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(biāo)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，構(gòu)建大孔微灌管的水力學(xué)模型并編制Matlab計(jì)算程序，對(duì)不同管材選擇、管徑大小、孔徑大小以及孔距等要素進(jìn)行試算，以判定灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(duì)方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：通過(guò)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(hào)S688；O418.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2014）29-10213-03

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

作者簡(jiǎn)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(zhǎng)[1-2]。因此，高速公路中央綠化帶因?yàn)槠涮厥獾牡乩砦恢靡约疤厥獾木G地條件限制，對(duì)植被的綠化和養(yǎng)護(hù)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(dòng)強(qiáng)度大，費(fèi)用高，水資源浪費(fèi)，灌溉效果不佳，且不利于高速公路的安全營(yíng)運(yùn)[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(shí)進(jìn)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(yùn)輸廳科技項(xiàng)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(yàn)段，通過(guò)微灌管道打孔出流實(shí)驗(yàn)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(jì)一種經(jīng)濟(jì)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?yán)喔确绞胶偷喂喾椒ā?/p>

1中央綠化帶試驗(yàn)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(diǎn)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(dāng)中的溫差變化較大，而一年當(dāng)中的溫差變化較?。凰募救绱?，無(wú)嚴(yán)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(qiáng)、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(biāo)段，樁號(hào)K42+310～K42+810，地形坡度0.497 5%，示范綠化段長(zhǎng)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(jì)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(zhǎng)距離輸水過(guò)程中的微地形變化會(huì)對(duì)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(qiáng)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(shí)，增大出水孔的孔徑會(huì)對(duì)土壤的滲透性能產(chǎn)生要求，一般當(dāng)出流量達(dá)到3 L/h時(shí)，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(jì)規(guī)范，設(shè)計(jì)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(biāo)，其計(jì)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(jì)流量；n為灌溉管段管孔的個(gè)數(shù)（個(gè)）；qi為第i個(gè)孔的出流量（L/h）。

灌水均勻度是微灌技術(shù)評(píng)價(jià)的一個(gè)重要指標(biāo)，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(jì)算灌水均勻系數(shù)：

式中，Cu為灌水均勻系數(shù)；qi為第i個(gè)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(gè)）。

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

2.2.1水頭。研究首部壓力水頭對(duì)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(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能損耗，分為沿程摩阻力損失（沿程水頭損失為水流過(guò)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(guò)各種管件、閥門等設(shè)備時(shí)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(duì)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(zhǎng)需求，涉及出水孔的布置、孔徑大小和輸水管的管徑選擇問(wèn)題。

2.3單孔出流量設(shè)計(jì)及水力學(xué)計(jì)算中央綠化帶蓄水緩釋灌溉綠化示范路段長(zhǎng)500 m，每次灌水4.4 m3，全長(zhǎng)500 m，630個(gè)孔，則單孔單次設(shè)計(jì)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(jì)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(gè)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(yàn)

3.1打孔方案在大坡度長(zhǎng)距離的情況下對(duì)中央綠化帶植被進(jìn)行灌溉，研究采取輪灌方式進(jìn)行灌溉，將500 m灌溉主管分為10段支管，則每段灌溉支管長(zhǎng)度為50 m，在支管上打孔進(jìn)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(jī)械進(jìn)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(yàn)證實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備準(zhǔn)備1個(gè)具有一定水容量的大桶作為供水水源地。要求該桶滿足實(shí)驗(yàn)放水時(shí)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?yàn)閷?shí)驗(yàn)的初始水頭為1 m。從桶的頂部放入進(jìn)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(zhǎng)度50 m的PEDN25管依打孔方案依次進(jìn)行打孔、標(biāo)號(hào)，打孔過(guò)程中應(yīng)保證所打孔在一條直線上，并按照坡降i=5%進(jìn)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(zhǎng)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(zhǎng)度進(jìn)而焊接成三角支架支持裝有打孔管的三角鐵。使用水準(zhǔn)儀校準(zhǔn)各個(gè)孔點(diǎn)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(shí)驗(yàn)裝置及方法首先關(guān)閉與緩釋管相連的球閥，由進(jìn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段即將小孔的射流方向設(shè)定為斜向上，以便于實(shí)驗(yàn)時(shí)收集和測(cè)定每個(gè)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(gè)小孔歷時(shí)2 min的小孔水量并測(cè)定記錄，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，計(jì)算出各個(gè)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(jì)算的設(shè)計(jì)流量qd=16.942 0 L/h；驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)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(jì)算驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)灌水均勻系數(shù)，為0.869，大于80%，滿足灌水均勻度要求。

（3）實(shí)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?yàn)轵?yàn)證實(shí)驗(yàn)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(jìn)有望進(jìn)一步提高灌水均勻度。

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