高速公路中央綠化帶變孔徑大孔管自壓灌溉技術(shù)研究

吳桂林等

摘要

針對(duì)當(dāng)前高速公路中央綠化帶人工水車灌溉存在的費(fèi)用高、影響暢通，以及現(xiàn)有的滴灌技術(shù)用于中央綠化帶中存在的難以解決的滴頭堵塞問(wèn)題，提出了利用大孔管自壓微灌的中央綠化帶灌溉思路；并以云南保騰高速公路某段中央綠化帶為例，進(jìn)行了變孔徑大孔管自壓微灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過(guò)水力學(xué)模型及MatLAB軟件進(jìn)行了包括初始水頭、孔間距、孔徑等計(jì)算以確定工程方案；最后應(yīng)用中央綠化帶實(shí)體模型，對(duì)設(shè)計(jì)灌溉方案的灌溉效果進(jìn)行驗(yàn)證。研究結(jié)果表明，該方案能滿足微灌技術(shù)要求，為中央綠化帶植物生長(zhǎng)提供用水需求。

關(guān)鍵詞保騰高速公路；中央綠化帶；變孔徑大孔管；自壓微灌

中圖分類號(hào)S688；U418.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2014）28-09843-02

Research on Variable Aperture Hole Pipe Selfpressure Microirrigation in Expressway Central Greenbelt

WU Guiling1，3， WANG Yuxian2， WANG Changxian1 et al

（1.Yunnan Baoteng Expressway Construction Headquarters， Baoshan， Yunnan 679100； 2. Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074； 3. Yunnan Highway Development & Investment CO.， LTD， Kunming， Yunnan 650200）

Abstract A largebore pipe selfpressure microirrigation method was put forward to solve some defects in expressway central greenbelt irrigation， such as highcost， traffic jam with water tankers irrigation and congestion in drip irrigation system， which can scarcely ever be solved. Taking a segement of Yunan Baoteng expressway as an example， a variable aperture big hole pipe from the pressure of microirrigation system was designed， the initial water head， hole pitch and aperture were calculated with software MatLab to make sure the engineering program. Finally， the central green belts entity model was built up to prove the design of irrigation schemes irrigation effect. The results turned out that the program can meet the technical requirement of microirrigation， demand for the central green plant growth.

Key wordsBaoteng expressway； Central greenbelt； Variable aperture hole pipe； Selfpressure microirrigation

高速公路中央綠化帶不僅起到隔離相向高速行駛的車流、保障安全暢通的作用；而且具有防止車燈眩光，引導(dǎo)行車視線及改善行車環(huán)境、舒緩司乘人員疲勞的功能。由于高速公路中央綠化帶的種植土層較薄，加上兩側(cè)路面吸熱的影響，地表濕度高，水分蒸發(fā)快，中央綠化帶植物易出現(xiàn)缺水現(xiàn)象，尤其是高溫干旱季節(jié)，需頻繁澆水才能維持植物正常生長(zhǎng)。

目前大多數(shù)高速公路采用水車?yán)?，不但運(yùn)距長(zhǎng)、費(fèi)用高，費(fèi)時(shí)費(fèi)水，水車長(zhǎng)期占道，道路通行能力降低，而且人工水車灌溉存在重大的安全隱患[1]。由于中央綠化帶的帶狀植被特征，有研究嘗試將農(nóng)業(yè)滴灌技術(shù)引入中央綠化帶灌溉中，仍存孔口易堵塞、人工維護(hù)頻繁的問(wèn)題。因此，研究一套能滿足種植植物生長(zhǎng)要求的節(jié)水灌溉技術(shù)勢(shì)在必行。研究以云南保（山）騰（沖）高速公路某標(biāo)段中央綠化帶蓄水緩釋綠化示范工程為例，開(kāi)展大孔管自壓灌溉技術(shù)及其灌溉效果評(píng)價(jià)研究。

1 大孔自壓微灌試驗(yàn)工程段概況

保騰高速公路中央綠化帶大孔自壓微灌示范工程地處云南省騰沖縣內(nèi)。騰沖處于橫斷山西南端，高黎貢山西麓，氣候垂直分布明顯。氣候類型包括從熱帶季風(fēng)氣候到高山氣候的多種類型。最冷月（1月）平均氣溫7.8 ℃，最熱月（8月）平均氣溫19.8 ℃。冬季干燥，日照多；夏季潮濕多雨。

