何昕宇

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)

0 引 言

生态田间工程的规划设计一般采用灌排分开的布置，具体结合地形可采取灌排相间或灌排相邻布置(图1)。其中灌排相间适合于在地形平坦或有微地形起伏的地区，宜把灌溉渠道和排水沟道交错布置，沟、渠都是两侧控制，工程量较省，施工较为方便。灌排相邻适合于在地面向一侧倾斜的地区，渠道只能向一侧灌水，排水沟也只能接纳一边的径流，灌溉渠道 和排水沟道只能并行，上灌下排，互相配合[1]。文章重点论述生态沟渠、灌区内塘堰湿地的设计及运行技术要点。

(a)灌排相间布置 (b)灌排相邻布置

1 生态沟渠

斗农渠可采用生态混凝土预制的U型渠，斗农沟避免硬化，采用生态沟。根据灌区现有实际情况布置。生态沟由工程部分和植物部分组成，能减缓水速，促进流水携带颗粒物质的沉淀，有利于构建植物对沟壁、水体和沟底中逸出养分的立体式吸收和拦截，从而实现对农田排出养分的控制。

农田面源污染在流入河道前，一般经过若干级沟道系统，排水沟道长满各种杂草，同时农民往往在沟道上修建一些临时挡水设施，以便对排水进行重复利用，这些都会减缓排水的速度。同时沟道中的植物及土壤对氮、磷进行吸收和吸附、脱氮、脱磷、植物吸收、渗滤和磷沉积，沟道中的微生物对氮、磷污染物进行转化和吸收，从而对排水中氮、磷负荷起到较好的去除和净化作用[2]。

常规排水系统主要功能只是单纯从水量方面满足农业高产和排水的要求。为了使排水系统同时还具备减污功能，必须在原有排水系统的基础上构建新式排水沟——减污型生态沟。由于常规排水系统是无控制的，必须改无控制排水系统为合理控制排水系统。

根据以上要求，生态沟需满足排水及减污的双重目标，提出生态沟的设计及运行技术要点如下。

1.1 设计

总体原则：避免进行硬化处理，在满足设计排涝排渍要求的前提下，尽量采用宽浅式横断面，采用较平缓的纵坡。

1)根据《灌溉与排水技术规范》，按照排涝排渍标准要求设计排水沟成梯形横断面或者复式断面。

2)排水沟沟底比降应根据沿线地形、地质条件，上下级沟道的水位衔接条件，不冲不淤要求，以及承泄区水位变化情况等确定，并宜与沟道沿线地面坡度接近，在满足《灌溉与排水技术规范》排水要求的基础上，适当平缓，以利于植被生长。

3)为防止沟坡坍塌并有利于植被生长，可采用以下方法进行边坡的设计，见图2：①采用可降解的生态袋填装混有草籽的土之后，呈阶梯状垒叠在生态沟两岸作为护岸，通水后草籽发芽生长，形成沟中湿地植被。②在梯形断面的护坡上呈阶梯状打入一排排紧密的木桩，木桩预先经过防腐处理，然后在木桩间填入土壤，在填好土的阶梯土上种植植物。③排水沟两侧铺设具有多个孔洞的蜂窝状混凝土预制板，以保持边坡稳定，在蜂窝状混凝土预制板的孔洞内栽种植物。

图2 生态沟示意图

4)排水沟中的湿地植物，以当地的主要沉水植物或挺水植物为宜，如香蒲等。

5)在生态沟中每隔300-500m设置拦水闸，该闸门采用多级闸板，可对生态沟中水位进行调节，日常水位维持在20-60cm为宜。

6)根据需要，在闸门一侧设置量水刻度，便于进行水量计量(图3)。

图3 用于控制日常水深和量水的复式三角堰(生态斗沟)

1.2 运行

1)汛期：打开所有级别的闸板，让排水快速通过，满足排涝的要求。

2)日常：在满足排渍目标的前提下，根据排水流量的大小，通过闸板控制不同的沟中水深，降低水流速度，增加水流停留时间，达到对氮、磷面源污染充分净化的效果。一般使水流在沟中停滞3-7d以上为宜。根据我国南方典型观测，在非汛期，生态沟对氮磷的去除率可达到20%-30%，汛期由于水流较大，没有足够的停留时间，去除效果降低。

