塑料在農(nóng)田灌溉排水中的應(yīng)用研究進(jìn)展

李沙 高云華 鄭宏剛　陳穎

摘要：塑料自發(fā)明以來，以其加工特性好、質(zhì)輕、比強(qiáng)度大、化學(xué)穩(wěn)定性好、性能設(shè)計(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于建筑、汽車、農(nóng)業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。隨著國內(nèi)塑料工業(yè)的發(fā)展，塑料在農(nóng)業(yè)上應(yīng)用得越來越多。本文對塑料在農(nóng)田灌溉排水中渠道的防滲、防凍脹、排水三方面的應(yīng)用進(jìn)行提煉和總結(jié)，并給以展望，以期為塑料在農(nóng)田灌溉排水中的應(yīng)用研究提供一定參考。

關(guān)鍵詞：塑料；防滲；防凍脹；排水；農(nóng)田灌溉

中圖分類號：S27 文獻(xiàn)標(biāo)識號：A 文章編號：1001-4942（2017）04-0151-06

Application Research Progress of Plastics in

Farmland Irrigation and Drainage

Li Sha1，Gao Yunhua1，Zheng Honggang1，2， Chen Ying1

（1. College of Hydraulic Engineering，Yunnan Agricultural University，Kunming 650201， China；

2. Engineering Research Center of Science and Technology of Land and Resources，

Yunnan Agricultural University，Kunming 650201， China）

Abstract For the advantages of good processing property， qualitative light， great specific strength， good chemical stability and performance designability， plastic is widely used in building， automobile， agriculture and other fields since invention. With the development of domestic plastics industry， more and more plastic are used in agriculture. The application of plastic in anti-frostbite swelling， seepage control， drainage in farmland irrigation and drainage were refined and summarized， and its prospect was also given in this paper to provide references for its application research in irrigation and drainage.

Keywords Plastic； Seepage control； Anti-frostbite swelling； Drainage； Farmland irrigation

20世紀(jì)初，人類歷史上第一個(gè)合成樹脂——酚醛樹脂在美國誕生并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，拉開了合成樹脂和塑料工業(yè)發(fā)展的序幕。自此，塑料以其加工特性好、質(zhì)輕、比強(qiáng)度大、化學(xué)穩(wěn)定性好、性能設(shè)計(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于建筑、汽車、農(nóng)業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。1900年全球塑料的產(chǎn)量和消費(fèi)量僅2萬噸，1995年超過1億噸，2013年達(dá)到2.99億噸[1]。我國每年塑料制品總產(chǎn)量的20%為塑料薄膜，其中農(nóng)用塑料薄膜約占30%。據(jù)農(nóng)業(yè)部統(tǒng)計(jì)，每年需要設(shè)施農(nóng)業(yè)塑料制品約300萬噸。隨著塑料產(chǎn)量的增加，塑料在農(nóng)業(yè)方面應(yīng)用得越來越多。

我國是一個(gè)貧水大國，每年的農(nóng)業(yè)灌溉用水約占用水總量的70%，但灌溉水利用率僅為40%左右[2]，因此，做好農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉將會在一定程度上緩解我國的用水緊張。由于渠道輸水是灌溉用水的主要運(yùn)輸方式，因此輸水渠道質(zhì)量的好壞將影響灌溉水利用率及用量。農(nóng)田水量過多將導(dǎo)致澇漬堿災(zāi)害，從而造成農(nóng)作物低產(chǎn)，制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展[3]，因此，農(nóng)田需要設(shè)置排水措施，目前除澇排水的主要方式是渠道排水。因此，渠道的質(zhì)量還影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。無論是土渠、漿砌石渠道還是混凝土渠道，都需要進(jìn)行防滲等處理，而塑料作為一種新型材料在渠道防滲處理等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。鑒于塑料在輸水渠道上的廣泛應(yīng)用，本文對塑料在渠道防滲、防凍脹和排水三個(gè)方面的應(yīng)用研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 塑料防滲應(yīng)用的研究進(jìn)展

