塑料在农田灌溉排水中的应用研究进展

李沙 高云华 郑宏刚　陈颖

摘要：塑料自发明以来，以其加工特性好、质轻、比强度大、化学稳定性好、性能设计性好等优点被广泛应用于建筑、汽车、农业等各个领域。随着国内塑料工业的发展，塑料在农业上应用得越来越多。本文对塑料在农田灌溉排水中渠道的防渗、防冻胀、排水三方面的应用进行提炼和总结，并给以展望，以期为塑料在农田灌溉排水中的应用研究提供一定参考。

关键词：塑料；防渗；防冻胀；排水；农田灌溉

中图分类号：S27 文献标识号：A 文章编号：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世紀初，人类历史上第一个合成树脂——酚醛树脂在美国诞生并实现工业化生产，拉开了合成树脂和塑料工业发展的序幕。自此，塑料以其加工特性好、质轻、比强度大、化学稳定性好、性能设计性好等优点被广泛应用于建筑、汽车、农业等各个领域。1900年全球塑料的产量和消费量仅2万吨，1995年超过1亿吨，2013年达到2.99亿吨[1]。我国每年塑料制品总产量的20%为塑料薄膜，其中农用塑料薄膜约占30%。据农业部统计，每年需要设施农业塑料制品约300万吨。随着塑料产量的增加，塑料在农业方面应用得越来越多。

我国是一个贫水大国，每年的农业灌溉用水约占用水总量的70%，但灌溉水利用率仅为40%左右[2]，因此，做好农业节水灌溉将会在一定程度上缓解我国的用水紧张。由于渠道输水是灌溉用水的主要运输方式，因此输水渠道质量的好坏将影响灌溉水利用率及用量。农田水量过多将导致涝渍碱灾害，从而造成农作物低产，制约农业生产的发展[3]，因此，农田需要设置排水措施，目前除涝排水的主要方式是渠道排水。因此，渠道的质量还影响农业生产。无论是土渠、浆砌石渠道还是混凝土渠道，都需要进行防渗等处理，而塑料作为一种新型材料在渠道防渗处理等方面发挥着越来越重要的作用。鉴于塑料在输水渠道上的广泛应用，本文对塑料在渠道防渗、防冻胀和排水三个方面的应用研究进展进行综述。

1 塑料防渗应用的研究进展

目前，我国干、支渠道防渗长度为55.11万千米，仅占全国渠道总长的18%，80%以上的渠道没有采取防渗措施。渠系水利用系数平均不到0.5，50%以上的水在渠道输水过程中损失。每年由灌溉渠道损失的水量高达1 734.62亿立方米，约占全国总用水量的1/3，约为农业用水量的45%，灌溉用水损失十分严重。渠道防渗工程措施，可有效减少渗漏损失70%～90%；降低渠道周围土地的地下水位，减轻土壤盐碱化；节约的水还可增加灌溉面积。因此，渠道防渗措施的应用意义重大，应在全国进行推广[4，5]。现行防渗措施主要有土料夯实、土料护面防渗、砌石防渗、混凝土衬砌防渗、沥青材料防渗、塑料薄膜防渗[6]。早在1949年，美国有关部门已经开始在蓄水池和渠道上进行塑料薄膜防渗实验。20世纪60年代初，我国在北京市东北旺农场南干渠上也开始了塑料薄膜防渗的实验研究，20年后仍保持良好的防渗作用。实践证明，塑料薄膜防渗使用寿命在20年以上，估算可达30～50年，投资仅为混凝土衬砌的1/6～1/10[7]。随着国内塑料工业的发展，应用塑料薄膜防渗的渠道逐渐增多，部分渠道的施工时间及运行效果见表1。

关于塑料薄膜防渗的研究较多。李长山总结了一种用于井灌、提水灌区提高水稻产量、节水的方法——封闭式塑料膜衬输水渠道，该输水渠道能提高渠道水温1℃，每天可减少抽水时间1～2小时[15]。孟宪魁等在白龙水电站引水渠道上使用聚乙烯复合膜进行防渗处理，防渗效果显著 [16]。杨自东总结了在益民灌区支渠改建工程中使用塑料薄膜防渗的设计和施工经验并提出建议[17]。李玉柱等根据焉耆县、博湖县两重盐碱区使用塑料薄膜防渗的结果，表明塑料薄膜防渗在节水、降低地下水位、减轻排水渠压力方面有良好效果[18]。田良武等根据多年实践经验制订出《塑料薄膜防渗渠道设计施工细则》[19]。周霖分析了影响塑膜渠道保护层稳定性的主要因素，得到稳定系数分别与土壤的C、φ值、塑膜倾角、渠高和保护层厚度的关系[20]。王俊发等通过土体极限平衡状态提出了防渗铺膜临界角的概念，建立了铺膜临界角的数学模型[21]。袁新明在满足一定水力、稳定、运行管理条件下，以造价最低为目标，对塑料薄膜防渗渠道横断面进行了优化[22]。王俊发等以渠道的流量和工程施工为条件，工程花费最小为目标函数，建立了塑料薄膜防渗梯形渠道的优化数学模型[23]。Giroud提出了土工膜应力应变曲线的数学模型，有利于土工膜的设计应用程序的开发[24]。Ghosh通过预设径向应变测试了复合土工膜的抗刺穿性能[25]。Villard等通过实验和有限元法对合成土工膜在大变形条件下的线性系统进行了分析[26]。Wesseloo等在拉力试验的基础上建立了关于高密度聚乙烯的应力应变数学模型，为土工膜的结构设计提供了理论支撑[27]。Jones等通过直接剪切实验和环剪切实验研究了土工膜界面剪切强度，为土工膜界面的稳定性设计提供了参考[28]。

