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摘要 以云南保（山）腾（冲）高速公路为例，开展中央绿化带大孔自压微灌技术研究及应用示范。首先提出了中央绿化带示范段的灌溉目标和系统设计，构建大孔微灌管的水力学模型并编制Matlab计算程序，对不同管材选择、管径大小、孔径大小以及孔距等要素进行试算，以判定灌溉系统设计方案是否满足设定的灌溉系统均匀度参数要求，最后对方案进行了实验验证。结果表明：通过变孔径大孔自压微灌技术，可在满足防堵塞性能的基础上，保证灌水均匀度，提高灌溉质量和灌溉保证率。
关键词 高速公路；中央绿化带；微灌；均匀度
中图分类号S688；O418.9文献标识码A文章编号0517-6611（2014）29-10213-03
基金项目云南省交通运输厅2011年度科技教育专项行业科技联合攻关项目（云交科2011（LH）15-b）。
作者简介王昌贤（1955- ），男，重庆荣昌人，教授，从事灌溉工程、岩土工程研究。
中央绿化带具有分离上、下行方向的行车道、防眩、提高高速路行车的安全度以及景观美化等作用，其间土壤多为工程回填土，养分较差，且土层较薄，加上两侧路面吸热的影响地表温度高、水分蒸发较快等原因，中央绿化带植物容易出现缺水现象，尤其是在高温干旱季节，种植土壤和植物的蒸发量很大，需要频繁浇水才能维持植物的正常生长[1-2]。因此，高速公路中央绿化带因为其特殊的地理位置以及特殊的绿地条件限制，对植被的绿化和养护要求较高。目前中央绿化带主要灌溉采用洒水车和人工漫灌浇水的方式，不仅浇灌劳动强度大，费用高，水资源浪费，灌溉效果不佳，且不利于高速公路的安全营运[3]。而采用农业的滴灌技术方法，在滴灌系统建设中投资成本较高，更重要的是容易引起滴头堵塞。由于中央绿化带与农田滴灌不同，不能随时进入，难以发现滴头堵塞和排除故障，更易于出现系统不能正常工作的情况[4]。因此，笔者研究大孔出流自压微灌管打孔技术，依托云南省交通运输厅科技项目《高速公路蓄水缓释绿化关键技术研究及应用示范》，选取保腾高速公路约500 m中央绿化带作为试验段，通过微灌管道打孔出流实验以及灌水均匀度的研究，提出高速公路中央分隔带微灌技术参数，设计一种经济可行、技术合理的中央绿化带灌溉技术代替传统的水车拉水灌溉方式和滴灌方法。
1中央绿化带试验段概况
研究区设在保（山）腾（冲）高速公路，即保山至腾冲高速公路。气候特点表现为：光照充足，降水也较充沛，但干旱的发生概率却很高；一天当中的温差变化较大，而一年当中的温差变化较小；四季如春，无严寒和酷暑，终年常绿，年平均气温为16 ℃，最低月平均气温出现在1月，为8.5 ℃，最高月平均气温出现在6月，为21.2 ℃，年平均降水量为1 000 mm左右。中央绿化带绿化种植的植被在树种选择上需满足遮光防眩、吸收汽车尾气以及改善道路景观等要求，选择抗逆性强、枝叶浓密、常绿、耐修剪、整形效果好、抗污染和耐干旱的树种，如桧柏、侧柏等树种[5]。
该研究的示范工程为保腾高速中央分隔带第十标段，桩号K42+310～K42+810，地形坡度0.497 5%，示范绿化段长500 m，宽度1.6 m，面积约800 m2。
2微灌技术的灌水均匀度要求及理论分析
2.1灌水均匀度的设计要求根据《微灌工程技术规范》要求，灌水均匀度不小于80%。采用打孔自压微灌方式灌水，其灌水均匀度受到如孔径、铺设坡度、孔距分布等诸多因素的影响，尤其在长距离输水过程中的微地形变化会对出水均匀度产生重要影响，在保证灌水均匀度的前提下，增大出水孔的孔径可以起到增强灌溉系统的防淤堵性能，因此采用一种适用于高速公路中央绿化带的“大孔出流”智能微灌技术，最小孔径控制在1.1 mm；同时，增大出水孔的孔径会对土壤的渗透性能产生要求，一般当出流量达到3 L/h时，将产生漫流，为防止漫流的产生，在出水孔下方挖坑以蓄积小孔出流，防止漫流的产生[6]。
根据《节水灌溉技术规范》（SL20798）和《微灌工程技术规范》（SL10395）等灌溉设计规范，设计流量及最大流量偏差率是衡量平均流量和均匀度的重要指标，其计算方式为：
式中，为平均流量，在灌溉工程中，常用平均流量作为设计流量；n为灌溉管段管孔的个数（个）；qi为第i个孔的出流量（L/h）。
灌水均匀度是微灌技术评价的一个重要指标，通常采用灌水均匀系数表示。根据《微灌工程技术规范》中的规定：微灌工程的灌水均匀系数不得低于0.8。一般采用克里斯琴森公式计算灌水均匀系数：
