灌區(qū)生態(tài)田間工程設(shè)計、運行技術(shù)要點探析

何昕宇

(黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院，哈爾濱 150080)

0 引 言

生態(tài)田間工程的規(guī)劃設(shè)計一般采用灌排分開的布置，具體結(jié)合地形可采取灌排相間或灌排相鄰布置(圖1)。其中灌排相間適合于在地形平坦或有微地形起伏的地區(qū)，宜把灌溉渠道和排水溝道交錯布置，溝、渠都是兩側(cè)控制，工程量較省，施工較為方便。灌排相鄰適合于在地面向一側(cè)傾斜的地區(qū)，渠道只能向一側(cè)灌水，排水溝也只能接納一邊的徑流，灌溉渠道 和排水溝道只能并行，上灌下排，互相配合[1]。文章重點論述生態(tài)溝渠、灌區(qū)內(nèi)塘堰濕地的設(shè)計及運行技術(shù)要點。

(a)灌排相間布置 (b)灌排相鄰布置

1 生態(tài)溝渠

斗農(nóng)渠可采用生態(tài)混凝土預(yù)制的U型渠，斗農(nóng)溝避免硬化，采用生態(tài)溝。根據(jù)灌區(qū)現(xiàn)有實際情況布置。生態(tài)溝由工程部分和植物部分組成，能減緩水速，促進流水?dāng)y帶顆粒物質(zhì)的沉淀，有利于構(gòu)建植物對溝壁、水體和溝底中逸出養(yǎng)分的立體式吸收和攔截，從而實現(xiàn)對農(nóng)田排出養(yǎng)分的控制。

農(nóng)田面源污染在流入河道前，一般經(jīng)過若干級溝道系統(tǒng)，排水溝道長滿各種雜草，同時農(nóng)民往往在溝道上修建一些臨時擋水設(shè)施，以便對排水進行重復(fù)利用，這些都會減緩排水的速度。同時溝道中的植物及土壤對氮、磷進行吸收和吸附、脫氮、脫磷、植物吸收、滲濾和磷沉積，溝道中的微生物對氮、磷污染物進行轉(zhuǎn)化和吸收，從而對排水中氮、磷負荷起到較好的去除和凈化作用[2]。

常規(guī)排水系統(tǒng)主要功能只是單純從水量方面滿足農(nóng)業(yè)高產(chǎn)和排水的要求。為了使排水系統(tǒng)同時還具備減污功能，必須在原有排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)建新式排水溝——減污型生態(tài)溝。由于常規(guī)排水系統(tǒng)是無控制的，必須改無控制排水系統(tǒng)為合理控制排水系統(tǒng)。

根據(jù)以上要求，生態(tài)溝需滿足排水及減污的雙重目標(biāo)，提出生態(tài)溝的設(shè)計及運行技術(shù)要點如下。

1.1 設(shè)計

總體原則：避免進行硬化處理，在滿足設(shè)計排澇排漬要求的前提下，盡量采用寬淺式橫斷面，采用較平緩的縱坡。

1)根據(jù)《灌溉與排水技術(shù)規(guī)范》，按照排澇排漬標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計排水溝成梯形橫斷面或者復(fù)式斷面。

2)排水溝溝底比降應(yīng)根據(jù)沿線地形、地質(zhì)條件，上下級溝道的水位銜接條件，不沖不淤要求，以及承泄區(qū)水位變化情況等確定，并宜與溝道沿線地面坡度接近，在滿足《灌溉與排水技術(shù)規(guī)范》排水要求的基礎(chǔ)上，適當(dāng)平緩，以利于植被生長。

3)為防止溝坡坍塌并有利于植被生長，可采用以下方法進行邊坡的設(shè)計，見圖2：①采用可降解的生態(tài)袋填裝混有草籽的土之后，呈階梯狀壘疊在生態(tài)溝兩岸作為護岸，通水后草籽發(fā)芽生長，形成溝中濕地植被。②在梯形斷面的護坡上呈階梯狀打入一排排緊密的木樁，木樁預(yù)先經(jīng)過防腐處理，然后在木樁間填入土壤，在填好土的階梯土上種植植物。③排水溝兩側(cè)鋪設(shè)具有多個孔洞的蜂窩狀混凝土預(yù)制板，以保持邊坡穩(wěn)定，在蜂窩狀混凝土預(yù)制板的孔洞內(nèi)栽種植物。

圖2 生態(tài)溝示意圖

4)排水溝中的濕地植物，以當(dāng)?shù)氐闹饕了参锘蛲λ参餅橐耍缦闫训取?/p>

5)在生態(tài)溝中每隔300-500m設(shè)置攔水閘，該閘門采用多級閘板，可對生態(tài)溝中水位進行調(diào)節(jié)，日常水位維持在20-60cm為宜。

6)根據(jù)需要，在閘門一側(cè)設(shè)置量水刻度，便于進行水量計量(圖3)。

圖3 用于控制日常水深和量水的復(fù)式三角堰(生態(tài)斗溝)

1.2 運行

1)汛期：打開所有級別的閘板，讓排水快速通過，滿足排澇的要求。

2)日常：在滿足排漬目標(biāo)的前提下，根據(jù)排水流量的大小，通過閘板控制不同的溝中水深，降低水流速度，增加水流停留時間，達到對氮、磷面源污染充分凈化的效果。一般使水流在溝中停滯3-7d以上為宜。根據(jù)我國南方典型觀測，在非汛期，生態(tài)溝對氮磷的去除率可達到20%-30%，汛期由于水流較大，沒有足夠的停留時間，去除效果降低。

