第三节 生态渠道的适宜结构

一、渠道系统的生态与环境功能

人工沟渠是自然河流生态系统的延伸与扩充。灌溉渠系分为干、支、斗、农四级，纵横交错于田间，与排水沟道一起组成了农田的水域网络。该水域网络有良好的连通性，为水生生物提供了很好的栖息、迁徙条件，形成了农田水域生态廊道。而农田水域生态廊道除为水生生物提供通道外，因其与陆域紧邻，故也是水陆域生物的缓冲带，是生物活动最为活跃的场所，沟渠系统除了基本的输配水功能外，还有运输、自净、泥砂搬运以及孕育水中生命的功能，因此渠道对农田生态系统有着非常重要的作用。主要有以下4个方面：

1.蕴藏丰富生物资源

灌排渠系中蕴藏着丰富的生物资源，其中主要是植物和动物。植物种类有水生植物和陆生植物；动物种类主要有浮游动物、脊椎动物、软体动物、节肢动物、海绵动物等。

2.提供众多生物的生态空间

排水沟道由于长时间存水，在常年运行中，有高低水位变化所形成的干湿交替区，存在着丰富多样的生物物种，如萤火虫、鸟、鱼以及青蛙等，都能在沟道内以及周边筑巢产卵。沟道的水流形态多样化，如蜿蜒、深潭、浅滩等，水流与岸坡或渠底间，自然形成地下水出流和地表水入渗的环境，其水质、水量的交换营造了众多生物的生态空间。

3.提供了完整的食物链

从食物链的角度来说，石头上的青苔、渠道的水草以及河畔的枯木、落叶，均是微生物很好的有机养分；同时微生物、菌类是昆虫的食物；昆虫又是鱼虾、两栖类等生物的食物；鱼虾、两栖类又是水鸟、飞鹰的食物。因此对居住在沟渠中的所有生物来说，沟渠是不可缺少的维持生命的体系。

4.涵养地下水和净化水质

排水沟道由于常年有水，部分水渗透至地下，可涵养地下水。沟渠在满足农业用水需求的情况下，保持沟渠水与地下水的连通性，有利于地表水与地下水的相互转化。连通性良好的沟渠，经过物理、化学、生物的作用，可达到净化水体的功效。沟渠中有很多微生物，能够分解水中的有机质，在灌溉水质普遍超标的背景下，沟渠中的植物能够部分吸收、吸附部分养分，控制水华等富营养化的发生；沟渠中的动物通过食物链的富集以及呼吸道、皮肤等器官，也可吸收部分养分，从而改善灌溉排水水质的安全性。当渠道被混凝土衬砌，或者被作为单一输水渠道时，尤其是提水灌区的渠道，只有在灌溉季节有水，其他时间可能是干枯的，或者积水深度过小，渠道的生态功能基本丧失。

二、渠道防渗对农田生态的影响

目前输水渠道改造单纯从提供水效率出发，基于输水效率、护岸稳定以及节省土地等方面考虑，偏重于提高灌溉水利用系数，使渠道笔直化、断面单一化、渠床硬质化。渠道防渗结构主要采用混凝土防渗、砌石防渗、复合式防渗和黏壤土压实防渗四种结构形式。上述防渗结构形式的选取，主要从地形、土壤性质、当地材料、防渗效果和防渗投资等方面，考虑减少渗漏损失和渠道稳定安全，而没有从生态角度来考虑结构形式的选择，忽略了渠道的生态功能，造成陆生、水生动植物栖息空间丧失，破坏了渠道动植物正常栖息与繁衍的环境，导致农田生态系统退化、生物多样性大大降低。主要表现如下。

（1） 防渗渠道割裂了渠道与农田的连通性，阻碍了渠道与陆地、地下水的物质、能量交换。导致水温上升，影响水生动植物正常生长；衬砌和防护导致沟渠边坡、浅滩和底部植物生长困难，对水质的净化效果降低，使得水质恶化，破坏渠道动物的栖息、繁衍环境等。

（2）阻断生物迁移，并可能造成人畜安全隐患。为节省土地，部分渠道边坡比过大或建设成笔直形状（如U形渠和矩形渠道），造成渠道内外物种迁徙困难。甚至对不慎跌入渠道内的居民，尤其是儿童，构成威胁。