式中，Cu为灌水均匀系数；qi为第i个出水孔的流量（L/h）；为出水孔的平均流量（L/h）；n为出水孔数目（个）。
2.2均匀度影响因素分析该示范段长度较大，为500 m，且纵坡相对较大，为4.975%，使得灌水过程中的均匀度更加难以控制。需要对微灌灌水过程中的以下因素进行重点调节和控制。
2.2.1水头。研究首部压力水头对灌水均匀度的影响，从而选择合适的首部压力水头，还需要分析水头损失。
水头损失指水在管道中流动产生的机械能损耗，分为沿程摩阻力损失（沿程水头损失为水流过一定管道距离后由于水分子的内部摩擦而引起的损失）和局部阻力损失（局部水头损失为水流经过各种管件、阀门等设备时因流态的变化而产生的损失）两种类别，二者之和即为管道的总水头损失[7]。
2.2.2流量。对单孔出流的流量和均匀度研究，确保出水量能够保证植物生长需求，涉及出水孔的布置、孔径大小和输水管的管径选择问题。
2.3单孔出流量设计及水力学计算中央绿化带蓄水缓释灌溉绿化示范路段长500 m，每次灌水4.4 m3，全长500 m，630个孔，则单孔单次设计灌水量Q=7 L。在最大蒸发量的情况下，可以保证1.5 d，一般情况下，可以保障4～5 d。 中央绿化带蓄水缓释示范工程灌溉支管打孔方案水力学计算模型构建如下：设灌溉支管内径为d1，支管管道面积为A1，孔间距L，令L=0.8 m，则50 m支管内，共有63个出流孔，设出流孔序列为i，则i=1，2，…，63。
3变孔径打孔管方案及出流均匀度检验
3.1打孔方案在大坡度长距离的情况下对中央绿化带植被进行灌溉，研究采取轮灌方式进行灌溉，将500 m灌溉主管分为10段支管，则每段灌溉支管长度为50 m，在支管上打孔进行灌溉，将每段支管首部压力水头调至1 m，在此高差范围内，采用变孔径的方法能满足灌水均匀度的要求。由于示范段每0.8 m种植1棵塔柏，因此孔间距选择0.8 m，最小孔径不小于0.8 mm，利用钻孔机械进行打孔，为保证出水均匀度，采取变孔径打孔方案，具体打孔方式如下：第1～21孔，孔径大小为1.5 mm；第22～35孔，孔径大小为1.4 mm；第36～49孔，孔径大小为1.3 mm；第50～63孔，孔径大小为1.2 mm。
3.2验证实验准备准备1个具有一定水容量的大桶作为供水水源地。要求该桶满足实验放水时间的水量及容量要求，其次要求该桶有一定厚度，可以承压，再次该桶的高度需满足要求，因为实验的初始水头为1 m。从桶的顶部放入进水管，在桶的上下部距离1 m处分别开孔，上部为溢水口，保证水面基本持平，即恒压；下部与出水管，即缓释管相连，并在缓释管前端安装球阀，以便于启闭[8]。
将长度50 m的PEDN25管依打孔方案依次进行打孔、标号，打孔过程中应保证所打孔在一条直线上，并按照坡降i=5%进行铺设，以模拟具体的施工环境。为保证铺设的坡度符合要求，首先是将三角铁焊接出50 m长的一段，以便装载和支撑打孔管（即缓释管），再将钢筋截成不同长度进而焊接成三角支架支持装有打孔管的三角铁。使用水准仪校准各个孔点所在位置的高程，确保坡度满足具体的设定情况[9-10]。
3.3实验装置及方法首先关闭与缓释管相连的球阀，由进水管向桶内注水到高于溢水孔高度。为确保首部压力水头恒定，应使进水量大于出水量。
然后打开球阀向缓释管注水，小孔的出流呈现射流状态，实验准备阶段即将小孔的射流方向设定为斜向上，以便于实验时收集和测定每个小孔的出流量qi。待小孔的出流趋于稳定后，分别接取各个小孔历时2 min的小孔水量并测定记录，然后对数据进行整理，计算出各个小孔的出流量。
4结论与讨论
（1）平均出流量。根据水力学模型计算的设计流量qd=16.942 0 L/h；验证实验的出水孔平均流量=16.036 L/h，误差率为5.35%，能满足灌溉需求。
（2）灌水均匀度。据《微灌工程技术规范》规定，微灌工程灌水均匀系数不得低于0.8。按照克里斯琴森公式计算验证实验灌水均匀系数，为0.869，大于80%，满足灌水均匀度要求。
（3）实际平均出流量和理论平均出流量有一定偏差，这种偏差可能是因为验证实验初始水头稳定性、灌溉管道热熔、打孔技术等造成，工艺改进有望进一步提高灌水均匀度。
参考文献
[1] 兰兵.滴灌技术在四川成南高速公路中央分隔带绿化养护中的应用[J].西南公路，2007（2）：48-51.
