一种适用于人工再造边坡地貌的滴灌系统及其渗透率的确定
方法
技术领域
[0001] 本
发明涉及
一种适用于人工再造边坡地貌的滴灌系统及其渗透率的确定方法，属于
灌溉领域。该系统和方法可以设计出一种可应用于不同边坡地形下的均匀灌溉系统，提高人造边坡地形灌溉用
水使用效率。
背景技术
[0002] 灌溉是保证坡面植被生长发育所需水分的主要手段之一，对人工再造边坡地貌的植被来讲，初期天然的干旱少雨是最大的考验，由于边坡上土层或基质较薄，蓄水能
力有限，因此选择适宜的灌水方式，不仅可以使有限的水资源得到合理高效利用，还可以使植被尽快成坪，从而有效减少水土流失。喷灌及滴灌技术已经应用成熟，但对于边坡问题下，这种问题往往解决的不是很好。较高坡度的边坡上，喷灌的水会沿着边坡快速流动，导致水无法深入
土壤。传统滴灌虽能减缓，但由于人造地形附近水源地水质往往较差，水中杂质较多，极容易堵塞传统滴灌用管的滴水孔，而且传统滴灌用管都是统一设计外形，边坡地形特点导致传统滴灌系统对人造土壤的灌溉能力分布不均匀，会导致部分植被生长困难，从而使边坡地形失去意义，因而无法良好解决高效利用水资源的问题。
发明内容
[0003] 本发明就是针对目前边坡中无法良好使用传统滴灌技术这一问题，创新提供一种可适用于人工再造高坡度边坡地貌中使用的滴灌方法及系统。该方法所设计的系统可应用于不同边坡地形下的均匀灌溉，提高人造边坡地形灌溉用水使用效率。
[0004] 本发明涉及一种适用于人工再造边坡地貌的滴灌系统，所述滴灌系统包括
泵水装置、水源传递管路、低位储水池、高位储水池和滴灌装置，滴灌装置具有渗水管，其中，低位储水池设置于边坡的下部，高位储水池设置于边坡的上部，泵水装置分别通过水源传递管路连接低位储水池和高位储水池，用于将低位储水池中水泵送到高位储水池中，高位储水池连接滴灌装置的上部，用于使高位储水池中的水流入滴灌装置中，低位储水池连接滴灌装置的下部，用于收集滴灌装置中流出的一部分水，另一部分水通过渗水管为边坡供水。
[0005] 其中，滴灌装置还包括供水主输水管路、回水主输水管路和分输水管路；供水主输水管路设置在边坡的上部，供水主输水管路具有入水口和出水口，供水主输水管路的入水口连接高位储水池，主输水管路的出水口连接分输水管路，分输水管路连接渗水管，用于将水输送到渗水管，以为边坡供水；分输水管路还连接回水主输水管路，回水主输水管路连接低位储水池，用于将水送回到低位储水池。
[0006] 其中，供水主输水管路沿着边坡的上部横向延伸，分输水管路从边坡的上部向下部延伸，优选与主输水管路的延伸方向垂直；渗水管从边坡的左部向右部延伸，优选与分输水管路的延伸方向垂直；回水主输水管路沿着边坡的下部横向延伸。
[0007] 其中，分输水管路具有上部入水口、下部回水口和中间出水口；中间出水口设置上部入水口和下部回水口之间的管路段上；主输水管路的出水口连接分输水管路的上部入水口，分输水管路的中间出水口连接渗水管，用于将水输送到渗水管，以为边坡供水；分输水管路的下部回水口连接回水主输水管路。
[0008] 其中，所述滴灌装置设置有多列，沿着边坡纵向排列，选优为1-10列，分输水管路的中间出水口设置有多个。
[0009] 其中，渗水管为多排，其排列方式为：沿着从边坡的上部到下部横向设置有多排；边坡与水平面之间的夹
角为大于0度小于90度，优选为10-70度。
[0010] 其中，渗水管包括
支撑硬管、渗流层和出水孔，其中出水孔设置在支撑硬管上；渗流层包裹在支撑硬管上，并
覆盖出水孔。
[0011] 其中，渗流层的材质为发泡聚
