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摘要
针对当前高速公路中央绿化带人工水车灌溉存在的费用高、影响畅通，以及现有的滴灌技术用于中央绿化带中存在的难以解决的滴头堵塞问题，提出了利用大孔管自压微灌的中央绿化带灌溉思路；并以云南保腾高速公路某段中央绿化带为例，进行了变孔径大孔管自压微灌系统设计，通过水力学模型及MatLAB软件进行了包括初始水头、孔间距、孔径等计算以确定工程方案；最后应用中央绿化带实体模型，对设计灌溉方案的灌溉效果进行验证。研究结果表明，该方案能满足微灌技术要求，为中央绿化带植物生长提供用水需求。
关键词保腾高速公路；中央绿化带；变孔径大孔管；自压微灌
中图分类号S688；U418.9文献标识码A文章编号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
高速公路中央綠化带不仅起到隔离相向高速行驶的车流、保障安全畅通的作用；而且具有防止车灯眩光，引导行车视线及改善行车环境、舒缓司乘人员疲劳的功能。由于高速公路中央绿化带的种植土层较薄，加上两侧路面吸热的影响，地表湿度高，水分蒸发快，中央绿化带植物易出现缺水现象，尤其是高温干旱季节，需频繁浇水才能维持植物正常生长。
目前大多数高速公路采用水车拉水漫灌，不但运距长、费用高，费时费水，水车长期占道，道路通行能力降低，而且人工水车灌溉存在重大的安全隐患[1]。由于中央绿化带的带状植被特征，有研究尝试将农业滴灌技术引入中央绿化带灌溉中，仍存孔口易堵塞、人工维护频繁的问题。因此，研究一套能满足种植植物生长要求的节水灌溉技术势在必行。研究以云南保（山）腾（冲）高速公路某标段中央绿化带蓄水缓释绿化示范工程为例，开展大孔管自压灌溉技术及其灌溉效果评价研究。
1 大孔自压微灌试验工程段概况
保腾高速公路中央绿化带大孔自压微灌示范工程地处云南省腾冲县内。腾冲处于横断山西南端，高黎贡山西麓，气候垂直分布明显。气候类型包括从热带季风气候到高山气候的多种类型。最冷月（1月）平均气温7.8 ℃，最热月（8月）平均气温19.8 ℃。冬季干燥，日照多；夏季潮湿多雨。
中央绿化带大孔管自压微灌示范工程长500 m，纵坡降4.975%。中央绿化带土体部分大致为等腰梯形，上部宽1.60 m，下部宽0.25 m，深1.0 m，土壤为换填壤土。中央分隔带主防眩苗木选用塔柏，按80 cm/株进行种植，其间点缀杜鹃+迎春+毛叶丁香球作为地被植物。示范工程灌溉面积800 m2，根据《微灌工程技术指南》，计算补充灌水强度为4.47 mm/d，则每日最大需水量3.6 m3。
2大孔自压微灌方案
2.1设计思路
系统由以下部分组成：①雨水集蓄系统，收集边坡、沟谷等雨水并储存作为灌溉用水源；②灌溉管网系统，为预防自压灌溉管道堵塞，示范工程采用大孔径大孔管的灌溉；同时，由于该示范段高差较大，若自压灌溉管道过长，灌水均匀度不能满足灌溉要求，因此，采用将整段管道分段轮灌的方法，即在长500 m、埋设在绿化带内贯穿绿化带起点到终点的灌溉干管上，每隔50 m设一灌溉支管，每段的水力学和其他条件都一致，每一支管的起点和终点高差为2.5 m左右，且通过恒压配水池，将支管的首部压力水头调至1 m；③太阳能智能轮灌控制系统，包括土壤湿度传感器、轮灌控制器、太阳能供电设备、电磁阀等，当湿度传感器探测到土壤相对湿度高于设定阈值时，所有电磁阀断电，处于关闭状态；低于设定阈值时，控制器启动灌溉程序，水从储水池通过总阀进入灌溉管网，然后依次打开、关闭各灌溉支管的电磁阀，直至完成所有绿化灌溉任务。中央绿化带变孔径大孔管自压灌溉示范工程设计框架见图1。 2.2变孔径大孔管方案
“大孔出流”即出流孔径要较一般微灌技术应用大，增大孔径无疑会增强微灌系统的防淤抗堵性能，但是增大微灌孔径后水量和均匀度的控制难度也变大。因此，将采用变孔径的方法以满足对灌水均匀度的要求（《微灌工程技术规范》要求灌水均匀度不小于80%）[2]。
因为每0.8 m种植1棵塔柏，因此以0.8 m为孔间距，最小孔径不小于0.8 mm，初始水头0.5～1.5 m为限制因子。在MatLAB软件中编写程序，进行管道各孔孔径的水力学试算，计算各孔的水头压力和出流流量，以最大流量偏差率qv≤20%为方案选择依据；然后结合管道打孔的可操作性，选择如下方案作为打孔管设计依据：每根灌溉支管长50 m，选用内径为20 mm的PE管，初始水头通过设在示范工程中的恒压配水池稳定在1 m，每隔0.8 m打一个孔。
