大型灌區續建配套和節水改造先進技術推廣應用

主講人：劉群昌

大型灌區續建配套和節水改造先進技術推廣應用

主講人：劉群昌

一 概述

1.背景

大型灌區是我國重要的農業規模化生產基地和商品糧、棉、油基地，是農業、農村乃至國民經濟發展的重要基礎設施，也是廣大農民增收致富、改善生活、提高生活質量的重要支撐條件。但目前大型灌區普遍存在著工程標準偏低、設施老化失修嚴重、用水管理水平落后、灌溉水利用效率較低等問題，已不能適應我國農業和國民經濟發展的要求，成為阻礙農業綜合生產能力提高、影響國家糧食安全乃至國民經濟可持續發展的重要制約因素。

黨中央和國務院高度重視灌溉事業的發展，在《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十一個五年規劃綱要》中，明確將大型灌區續建配套和節水技術改造作為建設社會主義新農村的重點任務之一。2011年中央一號文件《中共中央國務院關于加快水利改革發展的決定》也明確指出，到2020年基本完成大型灌區、重點中型灌區續建配套和節水改造任務。灌區續建配套和節水改造的核心是以節水增效為中心，以新技術、新材料、新裝備來改造傳統灌區，提升大型灌區的科技含量，促進灌區用水方式和生產方式的轉變，達到提高灌溉水的利用效率和水分利用效率，實現灌區水資源的優化配置和高效利用的目標，為國民經濟和農業可持續發展、農村經濟繁榮和生態環境改善提供支撐與保障。

2.新技術推廣應用存在的問題與障礙

農業節水科技進步與創新是支撐大型灌區續建配套與節水技術改造任務順利實施的重要條件之一。盡管各地對灌區新技術的推廣應用比較重視，但由于諸多原因，新技術推廣應用仍然存在一些問題與障礙，主要表現在以下幾個方面：

一是缺乏長效推廣機制和獎勵措施。目前，農村水利方面沒有建立一種激勵機制,鼓勵技術進步,同時也沒有建立推廣新技術和淘汰落后的工藝方法等制約機制。

二是科研經費投入不足，研究團隊不穩，延續性差，核心技術成果缺乏創新性，主要產品科技含量較低，產業化及市場競爭能力較弱。

三是研究和應用脫節，推廣經費不足，體系不健全，政策法規不配套，機制不完善、高效節水灌溉研究成果推廣轉化工作嚴重滯后，技術成果轉化周期長。

四是工程投資標準偏低，新技術應用的成本一般高于傳統技術，因此設計單位因總投資限制盡量避免采用，建設單位因經濟利益不愿使用。

五是培訓不及時，技術標準更新慢，影響了使用者的積極性。

二 先進技術推廣應用

1.工程規劃設計理念的變化與更新

（1）現代化灌區與現代化節水型生態灌區的概念

聯合國糧農組織（FAO 1997）對灌溉現代化的定義是“與體制、制度改革相結合，在技術上與管理上改進與提高灌溉系統的過程；其目標是改進對勞動力資源、水資源、經濟資源和環境資源的利用，以及改進對農民的配水服務”。

鑒于節水在我國的突出重要性，以及過去對生態環境問題的忽視，為強調節水與環境，中國工程院院士茆智提出了現代化節水型生態灌區理念：現代化是一個過程，應與時俱進，符合21世紀中國的國情和時代精神。現代化節水型生態灌區建設堅持以人為本，全面、協調、可持續發展的科學發展觀，立足創新，經濟發展與環境協調，運用高科技，遵循社會主義市場經濟原則。

（2）工程規劃設計應加入現代化灌區與現代化節水型生態灌區的理念

根據現代化灌區與現代化節水型生態灌區的概念，新的工程規劃設計應加入這些現代的理念，主要包括：與現代化節水型生態灌區建設目標相符合，按“總量控制、定額管理”確定規模，兼顧工程技術與管理技術，適度信息化，兼顧生態、美觀與安全，與田間發展高效節水要求相協調。

（3）應用實例——高郵灌區改造的生態實踐

高郵灌區節水改造堅持節水與生態統籌，在生態方面，以不影響微生物繁衍與水體自凈能力、不影響動物棲息與生存活動、不影響水源水質與水土保持、不影響人居環境與景觀效應等為目標。

