全 文 ：农地整理中路沟渠生态化设计研究进展*
叶艳妹摇 吴次芳**摇 俞摇 婧
(浙江大学土地科学与不动产研究所, 杭州 310029)
摘摇 要摇 农地整理是人类对农田生态系统的强烈干扰.传统农地整理中路沟渠设计的主要技
术经济指标是方便生产通行和调配水资源以及提高水的利用率,尚缺少系统化、生态化考量,
已经影响了农田物种扩散,导致生物栖息地环境的退化,并对农田生态系统的生物竞争机制、
缓冲和补偿能力、抵御虫害能力产生了显著的负效应.本文系统总结了路沟渠生态化的功能,
着重介绍了近年来生态化路沟渠的形式与结构设计、路沟渠生态工法参数的试验以及路沟渠
生态材料选择的技术和方法.未来的相关研究应根据各级道路、灌排沟渠的不同功能要求和
规格,按照田间不同生物的习性和栖息要求,精确设计能够满足大多数生物需求的农田路沟
渠形态、结构和控制性尺寸,切实解决农地整理带来的上述问题.
关键词摇 农地整理摇 路沟渠摇 生态化设计摇 生态工法摇 生态材料
文章编号摇 1001-9332(2011)07-1931-08摇 中图分类号摇 S281摇 文献标识码摇 A
Ecological design of ditches in agricultural land consolidation: A review. YE Yan鄄mei, WU
Ci鄄fang, YU Jing ( Institute of Land Science and Real Estate, Zhejiang University, Hangzhou
310029, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2011,22(7):1931 -1938.
Abstract: Agricultural land consolidation is a strong disturbance to farmland ecosystem. In tradi鄄
tional agricultural land consolidation, the main technical and economic indices for the design of dit鄄
ches include the convenience for production and transportation, the allocation of water resources,
and the improvement of water utilization, but short of ecological consideration, which has already
affected the spread of agricultural species, caused the degradation of bio鄄habitat, and given obvious
negative effects on the bio鄄competition mechanism, buffering and compensation capacity, and insect
pests鄄resistance of farmland ecosystem. This paper summarized the functions of ecological ditches,
and introduced the recent progress on the formations and construction designs of ecological ditches,
tests of ecological engineering methods, and technologies and methods of choosing correct ecological
materials. It was suggested that the future research should focus on the different functional require鄄
ments and specifications for different roads and ditches, and the characteristics and habitats of all
the organisms and animals should be considered by the designers and constructors. Moreover, a
comprehensive design which meets the ecological demands for the ditches爷 formations, structures,
and regulatory sizes should be taken into account to solve the most of the problems listed above.
Key words: agricultural land consolidation; ditch; ecological design; ecological engineering meth鄄
od; ecological material.
*国家科技支撑计划项目(2008BAB38B05)资助.
**通讯作者. E鄄mail: wucifang@ zju. edu. cn
2010鄄11鄄04 收稿,2011鄄04鄄01 接受.
摇 摇 2001—2009 年,全国通过土地整理补充耕地面
积 248郾 81伊104 hm2,约占耕地总面积的 2% [1] .近年
来,全国加大土地整理投资力度,年投资额约 1000
亿元,大规模推进农地整理[2] . 现行的农地整理以
增加耕地为主,路沟渠的设计施工一般以方便通行、
提高输水效益、结构安全、节省工程费用和管理便利
为原则,基本缺乏生态化设计.这种缺乏生态化设计
的农地整理,造成田间生物栖息环境退化,直接影响
土地利用和生态环境的可持续发展. 如用混凝土浇
筑的沟渠,其表面光滑,没有供生物栖息躲避的孔
隙,且缺乏水源涵养功能,当受到日晒之后,其表面
温度迅速上升,破坏了生物正常栖息与繁衍的环境.