中央綠化帶大孔管自壓微灌示范工程長(zhǎng)500 m，縱坡降4.975%。中央綠化帶土體部分大致為等腰梯形，上部寬1.60 m，下部寬0.25 m，深1.0 m，土壤為換填壤土。中央分隔帶主防眩苗木選用塔柏，按80 cm/株進(jìn)行種植，其間點(diǎn)綴杜鵑+迎春+毛葉丁香球作為地被植物。示范工程灌溉面積800 m2，根據(jù)《微灌工程技術(shù)指南》，計(jì)算補(bǔ)充灌水強(qiáng)度為4.47 mm/d，則每日最大需水量3.6 m3。

2大孔自壓微灌方案

2.1設(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)由以下部分組成：①雨水集蓄系統(tǒng)，收集邊坡、溝谷等雨水并儲(chǔ)存作為灌溉用水源；②灌溉管網(wǎng)系統(tǒng)，為預(yù)防自壓灌溉管道堵塞，示范工程采用大孔徑大孔管的灌溉；同時(shí)，由于該示范段高差較大，若自壓灌溉管道過(guò)長(zhǎng)，灌水均勻度不能滿足灌溉要求，因此，采用將整段管道分段輪灌的方法，即在長(zhǎng)500 m、埋設(shè)在綠化帶內(nèi)貫穿綠化帶起點(diǎn)到終點(diǎn)的灌溉干管上，每隔50 m設(shè)一灌溉支管，每段的水力學(xué)和其他條件都一致，每一支管的起點(diǎn)和終點(diǎn)高差為2.5 m左右，且通過(guò)恒壓配水池，將支管的首部壓力水頭調(diào)至1 m；③太陽(yáng)能智能輪灌控制系統(tǒng)，包括土壤濕度傳感器、輪灌控制器、太陽(yáng)能供電設(shè)備、電磁閥等，當(dāng)濕度傳感器探測(cè)到土壤相對(duì)濕度高于設(shè)定閾值時(shí)，所有電磁閥斷電，處于關(guān)閉狀態(tài)；低于設(shè)定閾值時(shí)，控制器啟動(dòng)灌溉程序，水從儲(chǔ)水池通過(guò)總閥進(jìn)入灌溉管網(wǎng)，然后依次打開(kāi)、關(guān)閉各灌溉支管的電磁閥，直至完成所有綠化灌溉任務(wù)。中央綠化帶變孔徑大孔管自壓灌溉示范工程設(shè)計(jì)框架見(jiàn)圖1。

2.2變孔徑大孔管方案

“大孔出流”即出流孔徑要較一般微灌技術(shù)應(yīng)用大，增大孔徑無(wú)疑會(huì)增強(qiáng)微灌系統(tǒng)的防淤抗堵性能，但是增大微灌孔徑后水量和均勻度的控制難度也變大。因此，將采用變孔徑的方法以滿足對(duì)灌水均勻度的要求（《微灌工程技術(shù)規(guī)范》要求灌水均勻度不小于80%）[2]。

因?yàn)槊?.8 m種植1棵塔柏，因此以0.8 m為孔間距，最小孔徑不小于0.8 mm，初始水頭0.5～1.5 m為限制因子。在MatLAB軟件中編寫(xiě)程序，進(jìn)行管道各孔孔徑的水力學(xué)試算，計(jì)算各孔的水頭壓力和出流流量，以最大流量偏差率qv≤20%為方案選擇依據(jù)；然后結(jié)合管道打孔的可操作性，選擇如下方案作為打孔管設(shè)計(jì)依據(jù)：每根灌溉支管長(zhǎng)50 m，選用內(nèi)徑為20 mm的PE管，初始水頭通過(guò)設(shè)在示范工程中的恒壓配水池穩(wěn)定在1 m，每隔0.8 m打一個(gè)孔。

通過(guò)模擬計(jì)算，變孔徑打孔管的方案為：第1～21孔，孔徑為1.5 mm；第22～35孔，孔徑為1.4 mm；第36～49孔，孔徑為1.3 mm；第50～63孔，孔徑為1.2 mm。

該打孔方案對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)流量值為16.942 0 L/h，理論最大流量偏差率值為16.68%，小于《微灌工程技術(shù)規(guī)范》要求灌水均勻度誤差率不超過(guò)20%的要求。

圖1 中央綠化帶變孔徑大孔管自壓灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3變孔徑大孔自壓微灌效果驗(yàn)證