在渠道結構上，采取護坡不護底，渠底采用黏土夯實與碾壓，保持土壤與水體的通透，增強水體自凈能力，保持生物生存環境；緩坡作緩沖，渠道兩岸設立緩坡，形成復式斷面，不作襯砌，布置植被作為動物微生物活動的緩沖地帶；岸墻留孔眼，適當布設動物出入孔洞；分段設通道，每隔100m設一道生態型動物逃逸通道。

從高郵灌區改造的效果看，改造之處人居環境變得優美，集鎮環境變得靚麗，水利環境變得友好，社會環境變得和諧。

2.工程建設與改造中新材料的推廣應用

（1）渠道防滲材料與建筑物修復材料

納米基混凝土改性劑：能夠提高混凝土的抗滲性30%以上，并顯著改善混凝土的抗凍性和耐久性。

改性瀝青混凝土：高抗裂，韌性好，防凍效果明顯，適用于寒冷地區渠道防滲。

聚丙烯纖維混凝土：聚丙烯纖維對混凝土的性能增強效果比較明顯，聚丙烯纖維混凝土具有防止或減少混凝土裂縫、提高變形能力和耐久性等優點。

膨潤土防水毯：膨潤土防水毯是一種新型的復合土工合成材料，簡稱GCL。膨潤土防水毯是利用膨潤土的膨脹性防滲、利用土工織物來承載和護面的結構形式，與土工膜同屬土工合成材料，在渠道防滲應用中除具有土工膜的所有優點外，還具有自愈合功能，抗張應變、抗干濕循環和抗凍融循環的能力強，比土工膜搭接方便，鋪設簡單，施工速度快。

復合土工膜：渠道防滲工程目前最常用的復合土工膜是以塑料薄膜作為防滲基材，與無紡布復合而成的土工防滲材料，有一布一膜、兩布一膜等。該材料利用塑料薄膜防滲，利用無紡布增加其抗拉強度和抗穿刺能力。由于無紡布表面粗糙，增大了接觸面的摩擦系數，有利于復合土工膜及保護層的穩定，并具有豎向防滲、水平導水的性能。

石油瀝青聚氨酯接縫材料 （PTN）：具有黏結力強(1.0MPa)、斷裂伸長率高（不小于 800%）、耐溫性好（－40℃不脆裂、+70℃不流淌）、耐老化、無毒、無環境污染、價格較低、適應潮濕界面以及常溫下施工等優點，止水性能好，施工方便。

噴涂用聚脲彈性體：用于渠道及建筑物裂縫修復。聚脲彈性體材料具有無毒、綜合性力學性能優異、不透水性良好、低溫柔性好、快速固化、對環境條件要求較低、耐水、耐化學腐蝕及耐老化等性能。

模袋混凝土：模袋混凝土是把流動性混凝土與砂漿或粉煤灰用泵壓入由高強度尼龍絲編織而成的雙層模袋內,形成高密度、高強度、大面積的整體。因其具有較好的抗凍性能和護坡性能，西北寒冷地區襯砌渠道中應用前景廣闊。

（2）新型管道輸水管材

大口徑管材與管件其投資約占總工程投資的70%～80%，因此渠灌區管道輸水灌溉的發展，必須首先研制開發適合我國國情的優質低價農用高分子管道與管件，以推動我國渠灌區節水灌溉事業的發展。

PCCP管：PCCP管為預應力鋼筒混凝土管的簡稱，最早由法國邦納（Bonna）公司研制。因PCCP管承壓能力高，口徑大，接頭密封性可靠，對地基適應性好，耐腐蝕性與耐久性強，適用于骨干輸水工程。PCCP管的缺點是重量大、運輸費較高、輸水阻力相應較大。生產標準為JC 625—1996《預應力鋼筒混凝土管》。

玻璃鋼夾砂管：玻璃鋼夾砂管主要由合成樹脂和玻璃纖維復合制成，具有結構合理，承壓能力強，重量輕，內表光滑、糙率低，管段長，接頭少等特點，可用于輸水干渠的管道化改造。生產標準為CJ/T 3079—1998《玻璃纖維增強塑料夾砂管》。

