西北干旱區(qū)邊坡綠化中滴灌毛管設(shè)計參數(shù)試驗(yàn)研究

趙 云

（甘南州水利技術(shù)綜合服務(wù)站，甘肅 甘南 747000）

邊坡綠化是防治水土流失、保護(hù)邊坡穩(wěn)定性、提高生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的有效措施之一[1]。在公路鐵路沿線剖面修復(fù)、礦山環(huán)境修復(fù)等過程中，常采用草塊鋪植、種子噴播、灌草混栽等方法[2]，將灌木類、草本類等植物種植在坡度較緩（角度一般為5°～15°）的坡面，用以減少雨水對坡面的沖刷和破壞。在西北干旱區(qū)，邊坡綠化植物栽種初期往往需要人工灌溉來保證成活率。其中，滴灌是一種較為常用的節(jié)水高效灌溉方式，其灌溉質(zhì)量通常用灌水均勻度來衡量。在坡面滴灌中，影響灌溉均勻度的因素主要有坡度、毛管鋪設(shè)長度等[3-5]。近些年來，雖然隨著壓力補(bǔ)償式滴頭被廣泛應(yīng)用于山地、丘陵滴灌系統(tǒng)中，并取得了較好的滴灌效果[6]。但是，在坡面滴灌系統(tǒng)設(shè)計中，如何確定不同坡度下的毛管合理鋪設(shè)長度，仍需進(jìn)一步研究。本研究以坡度和毛管鋪設(shè)長度為主要因素，通過試驗(yàn)探索坡面滴灌灌水均勻度的變化特性，以期為進(jìn)一步提高滴灌質(zhì)量提供參考和借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用管上式壓力補(bǔ)償?shù)晤^，壓力補(bǔ)償范圍為50～300 kPa，具體參數(shù)為：毛管內(nèi)徑20 mm，毛管壁厚1.0 mm，滴頭間距30 cm，滴頭流量4 L/h。

灌水均勻度采用灌水均勻系數(shù)[7]進(jìn)行計算，如式（1）、（2）所示。

式中，CU為灌水均勻系數(shù)；△q為滴頭流量的平均偏差（L/h）；qi為一條毛管上第i個滴頭流量（L/h）；n為滴頭數(shù)量。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)裝置如圖1所示，包括水泵、供水管（PE軟管）、調(diào)壓裝置（控制在0.1 MPa）、固定支架等。測試水源為自來水，供水管通過、三通連接到毛管。毛管通過掛鉤固定在鐵絲上，鐵絲通過調(diào)整固定支架高度來調(diào)整角度，從而實(shí)現(xiàn)坡度變換。試驗(yàn)儀器包括秒表、燒杯和量筒等。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

選擇10%（5.7°）、15%（8.5°）和20%（11.3°）三種坡度，進(jìn)行毛管逆坡鋪設(shè)（即水流方向與）試驗(yàn)。針對每個坡度，分別設(shè)置逆坡鋪設(shè)毛管長度10 m、20 m、30 m、40 m、50 m和60 m共6個水平，共計18個試驗(yàn)組合。每個試驗(yàn)組合測試3次，并取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 平地毛管鋪設(shè)長度對灌水均勻度的影響

平地條件下，不同長度毛管的灌水均勻度變化如圖2所示。由圖2看出，試驗(yàn)毛管（選配管上式壓力補(bǔ)償?shù)晤^）在平地上的灌水均勻度隨著鋪設(shè)長度的增加而呈降低趨勢。其中，毛管鋪設(shè)長度為80 m時，灌水均勻度達(dá)最高值，為93%；毛管鋪設(shè)長度在100 m以內(nèi)，灌水均勻度均在90%以上；而當(dāng)毛管鋪設(shè)長度超過120 m后，灌水均勻度降至85%以下；當(dāng)毛管鋪設(shè)長度超過150 m后，灌水均勻度降至78%以下。可見，平地條件下，最適宜的毛管鋪設(shè)長度為80～120 m。在工程設(shè)計中，對灌水均勻度要求不高的作物，毛管的鋪設(shè)長度可根據(jù)現(xiàn)場條件適當(dāng)縮短或延長。

