淺析我國農(nóng)田灌溉渠道防滲技術(shù)研究進(jìn)展

葉知暉，吳建東

(1.甘肅省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省水利科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730070)

我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)型大國，農(nóng)業(yè)用水占據(jù)鰲頭，但是水資源緊缺，灌溉用水浪費(fèi)嚴(yán)重，灌溉水利用系數(shù)低已經(jīng)成為了制約我國農(nóng)業(yè)乃至整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。水利部官網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示，2018年全國總用水量為6015.5m3，農(nóng)業(yè)用水量為3693.1m3，占全國總用水量的61.4%。且從1999—2018年這20年我國農(nóng)業(yè)用水占比平均在60%以上，農(nóng)業(yè)用水占比甚大。我國2018年的灌溉水利用系數(shù)為0.554，比2006年的0.45有所上升，但與發(fā)達(dá)國家的灌溉水利用系數(shù)相差甚遠(yuǎn)。從灌溉水利用系數(shù)看出，灌溉水損失的近50%是在輸送過程中。目前我國修建的灌溉渠道總長已超過305萬km，但進(jìn)行了防滲措施的渠道只有55萬km左右，占比甚微。因此要沖破因水資源短缺，及其灌溉水利用系數(shù)低等因素制約農(nóng)業(yè)發(fā)展的瓶頸，就要將輸送過程中的損失量降到最低，而如果采用渠道防滲技術(shù)就可以減少滲漏損失的70%～90%，不僅可以極大地解決灌溉用水的浪費(fèi)問題，還可以提高農(nóng)田灌溉水的利用率，緩解我國農(nóng)業(yè)用水方面的供需矛盾，對我國農(nóng)業(yè)乃至整個(gè)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供有力保障[1- 4]。

1 國外渠道防滲技術(shù)概況

水資源短缺和渠道滲漏也是制約國外農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。由于渠道滲漏造成的水的損失很大，國外許多國家如美國、加拿大、印度、日本等國家也開始重視渠道防滲技術(shù)領(lǐng)域的研究和推廣。如：早期，美國在渠道防滲方面的認(rèn)識程度不夠，渠道修建時(shí)，不進(jìn)行渠道防滲，在后邊的論證中發(fā)現(xiàn)，因渠道滲漏損失了大量的水，從而出現(xiàn)了如地下水位高、土壤鹽漬化嚴(yán)重、農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量銳減等一系列的負(fù)面效應(yīng)，同時(shí)也加劇了水資源供需的矛盾。因此，在以后的渠道修建中，很重視渠道的防滲工作。同樣，日本隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國內(nèi)斗渠以上級別的渠道已全部進(jìn)行了防滲處理，就連與大田結(jié)合的農(nóng)渠也基本做了防滲處理[5]。

目前在渠道防滲材料的選擇方面，國外發(fā)達(dá)國家更青睞于混凝土材料。混凝土防滲材料本身具有便于施工、機(jī)械化程度高、防滲效果好、強(qiáng)度高、使用壽命長、管理方便等優(yōu)點(diǎn)，而塑模材料因較薄，在施工、運(yùn)行期易被刺穿等因素導(dǎo)致美國多采用混凝土防滲材料。日本用于渠道防滲的材料有混凝土、砂漿、塑料薄膜、合成橡膠模具等。且為了克服因軟基礎(chǔ)沉降對渠道造成的影響，多采用混凝土樁、鋼板樁或木樁進(jìn)行渠道地基的加固處理。近幾年來，日本在修建新渠道或?qū)Α安∥！鼻肋M(jìn)行改造時(shí)則更傾向于選擇鋼筋混凝土材料，從而大幅度增強(qiáng)了渠道的防滲性和耐久性，更便于渠道的清淤及其養(yǎng)護(hù)管理。

在渠道防滲斷面結(jié)構(gòu)的選擇上，U形、梯形、矩形、曲線坡腳梯形斷面?zhèn)涫車饧夹g(shù)人員的青睞。例如：以混凝土作為渠道防滲材料的美國，在渠道防滲斷面選擇方面主要以梯形斷面或弧形坡腳梯形斷面為主，而以壓實(shí)土為防滲材料時(shí)，其渠道斷面多數(shù)選擇以梯形斷面為主。日本在渠道防滲斷面選擇上主要以明渠、暗管為主。明渠防滲截面結(jié)構(gòu)為:梯形、矩形、U型;暗渠暗管的斷面結(jié)構(gòu)分為：方形、圓形和馬蹄形三類[6]。

