砌，且多數為一襯到頂，此舉雖然可以充分利用水資源，大力發(fā)展生產，保障了工程建設的經濟效益，但在灌區(qū)改造中往往忽視了生態(tài)保護[6]。因此，本研究擬對廣東省梅州市某灌區(qū)采用生態(tài)改造方式，恢復渠道生態(tài)鏈，可為國內其他地方特別是南方豐水地區(qū)生態(tài)灌區(qū)的建設提供參考。

1 灌區(qū)簡介及設計理念

1.1 灌區(qū)簡介

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)設計灌溉面積為760 hm2。雖然灌區(qū)部分渠道進行了“三面光”防滲改造，但由于灌溉渠道運行多年，且灌區(qū)工程功能單一，目前存在淤積、殘損等情況，不僅難以滿足實際灌溉需求，而且改變灌區(qū)生態(tài)環(huán)境，嚴重影響了灌區(qū)工程效益的發(fā)揮，灌區(qū)內渠道與水塘連通性較差，難以實現自凈化，防污水平較低。灌區(qū)內地勢較為平緩，有利于生態(tài)灌區(qū)改造工作的開展，本次對其A、B和C3段干渠進行生態(tài)灌區(qū)節(jié)水改造，改造總長為6.42 km(如圖1所示)。

圖1 灌區(qū)位置示意

1.2 渠道改造設計理念和原則

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)建設的主要內容[7]。渠道的“三面光”硬質化使灌區(qū)的調水、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)的農業(yè)面源污染嚴重、渠道水體自凈化能力衰退等問題日趨明顯。因此，渠道無區(qū)別硬質化，已不再適應當前灌區(qū)生態(tài)建設要求[8-11]。灌區(qū)節(jié)水改造在滿足提高渠道水利用系數的要求基礎上，一方面要考慮通過襯砌減少滲漏，另一方面也要圍繞水生態(tài)文明建設，對渠道生態(tài)環(huán)境進行治理和修復，通過采用生態(tài)型護岸，滿足安全穩(wěn)定、生態(tài)景觀和自然親水等要求同時，盡可能地創(chuàng)造水生生物適宜的生長環(huán)境，提高渠道生物多樣性，維持渠溝內生態(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，通過構建新型的生態(tài)灌排系統(tǒng)，既可實現提升灌區(qū)生態(tài)效益，實現節(jié)水和生態(tài)共贏以及生態(tài)效益、社會效益和經濟效益的三贏的局面，既可保障較高的農業(yè)生產力和資源利用率，又能與生態(tài)環(huán)境協(xié)調發(fā)展。

2 建設內容

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題，秉承節(jié)水與生態(tài)并重的理念，改造目標是總體實現灌溉渠道保障灌溉效率的同時，修復生態(tài)系統(tǒng)功能。因此，本次改造主要保持土質渠底，灌溉渠道采用直墻襯砌方式和生態(tài)磚擋墻護岸，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)磚擋墻護岸通過生態(tài)磚凸凹緊密聯結，有效防止?jié)B漏。根據渠道需求，通過種植合適的植物，實現渠道水質凈化的效果。據灌區(qū)的地質資料，項目區(qū)地質性質較好，渠底主要置于沖積層粉質黏土中，滲透系數平均值K20=2.29×10-5m/s，滲透性較弱，且項目區(qū)所在區(qū)域屬于南方濕潤地區(qū)，地下水位較高，渠底保水性好，因此，該項目區(qū)襯砌必要性較小，僅需采用土質渠底，并進行壤土夯實，即可在有效滿足渠底防滲要求的同時，提升灌區(qū)生態(tài)效益。

為避免占用農田和影響農戶耕作，對渠道寬度較小(寬度在1.5 m以內)且位于支渠和田間的灌排渠道，將不對其進行生態(tài)灌區(qū)改造。因此，本研究僅針對渠道寬度較寬(寬度1.5 m以上)的灌溉渠道，采用生態(tài)性渠岸和土質渠底方案進行生態(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，土質渠道主要種植沉水植物，并多選用本土植物，最大程度地實現當地原有的生態(tài)群落保護。

2.2 排水溝道改造設計

根據《灌溉與排水工程設計標準》(GB 50288—2018)，結合該灌區(qū)改造工程的初步設計資料，本設計的A、B、C 3段渠道設計流量分別為2.80 m3/s、1.72 m3/s和1.54 m3/s，相應工程等級均為5級。在保證灌溉用水過流的情況下，將灌區(qū)改造與周邊生態(tài)環(huán)境建設相銜接[14]，保障當地農田生態(tài)環(huán)境生物多樣性，維護呵護生態(tài)系統(tǒng)。對3段渠道進行生態(tài)改造。