圖2 平地不同長度毛管的灌水均勻度變化

2.2 不同坡度下毛管鋪設(shè)長度對灌水均勻度的影響

不同坡度下，不同長度毛管的灌水均勻度變化如圖3所示。由圖3可以看出，坡地條件下灌水均勻度隨毛管鋪設(shè)長度的增加，呈先升高后降低趨勢；10%、15%和20%三種坡度下，灌水均勻度隨毛管鋪設(shè)長度增加而變化的規(guī)律相似，且坡度越高，灌水均勻度越低。具體來看，坡度為10%時，當(dāng)毛管鋪設(shè)長度達(dá)到50 m時，其灌水均勻度達(dá)到峰值，在85%左右，較平坡時峰值降低了7.5%；當(dāng)坡度增加到15%，灌水均勻度的峰值則出現(xiàn)在毛管鋪設(shè)長度為40 m時，且較平坡和10%坡度時分別降低了12.9%、5.8%；而當(dāng)坡度增加到20%時，灌水均勻度的峰值下降至75%以下，出現(xiàn)在毛管鋪設(shè)長度為30 m時，且較平坡、10%坡度和15%坡度時分別降低了20.4%、14.0%和8.6%。由此可見，不同坡度下灌水均勻度的峰值位置并不一致。工程設(shè)計中，當(dāng)坡度為10%、15%和20%時，毛管鋪設(shè)長度分別選取50 m、40 m和30 m最佳。

圖3 不同坡度不同長度毛管的灌水均勻度變化

2.3 不同坡度下毛管出水量變化規(guī)律

以不同坡度下選定的適宜鋪設(shè)長度范圍的毛管開展進(jìn)一步試驗(yàn)，獲得不同坡度下毛管出水量變化規(guī)律，如圖4—圖6所示。由圖4可以看出，當(dāng)坡度為10%時，40 m、50 m和60 m長毛管在第30個滴水口以前，出水量相差并不明顯，而是在第30個滴水口以后，出水量的差異開始逐步拉大；三種長度毛管的第60個滴水口的流量較第3個滴水口分別降低了10.15%、5.6%和11.7%。可見，再次驗(yàn)證在10%坡度下，最佳的毛管鋪設(shè)長度為50 m。如圖5可見，當(dāng)坡度增加至15%時，選取的毛管鋪設(shè)長度分別為30 m、40 m和50 m；該坡度下，在第18個滴水口以后，三種長度毛管出水量的差異性逐步拉大，且30 m和40 m兩種長度毛管在各滴水口的出水量更為接近；三種長度毛管的第48個滴水口的流量較第3個滴水口分別降低了8.4%、4.2%和8.8%。由此可見，20%坡度下，毛管鋪設(shè)長度不宜超過40 m，并根據(jù)實(shí)際需要可以考慮適當(dāng)降低。如圖6所示，當(dāng)坡度為20%時，選取的毛管鋪設(shè)長度分別為20 m、30 m和40 m；該坡度下，三種長度毛管的第39個滴水口的流量較第3個滴水口分別降低了11.0%、4.1%和9.9%；且在第15個滴水口以后，20 m和30 m兩種長度毛管的出水量相差不大，說明該坡度下適宜的毛管鋪設(shè)長度范圍為20～30 m。

圖4 10%坡度毛管出水量變化

圖5 15%坡度毛管出水量變化

圖6 20%坡度毛管出水量變化

綜合來看，離毛管進(jìn)水口越近的滴水口，其出水量對坡度增大的響應(yīng)程度越大，表現(xiàn)為隨坡度的增大而增大；而離毛管進(jìn)水口越遠(yuǎn)的滴水口，其出水量下降得越少。事實(shí)上，這與出水量和壓力成正相關(guān)關(guān)系有關(guān)。這在邊坡滴灌系統(tǒng)工程設(shè)計中，應(yīng)引起足夠的重視。

3 結(jié)論與討論

（1）從灌水均勻度角度看，平地條件下，最適宜的毛管鋪設(shè)長度為80 m～120 m；而在坡度為10%、15%和20%的逆坡鋪設(shè)時，最佳的毛管鋪設(shè)長度分別為50 m、40 m和30 m。從毛管出水量規(guī)律來看，工程設(shè)計中在無法達(dá)到最佳毛管鋪設(shè)長度時，以適當(dāng)降低鋪設(shè)長度為宜。

（2）不同坡度下，毛管出水量總體分布規(guī)律是在進(jìn)水口處出現(xiàn)峰值，并向毛管遠(yuǎn)端逐漸降低；同時，坡度增加使得離毛管進(jìn)水口越近的滴水口，出水量增加得越大，而遠(yuǎn)端滴水口出水量下降得越少，需要在邊坡綠化滴灌系統(tǒng)設(shè)計中引起足夠的重視。