3)植被收割：在11月份以后对沟渠中的植物进行收割，防止沟中植物地上部分死亡以后，残体发生分解造成营养物质的释放，产生二次污染。同时，若植被为经济作物，及时收割可以产生经济效益。

4)清淤：对于多年运行后的沟渠，应对底泥进行疏浚，深度宜控制在20-60cm的范围，底泥疏浚可以有效的降低底层水体的耗氧量和腐殖质的含量，并有利于沉水植物的恢复。疏挖出的淤泥应结合周边地形地貌及作物类型，合理进行处置。防止影响农作物耕种、边坡稳定以及造成水土流失[3]。

2 塘堰湿地

多水塘湿地系统能够显著地降低径流速度，具有贮存暴雨径流，减少排水及农业面源污染输出的强大功能。采用多水塘湿地系统使宝贵的养分资源循环利用，能减少流域的磷氮负荷污染。传统意义上，灌区的塘堰主要功能包括蓄水灌溉、水产养殖及日常洗衣等，而很少考虑其净化污染物与生态修复的湿地功能。灌区中的自然塘堰湿地，主要为自由表面流类型的湿地[4]。本次建设方案主要从净化农业面源污染、净化水资源角度提出塘堰湿地的设计运行技术要点，同时兼顾蓄水灌溉及水产养殖二方面目标。

2.1 设计

塘堰湿地一般由自然形成的洼地改造而成，改造工程包括清淤、边坡修整、生态护坡、湿地植被种植、控水建筑物设置等。

1)单个塘堰湿地面积：根据拦截稻田排水面积及地表径流的大小，一般每个塘堰面积300-1000m2。

2)塘堰湿地平面形状：一般应根据自然形成的洼地修建塘堰湿地，其形状根据自然形成的洼地扩建而成。在完全平整的土地上新修塘堰湿地宜采用椭圆形，椭圆的长短比在3∶1左右，宽度在10m以上，并使进出水流通道沿椭圆的长边方向，这样有利于延长水力停留时间。

3)边坡系数：塘梗边坡应根据稳定性计算确定，一般迎水面边坡不陡于1∶1，背水面边坡不陡于1∶1.5。

4)边坡护坡型式：塘埂的护坡型式除必须采用硬护坡的塘埂外，应采用草皮生态护坡等。背水面坡脚可根据需要设反滤、排水设施。迎水面上部草坡生态护坡不宜低于1m。

5)蓄水深度：塘堰湿地水深推荐设置为植被全部覆盖区0.6-0.9m，无植被覆盖区1.2-1.5m，进口区域1.0m；一般0.6-1.5m，如兼有蓄水灌溉的要求，可适当增加蓄水深度。

6)塘堰湿地植被：龙凤山灌区适宜的湿地塘堰植被有芦苇、香蒲、菖蒲等。

2.2 运行

1)总体运行规则：塘堰蓄水在正常蓄水位以下，尽量拦截田面排水和地表径流，储蓄在塘堰湿地中进行自然净化处理，并重复应用于灌溉；超过正常蓄水位时，将经过湿地净化后的储水预先排出，腾空部分库容，以便拦蓄下一阶段污染负荷较大的田面排水。

2)水在塘堰湿地的滞留时间：湿地最佳水滞留时间为3-4d。如果达不到3-4d的停滞时间，宜通过塘堰湿地的出口闸阀进行调控，使排水进入塘堰湿地3-4d后再排出[5]。

3)水流方向：为增加水力停留时间，提高净化效率，应使水流沿塘堰湿地的最长方向进出湿地，也即使水流通过塘堰湿地的通道尽量长。为达到此目的，可考虑在塘堰湿地中修建导水墙或小岛，以延长水流路径。

4)水量分配：为使净化效果最佳，应尽量使进出塘堰湿地的水能够均匀分配，同时避免湿地中出现水流的“死区”，为达到此目的，可考虑设置多个进出水口。

5)植被收割：在11月以后对湿地中的植物进行收割，防止塘堰中植物中土壤以上部分死亡后，残体发生分解造成营养物质的释放，产生二次污染。

6)清淤：对于多年运行后的塘堰湿地，应对底泥进行疏浚，疏挖出的淤泥应结合周边地形地貌及作物类型，合理进行处置。防止影响塘岸稳定以及造成水土流失。