大孔自壓微灌效果實(shí)驗(yàn)，主要研究在設(shè)計(jì)的灌溉方案下，出流水?dāng)U散到土壤中后，能否滿足綠化植物生長(zhǎng)所需。

3.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在實(shí)驗(yàn)大廳修建坡降為i=5%，長(zhǎng)3 m、頂寬1.6 m，底寬0.25 m，深1.0 m的1∶1中央綠化帶實(shí)體模型，并填土模擬高速公路中央綠化帶的換填土。選用管徑為25 cm的PVC管，并在側(cè)壁每0.8 m打一孔徑為1.0 mm的出水孔，將其延長(zhǎng)度方向居中放入實(shí)體模型內(nèi)，進(jìn)行模擬試驗(yàn)。

在中央綠化帶實(shí)體模型旁設(shè)50 L水箱一個(gè)，水箱水面離PVC管上的出水孔高度為1 m，水箱設(shè)閘閥，可控制向管道啟灌或止灌。

3.2土壤水分測(cè)定

3.2.1

測(cè)定儀器。實(shí)驗(yàn)采用新型PR2土壤剖面水分測(cè)定儀，該儀器主要通過(guò)水分傳感器測(cè)定土壤水分含量，而傳感器則基于頻域反射原理（FDR， Time Domain Reflectometry技術(shù)），即傳感器發(fā)射一定頻率的電磁波，電磁波沿探針傳輸，到達(dá)底部后返回，檢測(cè)探頭輸出的電壓，由于土壤介電常數(shù)的變化通常取決于土壤的含水量，由輸出電壓和水分的關(guān)系則可迅速、精確可靠地測(cè)量土壤剖面的水分含量[3-5]。

3.2.2

探測(cè)管及探測(cè)針布置。在模型土體內(nèi)鉆孔埋測(cè)量管，探測(cè)管及探針位置編號(hào)見(jiàn)表1，水分探測(cè)管埋設(shè)位置見(jiàn)圖2。

圖2 水分探測(cè)管埋設(shè)位置

結(jié)合測(cè)量管的長(zhǎng)度、埋置深度和土體的具體參數(shù)，計(jì)算出儀器傳感器測(cè)量濕度值的對(duì)應(yīng)土層深度，即距離土壤表層的高度。然后，作為補(bǔ)充測(cè)量數(shù)據(jù)，選擇探針（ML2）的測(cè)量位置。聯(lián)合應(yīng)用PR2探測(cè)儀及ML2探針即可以測(cè)得距離土壤表層不同高度即不同深度所對(duì)應(yīng)的土壤濕度值。

3.2.3

測(cè)定方法。試驗(yàn)時(shí)間為2012年8月18日至12月21日。設(shè)定灌水頻率為2 d一次，結(jié)合500 m中央綠化帶、共計(jì)630個(gè)孔，每次所需補(bǔ)水量為3.6 m3，能滿足植物正常生長(zhǎng)的需求，則每次灌水實(shí)驗(yàn)的單孔水量11.42 L，即每次每孔灌水量達(dá)到11.42 L后，停止灌水。并每2 h記錄水分測(cè)定儀ML2和PR2在不同深度的濕度值。

3.3土壤水分含量特征

土壤濕度變化受諸多因素影響，是一個(gè)比較復(fù)雜的響應(yīng)過(guò)程。但通過(guò)試驗(yàn)的觀測(cè)結(jié)果表明，植物根系所在部位的絕對(duì)含水量及相對(duì)濕度均能滿足中央分隔帶內(nèi)的塔柏、杜鵑、迎春、毛葉丁香球等植物生長(zhǎng)要求，即在一個(gè)灌溉周期內(nèi)土壤水分滿足植物生長(zhǎng)的設(shè)定要求。

4結(jié)論

通過(guò)模型試驗(yàn)結(jié)果可知，保騰高速公路中央綠化帶示范工程灌溉方案采用大孔出流，通過(guò)變化孔徑，不僅能滿足對(duì)灌溉均勻度的要求，還能保證植物生長(zhǎng)所需的含水量。

該設(shè)計(jì)有效地解決了因缺水而嚴(yán)重影響高速公路綠化效果這一長(zhǎng)期存在的技術(shù)難題。采用蓄水緩釋綠化技術(shù)，蓄集雨水，綠化植物可不需人工澆水而生長(zhǎng)良好，而且大幅度減少了養(yǎng)護(hù)的投入，可進(jìn)一步保障高速公路的安全暢通。

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