梅州市某生态灌区渠道断面节水改造设计研究

张 柳，张 磊，陈记臣，张文轩，张铄涵

(1. 广东省水利水电科学研究院，广州 510635；2. 河口水利技术国家地方联合工程实验室，广州 510635；3. 广东省水动力学应用研究重点实验室，广州 510635；4. 广东省水利厅，广州 510635；5. 广东粤港供水有限公司，广东 深圳 518002)

当前广东省的灌区工程功能单一，断面以三面光硬底化为主，生态、景观功能不突出。多数灌区采用的渠系全硬质衬砌和顺直化，虽然减少了渗漏损失，但也影响了灌区水生态系统的生态环境，使原有水生态系统退化和灌区自我净化能力下降，不符合我国当前生态文明建设理念。灌区面临的水质恶化和污染严重等问题不仅威胁到灌区的社会经济发展，而且影响到区域的粮食安全[1]。

生态灌区是推动生态文明采取的一项举措，在现阶段的农业发展中占据非常关键的地位。国外的Marinus[2]在1997年就提出了环境可持续性的灌区管理指标。国内目前对生态灌区的研究还处于起步阶段。朱嘉俊和王少华[3]通过试验显示生态护坡和生态护岸极大改善了渠道生态环境；周鑫等[4]梳理了宁夏引黄现代化生态灌区顶层设计中的建设主旨与特征、基本原则、标准与目标；何振[5]通过分析赣抚平原灌区续建配套与节水改造工程后认为单纯的混凝土衬砌不能与水生态、水环境、水景观、水文化有机地结合起来，灌区改造应实现人水和谐、工程与周边人文生态相协调。已有的研究主要集中在我国黄河流域等北方地区，而对于广东省等南方丰水地区生态灌区的研究却比较少，如何在传统的灌区建设改造中融合新时期生态理念，是南方丰水地区的灌区发展过程中亟须解决的问题。《水利工程生态设计导则》(DB44/T 2283—2021)亦指出，河道渠化等水利工程，会对河湖生态系统造成了不利影响，为贯彻落实绿色发展理念，减少水利工程对自然生态系统可能存在的负面影响，维护河湖健康，有必要对渠道等水利工程进行生态设计。为缓解水资源供需矛盾，提高渠系水利用系数，传统灌区改造普遍加大了防渗工程建设的力度，渠道往往采用无差异的“三面光”硬质化衬砌，且多数为一衬到顶，此举虽然可以充分利用水资源，大力发展生产，保障了工程建设的经济效益，但在灌区改造中往往忽视了生态保护[6]。因此，本研究拟对广东省梅州市某灌区采用生态改造方式，恢复渠道生态链，可为国内其他地方特别是南方丰水地区生态灌区的建设提供参考。

1 灌区简介及设计理念

1.1 灌区简介

本研究选取的灌区是广东省梅州市非常重要的粮食基地，始建于1953年，以韩江支流石窟河为灌溉水源，灌区设计灌溉面积为760 hm2。虽然灌区部分渠道进行了“三面光”防渗改造，但由于灌溉渠道运行多年，且灌区工程功能单一，目前存在淤积、残损等情况，不仅难以满足实际灌溉需求，而且改变灌区生态环境，严重影响了灌区工程效益的发挥，灌区内渠道与水塘连通性较差，难以实现自净化，防污水平较低。灌区内地势较为平缓，有利于生态灌区改造工作的开展，本次对其A、B和C3段干渠进行生态灌区节水改造，改造总长为6.42 km(如图1所示)。

图1 灌区位置示意

1.2 渠道改造设计理念和原则

灌区渠道是为了输水、配水、排水而修建的人工设施，也是灌区中主要水通道。生态渠道是生态灌区建设的主要内容[7]。渠道的“三面光”硬质化使灌区的调水、配水能力得到显著提高，但随着渠道生态环境的恶化，其附着生物多样性的下降，引发的农业面源污染严重、渠道水体自净化能力衰退等问题日趋明显。因此，渠道无区别硬质化，已不再适应当前灌区生态建设要求[8-11]。灌区节水改造在满足提高渠道水利用系数的要求基础上，一方面要考虑通过衬砌减少渗漏，另一方面也要围绕水生态文明建设，对渠道生态环境进行治理和修复，通过采用生态型护岸，满足安全稳定、生态景观和自然亲水等要求同时，尽可能地创造水生生物适宜的生长环境，提高渠道生物多样性，维持渠沟内生态系统完整性，保持一定自我净化能力[12-13]。

