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(guò)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(duì)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(lái)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(lái)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(zhǎng)度等[3-5]。近些年來(lái),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(jì)中,如何確定不同坡度下的毛管合理鋪設(shè)長(zhǎng)度,仍需進(jìn)一步研究。本研究以坡度和毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度為主要因素,通過(guò)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。
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(jì)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(gè)滴頭流量(L/h);n為滴頭數(shù)量。
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(cè)試水源為自來(lái)水,供水管通過(guò)、三通連接到毛管。毛管通過(guò)掛鉤固定在鐵絲上,鐵絲通過(guò)調(diào)整固定支架高度來(lái)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(duì)每個(gè)坡度,分別設(shè)置逆坡鋪設(shè)毛管長(zhǎng)度10 m、20 m、30 m、40 m、50 m和60 m共6個(gè)水平,共計(jì)18個(gè)試驗(yàn)組合。每個(gè)試驗(yàn)組合測(cè)試3次,并取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。
平地條件下,不同長(zhǎng)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(zhǎng)度的增加而呈降低趨勢(shì)。其中,毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度為80 m時(shí),灌水均勻度達(dá)最高值,為93%;毛管鋪設(shè)長(zhǎng)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(zhǎng)度超過(guò)120 m后,灌水均勻度降至85%以下;當(dāng)毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度超過(guò)150 m后,灌水均勻度降至78%以下??梢?jiàn),平地條件下,最適宜的毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度為80~120 m。在工程設(shè)計(jì)中,對(duì)灌水均勻度要求不高的作物,毛管的鋪設(shè)長(zhǎng)度可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件適當(dāng)縮短或延長(zhǎng)。
圖2 平地不同長(zhǎng)度毛管的灌水均勻度變化
不同坡度下,不同長(zhǎng)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(zhǎng)度的增加,呈先升高后降低趨勢(shì);10%、15%和20%三種坡度下,灌水均勻度隨毛管鋪設(shè)長(zhǎng)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(lái)看,坡度為10%時(shí),當(dāng)毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度達(dá)到50 m時(shí),其灌水均勻度達(dá)到峰值,在85%左右,較平坡時(shí)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(zhǎng)度為40 m時(shí),且較平坡和10%坡度時(shí)分別降低了12.9%、5.8%;而當(dāng)坡度增加到20%時(shí),灌水均勻度的峰值下降至75%以下,出現(xiàn)在毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度為30 m時(shí),且較平坡、10%坡度和15%坡度時(shí)分別降低了20.4%、14.0%和8.6%。由此可見(jiàn),不同坡度下灌水均勻度的峰值位置并不一致。工程設(shè)計(jì)中,當(dāng)坡度為10%、15%和20%時(shí),毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度分別選取50 m、40 m和30 m最佳。
圖3 不同坡度不同長(zhǎng)度毛管的灌水均勻度變化
以不同坡度下選定的適宜鋪設(shè)長(zhǎng)度范圍的毛管開(kāi)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(shí),40 m、50 m和60 m長(zhǎng)毛管在第30個(gè)滴水口以前,出水量相差并不明顯,而是在第30個(gè)滴水口以后,出水量的差異開(kāi)始逐步拉大;三種長(zhǎng)度毛管的第60個(gè)滴水口的流量較第3個(gè)滴水口分別降低了10.15%、5.6%和11.7%??梢?jiàn),再次驗(yàn)證在10%坡度下,最佳的毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度為50 m。如圖5可見(jiàn),當(dāng)坡度增加至15%時(shí),選取的毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度分別為30 m、40 m和50 m;該坡度下,在第18個(gè)滴水口以后,三種長(zhǎng)度毛管出水量的差異性逐步拉大,且30 m和40 m兩種長(zhǎng)度毛管在各滴水口的出水量更為接近;三種長(zhǎng)度毛管的第48個(gè)滴水口的流量較第3個(gè)滴水口分別降低了8.4%、4.2%和8.8%。由此可見(jiàn),20%坡度下,毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度不宜超過(guò)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(shí),選取的毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度分別為20 m、30 m和40 m;該坡度下,三種長(zhǎng)度毛管的第39個(gè)滴水口的流量較第3個(gè)滴水口分別降低了11.0%、4.1%和9.9%;且在第15個(gè)滴水口以后,20 m和30 m兩種長(zhǎng)度毛管的出水量相差不大,說(shuō)明該坡度下適宜的毛管鋪設(shè)長(zhǎng)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(lái)看,離毛管進(jìn)水口越近的滴水口,其出水量對(duì)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(jì)中,應(yīng)引起足夠的重視。
(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(zhǎng)度為80 m~120 m;而在坡度為10%、15%和20%的逆坡鋪設(shè)時(shí),最佳的毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度分別為50 m、40 m和30 m。從毛管出水量規(guī)律來(lái)看,工程設(shè)計(jì)中在無(wú)法達(dá)到最佳毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度時(shí),以適當(dāng)降低鋪設(shè)長(zhǎng)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(shí),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(jì)中引起足夠的重視。