（3）对地下水的补给减少。对于大量开采地下水的井灌区来说，不仅导致机井提水难度和成本加大，甚至导致机井报废。在缺少其他地下水补给途径的地区，地下水因失去涵养而趋于枯竭，将会降低灌区自身的抵御旱灾的能力，影响到灌溉农业的可持续发展。而且，由于切断了补给途径，有可能影响沿渠两侧生态用水，导致沿线居民手压井取水困难。

三、生态防渗渠道适宜的结构形式

国外很多国家已在反思传统渠道建设对生态环境的影响，实施将渠道回归自然的改造，并取得了良好的效果。如日本高度重视河流生态环境的可持续发展，提出了与自然共生的河流整治理念，在保证安全的条件下，采用了适当增加岸坡工程的孔隙度、降低岸坡的坡比以及实施岸坡的生态保护等措施，并尽量减少混凝土的用量，尽可能采用砌石等天然材料，在保证渠道岸坡稳定的同时留有一定的孔隙空间，以利于植物生长。通过植物的吸收、富集等作用净化水体，维持渠道生态环境。

近些年来，我国关于渠道生态构建方面的研究和应用已经展开，一些灌区的渠道也进行了生态工程的尝试。吴明衍、陈献于1993年提出了灌排渠道设置亲水、景观空间的观点；赖平雄、陈献等人探讨了不同渠道形态的自然生态功能，提出应当通过适宜的衬砌、防护材料选择，构建生态沟渠的理念，并强调了微生物、水生植物等对水质的净化作用以及河流的底质对动植物生长以及河流自净能力的影响。因此，沟渠的规划设计，除满足灌排要求外，还应满足水域生态系统完整性、依存性的要求，实现人与自然的和谐。这种和谐的实现，主要通过完善沟渠衬砌防护的结构、材料和适宜断面形式实现。

1.传统混凝土防渗渠的改进结构形式

目前虽然出现了生态混凝土，但仍未大批量生产和应用。即使在经济发达的日本等国家，虽然主张就地取材，使用更符合生态需要的材料，但受限于施工地天然材料的不足，也有不少案例使用混凝土材料，并非完全排斥混凝土材料。

因混凝土渠道无法像自然河流采用多样性的生态保护，所以从生态角度考虑，只能从衬砌结构、混凝土材料施工方法等角度对现有的混凝土渠道设计进行改进，以营造多空隙空间的环境，提供水生昆虫等动物栖息、藏匿的场所。按照上述原则，具体改进措施可有如下几种形式：

（1）侧壁设PVC管。在渠道侧壁设置PVC管（可用竹子等材料替代），可以让小鱼等动物躲藏，如渠道两侧土地够宽，可延伸PVC管，使其穿过混凝土侧壁（注意PVC管的止水），营造更大的生活空间，并可在其里置放小石头，提供多样化的生活环境，如图2-6和图2-7所示。

图2-6 PVC 管延伸到混凝土渠道外

图2-7 PVC 管设在混凝土渠道内

（2）渠坡铺设混凝土空心砖。渠道侧壁铺设空心砖易于施工及维护管理，也能提供小动物栖息的场所，且空心砖为混凝土材料，容易获得，如图2-8所示。

图2-8 渠道侧壁设置空心砖

渠道坡面较缓时，也可采用六角形空心预制混凝土加植被的建设方法，即在渠道坡面基底铺设复合土工布，其上铺设10cm厚土质垫层，密实、平整坡面后，在坡上铺设 500mm×300mm×80mm的六角形空心预制混凝土，铺完后洒土填满预制块空心部分，然后在空心位置撒播草种，既有效地保护了岸坡的稳定性，又保持了地表水与土壤间物质流通的通畅性，同时也为生物的生存营造了良好的栖息环境。渠道在输水过程中，一定流速的水流会对坡脚产生一定强度的冲刷，会引起六角形空心预制块的下滑，从而导致岸坡崩塌，所以应加强坡脚的防护，坡脚的防护主要采用混凝土浇筑的方法，如图2-9所示。

图2-9 混凝土预制块衬砌渠道断面图

（3）侧壁设凹洞。在原有的混凝土渠道设置各种不同大小的、类似鱼巢的凹洞，回填石砾与土壤，为植物生长提供条件，并有多样化的多孔洞空间提供昆虫及两栖动物栖息与藏匿的环境，或者在其内部铺设卵石更可便于水生昆虫栖息，而在孔洞间有相通的管道，可使物质、能量由孔洞的串联而充分扩散流动，如图2-10所示。

