浅析我国农田灌溉渠道防渗技术研究进展

叶知晖，吴建东

(1.甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省水利科学研究院，甘肃 兰州 730070)

我国是一个农业型大国，农业用水占据鳌头，但是水资源紧缺，灌溉用水浪费严重，灌溉水利用系数低已经成为了制约我国农业乃至整个国民经济可持续发展的瓶颈。水利部官网数据显示，2018年全国总用水量为6015.5m3，农业用水量为3693.1m3，占全国总用水量的61.4%。且从1999—2018年这20年我国农业用水占比平均在60%以上，农业用水占比甚大。我国2018年的灌溉水利用系数为0.554，比2006年的0.45有所上升，但与发达国家的灌溉水利用系数相差甚远。从灌溉水利用系数看出，灌溉水损失的近50%是在输送过程中。目前我国修建的灌溉渠道总长已超过305万km，但进行了防渗措施的渠道只有55万km左右，占比甚微。因此要冲破因水资源短缺，及其灌溉水利用系数低等因素制约农业发展的瓶颈，就要将输送过程中的损失量降到最低，而如果采用渠道防渗技术就可以减少渗漏损失的70%～90%，不仅可以极大地解决灌溉用水的浪费问题，还可以提高农田灌溉水的利用率，缓解我国农业用水方面的供需矛盾，对我国农业乃至整个经济的可持续发展提供有力保障[1- 4]。

1 国外渠道防渗技术概况

水资源短缺和渠道渗漏也是制约国外农业可持续发展的瓶颈。由于渠道渗漏造成的水的损失很大，国外许多国家如美国、加拿大、印度、日本等国家也开始重视渠道防渗技术领域的研究和推广。如：早期，美国在渠道防渗方面的认识程度不够，渠道修建时，不进行渠道防渗，在后边的论证中发现，因渠道渗漏损失了大量的水，从而出现了如地下水位高、土壤盐渍化严重、农产品产量锐减等一系列的负面效应，同时也加剧了水资源供需的矛盾。因此，在以后的渠道修建中，很重视渠道的防渗工作。同样，日本随着经济的发展，国内斗渠以上级别的渠道已全部进行了防渗处理，就连与大田结合的农渠也基本做了防渗处理[5]。

目前在渠道防渗材料的选择方面，国外发达国家更青睐于混凝土材料。混凝土防渗材料本身具有便于施工、机械化程度高、防渗效果好、强度高、使用寿命长、管理方便等优点，而塑模材料因较薄，在施工、运行期易被刺穿等因素导致美国多采用混凝土防渗材料。日本用于渠道防渗的材料有混凝土、砂浆、塑料薄膜、合成橡胶模具等。且为了克服因软基础沉降对渠道造成的影响，多采用混凝土桩、钢板桩或木桩进行渠道地基的加固处理。近几年来，日本在修建新渠道或对“病危”渠道进行改造时则更倾向于选择钢筋混凝土材料，从而大幅度增强了渠道的防渗性和耐久性，更便于渠道的清淤及其养护管理。

在渠道防渗断面结构的选择上，U形、梯形、矩形、曲线坡脚梯形断面备受国外技术人员的青睐。例如：以混凝土作为渠道防渗材料的美国，在渠道防渗断面选择方面主要以梯形断面或弧形坡脚梯形断面为主，而以压实土为防渗材料时，其渠道断面多数选择以梯形断面为主。日本在渠道防渗断面选择上主要以明渠、暗管为主。明渠防渗截面结构为:梯形、矩形、U型;暗渠暗管的断面结构分为：方形、圆形和马蹄形三类[6]。

2 国内渠道防渗技术概况

据相关材料记载，我国在很早就已经有利用黏土作为渠道的防渗材料的记录。到20世纪中叶，甘肃和新疆两省份利用地域资源丰厚的优势，因地制宜的采用卵石材料进行渠道的防渗。并随后探索了将沥青和混凝土两种性质不同的防渗材料结合起来用作渠道的防渗处理。山西、陕西省于60年代后期，也相继开展了渠道防渗材料-混凝土方面的研究。70年代我国技术人员针对不同类型的渠道研究出了一一对应的渠道防渗断面，如：对于大型渠道(渠道设计流量:20

2.1 土料防渗

这项技术在我国已经使用了很长时间，只要该地区有丰富的粘土资源，当渠道防渗水平和渠道流速不大时，可以采用这种防渗措施。该措施的优点：资源丰厚，取材方便，施工简单，造价较低，而且具有一定的防渗效果，据相关人员的研究发现，利用土料防渗在渠道的渗漏方面相比没有做防渗措施的渠道可减少60%～80%的渗漏量。缺点：对于冲淤流速很难控制，且当渠道过水流速较大时，容易对其防渗层造成严重的冲刷，后期的管理维护工作量较大[8]。

2.2 水泥土防渗

水泥土是指将水泥、土料和水按一定比例搅拌而成的防渗材料。其防渗机理是通过水泥和土料的胶结和硬化的特性从而达到其防渗的效果。优点:材料来源广，施工工艺简单，造价低，防渗效果高(可减少渗漏80%～90%)。缺点:水泥土早期硬化强度和抗冻性差，对气候要求高。仅适用于气候温和、无霜冻损害的地区[9]。

2.3 砌石防渗

我国最早采用的渠道防渗技术即为砌石防渗，作为我国早期应用较广泛的渠道防渗措施，其按衬砌的结构形式主要以挡土墙式及其护面式为主。优点：可就地取材、抗冲刷能力强、造价较低、而且还有固定渠道的重要作用。缺点：该措仅适用于石料来源丰富的地区，并且很难实现大规模的机械化作业，施工质量也很难控制[10]。