研究农地整理中路沟渠的生态化设计技术,协调路
沟渠的功能性、生态性和经济性,解决现行农地整理
项目规划设计中因缺少生态化元素造成的田间生态
应 用 生 态 学 报摇 2011 年 7 月摇 第 22 卷摇 第 7 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Jul. 2011,22(7): 1931-1938
退化问题,是未来农地整理急需解决的重大技术难
点.因此,本文系统综述了目前农地整理中路沟渠生
态化设计技术的研究进展,旨在为农地整理的生态
化设计提供借鉴,以期更好地促进农地整理沿着人
与自然和谐的方向前行.
1摇 生态化路沟渠的功能
农田中的路沟渠是农村空间纹理和环境生态系
统中的重要元素,除了肩负通行、灌溉、排水等功能
外,还可提供水生动植物的栖息地和田间动物的迁
移廊道,拥有生态保育的多样化机能.
路沟渠是农田边界的组成部分. Bunce 和 Hal鄄
lam[3]对英国所有线状廊道(树篱、河流、道路、墙、
沟渠、篱笆等) 植物种类进行的调查结果表明,农田
边界对植物多样性保护具有重要意义. 作为农田生
物的运动廊道,农田边界能连接嵌块体栖息地,保护
农田种群,其结构将影响农田生物在嵌块体间的迁
移[4] .
许多物种依赖田间水路维生,水路提供生物觅
食、筑巢、繁衍、栖息、避敌等生活空间,将农田串连
成特殊且密切的区域生态系统[5] . 在夏季和冬季的
基流条件下,沟渠在生态学和物理学上的功能与线
性湿地相似[6],是具有河流和湿地特征的、独特的
工程化生态系统[7],具有水文、生物、水环境等效
应[8] .作为水生动植物的栖息地和农田中动物的迁
移廊道,沟渠是影响区域生物活动、种类和数量的重
要因素,对保持农业景观的生物多样性具有重要意
义,从其中生物的多寡可以了解该地区生活环境的
优质与否[9] .有研究发现,鱼类在沟渠和农田之间
的迁移与沟渠和周围农田的水力连通性密切相关,
鱼类自由迁移的难易度影响它们的捕食和繁殖,从
而影响沟渠中鱼的物种丰富度[10] . Mazerolle[11]在研
究沟渠对青蛙活动的影响后认为,沟渠系统可作为
青蛙活动的通道,有利于青蛙的迁移和繁殖. 此外,
沟渠还具有涵养地下水、净化水质的功能[12] .
2摇 生态化路沟渠的形式与结构设计
国外及我国台湾地区许多学者针对现有路沟
渠,特别是路沟渠所产生的生态问题,进行了生态化
的改良设计,提供了可供借鉴的设计构想与模式.
2004 年,我国台湾地区颁布的农田水利建设应
用生态工法规划设计与监督管理作业要点规定,农
路路面应以碎石级配等透水性材料铺设为原则[13] .
20 世纪 90 年代以来,联合国及相关组织针对生物
的生存空间被城市或道路的建设所切割,迫使各区
块生物各自孤立,生存空间破碎化的现象,提出了生
态廊道的观念,希望人们在规划设计道路时,将动物
安全通道也考虑在内,连接各孤立的栖息点,使之成
为较完整的生存栖息空间,以保护生物多样
性[14-15] .在农地整理过程中,农路应尽可能沿着地
形坡度进行设计,避免大量挖填土方,并以最小宽度
减轻对生态环境的影响;预定设置农路的路线需事
先调查是否有珍贵稀有的植物或动物栖息地,并应
规划野生动物安全穿越的适当通路[16] .沟渠设计如
果仅以输水或排水为目标,忽略水边原有的生态维
持功能,以混凝土内面工为护岸并挖去所有水生植
物,将失去原有的栖息生物[17] . 沟渠环境与生态功
能密切相关,不同形式与结构的沟渠设计的经济效
益与生态功能存在显著差异[18] .由于生态景观保育
的观念是相通的,一些生态保育型道路设计技术[19]
以及生态保育型河道技术[20-21]的研究,对于进行土
地整理生态化设计具有较好的借鉴价值.