3)植被收割：在11月份以后對溝渠中的植物進行收割，防止溝中植物地上部分死亡以后，殘體發(fā)生分解造成營養(yǎng)物質(zhì)的釋放，產(chǎn)生二次污染。同時，若植被為經(jīng)濟作物，及時收割可以產(chǎn)生經(jīng)濟效益。

4)清淤：對于多年運行后的溝渠，應(yīng)對底泥進行疏浚，深度宜控制在20-60cm的范圍，底泥疏浚可以有效的降低底層水體的耗氧量和腐殖質(zhì)的含量，并有利于沉水植物的恢復(fù)。疏挖出的淤泥應(yīng)結(jié)合周邊地形地貌及作物類型，合理進行處置。防止影響農(nóng)作物耕種、邊坡穩(wěn)定以及造成水土流失[3]。

2 塘堰濕地

多水塘濕地系統(tǒng)能夠顯著地降低徑流速度，具有貯存暴雨徑流，減少排水及農(nóng)業(yè)面源污染輸出的強大功能。采用多水塘濕地系統(tǒng)使寶貴的養(yǎng)分資源循環(huán)利用，能減少流域的磷氮負荷污染。傳統(tǒng)意義上，灌區(qū)的塘堰主要功能包括蓄水灌溉、水產(chǎn)養(yǎng)殖及日常洗衣等，而很少考慮其凈化污染物與生態(tài)修復(fù)的濕地功能。灌區(qū)中的自然塘堰濕地，主要為自由表面流類型的濕地[4]。本次建設(shè)方案主要從凈化農(nóng)業(yè)面源污染、凈化水資源角度提出塘堰濕地的設(shè)計運行技術(shù)要點，同時兼顧蓄水灌溉及水產(chǎn)養(yǎng)殖二方面目標(biāo)。

2.1 設(shè)計

塘堰濕地一般由自然形成的洼地改造而成，改造工程包括清淤、邊坡修整、生態(tài)護坡、濕地植被種植、控水建筑物設(shè)置等。

1)單個塘堰濕地面積：根據(jù)攔截稻田排水面積及地表徑流的大小，一般每個塘堰面積300-1000m2。

2)塘堰濕地平面形狀：一般應(yīng)根據(jù)自然形成的洼地修建塘堰濕地，其形狀根據(jù)自然形成的洼地擴建而成。在完全平整的土地上新修塘堰濕地宜采用橢圓形，橢圓的長短比在3∶1左右，寬度在10m以上，并使進出水流通道沿橢圓的長邊方向，這樣有利于延長水力停留時間。

3)邊坡系數(shù)：塘梗邊坡應(yīng)根據(jù)穩(wěn)定性計算確定，一般迎水面邊坡不陡于1∶1，背水面邊坡不陡于1∶1.5。

4)邊坡護坡型式：塘埂的護坡型式除必須采用硬護坡的塘埂外，應(yīng)采用草皮生態(tài)護坡等。背水面坡腳可根據(jù)需要設(shè)反濾、排水設(shè)施。迎水面上部草坡生態(tài)護坡不宜低于1m。

5)蓄水深度：塘堰濕地水深推薦設(shè)置為植被全部覆蓋區(qū)0.6-0.9m，無植被覆蓋區(qū)1.2-1.5m，進口區(qū)域1.0m；一般0.6-1.5m，如兼有蓄水灌溉的要求，可適當(dāng)增加蓄水深度。

6)塘堰濕地植被：龍鳳山灌區(qū)適宜的濕地塘堰植被有蘆葦、香蒲、菖蒲等。

2.2 運行

1)總體運行規(guī)則：塘堰蓄水在正常蓄水位以下，盡量攔截田面排水和地表徑流，儲蓄在塘堰濕地中進行自然凈化處理，并重復(fù)應(yīng)用于灌溉；超過正常蓄水位時，將經(jīng)過濕地凈化后的儲水預(yù)先排出，騰空部分庫容，以便攔蓄下一階段污染負荷較大的田面排水。

2)水在塘堰濕地的滯留時間：濕地最佳水滯留時間為3-4d。如果達不到3-4d的停滯時間，宜通過塘堰濕地的出口閘閥進行調(diào)控，使排水進入塘堰濕地3-4d后再排出[5]。

3)水流方向：為增加水力停留時間，提高凈化效率，應(yīng)使水流沿塘堰濕地的最長方向進出濕地，也即使水流通過塘堰濕地的通道盡量長。為達到此目的，可考慮在塘堰濕地中修建導(dǎo)水墻或小島，以延長水流路徑。

4)水量分配：為使凈化效果最佳，應(yīng)盡量使進出塘堰濕地的水能夠均勻分配，同時避免濕地中出現(xiàn)水流的“死區(qū)”，為達到此目的，可考慮設(shè)置多個進出水口。

5)植被收割：在11月以后對濕地中的植物進行收割，防止塘堰中植物中土壤以上部分死亡后，殘體發(fā)生分解造成營養(yǎng)物質(zhì)的釋放，產(chǎn)生二次污染。

6)清淤：對于多年運行后的塘堰濕地，應(yīng)對底泥進行疏浚，疏挖出的淤泥應(yīng)結(jié)合周邊地形地貌及作物類型，合理進行處置。防止影響塘岸穩(wěn)定以及造成水土流失。