氨酯塑料。
[0012] 其中，滴灌装置还包括流速表、进口压力表、出口压力表、回水
阀门和供水阀门，供水阀门设置于供水主输水管路和连接高位储水池之间，用于切断和/或打开供水，回水阀门设置于分输水管路的下部，用于切断和/或打开回水，流速表和进口压力表设置于分输水管路的上部，出口压力表设置于分输水管路的下部。
[0013] 本发明还涉及一种滴灌系统中不同高度下渗水管渗透系数的确定方法，所述滴灌系统为适用于人工再造边坡地貌的滴灌系统，其特征在于，包括如下步骤：
[0014] (1)首先确定出该边坡每日所需供水量Q，单位m3/d，d为天的含义；
[0015] (2)确定单根渗水管(8)内的渗流速度Vi，单位m/d；渗流速度Vi满足以下公式(1)：
[0016] Q＝πDL×∑Vi，(i＝1,2,3,...,n) (1)
[0017] 其中，i为渗水管的排数，i＝1,2,3,...,n；L为渗水管中支撑硬管的设计长度，单位为m；D为渗水管中支撑硬管的设计直径D，单位m；
[0018] (3)确定单根渗水管的渗流层(14)的渗透系数ki，单位m/d；渗透系数ki满足以下公式(2)：
[0019]
[0020] Pi为第i排渗水管内压力，单位Pa；γ为水的重度，单位N/m3，是固定常数；h为渗流层的平均厚度，单位m；
[0021] (4)为了保证各排渗水管(8)在不同高程下的渗水能力相同，确定不同高度下的渗水管的渗流层(14)的渗透系数ki，不同高度下的渗水管的渗流层(14)的渗透系数ki满足以下公式(3)：
[0022]
[0023] H为边坡设计灌溉覆盖面积总高程，单位m，H0为高位储水池中自由水表面到主输水管路(5)之间高程差，单位m；
[0024] (5)由于边坡设计灌溉覆盖面积总高程H和高位储水池中自由水表面到主输水管路(5)之间高程差H0是已知，因此首先根据公式(3)得到第1排渗水管的渗透系数k1，第1排渗水管即是从边坡上部起算排列的第1排渗水管(8)，则通过公式(4)，从上到下逐个得到第i排渗水管的渗透系数ki，公式(4)为：
[0025]
[0026] 为了实现上述目的，本发明所设计的一种适用边坡地形的滴灌系统，该系统包括：水源系统、输水系统和渗流系统，所述水源系统包括低位储水池、高位储水池、泵水装置和水源传递管路，所述低位储水池为灌溉用水来源，所谓高位蓄水池为灌溉
势能来源，所述泵水装置是一种可以将低位储水池中水源泵动到高位储水池中的动力装置，所述水源传递管路连接低位储水池和泵水装置以及高位储水池；所述输水系统包括主输水管路和分输水管路，所述主输水管路是指连接泵水装置和分输水管路之间较粗的UPVC管道，所述分输水管路是指连接主输水管路与渗流系统之间较细的UPVC管道，所述UPVC是氯乙烯
单体经聚合反应而制成的、并添加稳定剂、
润滑剂的无定形热塑性
树脂，UPVC拥有成熟的成型技术，并成本较低，其
流体阻力小且强度满足工程管道使用要求；所述渗流系统指灌溉流动末端渗水管，包括支撑硬管和渗流层，所述支撑硬管是指UPVC硬管材质的带出水孔的灌溉管道主体支撑，支撑硬管中的所有孔为横向贯穿圆孔，孔的直径大于水源中杂质直径，小于支撑硬管直径的四分之一，孔在支撑硬管上的分布为均匀的，孔的间距保证在支撑硬管直径的5倍左右，所述渗流层是一种已知渗透能力的微弹性柔软材料对支撑硬管外进行多层包裹形成的外包裹层，已知渗透能力的微弹性柔软材料为低发泡量高
密度柔软聚氨酯塑料(常见低密度聚氨酯即为人工海绵)。
[0027] 进一步地，所述渗流系统中渗水管在滴灌系统中所使用的高度