从生态化角度来看,路沟渠形式与结构设计应
采用生态保护工法,如在水路中设计水深、流速、浅
滩、深渊,形成多样水流等.要正确了解有关保护、培
养生物的种类及其生态史,明确其不可缺乏的环境
条件,并对各种工法的具体效果加以分析,设计时应
注意以下几点:1)断面设计应包括水路底及侧坡面
的凹凸、平常时的水深和流速、涨水时的水深和流
速、和缓的侧边坡度;2)水的网络;3)以旁路( by鄄
pass)方式隔离、保护稀有品种.一般说来,农田沟渠
的生态化设计可分为 3 种类型:1)考虑鱼虾类栖息
环境的沟渠生态化设计;2)亲水公园的沟渠生态化
设计;3)考虑昆虫栖息环境的沟渠生态化设计[22] .
生态化设计需符合以下 12 项原则:1)生态系统能
自行支配其结构与功能;2)维持生态系统内生物功
能及化学组成的均衡;3)能通过环境管理减轻污染
对生态系统的影响;4)生态系统为自我设计的系
统;5)考察生态系统循环所具有的特殊时间和空间
尺度;6)维持生态系统化学及生物组成的多样化;
7)维持生态交汇区和过渡区的缓冲功能;8)密切结
合生态技术的应用与环境管理;9)生态系统为复杂
的网络关系结构;10)充分考察生态系统的历史演
变;11)注重生态系统边缘的易破坏性;12)生态系
统是一个层级的系统[23-24] .
U型渠因其节水节地功能,是现阶段农地整理
普遍采用的沟渠形式,但其生态功能较弱.为了提高
其生态功效,依照不同沟渠的灌排水特性,构建了 7
2391 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
种 U型沟三面生态化设计形式[25]进行生态护岸
(图 1).如果能够在沟渠中设置底部中空的集水井,
在农路两侧沟渠集水井埋设耐高压水泥管(AP),由
排水沟流向灌水渠集水井,可为水中动植物栖息、迁
移提供场所[26] .
摇 摇 沟渠的生态改善可着重在沟渠内壁、纵横断面
构造和渠岸改善三方面,其中包括生态材料的应用
和施工方式的改进等[27] .为了更好地为鱼类和水生
昆虫提供栖息场所,可在沟渠侧壁设 PVC 管、空心
砖、凹洞以及在侧壁和水路底铺设卵石等改良方
式[12] .农田排水沟以土渠及未封底的缓坡护岸排水
沟可提高水面和绿草覆盖率,能提升整理后农地的
生态功能[16] . 护岸的多孔质空间和水边林可为昆
虫、爬虫类、小型哺乳类提供栖息空间,鸟类因有饵
料会在水边草上或树上筑巢,可构成一个完整的食
物链[28] .
路沟渠周围的绿化植栽应尽可能保留原有的树
林、水塘.用地条件允许时应在农田与农道之间保留
陆域生态发展区,发展陆域生态植栽并隔离渠道水
体以避免农药污染,使水域形成近似小型湿地的区
域[29] .
3摇 路沟渠生态工法参数的试验研究
1962 年,Odum[30]将自然自我修复行为的概念
应用到工程上,并首度使用生态工程(ecological en鄄
gineering)一词,主张“对自然环境的改变,应采用最
少的人工能量,以维持自然系统自我修复的功
能冶 [31-33] . 20 世纪 80 年代以来,各国都开始主张生
态工程要注重人为环境与自然环境间的互动,以达
到人类与自然的生态双赢[30,32-35] . 生态工法( eco鄄
logical engineering method)类似于生态工程的概念,
于 20 世纪 80 年代末被正式提出,近年来正逐步推
展至世界各国[33] .生态工法是落实生物多样性及永
续发展,以生态为基础、安全为导向的工程方
法[36-37] .生态工法在确定路沟渠生态设计的形式、
结构时,需明确具体规格与尺寸.为了更科学地确定
路沟渠生态化设计的具体参数,国内外学者以试验
的方式进行了大量相关研究.