塑料薄膜防渗具有防渗效果好、适应变形能力强、工程造价低、便于施工等优点，但在实际应用中需注意以下几个问题：①塑料薄膜埋铺形式。塑料薄膜的埋铺形式可影響渠道埋藏深度（保护层厚度）、渠道挖填土方工程量、边坡系数和塑料薄膜用量。因此，选择合理的埋铺形式十分重要。埋铺形式主要有梯形、矩形、锯齿形、复式梯形和弧形等。②保护层厚度。决定保护层厚度的因素主要有土质、流速、埋铺形式、边坡高度和冰冻深度等。一般厚度越大，渠坡越稳定，越能避免植物穿透薄膜和增加薄膜使用寿命，但会增加渠道挖填方量和施工期，使工程不经济。③渠坡保护层的稳定性。使用塑料薄膜防渗的渠道多由于土体沿塑膜表面坍滑而破坏，因此渠坡保护层的稳定性关系到渠道的安全和挖填方量的多少。④塑料薄膜的选择。针对渠道的情况选择不同品种、颜色、厚度等。塑料薄膜主要品种有聚氯乙烯膜、聚乙烯膜、聚丙烯膜等；颜色一般选择棕、黑等深色，因为深色透光差，能抑制薄膜下植物生长，减少植物穿透薄膜；采用较厚的薄膜可以增加耐久性但会提高工程造价。

随着国内外对塑料薄膜防渗研究的广泛开展，塑料薄膜防渗施工工艺有所改进，生产技术有所提高，塑料薄膜防渗施工要求高、耐久性差等问题逐渐被克服，在农田灌溉排水中应用得越来越多。

2 塑料防冻胀应用的研究进展

渠道冻胀破坏及其防治是北方季节性冻土地区渠道设计中的一个重要问题。北方寒冷地区，由于渠床土壤水分冻结使土体膨胀，从而使衬砌渠道的防渗体受到冻胀破坏，如混凝土衬砌渠道，当土壤水冻胀带来的拉应力大于混凝土板的抗拉强度时，将使混凝土板产生裂缝[29]，导致渠道输水时水量损失，因此，对渠道采取防冻胀的措施十分必要。目前，常用的措施有沙砾垫层置换基土、采用高效防渗措施、提高填方渠道质量、铺设保温层、采用新型断面结构形式、采用新型防渗材料等[30，31]。其中，铺设保温层主要采用聚苯乙烯保温板。现将使用聚苯乙烯保温板进行防冻胀的渠道总结如表2。

基于渠道防冻胀的必要性，相关学者做了大量研究[38-43]。在聚苯乙烯保温板方面，杨育红等根据保温板铺设厚度和防冻胀目的给出保温板导热系数性能指标数值的参考值，为工程使用保温板的质量控制提供有效保障[38]；张军等研究了苯板与垫层材料之间的摩擦角的测定方法，发现非散粒体材料摩擦角测定仪能直接测出摩擦角且便于操作、适用性强[39]；安鹏等基于热阻等效原理给出了苯板部分保温法的计算方法，相较于全保温法降低了19%的工程造价[40]；张彦蕊利用ADINA瞬态温度模式加载温度模拟渠道冻胀过程，研究均布铺设苯板和铺设变厚度苯板状态下渠道温度场的规律，表明铺设变厚度苯板不仅与均布铺设苯板的防冻胀效果一样，还节省材料而降低工程造价[41]；郭婧运用ANSYS软件对铺设不同厚度保温板的衬砌渠道进行热、应力瞬态直接耦合分析，得到渠道不同坡段部位保温板的合理经济厚度[42]。