位置不同，其渗流层的发泡聚氨酯塑料包裹层的渗透系数是不同的。根据达西公式 在保证渗流层渗水速度不变的情况下，渗透压力差ΔP与渗透系数k之间呈反比关系。所述渗透系数是液体通过一种多孔介质进行渗透的能力大小的参考系数，故不同渗透系数的发泡聚氨酯塑料是通过发泡量大小来实现的。故由于人造边坡上同一排渗水管都在同一水平面内，其高程相等，而不同排渗水管在高程Hi上是等距离排列的，则随着从最底排渗水管到最高排渗水管，每排渗水管在高程上逐步增加，管内与管外的渗透压力差也是逐步等差值增加的，第二排渗水管内渗透压力差ΔP2大约为最高排渗水管内渗透压力差ΔP1的2倍，则根据反比例关系，第二排渗水管外使用的聚氨酯塑料渗透系数k2大约为最高排渗水管外使用的聚氨酯塑料的渗透系数k1的1/2；进而第三排渗水管内渗透压力差ΔP3大约为最高排渗水管内渗透压力差ΔP1的3倍，而第三排渗水管外的渗透系数k3大约为最高排渗水管
外渗流层渗透系数k1的1/3，以此类推来设计所有排的渗水管外使用的发泡聚氨酯的渗透系数ki，以实现边坡上不同高度位置渗水管所提供的滴灌渗水量是近似相等的。
[0028] 更进一步地，所述低发泡量高密度柔软聚氨酯塑料包裹层具有一定的渗水能力，但区别于传统滴灌系统的单孔渗水设计模式，发泡聚氨酯塑料的多孔结构使得整个滴灌系统对水源杂质含量要求降低很多，即使水源中泥沙杂质含量较多，发生所有可渗水孔道被堵塞的可能性非常低，从而避免传统滴灌系统中发生滴水孔堵塞而使灌溉系统发生局部或整体功能失效。
[0029] 本发明的优点在于：渗水管外侧包裹发泡聚氨酯塑料这种结构设计使得在保证传统滴灌系统低耗水量的优质特性的同时，发生渗水孔被杂质堵塞的概率大大降低；设置了渗水管的渗透系数具有递减梯度变化的滴灌系统，从而可以根据实际坡度需求对滴灌系统的排布设计进行合理分配，使边坡地形在灌溉过程中实现高效的水资源利用；本发明使得复杂边坡地形也能实现均匀灌溉，避免了由于不均匀灌溉所导致植被按非预期模式生长，使人造边坡地形功能失效。
附图说明
[0030] 图1为本发明一种适用于人工再造边坡地貌的滴灌系统整体布置结构示意图；
[0031] 图2为本发明中渗流系统的微观结构示意图；
[0032] 图3为本发明一种滴灌系统中不同高度下渗水管渗透系数的确定
流程图。
[0033] 图中：泵水装置1，水源传递管路2，低位储水池3，高位储水池4，供水主输水管路5，回水主输水管路6，分输水管路7，渗水管8，流速表9，进口压力表10，出口压力表11，回水阀门12，供水阀门13，渗流层14，支撑硬管15，出水孔16
具体实施方式
[0034] 下面结合附图和具体
实施例对本发明作进一步的详细描述；
[0035] 由于传统滴灌设计是基于简单平整地貌进行铺摊覆盖的管网设计，这种平铺的设计在人工边坡地貌中使用的效率较低，而且人工边坡地形的水源地一般就近取水，其水中杂质比较多，水管极容易堵塞。故根据原有滴灌系统的
缺陷以及新地形的使用要求，对管网铺盖及灌溉终端设计结构进行发明。具体实施方式如下：