通过模拟计算，变孔径打孔管的方案为：第1～21孔，孔径为1.5 mm；第22～35孔，孔径为1.4 mm；第36～49孔，孔径为1.3 mm；第50～63孔，孔径为1.2 mm。
该打孔方案对应的设计流量值为16.942 0 L/h，理论最大流量偏差率值为16.68%，小于《微灌工程技术规范》要求灌水均匀度误差率不超过20%的要求。
图1 中央绿化带变孔径大孔管自压灌溉系统结构
3变孔径大孔自压微灌效果验证
大孔自压微灌效果实验，主要研究在设计的灌溉方案下，出流水扩散到土壤中后，能否满足绿化植物生长所需。
3.1实验设计
在实验大厅修建坡降为i=5%，长3 m、顶宽1.6 m，底宽0.25 m，深1.0 m的1∶1中央绿化带实体模型，并填土模拟高速公路中央绿化带的换填土。选用管径为25 cm的PVC管，并在侧壁每0.8 m打一孔径为1.0 mm的出水孔，将其延长度方向居中放入实体模型内，进行模拟试验。
在中央绿化带实体模型旁设50 L水箱一个，水箱水面离PVC管上的出水孔高度为1 m，水箱设闸阀，可控制向管道启灌或止灌。
3.2土壤水分测定
3.2.1
测定仪器。实验采用新型PR2土壤剖面水分测定仪，该仪器主要通过水分传感器测定土壤水分含量，而传感器则基于频域反射原理（FDR， Time Domain Reflectometry技术），即传感器发射一定频率的电磁波，电磁波沿探针传输，到达底部后返回，检测探头输出的电压，由于土壤介电常数的变化通常取决于土壤的含水量，由输出电压和水分的关系则可迅速、精确可靠地测量土壤剖面的水分含量[3-5]。
3.2.2
探测管及探测针布置。在模型土体内钻孔埋测量管，探测管及探针位置编号见表1，水分探测管埋设位置见图2。
图2 水分探测管埋设位置
结合测量管的长度、埋置深度和土体的具体参数，计算出仪器传感器测量湿度值的对应土层深度，即距离土壤表层的高度。然后，作为补充测量数据，选择探针（ML2）的测量位置。联合应用PR2探测仪及ML2探针即可以测得距离土壤表层不同高度即不同深度所对应的土壤湿度值。
3.2.3
测定方法。试验时间为2012年8月18日至12月21日。设定灌水频率为2 d一次，结合500 m中央綠化带、共计630个孔，每次所需补水量为3.6 m3，能满足植物正常生长的需求，则每次灌水实验的单孔水量11.42 L，即每次每孔灌水量达到11.42 L后，停止灌水。并每2 h记录水分测定仪ML2和PR2在不同深度的湿度值。
3.3土壤水分含量特征
土壤湿度变化受诸多因素影响，是一个比较复杂的响应过程。但通过试验的观测结果表明，植物根系所在部位的绝对含水量及相对湿度均能满足中央分隔带内的塔柏、杜鹃、迎春、毛叶丁香球等植物生长要求，即在一个灌溉周期内土壤水分满足植物生长的设定要求。
4结论
通过模型试验结果可知，保腾高速公路中央绿化带示范工程灌溉方案采用大孔出流，通过变化孔径，不仅能满足对灌溉均匀度的要求，还能保证植物生长所需的含水量。
该设计有效地解决了因缺水而严重影响高速公路绿化效果这一长期存在的技术难题。采用蓄水缓释绿化技术，蓄集雨水，绿化植物可不需人工浇水而生长良好，而且大幅度减少了养护的投入，可进一步保障高速公路的安全畅通。
参考文献
[1]
刘洪禄，齐志明.高速公路绿化隔离带灌溉系统优化设计研究[J].节水灌溉，2005（2）：18-20.
[2] 水利部农田灌溉研究所.SL.103-95.微灌工程技术规范[S].北京：中国水利水电出版社，1995.
[3] DASBERG S，DALTON F D.Timedomain reflectometry field measurements of soil water content and electrical conductivity[J].J Soil Science Soc Am，1985，49：293-297.
[4] RHOADES J D，SCHILFGAARDE J V.An electrical conductivity probe for determining soil salinity[J].J Soil Science Soc Am，1976，40：647-651.
[5] 刘战东，刘祖贵.田间土壤水分监测技术[C]//段爱旺，肖俊夫，孙景生.灌溉试验站网建设与试验研究.郑州：黄河水利出版社，2005：383.