除了常用的聚苯乙烯保温板，也有其它类型的保温板，如何武全等研究了填充玉米秆碎粉的复合型聚氨酯泡沫保温塑料板[43]；邓昌军在和静县北干渠、程玉辉等在哈达山输水干渠中使用聚氨脂保温板进行防冻胀[44，45]。由于聚苯乙烯保温板具有质轻、不吸水、导热系数低、抗压缩性强、使用寿命长等一系列优点，使得它在渠道防冻胀中应用得越来越广。但使用聚苯乙烯保温板需要考虑以下问题：①苯板厚度。合适的厚度关系到防冻胀效果和工程造价，厚度小影响防冻胀的效果，厚度大则工程造价过高，选择厚度时可考虑部分保温法或变厚度苯板。②苯板上下垫层的施工。由于苯板质地轻，表面抗压强度低，若其上下垫层平整度不够将架空苯板，使苯板损坏破裂影响保温效果。③降低地下水位。在地下水位较高的地区使用苯板时，扬压力较大，易造成衬砌层破坏。

3 塑料在渠道排水中应用的研究进展

渠道需要进行排水设计降低地下水位，主要有三个原因：第一，地下水位过高会影响渠坡稳定性；第二，地下水位过高会使渠道周围土地盐碱化；第三，地下水的存在是渠道发生冻胀破坏的条件之一。因此，在渠道的修建过程中需要根据实际情况考虑排水。目前常用的排水方式有暗管排水、明沟排水和竖井排水三种[43-46]，其中，暗管排水以占地面积较少、便于机械化作业等优点使用较多。渠道排水的方式多种多样，现将部分渠道排水的情况总结如表3。

渠道排水是整个设计中重要的一环，塑料排水板作为渠道排水的新方法也有相关学者做了研究。周卫东等在热熔整体式塑料排水板的基础上进行技术创新，不但提高了排水板的性能还降低了造价[53]；王婧等对不同排水板的芯板及滤膜进行物理力学性能试验，得到排水板的通水性能由小到大依次为常规分离式、防淤堵分离式、防淤堵整体式、常规整体式[54]；俞炯奇等对工作2年后的塑料排水板进行检测并与施工前的性能对比，结果表明塑料排水板基本无磨损，滤膜的渗透系数在施工前后量级一致[55]；杨明昌统计和分析了6年塑料排水板的检测资料发现塑料排水板型式越来越多，所采用的材料与制作工艺也越来越好[56]；蒋小鹏等发明一种新型塑料排水板施工装置，其插板头结构简单，施工操作简单，能提高施工效率，节约成本[57]；郑伟发明一种塑料排水板的连接构件，改善了现有塑料排水板与抽真空管道连接方式费时费力，效率低下的问题[58]；邱晨辰等发明了一种新型导电塑料排水板，其基板两侧能滤掉土颗粒，避免土体结构破坏产生横向裂缝，并且排水量有所增加[59]；张禹发明了一种降解加筋塑料排水板，此塑料排水板能减少其对环境的污染[60]；Park 等发明了一种具有X形核的塑料排水板的排水系统，它能抵抗周围的侧压力和排水渠道的堵塞[61]。

随着塑料排水板在软土地基中的成功应用，例如沈大高速公路改扩建工程[62]、杭甬高速公路[63]、哈尔滨环城高速公路软土路基[64]等，塑料排水板以排水效果好、具有一定的强度和延伸率、施工速度快、工程费用低等优点也开始在渠道中应用。例如南水北调中线陶岔至鲁山段、南水北调中线荥阳段。无论是使用较多的暗管排水还是新型的排水方式——塑料排水板其主要材料都是塑料，可见塑料在渠道排水中也占用一席之地。

4 展望

农业用水约占全国总用水量的63%，其中灌溉用水又占农业用水的90%左右，所以渠道渗漏会导致每年损失大量的水。塑料工业的发展使得塑料这种能防渗、防冻胀、排水又经济的新型材料得以在渠道中应用。塑料的应用降低了渠道防渗的造价，为全国渠道大规模防渗提供可能。虽然我国在塑料薄膜防渗方面取得一定成绩，但其应用基本上都是在北方寒冷地区，南方还很少；目前塑料保温板的种类较少，主要为聚苯乙烯保温板；塑料排水板在软土地基中用得很多，排水效果很好，但在渠道中应用很少；塑料优点众多，可以尝试直接生产塑料渠道。因此，对于本文有以下四个方面的展望：

一是加强塑料薄膜防渗的推广应用。塑料薄膜防渗可推广至全国范围内，鼓励南方地区使用，争取使全国渠道防渗事业更上一个台阶；

二是加快塑料保温板的研发工作。目前保温板种类较少，难以满足日益复杂的自然和社会环境，需生产更多种类、功能更好、造价更低的保温板；

三是提高塑料排水板的使用率。相对于砂砾料垫层，排水板具有施工简便、省略了大批砂石料的运输、节约成本等优点，可以在渠道中大量使用；

四是打造新型塑料渠道。传统渠道（土渠、浆砌石渠道、混凝土渠道等）具有易开裂、占地面积大、造价高等缺点，应充分利用塑料优点，发挥塑料优势，打造新型渠道——塑料渠道。

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