图2-10 侧壁设置凹洞并铺设卵石

（4）空心混凝土预制块。空心预制混凝土块具有良好的力学性能，可增加不稳定坡面的整体性，对渠坡起锚固作用，增加抗滑力矩，为绿化创造有利条件；预制块中间的土壤要素为植物生长提供条件，进而为动物营造栖息环境。植物、渠坡、预制块联成一体，提高了边坡的稳定性。此种结构形式一般用于比较大型的骨干渠道。

2.生态混凝土防渗渠道

生态混凝土是指通过材料筛选、添加功能性添加剂、采用特殊工艺制造出来的具有特殊结构与功能，能减少环境负荷，提高与生态环境的协调性的混凝土。生态混凝土能够适应动、植物生长，对调节生态平衡，美化环境景观，实现人类与自然的协调具有积极作用的混凝土材料。

生态混凝土内有很多孔隙，利用多孔混凝土空隙部位的透气、透水等性能，渗透植物所需营养，生长植物根系这一特点来种植小草等植物，用于骨干渠道岸坡的绿化。施工时，只要在混凝土块的孔隙中填充腐殖土、种子、缓释肥料、保水剂等混合料，草籽就可生根、发芽，并穿透到土壤中生长。同时，利用其多孔、透水透气性，可使微生物及小动物在其凹凸不平的表面或连续空隙内生息，通过相互作用或共生作用，形成食物链，保持了生物的多样性，具有显著的生态效应。

因此，渠道的护岸部分采用生态混凝土护坡方式，不但可以提升农村生活环境质量并改善生态环境，保持生物物种多样性，而且可以创造亲水空间及景观，增加农村的美观及利于农村的可持续发展。

（1）生态混凝土衬砌的一般形式。生态混凝土衬砌的一般形式如图2-11所示，在设计水位以下用混凝土衬砌，设计水位以上用生态混凝土衬砌。

图2-11 生态混凝土衬砌的一般形式

（2）有亲水空间的结构形式。在较大的骨干渠道，用生态混凝土缓坡护岸可减少使用不透水铺面，增加透水性且有利于植物生长，使水域与陆域空间的生态交错区范围增加，提供休憩及亲水活动平台，营造绿色生活空间，提高农村生活品质，如图2-12所示。

（3）生态混凝土块结构形式。可先将生态混凝土预铸成型，然后以堆叠方式施工，不但施工方便，起到稳定渠道岸坡的效果，而且较符合多空隙空间的环境，可提供水草生长环境及小动物栖息场所，可让农田灌溉渠道更具有生态功能，如图2-13所示。

图2-12 亲水空间的生态混凝土改进结构形式

图2-13 生态混凝土块衬砌结构形式

3.砌石衬砌渠道

砌石渠道有一个优点，就是利用石块间隙增加渠道内孔隙空间，促进陆域、水域栖息地的连通性，并承受渠道水流对岸坡的冲刷，创造生物的藏匿空间，增加动、植物多样化的栖息环境，促进生物物种多样性。因此考虑生态渠道的建设，只要有石材、且造价不是很高的情况下都可以采用。尤其是对于斗渠及其以上的大型渠道，或者是需要防护的沟道，在材料允许的情况下，推荐使用砌石防护、防渗。

（1）干砌石渠道。因砌石间有空隙，土壤可填充于空隙间，提供植物生长的平台，进而给微生物提供天然饵料，与鱼虾、水鸟等构成完整的食物链。砌石表面凹凸不平，各种生物幼虫有其栖息场所，在渠道灌溉季节时避免被冲走。因此干砌石有着优良的维护渠道生态的功能。又因砌石间有孔隙，保持了渠道水体和地下水的连通性，故对涵养地下水及防护岸坡因土壤饱和而滑动，具有非常优良的效果。其缺点是糙率大，渗漏较多，适于水源较丰富且渠道渗漏不强的地区。如浙江的山丘区、江苏省宁镇扬丘陵区等。

（2）浆砌石渠道。砌石间以混凝土勾缝，渠道表面粗糙，因为缺乏土壤，仅能生长苔藓等植物，对微生物的天然饵料供应方面有所不足，但因其表面的凹凸可供生物栖息的空间，有保护鱼虾功能。浆砌石渠道在强度方面高于干砌石渠道，且具有良好的防渗功能，因此可在石材丰富、水资源紧缺地区应用。