萤火虫的急剧减少,是现代农田生态系统中有
代表性的悲剧之一. 台北都会区采用生态工法研究
了其周边灌排沟渠的复育萤火虫,在选定的试验区
和对照区分别观测气象、水质、底质和水力环境等相
关资料,依据文献、物理栖地模式(PHABSIM)仿真
和现场计测数据进行比较与分析,结果显示,待复育
区存在的主要问题为水的流速超过标的生物的生存
基准值.为减缓流速,各地应采用植栽护岸工程和跌
水工程两种生态工法进行减缓流速的试验,求得最
佳工程设计方案及各种工程参数[38],以防止萤火虫
灭绝的生态灾难.
针对矩型混凝土的农田灌排沟渠,通过渠面生
态孔洞的水工模型试验,可明确生态改善工程对水
理特性的影响.在兼顾水理安全和环境生态的条件
下,可计算出生态孔洞的最适尺寸、深度和纵向间
距.同时,利用统计方法中的回应曲面法,可计算出
各种设计参数(孔洞的直径、深度和纵向间距)对目
标函数(水深)的贡献,经试验分析可获得各种参数
的最佳组合[39] .
在不破坏现有水工结构,且考量结构和水理安
全的前提下,针对灌溉排水渠道,进行矩型渠道“U冶
型化和石梁工法两项生态化改善工程进行水工模型
试验的研究结果显示,矩型渠道 U 型化的设置有利
于增加多样性流速,当渠底两侧堆石直径增至渠宽
图 1摇 U型沟三面生态构想图[25]
Fig. 1摇 U鄄shaped ditch on conceived three鄄side figure.
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的 1 / 4 时,堆石渠段水位开始明显下降,堆石段上游
水位上升但升幅不大,施工前后其曼宁系数的增幅
也不大;在渠底堆置石梁,与横向紧密排列相比,以
三角形向上游延伸排列不易产生淤积,且延伸范围
可在 30毅 ~ 40毅之间选取,对形成多样性流况、防止
淤积等效果而言,两渠壁间距以堆石直径的 16 倍最
佳[40] .一些类似的石梁工水工试验也得出类似结
论,并为实际案例的现场调查和勘测所印证[5] .
对于水中生物而言,水流可以增加营养物质的
传输与新陈代谢,但同时也会施加应力在生物体上.
生物力学可以帮助人们了解和量化生物体与物理环
境间的交互关系. 对石田螺、川蜷和瘤蜷的型态、阻
力、升力、吸附力和冲落流速的试验结果表明,高流
速下流线型的螺壳可以减少阻力和升力,流线型的
螺壳型态使瘤蜷比川蜷和石田螺能更好地减小水
压.水流作用力主要由螺壳的型态所决定,吸附力可
减缓水流的直接作用力,冲落流速由水流作用力与
生物力的交互作用所决定. 生物力学的分析结果可
为渠道生态工法设计提供参考依据. 设计流速可由
冲落累积机率函数的平均值与标准差求得,以保育
原生螺类或控制有害螺类.设计流速由渠道坡度、底
质粗糙度和渠道断面所决定,其中的底质粗糙度亦
同时会影响螺的吸附力[41] .
沟渠的形态、坡降、糙度、水深对水生植物生长
具有重要影响[42-44] .以梯形渠槽及人造塑胶条模拟
自然杂草进行试验的结果表明,速度分布与植生偏
斜高、水深等因素呈对数关系;马宗垫的强度高于许
多一般材料,是一种较好的生态化材料[45-47],有推
广应用价值.
4摇 路沟渠生态材料的选择
路沟渠生态材料的选择是生态化设计的关键技
术环节之一.以百喜草与土壤结合而成的植生复合
材料是一种新的路沟渠生态材料. 对植生复合材料
的试验表明,流量、水深与冲刷量呈正相关,与曼宁
系数呈负相关;植生复合材料的曼宁系数在 0郾 02 ~
0郾 75,冲刷百分比在 1郾 6% ~ 10郾 0% .通过建立回归
方程,可求出各种条件下的工程设计参数(如曼宁
糙率系数、土壤冲刷量、摩擦角、凝聚力等[48]).