2 國內(nèi)渠道防滲技術(shù)概況

據(jù)相關(guān)材料記載，我國在很早就已經(jīng)有利用黏土作為渠道的防滲材料的記錄。到20世紀(jì)中葉，甘肅和新疆兩省份利用地域資源豐厚的優(yōu)勢，因地制宜的采用卵石材料進(jìn)行渠道的防滲。并隨后探索了將瀝青和混凝土兩種性質(zhì)不同的防滲材料結(jié)合起來用作渠道的防滲處理。山西、陜西省于60年代后期，也相繼開展了渠道防滲材料-混凝土方面的研究。70年代我國技術(shù)人員針對不同類型的渠道研究出了一一對應(yīng)的渠道防滲斷面，如：對于大型渠道(渠道設(shè)計(jì)流量:20

2.1 土料防滲

這項(xiàng)技術(shù)在我國已經(jīng)使用了很長時(shí)間，只要該地區(qū)有豐富的粘土資源，當(dāng)渠道防滲水平和渠道流速不大時(shí)，可以采用這種防滲措施。該措施的優(yōu)點(diǎn)：資源豐厚，取材方便，施工簡單，造價(jià)較低，而且具有一定的防滲效果，據(jù)相關(guān)人員的研究發(fā)現(xiàn)，利用土料防滲在渠道的滲漏方面相比沒有做防滲措施的渠道可減少60%～80%的滲漏量。缺點(diǎn)：對于沖淤流速很難控制，且當(dāng)渠道過水流速較大時(shí)，容易對其防滲層造成嚴(yán)重的沖刷，后期的管理維護(hù)工作量較大[8]。

2.2 水泥土防滲

水泥土是指將水泥、土料和水按一定比例攪拌而成的防滲材料。其防滲機(jī)理是通過水泥和土料的膠結(jié)和硬化的特性從而達(dá)到其防滲的效果。優(yōu)點(diǎn):材料來源廣，施工工藝簡單，造價(jià)低，防滲效果高(可減少滲漏80%～90%)。缺點(diǎn):水泥土早期硬化強(qiáng)度和抗凍性差，對氣候要求高。僅適用于氣候溫和、無霜凍損害的地區(qū)[9]。

2.3 砌石防滲

我國最早采用的渠道防滲技術(shù)即為砌石防滲，作為我國早期應(yīng)用較廣泛的渠道防滲措施，其按襯砌的結(jié)構(gòu)形式主要以擋土墻式及其護(hù)面式為主。優(yōu)點(diǎn)：可就地取材、抗沖刷能力強(qiáng)、造價(jià)較低、而且還有固定渠道的重要作用。缺點(diǎn)：該措僅適用于石料來源豐富的地區(qū)，并且很難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的機(jī)械化作業(yè)，施工質(zhì)量也很難控制[10]。

2.4 混凝土防滲

混凝土防滲就是采用混凝土材料來襯砌渠道，從而起到防滲防漏的作用。截止目前這種渠道防滲措施仍被國內(nèi)外技術(shù)人員廣泛使用。優(yōu)點(diǎn):它允許通道的流速很大，與其他防滲措施相比，防滲效果最好(可減少渠道滲漏90%～95%)，也可以減少渠道施工土方的開挖和填充，后期強(qiáng)度高，使用壽命長，便于后期維護(hù)和渠道管理[11]。缺點(diǎn)：其襯砌板在適應(yīng)渠道地基的變形方面的能力較差，在缺乏原材料的地區(qū)其對應(yīng)的工程造價(jià)較高。

2.5 瀝青混凝土防滲

將瀝青作為整個(gè)防滲材料中的膠合劑，加入相對比例的同礦粉及其礦物骨料，再經(jīng)高溫加熱、拌合、壓實(shí)等一系列工藝后而成的渠道防滲材料。優(yōu)點(diǎn):防滲效果好，獨(dú)特的低溫柔韌性，抗凍性強(qiáng)，裂縫自愈能力高。缺點(diǎn)：施工技術(shù)復(fù)雜[12]。

2.6 膜料防滲

其主要材料為不具有滲水性質(zhì)的土工織物或質(zhì)量較好的塑料薄膜(在一些地區(qū)為了降低工程造價(jià)，直接選用地膜來作為膜料防滲材料)。其土工膜因自身薄、柔軟等特性有著適應(yīng)變形能力強(qiáng)，施工方便，工期短，造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn):易老化，土工膜薄，施工運(yùn)輸過程中易被刺破，從而大大降低其防滲效果[13- 14]。