[2] 刘洪禄，齐志明，郑文刚，等.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）：18-21.
[3] 王炜.探析高速公路中央分隔带绿化的养护与管理[J].大科技，2011（2）：207-208.
[4] 李清斌.高速公路中央分隔带设计浅谈[J].山西建筑，2009，35（25）：285-286.
[5] 王利斌.山西大同和朔州地区高速公路中央隔离带的绿化设计和养护[J].科技创新导报，2011（22）：143.
[6] 刘焕芳，孙海燕，苏萍，等.微灌自压软管合理铺设长度的确定[J].农业工程学报，2005，21（2）：46-50.
[7] 蔡小超，刘焕芳，李强，等.微灌自压软管毛管灌水均匀度的试验研究[J].节水灌溉，2005（5）：8-10.
[8] 张爱民，王长永.流体力学[M].北京：科学出版社，2010：171-176.
[9] 杨宝中，王鹏举，黎明.多孔管地下灌溉孔口出流分析研究[J].安徽农业科学，2010， 38（26）：14789-14790.
[10] 黄兴国，刘焕芳，华根福.自流多孔软管平均单孔出流量的特性[J]. 石河子大学学报：自然科学版，2008， 26（1）：76-79.
关键词 高速公路；中央绿化带；微灌；均匀度
中图分类号S688；O418.9文献标识码A文章编号0517-6611（2014）29-10213-03
基金项目云南省交通运输厅2011年度科技教育专项行业科技联合攻关项目（云交科2011（LH）15-b）。
作者简介王昌贤（1955- ），男，重庆荣昌人，教授，从事灌溉工程、岩土工程研究。
中央绿化带具有分离上、下行方向的行车道、防眩、提高高速路行车的安全度以及景观美化等作用，其间土壤多为工程回填土，养分较差，且土层较薄，加上两侧路面吸热的影响地表温度高、水分蒸发较快等原因，中央绿化带植物容易出现缺水现象，尤其是在高温干旱季节，种植土壤和植物的蒸发量很大，需要频繁浇水才能维持植物的正常生长[1-2]。因此，高速公路中央绿化带因为其特殊的地理位置以及特殊的绿地条件限制，对植被的绿化和养护要求较高。目前中央绿化带主要灌溉采用洒水车和人工漫灌浇水的方式，不仅浇灌劳动强度大，费用高，水资源浪费，灌溉效果不佳，且不利于高速公路的安全营运[3]。而采用农业的滴灌技术方法，在滴灌系统建设中投资成本较高，更重要的是容易引起滴头堵塞。由于中央绿化带与农田滴灌不同，不能随时进入，难以发现滴头堵塞和排除故障，更易于出现系统不能正常工作的情况[4]。因此，笔者研究大孔出流自压微灌管打孔技术，依托云南省交通运输厅科技项目《高速公路蓄水缓释绿化关键技术研究及应用示范》，选取保腾高速公路约500 m中央绿化带作为试验段，通过微灌管道打孔出流实验以及灌水均匀度的研究，提出高速公路中央分隔带微灌技术参数，设计一种经济可行、技术合理的中央绿化带灌溉技术代替传统的水车拉水灌溉方式和滴灌方法。
1中央绿化带试验段概况
研究区设在保（山）腾（冲）高速公路，即保山至腾冲高速公路。气候特点表现为：光照充足，降水也较充沛，但干旱的发生概率却很高；一天当中的温差变化较大，而一年当中的温差变化较小；四季如春，无严寒和酷暑，终年常绿，年平均气温为16 ℃，最低月平均气温出现在1月，为8.5 ℃，最高月平均气温出现在6月，为21.2 ℃，年平均降水量为1 000 mm左右。中央绿化带绿化种植的植被在树种选择上需满足遮光防眩、吸收汽车尾气以及改善道路景观等要求，选择抗逆性强、枝叶浓密、常绿、耐修剪、整形效果好、抗污染和耐干旱的树种，如桧柏、侧柏等树种[5]。
