西北干旱区边坡绿化中滴灌毛管设计参数试验研究

赵 云

（甘南州水利技术综合服务站，甘肃 甘南 747000）

边坡绿化是防治水土流失、保护边坡稳定性、提高生态环境质量的有效措施之一[1]。在公路铁路沿线剖面修复、矿山环境修复等过程中，常采用草块铺植、种子喷播、灌草混栽等方法[2]，将灌木类、草本类等植物种植在坡度较缓（角度一般为5°～15°）的坡面，用以减少雨水对坡面的冲刷和破坏。在西北干旱区，边坡绿化植物栽种初期往往需要人工灌溉来保证成活率。其中，滴灌是一种较为常用的节水高效灌溉方式，其灌溉质量通常用灌水均匀度来衡量。在坡面滴灌中，影响灌溉均匀度的因素主要有坡度、毛管铺设长度等[3-5]。近些年来，虽然随着压力补偿式滴头被广泛应用于山地、丘陵滴灌系统中，并取得了较好的滴灌效果[6]。但是，在坡面滴灌系统设计中，如何确定不同坡度下的毛管合理铺设长度，仍需进一步研究。本研究以坡度和毛管铺设长度为主要因素，通过试验探索坡面滴灌灌水均匀度的变化特性，以期为进一步提高滴灌质量提供参考和借鉴。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验采用管上式压力补偿滴头，压力补偿范围为50～300 kPa，具体参数为：毛管内径20 mm，毛管壁厚1.0 mm，滴头间距30 cm，滴头流量4 L/h。

灌水均匀度采用灌水均匀系数[7]进行计算，如式（1）、（2）所示。

式中，CU为灌水均匀系数；△q为滴头流量的平均偏差（L/h）；qi为一条毛管上第i个滴头流量（L/h）；n为滴头数量。

1.2 试验方案

试验装置如图1所示，包括水泵、供水管（PE软管）、调压装置（控制在0.1 MPa）、固定支架等。测试水源为自来水，供水管通过、三通连接到毛管。毛管通过挂钩固定在铁丝上，铁丝通过调整固定支架高度来调整角度，从而实现坡度变换。试验仪器包括秒表、烧杯和量筒等。

图1 试验装置示意图

选择10%（5.7°）、15%（8.5°）和20%（11.3°）三种坡度，进行毛管逆坡铺设（即水流方向与）试验。针对每个坡度，分别设置逆坡铺设毛管长度10 m、20 m、30 m、40 m、50 m和60 m共6个水平，共计18个试验组合。每个试验组合测试3次，并取平均值作为试验结果。

2 结果与分析

2.1 平地毛管铺设长度对灌水均匀度的影响

平地条件下，不同长度毛管的灌水均匀度变化如图2所示。由图2看出，试验毛管（选配管上式压力补偿滴头）在平地上的灌水均匀度随着铺设长度的增加而呈降低趋势。其中，毛管铺设长度为80 m时，灌水均匀度达最高值，为93%；毛管铺设长度在100 m以内，灌水均匀度均在90%以上；而当毛管铺设长度超过120 m后，灌水均匀度降至85%以下；当毛管铺设长度超过150 m后，灌水均匀度降至78%以下。可见，平地条件下，最适宜的毛管铺设长度为80～120 m。在工程设计中，对灌水均匀度要求不高的作物，毛管的铺设长度可根据现场条件适当缩短或延长。

图2 平地不同长度毛管的灌水均匀度变化

2.2 不同坡度下毛管铺设长度对灌水均匀度的影响

不同坡度下，不同长度毛管的灌水均匀度变化如图3所示。由图3可以看出，坡地条件下灌水均匀度随毛管铺设长度的增加，呈先升高后降低趋势；10%、15%和20%三种坡度下，灌水均匀度随毛管铺设长度增加而变化的规律相似，且坡度越高，灌水均匀度越低。具体来看，坡度为10%时，当毛管铺设长度达到50 m时，其灌水均匀度达到峰值，在85%左右，较平坡时峰值降低了7.5%；当坡度增加到15%，灌水均匀度的峰值则出现在毛管铺设长度为40 m时，且较平坡和10%坡度时分别降低了12.9%、5.8%；而当坡度增加到20%时，灌水均匀度的峰值下降至75%以下，出现在毛管铺设长度为30 m时，且较平坡、10%坡度和15%坡度时分别降低了20.4%、14.0%和8.6%。由此可见，不同坡度下灌水均匀度的峰值位置并不一致。工程设计中，当坡度为10%、15%和20%时，毛管铺设长度分别选取50 m、40 m和30 m最佳。

图3 不同坡度不同长度毛管的灌水均匀度变化

2.3 不同坡度下毛管出水量变化规律

以不同坡度下选定的适宜铺设长度范围的毛管开展进一步试验，获得不同坡度下毛管出水量变化规律，如图4—图6所示。由图4可以看出，当坡度为10%时，40 m、50 m和60 m长毛管在第30个滴水口以前，出水量相差并不明显，而是在第30个滴水口以后，出水量的差异开始逐步拉大；三种长度毛管的第60个滴水口的流量较第3个滴水口分别降低了10.15%、5.6%和11.7%。可见，再次验证在10%坡度下，最佳的毛管铺设长度为50 m。如图5可见，当坡度增加至15%时，选取的毛管铺设长度分别为30 m、40 m和50 m；该坡度下，在第18个滴水口以后，三种长度毛管出水量的差异性逐步拉大，且30 m和40 m两种长度毛管在各滴水口的出水量更为接近；三种长度毛管的第48个滴水口的流量较第3个滴水口分别降低了8.4%、4.2%和8.8%。由此可见，20%坡度下，毛管铺设长度不宜超过40 m，并根据实际需要可以考虑适当降低。如图6所示，当坡度为20%时，选取的毛管铺设长度分别为20 m、30 m和40 m；该坡度下，三种长度毛管的第39个滴水口的流量较第3个滴水口分别降低了11.0%、4.1%和9.9%；且在第15个滴水口以后，20 m和30 m两种长度毛管的出水量相差不大，说明该坡度下适宜的毛管铺设长度范围为20～30 m。

图4 10%坡度毛管出水量变化

图5 15%坡度毛管出水量变化

图6 20%坡度毛管出水量变化

综合来看，离毛管进水口越近的滴水口，其出水量对坡度增大的响应程度越大，表现为随坡度的增大而增大；而离毛管进水口越远的滴水口，其出水量下降得越少。事实上，这与出水量和压力成正相关关系有关。这在边坡滴灌系统工程设计中，应引起足够的重视。

3 结论与讨论

（1）从灌水均匀度角度看，平地条件下，最适宜的毛管铺设长度为80 m～120 m；而在坡度为10%、15%和20%的逆坡铺设时，最佳的毛管铺设长度分别为50 m、40 m和30 m。从毛管出水量规律来看，工程设计中在无法达到最佳毛管铺设长度时，以适当降低铺设长度为宜。

（2）不同坡度下，毛管出水量总体分布规律是在进水口处出现峰值，并向毛管远端逐渐降低；同时，坡度增加使得离毛管进水口越近的滴水口，出水量增加得越大，而远端滴水口出水量下降得越少，需要在边坡绿化滴灌系统设计中引起足够的重视。