梅州市某生態灌區渠道斷面節水改造設計研究

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)

當前廣東省的灌區工程功能單一，斷面以三面光硬底化為主，生態、景觀功能不突出。多數灌區采用的渠系全硬質襯砌和順直化，雖然減少了滲漏損失，但也影響了灌區水生態系統的生態環境，使原有水生態系統退化和灌區自我凈化能力下降，不符合我國當前生態文明建設理念。灌區面臨的水質惡化和污染嚴重等問題不僅威脅到灌區的社會經濟發展，而且影響到區域的糧食安全[1]。

生態灌區是推動生態文明采取的一項舉措，在現階段的農業發展中占據非常關鍵的地位。國外的Marinus[2]在1997年就提出了環境可持續性的灌區管理指標。國內目前對生態灌區的研究還處于起步階段。朱嘉俊和王少華[3]通過試驗顯示生態護坡和生態護岸極大改善了渠道生態環境；周鑫等[4]梳理了寧夏引黃現代化生態灌區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續建配套與節水改造工程后認為單純的混凝土襯砌不能與水生態、水環境、水景觀、水文化有機地結合起來，灌區改造應實現人水和諧、工程與周邊人文生態相協調。已有的研究主要集中在我國黃河流域等北方地區，而對于廣東省等南方豐水地區生態灌區的研究卻比較少，如何在傳統的灌區建設改造中融合新時期生態理念，是南方豐水地區的灌區發展過程中亟須解決的問題。《水利工程生態設計導則》(DB44/T 2283—2021)亦指出，河道渠化等水利工程，會對河湖生態系統造成了不利影響，為貫徹落實綠色發展理念，減少水利工程對自然生態系統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設計。為緩解水資源供需矛盾，提高渠系水利用系數，傳統灌區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，大力發展生產，保障了工程建設的經濟效益，但在灌區改造中往往忽視了生態保護[6]。因此，本研究擬對廣東省梅州市某灌區采用生態改造方式，恢復渠道生態鏈，可為國內其他地方特別是南方豐水地區生態灌區的建設提供參考。

1 灌區簡介及設計理念

1.1 灌區簡介

本研究選取的灌區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，灌區設計灌溉面積為760 hm2。雖然灌區部分渠道進行了“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，而且改變灌區生態環境，嚴重影響了灌區工程效益的發揮，灌區內渠道與水塘連通性較差，難以實現自凈化，防污水平較低。灌區內地勢較為平緩，有利于生態灌區改造工作的開展，本次對其A、B和C3段干渠進行生態灌區節水改造，改造總長為6.42 km(如圖1所示)。

圖1 灌區位置示意

1.2 渠道改造設計理念和原則

灌區渠道是為了輸水、配水、排水而修建的人工設施，也是灌區中主要水通道。生態渠道是生態灌區建設的主要內容[7]。渠道的“三面光”硬質化使灌區的調水、配水能力得到顯著提高，但隨著渠道生態環境的惡化，其附著生物多樣性的下降，引發的農業面源污染嚴重、渠道水體自凈化能力衰退等問題日趨明顯。因此，渠道無區別硬質化，已不再適應當前灌區生態建設要求[8-11]。灌區節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文明建設，對渠道生態環境進行治理和修復，通過采用生態型護岸，滿足安全穩定、生態景觀和自然親水等要求同時，盡可能地創造水生生物適宜的生長環境，提高渠道生物多樣性，維持渠溝內生態系統完整性，保持一定自我凈化能力[12-13]。

改造渠道旨在提升灌區渠系自我更新和自我凈化能力，通過構建新型的生態灌排系統，既可實現提升灌區生態效益，實現節水和生態共贏以及生態效益、社會效益和經濟效益的三贏的局面，既可保障較高的農業生產力和資源利用率，又能與生態環境協調發展。

