高速公路中央綠化帶大孔自壓微灌的灌水均勻度研究

王昌賢 王裕先 吳桂林等

摘要 以云南保（山）騰（沖）高速公路為例，開展中央綠化帶大孔自壓微灌技術(shù)研究及應(yīng)用示范。首先提出了中央綠化帶示范段的灌溉目標和系統(tǒng)設(shè)計，構(gòu)建大孔微灌管的水力學(xué)模型并編制Matlab計算程序，對不同管材選擇、管徑大小、孔徑大小以及孔距等要素進行試算，以判定灌溉系統(tǒng)設(shè)計方案是否滿足設(shè)定的灌溉系統(tǒng)均勻度參數(shù)要求，最后對方案進行了實驗驗證。結(jié)果表明：通過變孔徑大孔自壓微灌技術(shù)，可在滿足防堵塞性能的基礎(chǔ)上，保證灌水均勻度，提高灌溉質(zhì)量和灌溉保證率。

關(guān)鍵詞 高速公路；中央綠化帶；微灌；均勻度

中圖分類號S688；O418.9文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）29-10213-03

基金項目云南省交通運輸廳2011年度科技教育專項行業(yè)科技聯(lián)合攻關(guān)項目（云交科2011（LH）15-b）。

作者簡介王昌賢（1955- ），男，重慶榮昌人，教授，從事灌溉工程、巖土工程研究。

中央綠化帶具有分離上、下行方向的行車道、防眩、提高高速路行車的安全度以及景觀美化等作用，其間土壤多為工程回填土，養(yǎng)分較差，且土層較薄，加上兩側(cè)路面吸熱的影響地表溫度高、水分蒸發(fā)較快等原因，中央綠化帶植物容易出現(xiàn)缺水現(xiàn)象，尤其是在高溫干旱季節(jié)，種植土壤和植物的蒸發(fā)量很大，需要頻繁澆水才能維持植物的正常生長[1-2]。因此，高速公路中央綠化帶因為其特殊的地理位置以及特殊的綠地條件限制，對植被的綠化和養(yǎng)護要求較高。目前中央綠化帶主要灌溉采用灑水車和人工漫灌澆水的方式，不僅澆灌勞動強度大，費用高，水資源浪費，灌溉效果不佳，且不利于高速公路的安全營運[3]。而采用農(nóng)業(yè)的滴灌技術(shù)方法，在滴灌系統(tǒng)建設(shè)中投資成本較高，更重要的是容易引起滴頭堵塞。由于中央綠化帶與農(nóng)田滴灌不同，不能隨時進入，難以發(fā)現(xiàn)滴頭堵塞和排除故障，更易于出現(xiàn)系統(tǒng)不能正常工作的情況[4]。因此，筆者研究大孔出流自壓微灌管打孔技術(shù)，依托云南省交通運輸廳科技項目《高速公路蓄水緩釋綠化關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用示范》，選取保騰高速公路約500 m中央綠化帶作為試驗段，通過微灌管道打孔出流實驗以及灌水均勻度的研究，提出高速公路中央分隔帶微灌技術(shù)參數(shù)，設(shè)計一種經(jīng)濟可行、技術(shù)合理的中央綠化帶灌溉技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的水車拉水灌溉方式和滴灌方法。

1中央綠化帶試驗段概況

研究區(qū)設(shè)在保（山）騰（沖）高速公路，即保山至騰沖高速公路。氣候特點表現(xiàn)為：光照充足，降水也較充沛，但干旱的發(fā)生概率卻很高；一天當中的溫差變化較大，而一年當中的溫差變化較??；四季如春，無嚴寒和酷暑，終年常綠，年平均氣溫為16 ℃，最低月平均氣溫出現(xiàn)在1月，為8.5 ℃，最高月平均氣溫出現(xiàn)在6月，為21.2 ℃，年平均降水量為1 000 mm左右。中央綠化帶綠化種植的植被在樹種選擇上需滿足遮光防眩、吸收汽車尾氣以及改善道路景觀等要求，選擇抗逆性強、枝葉濃密、常綠、耐修剪、整形效果好、抗污染和耐干旱的樹種，如檜柏、側(cè)柏等樹種[5]。