大口徑纏繞管：該管材綜合利用了塑料和鋼材這兩種材料的各自優點，管材內層為塑料，表面平整光滑，具有良好的密封、耐磨、耐腐蝕及抗震性能；外表面根據使用場合與環剛度的不同要求，嵌有不同類型與數量的鋼帶，在塑料型材上采用鍍鋁鋅鋼帶或包塑鋼帶進行結構增強，既保證了管道的耐腐蝕性能，又提高了管道環剛度，確保管道在埋地環境中能夠長期使用。應用標準為《大型螺旋塑料管道輸水工程技術規范》（已報批）。

PE加筋管：將高強度金屬筋材與熱塑性塑料有機地復合為一體，充分發揮了金屬和塑料各自理化、力學優點，性能互補，形成一種同時具有鋼管與塑料管優點的新型管材。生產標準為GB/T 23241—2009《灌溉用塑料管材和管件基本參數及技術條件》。

3.新工藝、新設備的推廣應用

工藝包括渠道的襯砌結構、形式等，新設備包括渠道施工所需的裝配式建筑物預制機、大型渠道襯砌機和U形渠道襯砌機。

（1）渠道防滲防凍脹新型結構形式

混凝土板+置換材料，渠底采用透水材料防護防滲結構：這種結構形式具有防凍脹和渠底防沖、排水等作用，渠低適應凍脹變形能力強，一般適用于季節性凍土地區、地下水水位較高、渠道縱坡較大的大中型渠道。

混凝土板+膜料+置換材料，或混凝土板+膜料+聚苯板，渠底采用膜料防滲，土料保護層防護：這種結構形式防滲、防凍脹效果好，投資較少，一般適用于季節性凍土地區、地下水水位較低、渠道縱坡較小、寬淺式的大中型渠道。

膨潤土防水毯+土料保護層：這種結構形式防滲防凍脹效果好，投資較少，一般比混凝土板+膜料+聚苯板結構形式投資可以降低約30%。適用于凍脹破壞比較嚴重的地區、渠道縱坡較小的大中型渠道。

弧底梯形預制混凝土板+膜料防滲結構：弧底梯形是一種能夠適應凍脹變形的渠道斷面形式，渠道弧底一般采用現澆混凝土，適用于渠基凍脹變形較小的中小渠道防滲防凍脹。但是，有的灌區所處地區冬季寒冷，不宜施工，春、夏、秋季渠道停水時間很短，不能滿足現澆混凝土襯砌渠道的時間要求，使其推廣應用受到很大限制。采用全斷面預制混凝土板+膜料防滲結構，不僅具有很好的防滲防凍脹效果，又克服了現澆混凝土渠底需要時間較長的缺點。

改性瀝青混凝土預制板防滲結構：針對小型渠道現場澆筑改性瀝青混凝土，其彎曲部位瀝青混凝土的壓實密度難以保證，尤其曲率半徑較小的結構，難以應用現有的碾壓設備壓實，使用振動夯難以保證壓實曲面的光滑，影響工程質量問題，研制了在平面上壓實板材后再彎曲成型，現場鋪裝、灌縫處理成型的施工工藝。

包心加筋結構：加筋包心結構利用了土在側向變形受約束條件下其承載能力提高的原理，通過加筋材料和兩側土工包對包心結構體內土體約束，使分散土體形成穩固結構。當各穩固的單元結構豎向疊加在一起時，就組成了一個柔性的重力支擋結構——貼坡式加筋擋土墻，用于處理渠道邊坡問題。

（2）施工新技術和方法的推廣應用

我國渠道防滲施工目前正向半機械化及機械化施工方向發展，U形混凝土襯砌渠道已研制開發了系列的小型渠槽開挖機和混凝土襯砌機，大中型U形渠道襯砌采用噴射法混凝土施工和預制與現澆相結合的方法，并研制開發了多種渠道襯砌預制塊壓塊機和混凝土襯砌機。這些工程機械設備的研制和應用，對提高襯砌與防滲工程質量、加快施工進度、降低工程造價和提高工程效益起到了良好的作用，使我國渠道襯砌與防滲工程施工技術向半機械化和機械化方向邁出了可喜的一步。