2.2.1A段干渠改造

A段干渠屬于灌排結合渠道，寬度較大，為保證汛期排水的通暢，宜建設較高的生態(tài)磚擋墻護岸，打造生態(tài)灌排系統(tǒng)，結合植被，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段干渠的改造長度為2.14 km，渠道寬為2.50 m，渠道寬度較大，屬于灌排結合渠道，無防滲必要，采用生態(tài)型渠道和土質渠道相結合，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，并灌注細石混凝土，在距離0.70 m高處放置一層長2.00 m的土工格柵，對生態(tài)擋墻進行強化加固(見圖2)。選擇對土壤環(huán)境要求較低的本土植物或具有較強抗病蟲害對工程環(huán)境維護較小的植物，種植在生態(tài)砌磚空腔內，土壤可選擇耕作土或營養(yǎng)土[3]。生態(tài)磚擋墻達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的水生植物，同時比較自然美觀，兼顧了灌溉渠道的防滲、過水功能和景觀設計。

圖2 A段干渠護岸生態(tài)改造標準橫剖面示意(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塘與A段干渠連通，原有渠道現狀已經相互連通，形成較完整的溝塘系統(tǒng)，增強灌區(qū)內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段干渠的改造長度為2.32 km，渠道寬為2.00 m，四周零星分布有魚塘，可通過渠道改造進行聯通，形成溝塘系統(tǒng)，提高渠道的蓄排澇功能，因此對于渠道的生態(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，并灌注細石混凝土，在距離0.70 m高處放置一層長2.00 m土工格柵，對生態(tài)擋墻進行強化加固(如圖3所示)。與A段干渠類似，種植合適的植物，土壤可選擇耕作土或營養(yǎng)土[3]。

圖3 B段干渠護岸生態(tài)改造標準橫剖面示意(單位：mm)

2.2.3C段干渠改造

C段干渠位于下游，屬灌溉、排山洪相結合渠道，來沙量較大，宜建設沉沙池，以避免渠道淤積問題，打造沉沙凈化生態(tài)系統(tǒng)。沉沙池功能定位為沉沙、攔污和水質凈化，在沉沙池中種植水生植物，可起到沉沙和凈化水質作用。C段干渠的改造總長為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，便于耕種，因此采用C25混凝土直立墻，渠底采用土質渠底，進行壤土夯實，每隔1 m設置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段干渠主要是對渠底進行黏土夯實和碾壓，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，結合渠道末端的沉沙池具有進一步凈化水質和減少懸浮顆粒的功能。

圖4 C段干渠護岸生態(tài)改造標準橫剖面示意(單位：mm)

因A、B和C段干渠屬于鄉(xiāng)村渠道，不宜配置名貴樹種、大草坪等，并充分考慮植物養(yǎng)護成本，植物品種優(yōu)先采用本土種類。與排水渠道對比而言，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，因此應選用耐貧瘠、可適應干濕環(huán)境的景觀植物品種。

3 預期效果評價

該灌區(qū)通過渠道斷面節(jié)水改造，其渠系水利用系數由0.51提高到0.65以上，年增節(jié)水量達203.6萬m3，農業(yè)生產條件得到改善，節(jié)水效益顯著，對該灌區(qū)A、B和C3段渠道進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，也營造別致的植物景觀風貌。

建設生態(tài)輸配水渠道，可有效解決因砼和漿砌石對渠道的襯砌產生的水系與其水生物環(huán)境相分離而致使相應自凈能力減弱的問題[15]。通過對灌區(qū)進行生態(tài)化改造，可有效地改善灌區(qū)自身條件和生態(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，恢復灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)功能，展現水利工程綠色優(yōu)美面貌，同時，生態(tài)灌區(qū)建設對于提高灌區(qū)農民收入，促進鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)發(fā)展，增強實力，繁榮地區(qū)經濟，為保障農村生態(tài)良好和促進農業(yè)現代化穩(wěn)定發(fā)展創(chuàng)造條件，對促進實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略提供水利保障具有非常重要的現實意義。

4 結語

生態(tài)灌區(qū)的有效建設已經是現階段國內農業(yè)發(fā)展的關鍵性任務，生態(tài)灌區(qū)建設對經濟發(fā)展有著非凡的意義。本研究以采用生態(tài)改造方式，恢復渠道生態(tài)鏈，助力生態(tài)灌區(qū)節(jié)水改造，可有效促進當地生態(tài)文明建設，并為鄉(xiāng)村振興基礎建設持續(xù)賦能。

灌區(qū)渠道斷面生態(tài)節(jié)水改造服務于農業(yè)，保障農業(yè)生產灌溉用水，提高農業(yè)綜合生產能力，實現渠道自我更新和自我凈化能力，構建渠道生態(tài)灌排系統(tǒng)，實現了水利功能和生態(tài)功能的雙贏，對營造良好灌區(qū)生態(tài)，提高農民生產生活水平，發(fā)揮其社會、經濟、生態(tài)效益，促進農村生態(tài)環(huán)境協(xié)調發(fā)展，助力鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略具有重要意義。