3 討論

從20世紀(jì)70代以后，我國在渠道防滲領(lǐng)域進(jìn)行了大量的探索性研究并取得了輝煌的成績。然而，中國與發(fā)達(dá)國家的差距仍然較大，體現(xiàn)在兩方面：一是渠道的防滲標(biāo)準(zhǔn)較低，進(jìn)行了防滲措施的渠道占總渠道的比例甚微，而且早期進(jìn)行的防滲渠道目前損毀及其嚴(yán)重；二是在防滲材料及其防滲技術(shù)方面的研究力度不夠，且整體的機(jī)械化作業(yè)程度較低。在全球經(jīng)濟(jì)化快速發(fā)展的潮流下，作為一個(gè)農(nóng)業(yè)型大國，想要跟隨全球的發(fā)展潮流就必須在切合本國國情的前提下，在農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展上下足功夫，而目前制約我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的瓶頸就是水資源匱乏和灌溉水浪費(fèi)問題。如何根治這些問題，關(guān)鍵所在就是提高渠系水的利用系數(shù)，而渠系水的利用系數(shù)和渠道的防滲密切相關(guān)。因此，研究開發(fā)渠道防滲技術(shù)對我國未來農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展具有重要意義。

3.1 通過現(xiàn)代科技提升混凝土防滲材料性能

混凝土防滲是目前全球范圍內(nèi)應(yīng)用最為普遍的渠道防滲措施。具有施工簡單，原材料豐富，防滲效果好、使用壽命長，適應(yīng)地形的能力強(qiáng)、管理維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。但該技術(shù)受溫度的影響比較大，在低溫條件下的抗凍效果不好。目前國外的一些施工科研單位針對混凝土防滲材料受低溫影響較大的問題，引進(jìn)了高分子納米技術(shù)對其混凝土的性能進(jìn)行人工改造，并將改造成果率先以試驗(yàn)形式應(yīng)用在了高速公路的施工中，試驗(yàn)結(jié)果表明，納米技術(shù)引入可以顯著提升混凝土材料的抗凍性，與改造前相比其抗凍性能提高了20倍。因此，我國應(yīng)該積極借鑒國外在此領(lǐng)域的研究，借鑒他們的方法來改進(jìn)適合我國地域的新型混凝土防滲材料[12]。

3.2 加強(qiáng)已有材料的深入研究

我國在20世紀(jì)80年代就引入了土壤固化劑這項(xiàng)防滲措施，并于20世紀(jì)90年代小范圍的應(yīng)用于各種渠道的防滲工程中，取得了一定的防滲效果。土壤固化劑相比混凝土材料而言，是一種全新的防滲材料，它有著混凝土不具備的一些特性，其適用范圍廣，原材料儲備充足。但土壤固化劑有著混凝土材料一樣的缺點(diǎn)就是抗凍性能較差，因此，在今后土壤固化劑的研究領(lǐng)域中應(yīng)重點(diǎn)去解決抗凍性差的這個(gè)致命缺點(diǎn)[7]。

3.3 利用現(xiàn)有材料特性組合新型復(fù)合材料

在我國利用塑膜做防滲材料最早開始于20世紀(jì)60年代，且在當(dāng)時(shí)也取得了一定的防滲效果。通常塑模填埋于地下，從而有效地避免了陽光照射，起到了延長使用壽命的效果。如今隨著科技的高速發(fā)展，新型復(fù)合防滲膜料也相繼出現(xiàn)，但因造價(jià)高，后期的推廣可謂是舉步維艱。目前，一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開始研究一種新型的復(fù)合土工合成材料防滲材料GCL，該材料是將膨潤土的溶脹特性和土工布遇水時(shí)的特性有機(jī)結(jié)合起來的一種新型材料。因此將多種防滲材料的特性有機(jī)結(jié)合起來，研發(fā)價(jià)格低廉、防滲性能強(qiáng)的新型復(fù)合材料應(yīng)是目前在渠道防滲方面的發(fā)展方向[15]。

3.4 積極研發(fā)管道新材料

利用管道輸水可以有效地防止輸水過程中的滲漏損失，且其輸水過程中水的有效利用率可達(dá)90%以上，同時(shí)管道一般都是埋填在地下，因此既可以解決渠道的凍脹問題，還可以減少對耕地的占用面積，便于機(jī)械在田地工作。但因制作管道的原材料價(jià)格較高，導(dǎo)致工程前期的投資較大，因此，如何找出一種成本低，材質(zhì)優(yōu)良，便于做田間輸水的管道材料，是今后管道輸水方面研究的重中之重。

4 結(jié)語

實(shí)施渠道防滲措施不僅可以顯著提高渠系用水系數(shù)，而且可以緩解當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)用水供需矛盾，還能有效減少田間渠道的占用面積，防止渠道的侵蝕、坍塌和淤積問題。此外，還可以降低整個(gè)灌區(qū)的地下水位，進(jìn)一步防止土壤鹽漬化。因此，因地制宜的選擇合適的防滲技術(shù)，建設(shè)完善的渠道防滲體系，有利于我國的生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)及其農(nóng)業(yè)的可持續(xù)化發(fā)展。