4.綜合技術的集成與相互結合

大型灌區的發展涉及多方面的因素，需要采取綜合措施。“十一五”期間，啟動了國家科技支撐計劃項目“大型農業灌區節水改造工程關鍵支撐技術研究”，通過8個方面的技術集成，構建了大型灌區節水改造工程技術體系。

①灌區診斷評價技術與方法及節水改造標準體系研究成果包括灌區狀況診斷評價技術與方法，大型灌區狀況診斷系統，大型灌區節水改造標準體系及大型灌區節水改造綜合診斷評價專家決策系統。

②灌區田間節水改造技術集成模式研究成果包括噴灌技術區域適應性評價及集成模式，微灌技術集成模式，精細地面灌溉技術集成模式，水稻高效灌溉技術集成模式及末級渠系改造技術模式與標準。

③灌區輸水技術研究與產品開發成果包括渠系及建筑物老化診斷技術以及防治與修復技術，渠道防滲抗凍脹新材料及鋪設施工技術，渠灌區管道輸水灌溉技術模式等。

④灌區用水管理及量水技術與產品成果包括末級渠道量控水設備與量水建筑物標準化，灌區用水動態管理信息采集、傳輸技術與產品，基于RS和GPS的數字灌區渠系特征計算機識別技術，灌區動態配水模擬仿真技術與群決策支持模型，基于網絡技術的灌溉用水實時調度與測控系統及灌區用水管理信息化標準結構體系。

⑤灌區地下水開發利用關鍵技術成果包括灌區地下水承載力評價指標體系與方法，灌區地下水開采模式、機井診斷修復技術，灌區地下水最優管理模式及動態觀測可視化平臺，灌區地下水與地表水聯合利用技術與優化運行模式，不同成井條件下的適宜井型結構與成井工藝及灌區地下水開發利用技術模式與集成。

⑥灌區農田排水與再利用關鍵技術成果包括農田澇漬災害防治技術，節水灌溉條件下農田水鹽動態調控技術，農田控制排水技術，農田排水再利用技術及農田暗管排水新產品與施工工藝。

⑦灌區大型泵站改造關鍵技術成果包括泵站技術經濟指標體系及其綜合評價方法，泵站工程老化及設備故障診斷方法，泵站系統模擬仿真及測試技術，泵站系統優化配置與運行管理技術及泵站相關標準。

⑧灌區節水改造環境效應及評價方法成果包括灌區節水改造對農田水循環與生態的影響，灌區節水改造對農業水土環境的影響，灌區節水改造對水肥利用率的影響及其調控技術，灌區節水改造環境效應評價方法及基于生態健康和環境友好的灌區節水改造模式。

5.工程管理技術的發展

工程管理技術是灌區管理現代化的組成部分，隨著灌區現代化的進程而發展。主要是以數字化、網絡化、智能化和可視化為主要特征的信息化作為手段和途徑，實現灌區管理所需的水情、墑情、工情等信息的采集、傳輸、存儲、處理與分析的自動化。現成熟的成果有：太陽能自控閘門、微功耗水位計、低成本低功耗的適用于明渠量水的超聲波水位傳感器、基于IP的灌溉用水數據采集設備、低成本小型移動式量水裝置、IC卡智能取水裝置等。

三 建議

為了推進新技術、新材料、新工藝在灌區的應用，建議：一是充分發揮政府主管部門的主導性，組織相關專家完成新技術的評審，制定水利部灌區新技術推廣目錄。二是加強宣傳，提高認識，增強相關人員推廣和采用新技術的自覺性；完善技術推廣機制，提高應用單位的積極性。三是加強科研單位與灌區管理單位的互通，促使科研為生產實踐服務，促進技術成果轉化；四是針對灌區需要，加強技術研究和示范；五是整合各方面力量，建立技術信息發布與轉化平臺；六是充分發揮各類協會的作用，加強灌區之間的交流和參觀；七是加大技術應用的投入和人才的培訓。

（主講人簡介：劉群昌，中國水利水電科學研究院教授級高級工程師，主要從事灌溉工程技術研究。）

責任編輯 邵自平