该研究的示范工程为保腾高速中央分隔带第十标段，桩号K42+310～K42+810，地形坡度0.497 5%，示范绿化段长500 m，宽度1.6 m，面积约800 m2。
2微灌技术的灌水均匀度要求及理论分析
2.1灌水均匀度的设计要求根据《微灌工程技术规范》要求，灌水均匀度不小于80%。采用打孔自压微灌方式灌水，其灌水均匀度受到如孔径、铺设坡度、孔距分布等诸多因素的影响，尤其在长距离输水过程中的微地形变化会对出水均匀度产生重要影响，在保证灌水均匀度的前提下，增大出水孔的孔径可以起到增强灌溉系统的防淤堵性能，因此采用一种适用于高速公路中央绿化带的“大孔出流”智能微灌技术，最小孔径控制在1.1 mm；同时，增大出水孔的孔径会对土壤的渗透性能产生要求，一般当出流量达到3 L/h时，将产生漫流，为防止漫流的产生，在出水孔下方挖坑以蓄积小孔出流，防止漫流的产生[6]。
根据《节水灌溉技术规范》（SL20798）和《微灌工程技术规范》（SL10395）等灌溉设计规范，设计流量及最大流量偏差率是衡量平均流量和均匀度的重要指标，其计算方式为：
式中，为平均流量，在灌溉工程中，常用平均流量作为设计流量；n为灌溉管段管孔的个数（个）；qi为第i个孔的出流量（L/h）。
灌水均匀度是微灌技术评价的一个重要指标，通常采用灌水均匀系数表示。根据《微灌工程技术规范》中的规定：微灌工程的灌水均匀系数不得低于0.8。一般采用克里斯琴森公式计算灌水均匀系数：
式中，Cu为灌水均匀系数；qi为第i个出水孔的流量（L/h）；为出水孔的平均流量（L/h）；n为出水孔数目（个）。
2.2均匀度影响因素分析该示范段长度较大，为500 m，且纵坡相对较大，为4.975%，使得灌水过程中的均匀度更加难以控制。需要对微灌灌水过程中的以下因素进行重点调节和控制。
2.2.1水头。研究首部压力水头对灌水均匀度的影响，从而选择合适的首部压力水头，还需要分析水头损失。
水头损失指水在管道中流动产生的机械能损耗，分为沿程摩阻力损失（沿程水头损失为水流过一定管道距离后由于水分子的内部摩擦而引起的损失）和局部阻力损失（局部水头损失为水流经过各种管件、阀门等设备时因流态的变化而产生的损失）两种类别，二者之和即为管道的总水头损失[7]。
2.2.2流量。对单孔出流的流量和均匀度研究，确保出水量能够保证植物生长需求，涉及出水孔的布置、孔径大小和输水管的管径选择问题。
2.3单孔出流量设计及水力学计算中央绿化带蓄水缓释灌溉绿化示范路段长500 m，每次灌水4.4 m3，全长500 m，630个孔，则单孔单次设计灌水量Q=7 L。在最大蒸发量的情况下，可以保证1.5 d，一般情况下，可以保障4～5 d。 中央绿化带蓄水缓释示范工程灌溉支管打孔方案水力学计算模型构建如下：设灌溉支管内径为d1，支管管道面积为A1，孔间距L，令L=0.8 m，则50 m支管内，共有63个出流孔，设出流孔序列为i，则i=1，2，…，63。
3变孔径打孔管方案及出流均匀度检验
3.1打孔方案在大坡度长距离的情况下对中央绿化带植被进行灌溉，研究采取轮灌方式进行灌溉，将500 m灌溉主管分为10段支管，则每段灌溉支管长度为50 m，在支管上打孔进行灌溉，将每段支管首部压力水头调至1 m，在此高差范围内，采用变孔径的方法能满足灌水均匀度的要求。由于示范段每0.8 m种植1棵塔柏，因此孔间距选择0.8 m，最小孔径不小于0.8 mm，利用钻孔机械进行打孔，为保证出水均匀度，采取变孔径打孔方案，具体打孔方式如下：第1～21孔，孔径大小为1.5 mm；第22～35孔，孔径大小为1.4 mm；第36～49孔，孔径大小为1.3 mm；第50～63孔，孔径大小为1.2 mm。