针对当前高速公路中央绿化带人工水车灌溉存在的费用高、影响畅通，以及现有的滴灌技术用于中央绿化带中存在的难以解决的滴头堵塞问题，提出了利用大孔管自压微灌的中央绿化带灌溉思路；并以云南保腾高速公路某段中央绿化带为例，进行了变孔径大孔管自压微灌系统设计，通过水力学模型及MatLAB软件进行了包括初始水头、孔间距、孔径等计算以确定工程方案；最后应用中央绿化带实体模型，对设计灌溉方案的灌溉效果进行验证。研究结果表明，该方案能满足微灌技术要求，为中央绿化带植物生长提供用水需求。
关键词保腾高速公路；中央绿化带；变孔径大孔管；自压微灌
中图分类号S688；U418.9文献标识码A文章编号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
高速公路中央綠化带不仅起到隔离相向高速行驶的车流、保障安全畅通的作用；而且具有防止车灯眩光，引导行车视线及改善行车环境、舒缓司乘人员疲劳的功能。由于高速公路中央绿化带的种植土层较薄，加上两侧路面吸热的影响，地表湿度高，水分蒸发快，中央绿化带植物易出现缺水现象，尤其是高温干旱季节，需频繁浇水才能维持植物正常生长。
目前大多数高速公路采用水车拉水漫灌，不但运距长、费用高，费时费水，水车长期占道，道路通行能力降低，而且人工水车灌溉存在重大的安全隐患[1]。由于中央绿化带的带状植被特征，有研究尝试将农业滴灌技术引入中央绿化带灌溉中，仍存孔口易堵塞、人工维护频繁的问题。因此，研究一套能满足种植植物生长要求的节水灌溉技术势在必行。研究以云南保（山）腾（冲）高速公路某标段中央绿化带蓄水缓释绿化示范工程为例，开展大孔管自压灌溉技术及其灌溉效果评价研究。
1 大孔自压微灌试验工程段概况
保腾高速公路中央绿化带大孔自压微灌示范工程地处云南省腾冲县内。腾冲处于横断山西南端，高黎贡山西麓，气候垂直分布明显。气候类型包括从热带季风气候到高山气候的多种类型。最冷月（1月）平均气温7.8 ℃，最热月（8月）平均气温19.8 ℃。冬季干燥，日照多；夏季潮湿多雨。
中央绿化带大孔管自压微灌示范工程长500 m，纵坡降4.975%。中央绿化带土体部分大致为等腰梯形，上部宽1.60 m，下部宽0.25 m，深1.0 m，土壤为换填壤土。中央分隔带主防眩苗木选用塔柏，按80 cm/株进行种植，其间点缀杜鹃+迎春+毛叶丁香球作为地被植物。示范工程灌溉面积800 m2，根据《微灌工程技术指南》，计算补充灌水强度为4.47 mm/d，则每日最大需水量3.6 m3。
2大孔自压微灌方案
2.1设计思路
系统由以下部分组成：①雨水集蓄系统，收集边坡、沟谷等雨水并储存作为灌溉用水源；②灌溉管网系统，为预防自压灌溉管道堵塞，示范工程采用大孔径大孔管的灌溉；同时，由于该示范段高差较大，若自压灌溉管道过长，灌水均匀度不能满足灌溉要求，因此，采用将整段管道分段轮灌的方法，即在长500 m、埋设在绿化带内贯穿绿化带起点到终点的灌溉干管上，每隔50 m设一灌溉支管，每段的水力学和其他条件都一致，每一支管的起点和终点高差为2.5 m左右，且通过恒压配水池，将支管的首部压力水头调至1 m；③太阳能智能轮灌控制系统，包括土壤湿度传感器、轮灌控制器、太阳能供电设备、电磁阀等，当湿度传感器探测到土壤相对湿度高于设定阈值时，所有电磁阀断电，处于关闭状态；低于设定阈值时，控制器启动灌溉程序，水从储水池通过总阀进入灌溉管网，然后依次打开、关闭各灌溉支管的电磁阀，直至完成所有绿化灌溉任务。中央绿化带变孔径大孔管自压灌溉示范工程设计框架见图1。 2.2变孔径大孔管方案
“大孔出流”即出流孔径要较一般微灌技术应用大，增大孔径无疑会增强微灌系统的防淤抗堵性能，但是增大微灌孔径后水量和均匀度的控制难度也变大。因此，将采用变孔径的方法以满足对灌水均匀度的要求（《微灌工程技术规范》要求灌水均匀度不小于80%）[2]。
因为每0.8 m种植1棵塔柏，因此以0.8 m为孔间距，最小孔径不小于0.8 mm，初始水头0.5～1.5 m为限制因子。在MatLAB软件中编写程序，进行管道各孔孔径的水力学试算，计算各孔的水头压力和出流流量，以最大流量偏差率qv≤20%为方案选择依据；然后结合管道打孔的可操作性，选择如下方案作为打孔管设计依据：每根灌溉支管长50 m，选用内径为20 mm的PE管，初始水头通过设在示范工程中的恒压配水池稳定在1 m，每隔0.8 m打一个孔。