改造渠道旨在提升灌区渠系自我更新和自我净化能力，通过构建新型的生态灌排系统，既可实现提升灌区生态效益，实现节水和生态共赢以及生态效益、社会效益和经济效益的三赢的局面，既可保障较高的农业生产力和资源利用率，又能与生态环境协调发展。

2 建设内容

2.1 总体思路

灌区水源稳定，供水可靠，但干渠存在淤积、崩塌、漏水和衬砌损坏等问题，秉承节水与生态并重的理念，改造目标是总体实现灌溉渠道保障灌溉效率的同时，修复生态系统功能。因此，本次改造主要保持土质渠底，灌溉渠道采用直墙衬砌方式和生态砖挡墙护岸，打造水生植被型渠道。直墙衬砌的作用是稳定渠道两边泥土，防止水土流失。生态砖挡墙护岸通过生态砖凸凹紧密联结，有效防止渗漏。根据渠道需求，通过种植合适的植物，实现渠道水质净化的效果。据灌区的地质资料，项目区地质性质较好，渠底主要置于冲积层粉质黏土中，渗透系数平均值K20=2.29×10-5m/s，渗透性较弱，且项目区所在区域属于南方湿润地区，地下水位较高，渠底保水性好，因此，该项目区衬砌必要性较小，仅需采用土质渠底，并进行壤土夯实，即可在有效满足渠底防渗要求的同时，提升灌区生态效益。

为避免占用农田和影响农户耕作，对渠道宽度较小(宽度在1.5 m以内)且位于支渠和田间的灌排渠道，将不对其进行生态灌区改造。因此，本研究仅针对渠道宽度较宽(宽度1.5 m以上)的灌溉渠道，采用生态性渠岸和土质渠底方案进行生态灌区改造。生态型渠道主要采用透水透气性能强的生态砌砖，并选择合适的植物，增加生态渠道的植物多样性，土质渠道主要种植沉水植物，并多选用本土植物，最大程度地实现当地原有的生态群落保护。

2.2 排水沟道改造设计

根据《灌溉与排水工程设计标准》(GB 50288—2018)，结合该灌区改造工程的初步设计资料，本设计的A、B、C 3段渠道设计流量分别为2.80 m3/s、1.72 m3/s和1.54 m3/s，相应工程等级均为5级。在保证灌溉用水过流的情况下，将灌区改造与周边生态环境建设相衔接[14]，保障当地农田生态环境生物多样性，维护呵护生态系统。对3段渠道进行生态改造。

2.2.1A段干渠改造

A段干渠属于灌排结合渠道，宽度较大，为保证汛期排水的通畅，宜建设较高的生态砖挡墙护岸，打造生态灌排系统，结合植被，降低水流速度和水流冲击力，提高渠道排水能力，以保证排水通畅。A段干渠的改造长度为2.14 km，渠道宽为2.50 m，渠道宽度较大，属于灌排结合渠道，无防渗必要，采用生态型渠道和土质渠道相结合，因此改造采用两岸新建1.4 m高生态挡墙。生态挡墙砖规格为0.4 m×0.4 m×0.2 m，插入钢筋到生态砌块锚固孔，并灌注细石混凝土，在距离0.70 m高处放置一层长2.00 m的土工格栅，对生态挡墙进行强化加固(见图2)。选择对土壤环境要求较低的本土植物或具有较强抗病虫害对工程环境维护较小的植物，种植在生态砌砖空腔内，土壤可选择耕作土或营养土[3]。生态砖挡墙达到了防渗和为植物种植的双重效果，不同层的生态砖之间可以在考虑其耐淹情况而种植不同种类的水生植物，同时比较自然美观，兼顾了灌溉渠道的防渗、过水功能和景观设计。

图2 A段干渠护岸生态改造标准横剖面示意(单位：mm)