（3）砌石和混凝土混合形式。把石块堆砌于坡面，背后用混凝土固定，石块缝隙间可栽种植物，如图2-14所示，或在石块上再覆土种植物，如图2-15所示，在基质条件上提供土壤要素供动植物栖息，使其自然形成动植物群落。此结构形式适于在断面较大的骨干渠道上采用。

图2-14 砌石和混凝土混合衬砌形式

图2-15 砌石护岸覆土栽植衬砌形式

4.其他生态渠道的改进结构设计

除上述生态渠道模式外，还有其他一些设计措施，可提高沟渠的生态与环境功能，在渠道结构设计与实际施工中，目前已经有很多措施得到了很好的采用，比较常见的有护岸不护底、分段设通道、构建复式断面、缓坡作缓冲、岸墙留孔洞等，通过多年来的实践，以上措施非常有效。

（1）护岸不护底。在渠道衬砌中，为了既保持生态平衡，不破坏动物微生物栖息活动、生存繁衍，又达到防渗断漏，高速行水，高效行水的双重效益，其结构设计形式是，在深泓行水区，采取护岸不护底的方式，即渠道主流区的坡岸采用混凝土或砖石等材料进行衬砌护坡，渠道底部采用黏土进行夯实与碾压，让土壤与水气保持正常的通透性能，保持水生植物、动物、微生物正常生存环境，这对于保持水体自净能力也非常重要。在护岸前，多数渠道是先对两岸及渠底进行清障清杂与填土碾压，然后铲坡护砌与盖顶封底。

（2）分段设通道。渠道防渗衬砌后，边坡由缓变陡，不仅影响植被生长，更使一些两栖动物如青蛙、蛇等，在非灌溉行水期间，形成生物通道阻隔，影响生物，尤其是某些有益生物的迁移。为保障动物上岸或下渠方便，在渠道结构设计中，可采取分段设立生态型动物逃逸通道的方式与措施，保护生态。一般每30～50m设一道，通道宽度为3～5m。生物通道结构可为空心透水砖材料，砌成阶梯式，孔眼垂直向上，眼中填土种草，砖下黏土夯实，阶侧可用混凝土固化。或者通过调整衬砌率，每隔一定距离保持原来的土渠结构。

（3）渠底多孔隙设计。在山丘区，或者堤坡比较大的沟渠，可在渠底堆置块石或石砾，创造出渠底多孔隙空间，可搅动水流，制造多样化水流，并让动物、微生物附着在表面，使渠底成为底栖生物藏匿及繁衍的场所，提供多样化的底栖型生物空间。另外灌溉渠道在非灌溉季节，渠道水量骤减，甚至干涸见底，在渠底设置多孔隙空间，可以延续水生生物的生命，如图2-16所示。

图2-16 渠底多孔隙改进设计

（4）多段式跌水设计。山丘区渠道，因地形变化太大时，多采用跌水设计。在渠道拦水灌溉时，会设置拦河坝或节制闸，这些渠系建造物都会因高度过高阻断鱼虾上溯的路径。因此，可采用多段式跌水设计，降低建造物高度以利鱼虾上溯，并在渠道比降过大地方提供消能的作用，有助于创造出鱼类喜爱的急、缓水流，如图2-17所示。

图2-17 多段式跌水改进设计形式

四、生态沟渠的配套措施

在渠道周边通过绿化来营造一个良好的生态环境。乔木高大的树干和树冠可以为渠道提供良好的遮阴，可降低水温，为水生动物营造多样化的栖息、繁衍空间；灌木可为地表提供良好的覆盖，减少降雨等对地表的冲蚀，并能在渠道旁形成一到天然屏障，防止动物失足跌入渠道；草本植物的根系可增加渠道岸坡的抗剪强度，植物根系分布范围愈广，效果越明显。

渠道改造后，为了防止居民沿渠乱堆乱放，侵害渠道生态环境，在管理中，可采用以下措施：将渠岸堤防的迎水侧圈定5m，进行开沟排水，绿化植被，使绿化区与行人道隔离，在圈入的范围内栽种花木，既保护了渠道，又保护了道路。隔离栏的绿化可采用日本冬青、金叶女贞等。在土地受到限制时，可在渠道两岸的岸顶栽植一排乔灌相间的林带，乔木选择杨树，灌木可选择蔷薇、月季、木槿、小叶女贞等。