該研究的示范工程為保騰高速中央分隔帶第十標段，樁號K42+310～K42+810，地形坡度0.497 5%，示范綠化段長500 m，寬度1.6 m，面積約800 m2。

2微灌技術(shù)的灌水均勻度要求及理論分析

2.1灌水均勻度的設(shè)計要求根據(jù)《微灌工程技術(shù)規(guī)范》要求，灌水均勻度不小于80%。采用打孔自壓微灌方式灌水，其灌水均勻度受到如孔徑、鋪設(shè)坡度、孔距分布等諸多因素的影響，尤其在長距離輸水過程中的微地形變化會對出水均勻度產(chǎn)生重要影響，在保證灌水均勻度的前提下，增大出水孔的孔徑可以起到增強灌溉系統(tǒng)的防淤堵性能，因此采用一種適用于高速公路中央綠化帶的“大孔出流”智能微灌技術(shù)，最小孔徑控制在1.1 mm；同時，增大出水孔的孔徑會對土壤的滲透性能產(chǎn)生要求，一般當出流量達到3 L/h時，將產(chǎn)生漫流，為防止漫流的產(chǎn)生，在出水孔下方挖坑以蓄積小孔出流，防止漫流的產(chǎn)生[6]。

根據(jù)《節(jié)水灌溉技術(shù)規(guī)范》（SL20798）和《微灌工程技術(shù)規(guī)范》（SL10395）等灌溉設(shè)計規(guī)范，設(shè)計流量及最大流量偏差率是衡量平均流量和均勻度的重要指標，其計算方式為：

式中，為平均流量，在灌溉工程中，常用平均流量作為設(shè)計流量；n為灌溉管段管孔的個數(shù)（個）；qi為第i個孔的出流量（L/h）。

灌水均勻度是微灌技術(shù)評價的一個重要指標，通常采用灌水均勻系數(shù)表示。根據(jù)《微灌工程技術(shù)規(guī)范》中的規(guī)定：微灌工程的灌水均勻系數(shù)不得低于0.8。一般采用克里斯琴森公式計算灌水均勻系數(shù)：

式中，Cu為灌水均勻系數(shù)；qi為第i個出水孔的流量（L/h）；為出水孔的平均流量（L/h）；n為出水孔數(shù)目（個）。

2.2均勻度影響因素分析該示范段長度較大，為500 m，且縱坡相對較大，為4.975%，使得灌水過程中的均勻度更加難以控制。需要對微灌灌水過程中的以下因素進行重點調(diào)節(jié)和控制。

2.2.1水頭。研究首部壓力水頭對灌水均勻度的影響，從而選擇合適的首部壓力水頭，還需要分析水頭損失。

水頭損失指水在管道中流動產(chǎn)生的機械能損耗，分為沿程摩阻力損失（沿程水頭損失為水流過一定管道距離后由于水分子的內(nèi)部摩擦而引起的損失）和局部阻力損失（局部水頭損失為水流經(jīng)過各種管件、閥門等設(shè)備時因流態(tài)的變化而產(chǎn)生的損失）兩種類別，二者之和即為管道的總水頭損失[7]。

2.2.2流量。對單孔出流的流量和均勻度研究，確保出水量能夠保證植物生長需求，涉及出水孔的布置、孔徑大小和輸水管的管徑選擇問題。

2.3單孔出流量設(shè)計及水力學(xué)計算中央綠化帶蓄水緩釋灌溉綠化示范路段長500 m，每次灌水4.4 m3，全長500 m，630個孔，則單孔單次設(shè)計灌水量Q=7 L。在最大蒸發(fā)量的情況下，可以保證1.5 d，一般情況下，可以保障4～5 d。