2.4 混凝土防渗

混凝土防渗就是采用混凝土材料来衬砌渠道，从而起到防渗防漏的作用。截止目前这种渠道防渗措施仍被国内外技术人员广泛使用。优点:它允许通道的流速很大，与其他防渗措施相比，防渗效果最好(可减少渠道渗漏90%～95%)，也可以减少渠道施工土方的开挖和填充，后期强度高，使用寿命长，便于后期维护和渠道管理[11]。缺点：其衬砌板在适应渠道地基的变形方面的能力较差，在缺乏原材料的地区其对应的工程造价较高。

2.5 沥青混凝土防渗

将沥青作为整个防渗材料中的胶合剂，加入相对比例的同矿粉及其矿物骨料，再经高温加热、拌合、压实等一系列工艺后而成的渠道防渗材料。优点:防渗效果好，独特的低温柔韧性，抗冻性强，裂缝自愈能力高。缺点：施工技术复杂[12]。

2.6 膜料防渗

其主要材料为不具有渗水性质的土工织物或质量较好的塑料薄膜(在一些地区为了降低工程造价，直接选用地膜来作为膜料防渗材料)。其土工膜因自身薄、柔软等特性有着适应变形能力强，施工方便，工期短，造价低的优点。缺点:易老化，土工膜薄，施工运输过程中易被刺破，从而大大降低其防渗效果[13- 14]。

3 讨论

从20世纪70代以后，我国在渠道防渗领域进行了大量的探索性研究并取得了辉煌的成绩。然而，中国与发达国家的差距仍然较大，体现在两方面：一是渠道的防渗标准较低，进行了防渗措施的渠道占总渠道的比例甚微，而且早期进行的防渗渠道目前损毁及其严重；二是在防渗材料及其防渗技术方面的研究力度不够，且整体的机械化作业程度较低。在全球经济化快速发展的潮流下，作为一个农业型大国，想要跟随全球的发展潮流就必须在切合本国国情的前提下，在农业的可持续发展上下足功夫，而目前制约我国农业发展的瓶颈就是水资源匮乏和灌溉水浪费问题。如何根治这些问题，关键所在就是提高渠系水的利用系数，而渠系水的利用系数和渠道的防渗密切相关。因此，研究开发渠道防渗技术对我国未来农业的快速发展具有重要意义。

3.1 通过现代科技提升混凝土防渗材料性能

混凝土防渗是目前全球范围内应用最为普遍的渠道防渗措施。具有施工简单，原材料丰富，防渗效果好、使用寿命长，适应地形的能力强、管理维护方便等优点。但该技术受温度的影响比较大，在低温条件下的抗冻效果不好。目前国外的一些施工科研单位针对混凝土防渗材料受低温影响较大的问题，引进了高分子纳米技术对其混凝土的性能进行人工改造，并将改造成果率先以试验形式应用在了高速公路的施工中，试验结果表明，纳米技术引入可以显著提升混凝土材料的抗冻性，与改造前相比其抗冻性能提高了20倍。因此，我国应该积极借鉴国外在此领域的研究，借鉴他们的方法来改进适合我国地域的新型混凝土防渗材料[12]。

3.2 加强已有材料的深入研究

我国在20世纪80年代就引入了土壤固化剂这项防渗措施，并于20世纪90年代小范围的应用于各种渠道的防渗工程中，取得了一定的防渗效果。土壤固化剂相比混凝土材料而言，是一种全新的防渗材料，它有着混凝土不具备的一些特性，其适用范围广，原材料储备充足。但土壤固化剂有着混凝土材料一样的缺点就是抗冻性能较差，因此，在今后土壤固化剂的研究领域中应重点去解决抗冻性差的这个致命缺点[7]。

3.3 利用现有材料特性组合新型复合材料

在我国利用塑膜做防渗材料最早开始于20世纪60年代，且在当时也取得了一定的防渗效果。通常塑模填埋于地下，从而有效地避免了阳光照射，起到了延长使用寿命的效果。如今随着科技的高速发展，新型复合防渗膜料也相继出现，但因造价高，后期的推广可谓是举步维艰。目前，一些发达国家已经开始研究一种新型的复合土工合成材料防渗材料GCL，该材料是将膨润土的溶胀特性和土工布遇水时的特性有机结合起来的一种新型材料。因此将多种防渗材料的特性有机结合起来，研发价格低廉、防渗性能强的新型复合材料应是目前在渠道防渗方面的发展方向[15]。

3.4 积极研发管道新材料

利用管道输水可以有效地防止输水过程中的渗漏损失，且其输水过程中水的有效利用率可达90%以上，同时管道一般都是埋填在地下，因此既可以解决渠道的冻胀问题，还可以减少对耕地的占用面积，便于机械在田地工作。但因制作管道的原材料价格较高，导致工程前期的投资较大，因此，如何找出一种成本低，材质优良，便于做田间输水的管道材料，是今后管道输水方面研究的重中之重。

4 结语

实施渠道防渗措施不仅可以显著提高渠系用水系数，而且可以缓解当前我国农业用水供需矛盾，还能有效减少田间渠道的占用面积，防止渠道的侵蚀、坍塌和淤积问题。此外，还可以降低整个灌区的地下水位，进一步防止土壤盐渍化。因此，因地制宜的选择合适的防渗技术，建设完善的渠道防渗体系，有利于我国的生态农业建设及其农业的可持续化发展。