3.2验证实验准备准备1个具有一定水容量的大桶作为供水水源地。要求该桶满足实验放水时间的水量及容量要求，其次要求该桶有一定厚度，可以承压，再次该桶的高度需满足要求，因为实验的初始水头为1 m。从桶的顶部放入进水管，在桶的上下部距离1 m处分别开孔，上部为溢水口，保证水面基本持平，即恒压；下部与出水管，即缓释管相连，并在缓释管前端安装球阀，以便于启闭[8]。
将长度50 m的PEDN25管依打孔方案依次进行打孔、标号，打孔过程中应保证所打孔在一条直线上，并按照坡降i=5%进行铺设，以模拟具体的施工环境。为保证铺设的坡度符合要求，首先是将三角铁焊接出50 m长的一段，以便装载和支撑打孔管（即缓释管），再将钢筋截成不同长度进而焊接成三角支架支持装有打孔管的三角铁。使用水准仪校准各个孔点所在位置的高程，确保坡度满足具体的设定情况[9-10]。
3.3实验装置及方法首先关闭与缓释管相连的球阀，由进水管向桶内注水到高于溢水孔高度。为确保首部压力水头恒定，应使进水量大于出水量。
然后打开球阀向缓释管注水，小孔的出流呈现射流状态，实验准备阶段即将小孔的射流方向设定为斜向上，以便于实验时收集和测定每个小孔的出流量qi。待小孔的出流趋于稳定后，分别接取各个小孔历时2 min的小孔水量并测定记录，然后对数据进行整理，计算出各个小孔的出流量。
4结论与讨论
（1）平均出流量。根据水力学模型计算的设计流量qd=16.942 0 L/h；验证实验的出水孔平均流量=16.036 L/h，误差率为5.35%，能满足灌溉需求。
（2）灌水均匀度。据《微灌工程技术规范》规定，微灌工程灌水均匀系数不得低于0.8。按照克里斯琴森公式计算验证实验灌水均匀系数，为0.869，大于80%，满足灌水均匀度要求。
（3）实际平均出流量和理论平均出流量有一定偏差，这种偏差可能是因为验证实验初始水头稳定性、灌溉管道热熔、打孔技术等造成，工艺改进有望进一步提高灌水均匀度。
参考文献
[1] 兰兵.滴灌技术在四川成南高速公路中央分隔带绿化养护中的应用[J].西南公路，2007（2）：48-51.
[2] 刘洪禄，齐志明，郑文刚，等.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）：18-21.
[3] 王炜.探析高速公路中央分隔带绿化的养护与管理[J].大科技，2011（2）：207-208.
[4] 李清斌.高速公路中央分隔带设计浅谈[J].山西建筑，2009，35（25）：285-286.
[5] 王利斌.山西大同和朔州地区高速公路中央隔离带的绿化设计和养护[J].科技创新导报，2011（22）：143.
[6] 刘焕芳，孙海燕，苏萍，等.微灌自压软管合理铺设长度的确定[J].农业工程学报，2005，21（2）：46-50.
[7] 蔡小超，刘焕芳，李强，等.微灌自压软管毛管灌水均匀度的试验研究[J].节水灌溉，2005（5）：8-10.
[8] 张爱民，王长永.流体力学[M].北京：科学出版社，2010：171-176.
[9] 杨宝中，王鹏举，黎明.多孔管地下灌溉孔口出流分析研究[J].安徽农业科学，2010， 38（26）：14789-14790.
[10] 黄兴国，刘焕芳，华根福.自流多孔软管平均单孔出流量的特性[J]. 石河子大学学报：自然科学版，2008， 26（1）：76-79.