葉知暉，吳建東

(1.甘肅省水利水電勘測(cè)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(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)型大國(guó)，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(guó)農(nóng)業(yè)乃至整個(gè)國(guó)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(guó)總用水量為6015.5m3，農(nóng)業(yè)用水量為3693.1m3，占全國(guó)總用水量的61.4%。且從1999—2018年這20年我國(guó)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(guó)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(guó)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(guò)程中。目前我國(guó)修建的灌溉渠道總長(zhǎng)已超過(guò)305萬(wàn)km，但進(jìn)行了防滲措施的渠道只有55萬(wàn)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(guò)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(wèn)題，還可以提高農(nóng)田灌溉水的利用率，緩解我國(guó)農(nóng)業(yè)用水方面的供需矛盾，對(duì)我國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)外許多國(guó)家如美國(guó)、加拿大、印度、日本等國(guó)家也開(kāi)始重視渠道防滲技術(shù)領(lǐng)域的研究和推廣。如：早期，美國(guó)在渠道防滲方面的認(rèn)識(shí)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(guó)內(nèi)斗渠以上級(jí)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(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)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(zhǎng)、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(guó)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(duì)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(lái)，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(chē)?guó)外技術(shù)人員的青睞。例如：以混凝土作為渠道防滲材料的美國(guó)，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(lèi)[6]。

2 國(guó)內(nèi)渠道防滲技術(shù)概況

據(jù)相關(guān)材料記載，我國(guó)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(shì)，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(lái)用作渠道的防滲處理。山西、陜西省于60年代后期，也相繼開(kāi)展了渠道防滲材料-混凝土方面的研究。70年代我國(guó)技術(shù)人員針對(duì)不同類(lèi)型的渠道研究出了一一對(duì)應(yīng)的渠道防滲斷面，如：對(duì)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(guó)已經(jīng)使用了很長(zhǎng)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(jiǎn)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(méi)有做防滲措施的渠道可減少60%～80%的滲漏量。缺點(diǎn)：對(duì)于沖淤流速很難控制，且當(dāng)渠道過(guò)水流速較大時(shí)，容易對(duì)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(guò)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(lái)源廣，施工工藝簡(jiǎn)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(duì)氣候要求高。僅適用于氣候溫和、無(wú)霜凍損害的地區(qū)[9]。

2.3 砌石防滲

我國(guó)最早采用的渠道防滲技術(shù)即為砌石防滲，作為我國(guó)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(lái)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(lái)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(guó)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(kāi)挖和填充，后期強(qiáng)度高，使用壽命長(zhǎng)，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(duì)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(duì)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(lái)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(guò)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(guó)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(jī)。然而，中國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)，想要跟隨全球的發(fā)展潮流就必須在切合本國(guó)國(guó)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(guó)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(wèn)題。如何根治這些問(wèn)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(kāi)發(fā)渠道防滲技術(shù)對(duì)我國(guó)未來(lái)農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展具有重要意義。

3.1 通過(guò)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(jiǎn)單，原材料豐富，防滲效果好、使用壽命長(zhǎng)，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(guó)外的一些施工科研單位針對(duì)混凝土防滲材料受低溫影響較大的問(wèn)題，引進(jìn)了高分子納米技術(shù)對(duì)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(guó)應(yīng)該積極借鑒國(guó)外在此領(lǐng)域的研究，借鑒他們的方法來(lái)改進(jìn)適合我國(guó)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(guó)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(chǔ)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(guó)利用塑膜做防滲材料最早開(kāi)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(yáng)光照射，起到了延長(zhǎng)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(guó)家已經(jīng)開(kāi)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(rùn)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(lái)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(lái)，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(guò)程中的滲漏損失，且其輸水過(guò)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(wèn)題，還可以減少對(duì)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(yǔ)

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(guó)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(wèn)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(guó)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。