中央綠化帶蓄水緩釋示范工程灌溉支管打孔方案水力學(xué)計算模型構(gòu)建如下：設(shè)灌溉支管內(nèi)徑為d1，支管管道面積為A1，孔間距L，令L=0.8 m，則50 m支管內(nèi)，共有63個出流孔，設(shè)出流孔序列為i，則i=1，2，…，63。

3變孔徑打孔管方案及出流均勻度檢驗

3.1打孔方案在大坡度長距離的情況下對中央綠化帶植被進行灌溉，研究采取輪灌方式進行灌溉，將500 m灌溉主管分為10段支管，則每段灌溉支管長度為50 m，在支管上打孔進行灌溉，將每段支管首部壓力水頭調(diào)至1 m，在此高差范圍內(nèi)，采用變孔徑的方法能滿足灌水均勻度的要求。由于示范段每0.8 m種植1棵塔柏，因此孔間距選擇0.8 m，最小孔徑不小于0.8 mm，利用鉆孔機械進行打孔，為保證出水均勻度，采取變孔徑打孔方案，具體打孔方式如下：第1～21孔，孔徑大小為1.5 mm；第22～35孔，孔徑大小為1.4 mm；第36～49孔，孔徑大小為1.3 mm；第50～63孔，孔徑大小為1.2 mm。

3.2驗證實驗準備準備1個具有一定水容量的大桶作為供水水源地。要求該桶滿足實驗放水時間的水量及容量要求，其次要求該桶有一定厚度，可以承壓，再次該桶的高度需滿足要求，因為實驗的初始水頭為1 m。從桶的頂部放入進水管，在桶的上下部距離1 m處分別開孔，上部為溢水口，保證水面基本持平，即恒壓；下部與出水管，即緩釋管相連，并在緩釋管前端安裝球閥，以便于啟閉[8]。

將長度50 m的PEDN25管依打孔方案依次進行打孔、標號，打孔過程中應(yīng)保證所打孔在一條直線上，并按照坡降i=5%進行鋪設(shè)，以模擬具體的施工環(huán)境。為保證鋪設(shè)的坡度符合要求，首先是將三角鐵焊接出50 m長的一段，以便裝載和支撐打孔管（即緩釋管），再將鋼筋截成不同長度進而焊接成三角支架支持裝有打孔管的三角鐵。使用水準儀校準各個孔點所在位置的高程，確保坡度滿足具體的設(shè)定情況[9-10]。

3.3實驗裝置及方法首先關(guān)閉與緩釋管相連的球閥，由進水管向桶內(nèi)注水到高于溢水孔高度。為確保首部壓力水頭恒定，應(yīng)使進水量大于出水量。

然后打開球閥向緩釋管注水，小孔的出流呈現(xiàn)射流狀態(tài)，實驗準備階段即將小孔的射流方向設(shè)定為斜向上，以便于實驗時收集和測定每個小孔的出流量qi。待小孔的出流趨于穩(wěn)定后，分別接取各個小孔歷時2 min的小孔水量并測定記錄，然后對數(shù)據(jù)進行整理，計算出各個小孔的出流量。

4結(jié)論與討論

（1）平均出流量。根據(jù)水力學(xué)模型計算的設(shè)計流量qd=16.942 0 L/h；驗證實驗的出水孔平均流量=16.036 L/h，誤差率為5.35%，能滿足灌溉需求。

（2）灌水均勻度。據(jù)《微灌工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，微灌工程灌水均勻系數(shù)不得低于0.8。按照克里斯琴森公式計算驗證實驗灌水均勻系數(shù)，為0.869，大于80%，滿足灌水均勻度要求。

（3）實際平均出流量和理論平均出流量有一定偏差，這種偏差可能是因為驗證實驗初始水頭穩(wěn)定性、灌溉管道熱熔、打孔技術(shù)等造成，工藝改進有望進一步提高灌水均勻度。

參考文獻

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