上海市練塘鎮生態溝渠試點工程設計

張小平

（上海市青浦區練塘鎮水務管理所，上海 201715）

1 工程概況

練塘鎮生態溝渠試點工程以練塘鎮東莊村為試驗場地，試點項目選擇練塘鎮2014年小型農田水利設施工程中靠近項目區內小河，面積8.3hm2的田塊作為試點項目區。

項目區地塊近似于長方形，一級溝渠（長1410m）布設于項目區塊四周，一級溝渠出水經集水井匯入地塊南側的小河道中，小河道（長500m）作為二級溝渠，通過構建生態滲濾壩和水生植被進一步凈化水質。

2 一級生態溝渠設計

排水溝的主要功能是排澇，由毛溝即豎向排水溝和橫向排水溝組成田間排水網絡。即由平行于格田田塊長邊的毛溝，將澇水排入橫溝，由橫溝排入村、鎮級河道。該項目中一級溝渠即為傳統意義上的橫溝，農田廢水經毛溝匯流后進入一級溝渠，田塊毛溝深度20cm左右，設計毛溝間距由田塊長度確定，種植水稻時為60m，溝深30cm。毛溝采用開敞式土溝形式，每年在作物輪作時進行調整。格田中帶有化肥、農藥的回歸水不得直接排入鎮、村級河道，毛溝出水先經由一級溝渠中所設生態磚和水生植物等先期對污染物質進行截流。

2.1 一級溝渠方案比選

常見的一級溝渠形式主要有襯砌的T型混凝土溝、土溝，以及為推廣生態農業技術所采用的生態溝渠等類型。

2.1.1 T型混凝土溝

斷面為梯型，設計口寬1.3m，底寬0.3m，溝深1.0m。

明溝側板采用裝配式混凝土預制板，施工方便且整體性較好。施工中底板由上之下依次為：30mm厚C20素混凝土找平層，22mm厚C20素混凝土鋪底，50mm厚C20素混凝土基礎層，夯實填土，壓頂采用C25鋼筋混凝土現澆。溝頂高程部高出農田高程20cm。

2.1.2 土溝采用梯型斷面

土溝設計底寬0.5m，溝深1.0m，口寬1.5m，邊坡1∶0.63。土溝頂高程高出農田高程20cm。

2.1.3 生態溝渠采用梯型斷面

生態溝渠頂高程高出農田高程20cm。

本次對溝渠進行比選，如表1。

表1 排水溝形式比選

從表1看出，土溝雖然施工簡便、較為經濟，但存在易滲漏、沖刷、淤堵、坍塌且維護周期短等缺點，實用性較差。

T型混凝土溝是青浦區農田水利建設中經常采用的排水溝類型，不抗滲、抗沖刷性好，維護周期較長，但是其對氮磷等營養物質沒有截流凈化功能，完全隔絕溝內外物質和能量的交換，且不適于植物和動物生長，與生態文明建設的要求背道而馳。

生態溝渠符合“青西郊野公園”生態、美觀的建設要求，溝內可長水草、生物等，并可實現農田廢水的初期凈化和營養物質截流等。因此，綜合考慮優缺點、適用條件和造價等方面因素，本工程橫向排水溝擬采用生態溝渠的形式。

2.2 一級生態溝渠設計

項目區為砂性土質，為防坍塌，生態溝渠在原有土溝休整的基礎上鋪設生態站等以增強溝渠的抗坍塌和抗沖刷能力，并增強其凈化能力。

控制排水節水減污技術可明顯減少水田的滲漏損失，節省灌溉用水量，有效減少排水溝對承泄河道水體的污染。

排水溝的斷面為梯型，口寬2.0m，底寬0.5m，溝深1.0m。在排水溝布置上，應盡量避免與干道、支道交叉，減少排水溝穿過道路所需的埋管、涵洞等工程量，故在道路較為密集的地方，排水溝采用沿灌區邊緣布置的方法來繞過干道和支道。