目前，我國干、支渠道防滲長度為55.11萬千米，僅占全國渠道總長的18%，80%以上的渠道沒有采取防滲措施。渠系水利用系數(shù)平均不到0.5，50%以上的水在渠道輸水過程中損失。每年由灌溉渠道損失的水量高達(dá)1 734.62億立方米，約占全國總用水量的1/3，約為農(nóng)業(yè)用水量的45%，灌溉用水損失十分嚴(yán)重。渠道防滲工程措施，可有效減少滲漏損失70%～90%；降低渠道周圍土地的地下水位，減輕土壤鹽堿化；節(jié)約的水還可增加灌溉面積。因此，渠道防滲措施的應(yīng)用意義重大，應(yīng)在全國進(jìn)行推廣[4，5]?，F(xiàn)行防滲措施主要有土料夯實(shí)、土料護(hù)面防滲、砌石防滲、混凝土襯砌防滲、瀝青材料防滲、塑料薄膜防滲[6]。早在1949年，美國有關(guān)部門已經(jīng)開始在蓄水池和渠道上進(jìn)行塑料薄膜防滲實(shí)驗(yàn)。20世紀(jì)60年代初，我國在北京市東北旺農(nóng)場南干渠上也開始了塑料薄膜防滲的實(shí)驗(yàn)研究，20年后仍保持良好的防滲作用。實(shí)踐證明，塑料薄膜防滲使用壽命在20年以上，估算可達(dá)30～50年，投資僅為混凝土襯砌的1/6～1/10[7]。隨著國內(nèi)塑料工業(yè)的發(fā)展，應(yīng)用塑料薄膜防滲的渠道逐漸增多，部分渠道的施工時(shí)間及運(yùn)行效果見表1。

關(guān)于塑料薄膜防滲的研究較多。李長山總結(jié)了一種用于井灌、提水灌區(qū)提高水稻產(chǎn)量、節(jié)水的方法——封閉式塑料膜襯輸水渠道，該輸水渠道能提高渠道水溫1℃，每天可減少抽水時(shí)間1～2小時(shí)[15]。孟憲魁等在白龍水電站引水渠道上使用聚乙烯復(fù)合膜進(jìn)行防滲處理，防滲效果顯著 [16]。楊自東總結(jié)了在益民灌區(qū)支渠改建工程中使用塑料薄膜防滲的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)并提出建議[17]。李玉柱等根據(jù)焉耆縣、博湖縣兩重鹽堿區(qū)使用塑料薄膜防滲的結(jié)果，表明塑料薄膜防滲在節(jié)水、降低地下水位、減輕排水渠壓力方面有良好效果[18]。田良武等根據(jù)多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)制訂出《塑料薄膜防滲渠道設(shè)計(jì)施工細(xì)則》[19]。周霖分析了影響塑膜渠道保護(hù)層穩(wěn)定性的主要因素，得到穩(wěn)定系數(shù)分別與土壤的C、φ值、塑膜傾角、渠高和保護(hù)層厚度的關(guān)系[20]。王俊發(fā)等通過土體極限平衡狀態(tài)提出了防滲鋪膜臨界角的概念，建立了鋪膜臨界角的數(shù)學(xué)模型[21]。袁新明在滿足一定水力、穩(wěn)定、運(yùn)行管理?xiàng)l件下，以造價(jià)最低為目標(biāo)，對塑料薄膜防滲渠道橫斷面進(jìn)行了優(yōu)化[22]。王俊發(fā)等以渠道的流量和工程施工為條件，工程花費(fèi)最小為目標(biāo)函數(shù)，建立了塑料薄膜防滲梯形渠道的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型[23]。Giroud提出了土工膜應(yīng)力應(yīng)變曲線的數(shù)學(xué)模型，有利于土工膜的設(shè)計(jì)應(yīng)用程序的開發(fā)[24]。Ghosh通過預(yù)設(shè)徑向應(yīng)變測試了復(fù)合土工膜的抗刺穿性能[25]。Villard等通過實(shí)驗(yàn)和有限元法對合成土工膜在大變形條件下的線性系統(tǒng)進(jìn)行了分析[26]。Wesseloo等在拉力試驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立了關(guān)于高密度聚乙烯的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)學(xué)模型，為土工膜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論支撐[27]。Jones等通過直接剪切實(shí)驗(yàn)和環(huán)剪切實(shí)驗(yàn)研究了土工膜界面剪切強(qiáng)度，為土工膜界面的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)提供了參考[28]。