通过模拟计算，变孔径打孔管的方案为：第1～21孔，孔径为1.5 mm；第22～35孔，孔径为1.4 mm；第36～49孔，孔径为1.3 mm；第50～63孔，孔径为1.2 mm。
该打孔方案对应的设计流量值为16.942 0 L/h，理论最大流量偏差率值为16.68%，小于《微灌工程技术规范》要求灌水均匀度误差率不超过20%的要求。
图1 中央绿化带变孔径大孔管自压灌溉系统结构
3变孔径大孔自压微灌效果验证
大孔自压微灌效果实验，主要研究在设计的灌溉方案下，出流水扩散到土壤中后，能否满足绿化植物生长所需。
3.1实验设计
在实验大厅修建坡降为i=5%，长3 m、顶宽1.6 m，底宽0.25 m，深1.0 m的1∶1中央绿化带实体模型，并填土模拟高速公路中央绿化带的换填土。选用管径为25 cm的PVC管，并在侧壁每0.8 m打一孔径为1.0 mm的出水孔，将其延长度方向居中放入实体模型内，进行模拟试验。
在中央绿化带实体模型旁设50 L水箱一个，水箱水面离PVC管上的出水孔高度为1 m，水箱设闸阀，可控制向管道启灌或止灌。
3.2土壤水分测定
3.2.1
测定仪器。实验采用新型PR2土壤剖面水分测定仪，该仪器主要通过水分传感器测定土壤水分含量，而传感器则基于频域反射原理（FDR， Time Domain Reflectometry技术），即传感器发射一定频率的电磁波，电磁波沿探针传输，到达底部后返回，检测探头输出的电压，由于土壤介电常数的变化通常取决于土壤的含水量，由输出电压和水分的关系则可迅速、精确可靠地测量土壤剖面的水分含量[3-5]。
3.2.2
探测管及探测针布置。在模型土体内钻孔埋测量管，探测管及探针位置编号见表1，水分探测管埋设位置见图2。
图2 水分探测管埋设位置
结合测量管的长度、埋置深度和土体的具体参数，计算出仪器传感器测量湿度值的对应土层深度，即距离土壤表层的高度。然后，作为补充测量数据，选择探针（ML2）的测量位置。联合应用PR2探测仪及ML2探针即可以测得距离土壤表层不同高度即不同深度所对应的土壤湿度值。
3.2.3
测定方法。试验时间为2012年8月18日至12月21日。设定灌水频率为2 d一次，结合500 m中央綠化带、共计630个孔，每次所需补水量为3.6 m3，能满足植物正常生长的需求，则每次灌水实验的单孔水量11.42 L，即每次每孔灌水量达到11.42 L后，停止灌水。并每2 h记录水分测定仪ML2和PR2在不同深度的湿度值。
3.3土壤水分含量特征
土壤湿度变化受诸多因素影响，是一个比较复杂的响应过程。但通过试验的观测结果表明，植物根系所在部位的绝对含水量及相对湿度均能满足中央分隔带内的塔柏、杜鹃、迎春、毛叶丁香球等植物生长要求，即在一个灌溉周期内土壤水分满足植物生长的设定要求。
4结论
通过模型试验结果可知，保腾高速公路中央绿化带示范工程灌溉方案采用大孔出流，通过变化孔径，不仅能满足对灌溉均匀度的要求，还能保证植物生长所需的含水量。
该设计有效地解决了因缺水而严重影响高速公路绿化效果这一长期存在的技术难题。采用蓄水缓释绿化技术，蓄集雨水，绿化植物可不需人工浇水而生长良好，而且大幅度减少了养护的投入，可进一步保障高速公路的安全畅通。
参考文献
[1]
刘洪禄，齐志明.高速公路绿化隔离带灌溉系统优化设计研究[J].节水灌溉，2005（2）：18-20.
[2] 水利部农田灌溉研究所.SL.103-95.微灌工程技术规范[S].北京：中国水利水电出版社，1995.
[3] DASBERG S，DALTON F D.Timedomain reflectometry field measurements of soil water content and electrical conductivity[J].J Soil Science Soc Am，1985，49：293-297.
[4] RHOADES J D，SCHILFGAARDE J V.An electrical conductivity probe for determining soil salinity[J].J Soil Science Soc Am，1976，40：647-651.
[5] 刘战东，刘祖贵.田间土壤水分监测技术[C]//段爱旺，肖俊夫，孙景生.灌溉试验站网建设与试验研究.郑州：黄河水利出版社，2005：383.