2 建設內容

2.1 總體思路

灌區水源穩定，供水可靠，但干渠存在淤積、崩塌、漏水和襯砌損壞等問題，秉承節水與生態并重的理念，改造目標是總體實現灌溉渠道保障灌溉效率的同時，修復生態系統功能。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磚擋墻護岸，打造水生植被型渠道。直墻襯砌的作用是穩定渠道兩邊泥土，防止水土流失。生態磚擋墻護岸通過生態磚凸凹緊密聯結，有效防止滲漏。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。據灌區的地質資料，項目區地質性質較好，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，且項目區所在區域屬于南方濕潤地區，地下水位較高，渠底保水性好，因此，該項目區襯砌必要性較小，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，提升灌區生態效益。

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，將不對其進行生態灌區改造。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，采用生態性渠岸和土質渠底方案進行生態灌區改造。生態型渠道主要采用透水透氣性能強的生態砌磚，并選擇合適的植物，增加生態渠道的植物多樣性，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，將灌區改造與周邊生態環境建設相銜接[14]，保障當地農田生態環境生物多樣性，維護呵護生態系統。對3段渠道進行生態改造。

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，宜建設較高的生態磚擋墻護岸，打造生態灌排系統，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高生態擋墻。生態擋墻磚規格為0.4 m×0.4 m×0.2 m，插入鋼筋到生態砌塊錨固孔，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，對生態擋墻進行強化加固(見圖2)。選擇對土壤環境要求較低的本土植物或具有較強抗病蟲害對工程環境維護較小的植物，種植在生態砌磚空腔內，土壤可選擇耕作土或營養土[3]。生態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，增強灌區內水系連通和水體循環，打造渠道生態濕地系統，提高了區內蓄排澇能力和生態系統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，提高渠道的蓄排澇功能，因此對于渠道的生態要求不高，可采用兩岸新建0.60 m高生態擋墻。生態擋墻磚規格為0.4 m×0.4 m×0.2 m，插入鋼筋到生態砌塊錨固孔，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土[3]。

圖3 B段干渠護岸生態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，打造沉沙凈化生態系統。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段干渠護岸生態改造標準橫剖面示意(單位：mm)

因A、B和C段干渠屬于鄉村渠道，不宜配置名貴樹種、大草坪等，并充分考慮植物養護成本，植物品種優先采用本土種類。與排水渠道對比而言，灌區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、可適應干濕環境的景觀植物品種。

3 預期效果評價

該灌區通過渠道斷面節水改造，其渠系水利用系數由0.51提高到0.65以上，年增節水量達203.6萬m3，農業生產條件得到改善，節水效益顯著，對該灌區A、B和C3段渠道進行不同斷面形式的生態改造，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境相分離而致使相應自凈能力減弱的問題[15]。通過對灌區進行生態化改造，可有效地改善灌區自身條件和生態環境，減少灌區水環境承載能力超載的困境，改善灌區生物多樣性，恢復灌區生態系統功能，展現水利工程綠色優美面貌，同時，生態灌區建設對于提高灌區農民收入，促進鄉鎮企業發展，增強實力，繁榮地區經濟，為保障農村生態良好和促進農業現代化穩定發展創造條件，對促進實施鄉村振興戰略提供水利保障具有非常重要的現實意義。

4 結語

生態灌區的有效建設已經是現階段國內農業發展的關鍵性任務，生態灌區建設對經濟發展有著非凡的意義。本研究以采用生態改造方式，恢復渠道生態鏈，助力生態灌區節水改造，可有效促進當地生態文明建設，并為鄉村振興基礎建設持續賦能。

灌區渠道斷面生態節水改造服務于農業，保障農業生產灌溉用水，提高農業綜合生產能力，實現渠道自我更新和自我凈化能力，構建渠道生態灌排系統，實現了水利功能和生態功能的雙贏，對營造良好灌區生態，提高農民生產生活水平，發揮其社會、經濟、生態效益，促進農村生態環境協調發展，助力鄉村振興戰略具有重要意義。