塑料薄膜防滲具有防滲效果好、適應(yīng)變形能力強(qiáng)、工程造價(jià)低、便于施工等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中需注意以下幾個(gè)問題：①塑料薄膜埋鋪形式。塑料薄膜的埋鋪形式可影響渠道埋藏深度（保護(hù)層厚度）、渠道挖填土方工程量、邊坡系數(shù)和塑料薄膜用量。因此，選擇合理的埋鋪形式十分重要。埋鋪形式主要有梯形、矩形、鋸齒形、復(fù)式梯形和弧形等。②保護(hù)層厚度。決定保護(hù)層厚度的因素主要有土質(zhì)、流速、埋鋪形式、邊坡高度和冰凍深度等。一般厚度越大，渠坡越穩(wěn)定，越能避免植物穿透薄膜和增加薄膜使用壽命，但會增加渠道挖填方量和施工期，使工程不經(jīng)濟(jì)。③渠坡保護(hù)層的穩(wěn)定性。使用塑料薄膜防滲的渠道多由于土體沿塑膜表面坍滑而破壞，因此渠坡保護(hù)層的穩(wěn)定性關(guān)系到渠道的安全和挖填方量的多少。④塑料薄膜的選擇。針對渠道的情況選擇不同品種、顏色、厚度等。塑料薄膜主要品種有聚氯乙烯膜、聚乙烯膜、聚丙烯膜等；顏色一般選擇棕、黑等深色，因?yàn)樯钌腹獠?，能抑制薄膜下植物生長，減少植物穿透薄膜；采用較厚的薄膜可以增加耐久性但會提高工程造價(jià)。

隨著國內(nèi)外對塑料薄膜防滲研究的廣泛開展，塑料薄膜防滲施工工藝有所改進(jìn)，生產(chǎn)技術(shù)有所提高，塑料薄膜防滲施工要求高、耐久性差等問題逐漸被克服，在農(nóng)田灌溉排水中應(yīng)用得越來越多。

2 塑料防凍脹應(yīng)用的研究進(jìn)展

渠道凍脹破壞及其防治是北方季節(jié)性凍土地區(qū)渠道設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要問題。北方寒冷地區(qū)，由于渠床土壤水分凍結(jié)使土體膨脹，從而使襯砌渠道的防滲體受到凍脹破壞，如混凝土襯砌渠道，當(dāng)土壤水凍脹帶來的拉應(yīng)力大于混凝土板的抗拉強(qiáng)度時(shí)，將使混凝土板產(chǎn)生裂縫[29]，導(dǎo)致渠道輸水時(shí)水量損失，因此，對渠道采取防凍脹的措施十分必要。目前，常用的措施有沙礫墊層置換基土、采用高效防滲措施、提高填方渠道質(zhì)量、鋪設(shè)保溫層、采用新型斷面結(jié)構(gòu)形式、采用新型防滲材料等[30，31]。其中，鋪設(shè)保溫層主要采用聚苯乙烯保溫板?，F(xiàn)將使用聚苯乙烯保溫板進(jìn)行防凍脹的渠道總結(jié)如表2。