利用透水混凝土所具有的透水、多孔隙以及易
于植生和绿化等生态优点,可在灌排沟渠施工中应
用.概念设计模式包括渠岸格栅配合透水混凝土施
工法、排水高度透水混凝土施工法、渠顶绿美化工
法、亲水工法、透水混凝土块施工法、复断面施工法
等.通过试验可求得不同骨材粒径透水混凝土的曼
宁糙率系数[49] .
一种名为植生型防渗砌块[50]的专利技术,是可
应用的新型生态材料.其下部为方型混凝土防渗板,
前部下端有一凸块,后部下端有一凹槽,砌块间通过
凸块和凹槽的联结紧密排列. 混凝土防渗板上为
“#冶型无砂混凝土隔板,中间填土形成植物种植区
(图 2).植生型防渗砌块能够较好地解决输水渠道
关于不透水全衬砌的要求,并可创造出适宜水生生
物生长的环境,既保持了渠道内生态系统的完整性,
又达到了渠道防渗的目的[51] .
摇 摇 引入生态材料及施工方式,改善现有沟渠的生
态栖地条件、生态工程材料和施工方法,并配合沟渠
生态规划设计,是未来农地整理工程生态化发展的
可行途径[52] .
5摇 路沟渠生态化设计的案例和操作
德国、荷兰、日本、韩国和我国台湾地区等都非
常重视农地整理中路沟渠的生态化设计,目前有很
多成功案例.
5郾 1摇 日本的案例
日本道路环境研究所早在 20 世纪 90 年代就提
出了小型动物和两栖类动物移动涵管设计[53] (图
3).该设计的关键操作技术是:在涵管的入口及沿
途设置诱饵植生,引导动物进入,周边强化隔离设施
以及配植非食饵植物,以避免动物从道路直接穿越;
涵管内部一侧设置低水路、另一侧设置步道,方便动
物通行;入口处如有边沟,应加盖并设置方便动物脱
离的斜坡.
5郾 2摇 中国台湾地区的案例
本案例位于台北市士林区阳明山的丘陵地,其
两侧为种植蔬菜的农地,施工单位结合该地区的生
图 2摇 植生型防渗砌块[51]
Fig. 2摇 Vegetal anti鄄seepage block[51] .
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态环境条件和排水沟排洪要求,选择生态复育和突
出休闲功能的规划设计方式对其进行整治[54] .主要
设计技术如下:
1)设计方式:护岸以块石砌成并在缝隙间栽种
植物,提供生物栖息、藏匿的空间以及食物来源. 沟
底用块石铺设并设置多阶段跌水工、渊、滩、堆石,低
水护岸栽种植物.
2)施工方式与材料:护岸以钢筋混凝土为底
层,表面以 30 ~ 50 cm 块石堆砌而成,将石面整平,
坡度维持在 1 颐 0郾 3,并以混凝土砂浆固定. 在护岸
断面中设置 PVC透水管供排水用.在护岸块石缝间
(约 15 cm 深度)填土栽植凤仙花、九重葛和肾蕨等
原生植物.沟底以钢筋混凝土加固,在混凝土上铺块
石和土壤,以混凝土砂浆固定,石缝间填置石砾.
5郾 3摇 中国大陆的案例
本案例位于福建省长泰县雪美洋镇的河谷地,
主要种植水稻,辅以蔬菜、豆类、淡水名优水产和猪、
鸭、鸡等畜禽养殖[55] . 设计和施工单位根据种养殖
要求和生态保育理念对项目区进行设计施工. 关键
设计技术如下:
1)道路工程设计:农地整理区内的道路除运送
农产品、肥料外,还起着连接景观生态斑块的廊道作
用.在土地整理区内,只有主干道路路面采用水泥,
支道路面全部采用砂砾石或镂空水泥板,在镂空处
种植耐压碾、生存能力强的草皮,田间道采用泥砂路
面,其上种植紧贴地面、生存能力强的草皮,给田间
动物营造良好的栖息环境和通道、在道路下面埋设
一些涵管,既能为农田灌溉服务,也能成为田间动物
图 3摇 小型动物和两栖类动物移动涵管设计概念图[53]
Fig. 3摇 Concept map of small animals and amphibians mobile culvert pipe design[53] .