2.2.2B段干渠改造

B段干渠片区附近有较多池塘，采用直径800 mm涵管将分布于四周的零星鱼塘与A段干渠连通，原有渠道现状已经相互连通，形成较完整的沟塘系统，增强灌区内水系连通和水体循环，打造渠道生态湿地系统，提高了区内蓄排涝能力和生态系统的自我更新和自我净化能力。B段干渠的改造长度为2.32 km，渠道宽为2.00 m，四周零星分布有鱼塘，可通过渠道改造进行联通，形成沟塘系统，提高渠道的蓄排涝功能，因此对于渠道的生态要求不高，可采用两岸新建0.60 m高生态挡墙。生态挡墙砖规格为0.4 m×0.4 m×0.2 m，插入钢筋到生态砌块锚固孔，并灌注细石混凝土，在距离0.70 m高处放置一层长2.00 m土工格栅，对生态挡墙进行强化加固(如图3所示)。与A段干渠类似，种植合适的植物，土壤可选择耕作土或营养土[3]。

图3 B段干渠护岸生态改造标准横剖面示意(单位：mm)

2.2.3C段干渠改造

C段干渠位于下游，属灌溉、排山洪相结合渠道，来沙量较大，宜建设沉沙池，以避免渠道淤积问题，打造沉沙净化生态系统。沉沙池功能定位为沉沙、拦污和水质净化，在沉沙池中种植水生植物，可起到沉沙和净化水质作用。C段干渠的改造总长为1.96 km，渠道宽为1.50 m，渠道宽度较小，主要是提高渠道水利用系数，便于耕种，因此采用C25混凝土直立墙，渠底采用土质渠底，进行壤土夯实，每隔1 m设置1条0.2 m×0.2 m的混凝土地梁。C干渠断面宽为1.5 m、高为1.0 m(如图4所示)。与A、B段干渠不同，位于下游的C段干渠主要是对渠底进行黏土夯实和碾压，并在渠底的黏土层种植沉水植物，丰富了睡眠与驳岸的景观层次，保障土壤和水体的通透性的同时，结合渠道末端的沉沙池具有进一步净化水质和减少悬浮颗粒的功能。

图4 C段干渠护岸生态改造标准横剖面示意(单位：mm)

因A、B和C段干渠属于乡村渠道，不宜配置名贵树种、大草坪等，并充分考虑植物养护成本，植物品种优先采用本土种类。与排水渠道对比而言，灌区渠道需要有一定的输水能力，且其水位、流量受灌溉需求的影响较大，灌水期的渠道水位高而且流速大，非灌水期则流量大幅降低，因此应选用耐贫瘠、可适应干湿环境的景观植物品种。

3 预期效果评价

该灌区通过渠道断面节水改造，其渠系水利用系数由0.51提高到0.65以上，年增节水量达203.6万m3，农业生产条件得到改善，节水效益显著，对该灌区A、B和C3段渠道进行不同断面形式的生态改造，提高防洪排涝抗旱能力的同时，也营造别致的植物景观风貌。

建设生态输配水渠道，可有效解决因砼和浆砌石对渠道的衬砌产生的水系与其水生物环境相分离而致使相应自净能力减弱的问题[15]。通过对灌区进行生态化改造，可有效地改善灌区自身条件和生态环境，减少灌区水环境承载能力超载的困境，改善灌区生物多样性，恢复灌区生态系统功能，展现水利工程绿色优美面貌，同时，生态灌区建设对于提高灌区农民收入，促进乡镇企业发展，增强实力，繁荣地区经济，为保障农村生态良好和促进农业现代化稳定发展创造条件，对促进实施乡村振兴战略提供水利保障具有非常重要的现实意义。

4 结语

生态灌区的有效建设已经是现阶段国内农业发展的关键性任务，生态灌区建设对经济发展有着非凡的意义。本研究以采用生态改造方式，恢复渠道生态链，助力生态灌区节水改造，可有效促进当地生态文明建设，并为乡村振兴基础建设持续赋能。

灌区渠道断面生态节水改造服务于农业，保障农业生产灌溉用水，提高农业综合生产能力，实现渠道自我更新和自我净化能力，构建渠道生态灌排系统，实现了水利功能和生态功能的双赢，对营造良好灌区生态，提高农民生产生活水平，发挥其社会、经济、生态效益，促进农村生态环境协调发展，助力乡村振兴战略具有重要意义。