基于渠道防凍脹的必要性，相關(guān)學(xué)者做了大量研究[38-43]。在聚苯乙烯保溫板方面，楊育紅等根據(jù)保溫板鋪設(shè)厚度和防凍脹目的給出保溫板導(dǎo)熱系數(shù)性能指標(biāo)數(shù)值的參考值，為工程使用保溫板的質(zhì)量控制提供有效保障[38]；張軍等研究了苯板與墊層材料之間的摩擦角的測定方法，發(fā)現(xiàn)非散粒體材料摩擦角測定儀能直接測出摩擦角且便于操作、適用性強(qiáng)[39]；安鵬等基于熱阻等效原理給出了苯板部分保溫法的計(jì)算方法，相較于全保溫法降低了19%的工程造價(jià)[40]；張彥蕊利用ADINA瞬態(tài)溫度模式加載溫度模擬渠道凍脹過程，研究均布鋪設(shè)苯板和鋪設(shè)變厚度苯板狀態(tài)下渠道溫度場的規(guī)律，表明鋪設(shè)變厚度苯板不僅與均布鋪設(shè)苯板的防凍脹效果一樣，還節(jié)省材料而降低工程造價(jià)[41]；郭婧運(yùn)用ANSYS軟件對鋪設(shè)不同厚度保溫板的襯砌渠道進(jìn)行熱、應(yīng)力瞬態(tài)直接耦合分析，得到渠道不同坡段部位保溫板的合理經(jīng)濟(jì)厚度[42]。

除了常用的聚苯乙烯保溫板，也有其它類型的保溫板，如何武全等研究了填充玉米稈碎粉的復(fù)合型聚氨酯泡沫保溫塑料板[43]；鄧昌軍在和靜縣北干渠、程玉輝等在哈達(dá)山輸水干渠中使用聚氨脂保溫板進(jìn)行防凍脹[44，45]。由于聚苯乙烯保溫板具有質(zhì)輕、不吸水、導(dǎo)熱系數(shù)低、抗壓縮性強(qiáng)、使用壽命長等一系列優(yōu)點(diǎn)，使得它在渠道防凍脹中應(yīng)用得越來越廣。但使用聚苯乙烯保溫板需要考慮以下問題：①苯板厚度。合適的厚度關(guān)系到防凍脹效果和工程造價(jià)，厚度小影響防凍脹的效果，厚度大則工程造價(jià)過高，選擇厚度時(shí)可考慮部分保溫法或變厚度苯板。②苯板上下墊層的施工。由于苯板質(zhì)地輕，表面抗壓強(qiáng)度低，若其上下墊層平整度不夠?qū)⒓芸毡桨?，使苯板損壞破裂影響保溫效果。③降低地下水位。在地下水位較高的地區(qū)使用苯板時(shí)，揚(yáng)壓力較大，易造成襯砌層破壞。

3 塑料在渠道排水中應(yīng)用的研究進(jìn)展

渠道需要進(jìn)行排水設(shè)計(jì)降低地下水位，主要有三個(gè)原因：第一，地下水位過高會影響渠坡穩(wěn)定性；第二，地下水位過高會使渠道周圍土地鹽堿化；第三，地下水的存在是渠道發(fā)生凍脹破壞的條件之一。因此，在渠道的修建過程中需要根據(jù)實(shí)際情況考慮排水。目前常用的排水方式有暗管排水、明溝排水和豎井排水三種[43-46]，其中，暗管排水以占地面積較少、便于機(jī)械化作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)使用較多。渠道排水的方式多種多樣，現(xiàn)將部分渠道排水的情況總結(jié)如表3。