2.2.1 生態溝渠布設

根據項目區塊現狀，在項目區北側生態溝渠中部設土壩，保證農田出水向東西兩側分流，在東西兩段分別設置不同的生態溝渠形式，形成并聯模式，最后在項目區南側的溝渠內通過集水井匯入河道。分別在東西兩側設置水質監測點以驗證不同形式生態溝渠的攔截凈化能力，其中生態磚溝渠位于項目區塊的西北側，長352m，預制連鎖塊溝渠位于項目區的西南側，長368m，植生袋溝渠位于項目區的東北側，長352m，生物混凝土溝渠位于項目的東南側，長338m。

2.2.2 生態斷面

生態溝渠中共選用4種材料，分別為生態磚、生物混凝土、植生袋和預制連鎖塊。

2.2.2.1 預制連鎖塊

預制連鎖塊生態溝渠位于項目區塊的西南側，采用獨特的聯鎖型塊體設計，周圍的4塊共同聯鎖，相互嚙合固定，鋪面在水流作用下具有良好的整體穩定性，滲水型柔性結構鋪面能夠降低流速，減小流體壓力和提高排水能力預制連鎖塊中間留有種植孔，可供濕生植物生長，利用濕生植物的攔截和同化作用凈化面源徑流中的污染物。

2.2.2.2 生物混凝土

生物混凝土生態溝渠位于項目區塊的東南側。生物基質混凝土呈六邊形，外圈為六邊形的預制混凝土，骨料層由石料、水泥、生物添加劑（8kg/m3摻量）、水經機械拌合制備。所用石料要求無級配單一粒徑50mm，石料粒徑合格率應≥99%，含泥砂量＜0.5%（可采取預先水洗方法潔凈）。生物添加劑富含的有效微生物菌落能自行分解落葉、枯枝、昆蟲、小動物尸體等各種有機體，又能加速土壤中各種污染物的分解，避免使用化肥、農藥等造成水體污染的可能性，既有利于水體安全保護，又利于環保生態和景觀美化。水生植物、小動物、昆蟲和微生物等均可在生物混凝土中存活，最終形成穩定的生物群落，取得長期的生態恢復效果。

2.2.2.3 植生袋

植生袋生態溝渠位于項目區塊的東北側。采用無紡布和遮陽網制作，質量輕，強度高，抗紫外線性能優，耐用性長，透水性與透氣性俱佳。由“植生袋+連接扣+植被種植”通過穩固堆疊方式構成的生態溝渠，再加上后期發達根系穿透生態袋扎入邊坡泥土而使得邊坡更加穩固。植生袋保土滲水的功能減小了邊坡靜水壓力，也保證了水分在土壤中的正常交流，提供了植被賴以生存的介質，使得邊坡的綠化效果更加明顯、更加有效。

2.2.2.4 生態磚

生態磚生態溝渠位于項目區塊的西北側。生態磚呈井字型，井字型磚體中央為種植植物的種植孔，制作材料除常規的水泥黃沙外，并加入一定配比的火山石和礦渣，在保證強度的同時使得該預制磚孔隙率高，透水性好，可保證水土界面和所種植物間形成有效的能量物質微循環，為植物、微生物生長提供良好的小生境，加快生態修復速度，并利用火山石和礦渣等的強吸附作用增強對氨氮和磷的去除能力；生態磚自身留有卡槽，相鄰磚體間可緊密咬合，形成柔性的生態護坡，具有施工簡單迅捷的優點；此外，該生態預制磚的成本較低，運輸方便，作為護岸材料施工完成后的抗沖刷性強，護岸牢固。

2.2.3 植被設計

一級生態溝渠植物選擇水芹菜和茨菰等矮形水生植物，且均可作為水生蔬菜利用，所種植的兩種水生植物要求無病蟲害、長勢旺盛，高度應在0.1m以上。其中植生袋形式的生態溝渠植物選擇狗牙根和高羊茅等混植。預制連鎖塊生態溝渠植物株行距0.1m×0.15m，水芹菜和茨菰等2種植物品字形交錯種植；生物混凝土生態溝渠植物株行距0.15m×0.30m，水芹菜和茨菰等2種植物品字形交錯種植；生態磚生態溝渠植物株行距0.15m×0.30m，水芹菜和茨菰等2種植物品字形交錯種植，如圖1。