图 4摇 生态型沟渠设计图(数据单位: mm)
Fig. 4摇 Designing profile of ecological ditch and drain(data units: mm).
+0郾 000:田面 Level of field.
53917 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 叶艳妹等: 农地整理中路沟渠生态化设计研究进展摇 摇 摇 摇 摇
遮阳、栖息、通行的好去处,以保护动物的生存环境.
2)沟、渠工程设计:根据当地建材、使用习惯、
水量大小、地形情况,该设计的 U 型渠上口宽小于
70 cm,适于流量较小的农渠;浆砌条石矩型渠主要
用于流量较大的支斗渠,最深可达 120 cm;当地形
复杂、土方量大的地段采用暗管;当渠道跨越河流
时,采用强度较大的钢管或通过架设水泥渡槽.干砌
块石矩型沟道深度最大达 150 cm,为了减少占用土
地,沟壁往往坡度较大,达 73毅. 实践表明,青蛙、蚯
蚓等田间小动物一旦掉进渠面光滑、渠壁陡、深度大
于 50 cm 的沟渠内很难再爬上来,影响田间小动物
的正常繁衍生栖和通行,影响田间生物多样性. 因
此,在深度大于 50 cm 的 U 型渠、浆砌条石矩型渠、
干砌块石梯型沟内每隔 20 ~ 30 m 做一段长约 l m
的生态型沟渠(图 4),以保证田间生物正常生活,保
护生物多样性.为了确保埋设在地下的暗管是可持
续的,在管道进口处设置沉沙池和拦物网,以保证管
道的畅通和可持续利用. 在露出地表的管道的两侧
种植豆类作物,既有经济效益,又可使管道免遭阳光
的暴晒而缩短使用寿命,还可供小动物栖息和自由
通行.
6摇 结摇 摇 语
国内外农地整理中路沟渠生态化设计的主要经
验是:在保证工程安全的前提下,需尽力营造表面粗
糙化、高坝低矮化、坡度缓坡化、材质自然化、界面透
水化、流态多样化的自然生态环境[56-59] . 生态化设
计的主要思路需涵盖以下 3 方面:1)道路尽量采用
透水性材料,为水路环境(包括护岸、渠底)提供多
孔质空间,以供动物栖息与繁殖. 如创造洞穴、石堆
空间、铺设卵石、不加封底、设置 PVC 管、空心砖、凹
洞等. 2)提供充分的缓冲空间供生物栖息,并创造
多种类的环境,以孕育出多样的物种. 如复式断面、
多阶段跌水工、渠底地形多样化、营造弯曲水路等扰
流结构. 3)创造连续性空间,尽可能建造各斑块间
的栖息走廊,避免各生物族群间的隔离,建立出整体
性的生态网络.如沟渠较缓的坡度设计、涵洞,以及
道路下埋设涵管等供田间动物穿行的通道等.
目前,国内外关于路沟渠生态化材料应用的研
究较少,而对生态化路沟渠形式与结构设计的研究
虽相对较多.部分沟渠生态工法虽然改善了沟渠的
生态功能,但还不能很好地兼顾其输水、排水效率;
就路沟渠生态保育的标的生物而言,以往的研究主
要集中在鱼类等水生生物和萤火虫(萤火虫卵)等
少数动物,而对路沟渠生物群落(包括植物、无脊椎
动物、鱼类、两栖类动物、鸟类、哺乳动物等)的相关
研究仍很少涉及[59] .未来的研究方向应综合考虑各
级道路、灌排沟渠的不同功能要求和规格,以及不同
地区自然条件,因地制宜地建立生态化设计模式;按
照田间不同生物的习性和栖息要求,精确设计能满
足大多数生物需求的整理区路沟渠形态、结构和控
制性尺寸,切实解决农地整理过程中田间生物栖息
环境退化的问题.
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作者简介 摇 叶艳妹,女,1964 年生,博士,教授. 主要从事土
地整理工程和土地管理研究,发表论文 30 余篇. E鄄mail:
yeyanmei@ zju. edu. cn
责任编辑摇 杨摇 弘
8391 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