渠道排水是整個(gè)設(shè)計(jì)中重要的一環(huán)，塑料排水板作為渠道排水的新方法也有相關(guān)學(xué)者做了研究。周衛(wèi)東等在熱熔整體式塑料排水板的基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，不但提高了排水板的性能還降低了造價(jià)[53]；王婧等對不同排水板的芯板及濾膜進(jìn)行物理力學(xué)性能試驗(yàn)，得到排水板的通水性能由小到大依次為常規(guī)分離式、防淤堵分離式、防淤堵整體式、常規(guī)整體式[54]；俞炯奇等對工作2年后的塑料排水板進(jìn)行檢測并與施工前的性能對比，結(jié)果表明塑料排水板基本無磨損，濾膜的滲透系數(shù)在施工前后量級一致[55]；楊明昌統(tǒng)計(jì)和分析了6年塑料排水板的檢測資料發(fā)現(xiàn)塑料排水板型式越來越多，所采用的材料與制作工藝也越來越好[56]；蔣小鵬等發(fā)明一種新型塑料排水板施工裝置，其插板頭結(jié)構(gòu)簡單，施工操作簡單，能提高施工效率，節(jié)約成本[57]；鄭偉發(fā)明一種塑料排水板的連接構(gòu)件，改善了現(xiàn)有塑料排水板與抽真空管道連接方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低下的問題[58]；邱晨辰等發(fā)明了一種新型導(dǎo)電塑料排水板，其基板兩側(cè)能濾掉土顆粒，避免土體結(jié)構(gòu)破壞產(chǎn)生橫向裂縫，并且排水量有所增加[59]；張禹發(fā)明了一種降解加筋塑料排水板，此塑料排水板能減少其對環(huán)境的污染[60]；Park 等發(fā)明了一種具有X形核的塑料排水板的排水系統(tǒng)，它能抵抗周圍的側(cè)壓力和排水渠道的堵塞[61]。

隨著塑料排水板在軟土地基中的成功應(yīng)用，例如沈大高速公路改擴(kuò)建工程[62]、杭甬高速公路[63]、哈爾濱環(huán)城高速公路軟土路基[64]等，塑料排水板以排水效果好、具有一定的強(qiáng)度和延伸率、施工速度快、工程費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)也開始在渠道中應(yīng)用。例如南水北調(diào)中線陶岔至魯山段、南水北調(diào)中線滎陽段。無論是使用較多的暗管排水還是新型的排水方式——塑料排水板其主要材料都是塑料，可見塑料在渠道排水中也占用一席之地。

4 展望

農(nóng)業(yè)用水約占全國總用水量的63%，其中灌溉用水又占農(nóng)業(yè)用水的90%左右，所以渠道滲漏會導(dǎo)致每年損失大量的水。塑料工業(yè)的發(fā)展使得塑料這種能防滲、防凍脹、排水又經(jīng)濟(jì)的新型材料得以在渠道中應(yīng)用。塑料的應(yīng)用降低了渠道防滲的造價(jià)，為全國渠道大規(guī)模防滲提供可能。雖然我國在塑料薄膜防滲方面取得一定成績，但其應(yīng)用基本上都是在北方寒冷地區(qū)，南方還很少；目前塑料保溫板的種類較少，主要為聚苯乙烯保溫板；塑料排水板在軟土地基中用得很多，排水效果很好，但在渠道中應(yīng)用很少；塑料優(yōu)點(diǎn)眾多，可以嘗試直接生產(chǎn)塑料渠道。因此，對于本文有以下四個(gè)方面的展望：

一是加強(qiáng)塑料薄膜防滲的推廣應(yīng)用。塑料薄膜防滲可推廣至全國范圍內(nèi)，鼓勵南方地區(qū)使用，爭取使全國渠道防滲事業(yè)更上一個(gè)臺階；

二是加快塑料保溫板的研發(fā)工作。目前保溫板種類較少，難以滿足日益復(fù)雜的自然和社會環(huán)境，需生產(chǎn)更多種類、功能更好、造價(jià)更低的保溫板；

三是提高塑料排水板的使用率。相對于砂礫料墊層，排水板具有施工簡便、省略了大批砂石料的運(yùn)輸、節(jié)約成本等優(yōu)點(diǎn)，可以在渠道中大量使用；

四是打造新型塑料渠道。傳統(tǒng)渠道（土渠、漿砌石渠道、混凝土渠道等）具有易開裂、占地面積大、造價(jià)高等缺點(diǎn)，應(yīng)充分利用塑料優(yōu)點(diǎn)，發(fā)揮塑料優(yōu)勢，打造新型渠道——塑料渠道。

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