圖1 河道水生植被布設斷面

3 二級溝渠設計

二級溝渠為原有河道加以改造而成，二級溝渠長500m，設計內容主要為水生植被設計，根據河道原有坡比和高程設計，根據不同的水深設計水生植物，河道底部高程0.5m，寬1.5m，種植鄉土沉水植物——金魚藻，種植間距0.1m×0.1m，種植面積750m2；高程0.5～1.25m區間內，種植浮葉植物——芡實，種植間距0.5m×0.5m，種植面積2250m2；高程1.25～2.0m區間內種植以采摘蓮蓬為目的的子蓮，種植間距0.5m×0.5m，種植面積2250m2。

4 配套建筑物設計（集水井）

集水井布置在一級生態溝渠匯流入河道處。地面以下采用鋼筋混凝土結構，下部為C15素混凝土墊層厚100mm，C25鋼筋混凝土基礎厚200mm，地面以上井壁采用磚砌結構，井內安裝SYZ型鑄鐵壤銅圓閘門控制管道的過流量，由啟閉機控制，管道穿井壁時設膨脹止水帶止水，圈梁采用C25鋼筋混凝土澆筑，上部設預制蓋板置。

5 面源污染監測

通過對4種生態溝渠及T型混凝土溝渠進出水水質對比分析，比較項目區內設置的5種溝渠形式對于農業面源污染中主要污染物的處理能力，為優化生態溝渠形式、推廣生態溝渠技術提供技術支持。水質監測時間設置為2015年8～10月，每月監測2次，監測時間選擇降雨或農田排水等時間節點。

5.1 水質監測樣點布設

根據工程現場農田排水現狀和監測目的，設置14個水質采樣點，采樣點布設如圖2。

圖2 監測樣點布設

由圖2可知，①采樣點1和9為生態磚溝渠的起點和終點，通過水質對比分析生態磚溝渠的凈化能力；②采樣點2和4為植生袋溝渠的起點和終點，通過水質對比分析研究植生袋溝渠的凈化能力；③采樣點9和7為預制連鎖塊溝渠的起點和終點，通過水質對比分析研究預制連鎖塊溝渠的凈化能力；④采樣點4和采樣點6為生物混凝土溝渠的起點和終點，通過水質對比分析研究預制連鎖塊溝渠的凈化能力；⑤采樣點11，12，13等3個監測樣點為水泥明渠沿程監測點，通過水質對比分析研究水泥明渠的凈化效果，與位于生態溝渠的8，9，10等3個采樣點進行水質對比，研究不用水泥明渠和生態溝渠對于農田排水凈化能力的差異；⑥采樣點14，15，16布設于項目區塊南側的河道內，通過沿程水質監測研究河道內水生植被對于農田排水的凈化效果。

5.2 水質監測指標和分析方法

水質監測指標有：SS、氨氮、CODMn、總氮和總磷等5個指標。

SS用重量法測定，氨氮用納氏試劑比色法，CODMn用高錳酸鉀氧化法，總氮用堿性過硫酸鉀消解—紫外分光光度法，總磷用過硫酸鉀消解—鉬酸胺分光光度法。取樣及水質監測執行GB3838—2002《地表水環境質量標準》。

6 結語

練塘鎮生態溝渠試點工程以練塘鎮東莊村為試驗場地，在項目區塊四周設置一級生態溝渠 （長1410m），一級溝渠出水經集水井匯入地塊南側的小河道中，小河道作為二級溝渠（長500m）通過水生植被進一步凈化水質。提升河道景觀，改善河道生態，逐步進行生態修復，營造休閑宜居水環境。