[0036] 如图1-2所示，一种适用于人工再造边坡地貌的滴灌系统，所述滴灌系统包括泵水装置1、水源传递管路2、低位储水池3、高位储水池4和滴灌装置，滴灌装置具有渗水管8，其中，低位储水池3设置于边坡的下部，高位储水池4设置于边坡的上部，泵水装置1分别通过水源传递管路2连接低位储水池3和高位储水池4，用于将低位储水池3中水泵送到高位储水池4中，高位储水池4连接滴灌装置的上部，用于使高位储水池4中的水流入滴灌装置中，低位储水池3连接滴灌装置的下部，用于收集滴灌装置中流出的一部分水，另一部分水通过渗水管8为边坡供水。滴灌装置还包括供水主输水管路5、回水主输水管路6和分输水管路7；供水主输水管路5设置在边坡的上部，供水主输水管路5具有入水口和出水口，供水主输水管路5的入水口连接高位储水池4，主输水管路5的出水口连接分输水管路7，分输水管路7连接渗水管8，用于将水输送到渗水管8，以为边坡供水；分输水管路7还连接回水主输水管路6，回水主输水管路6连接低位储水池3，用于将水送回到低位储水池3。
[0037] 其中，供水主输水管路5沿着边坡的上部横向延伸，分输水管路7从边坡的上部向下部延伸，优选与主输水管路5的延伸方向垂直；渗水管8从边坡的左部向右部延伸，优选与分输水管路7的延伸方向垂直；回水主输水管路6沿着边坡的下部横向延伸。分输水管路7具有上部入水口、下部回水口和中间出水口；中间出水口设置上部入水口和下部回水口之间的管路段上；主输水管路5的出水口连接分输水管路7的上部入水口，分输水管路7的中间出水口连接渗水管8，用于将水输送到渗水管8，以为边坡供水；分输水管路7的下部回水口连接回水主输水管路6。所述滴灌装置设置有多列，沿着边坡纵向排列，选优为1-10，分输水管路(7)的中间出水口设置有多个。渗水管8为多排，其排列方式为：沿着从边坡的上部到下部横向设置有多排；边坡与水平面之间的夹角为大于0度小于90度，优选为10-70度。如图2所示，渗水管8包括支撑硬管15渗流层14和出水孔16，其中出水孔16设置在支撑硬管15上；渗流层14包裹在支撑硬管15上，并覆盖出水孔16。渗流层14的材质为发泡聚氨酯塑料。滴灌装置还包括流速表9、进口压力表10、出口压力表11、回水阀门12和供水阀门13，供水阀门13设置于供水主输水管路5和连接高位储水池4之间，用于切断和/或打开供水，回水阀门12设置于分输水管路7的下部，用于切断和/或打开回水，流速表9和进口压力表10设置于分输水管路7的上部，出口压力表11设置于分输水管路7的下部。
[0038] 泵水装置1用于对整体系统的动力提升，将附近水源地的水资源运移到边坡地形的高处，使水源产生了重力势能，通过势能驱动灌溉用水运移，达到灌溉的目的。各种输水管路水资源分配给渗流系统的滴灌终端。渗流系统是整个滴灌系统的灌溉终端，负责将水源直接灌溉到土壤表面。由于该发明目的将水源均匀灌溉到边坡地貌中，所以渗流系统的设计可以参考以下计算公式等进行设计，如图3所示，其表示出了一种滴灌系统中不同高度下渗水管渗透系数的确定流程图。
[0039] 图3示意出了一种滴灌系统中不同高度下渗水管渗透系数的确定方法，所述滴灌系统为适用于人工再造边坡地貌的滴灌系统，其特征在于，包括如下步骤：
[0040] (1)首先确定出该边坡每日所需供水量Q，单位m3/d，d为天的含义；
[0041] (2)确定单根渗水管(8)内的渗流速度Vi，单位m/d；d为天的含义；渗流速度Vi满足以下公式(1)：
[0042] Q＝πDL×∑Vi，(i＝1,2,3,...,n) (1)
[0043] 其中，i为渗水管的排数，i＝1,2,3,...,n；L为渗水管中支撑硬管的设计长度，单位为m；D为渗水管中支撑硬管的设计直径D，单位m；
[0044] (3)确定单根渗水管的渗流层(14)的渗透系数ki，单位m/d；渗透系数ki满足以下公式(2)：
[0045]
[0046] Pi为第i排渗水管内压力，单位Pa；γ为水的重度，单位N/m3，是固定常数；h为渗流层的平均厚度，单位m；
[0047] (4)为了保证各排渗水管(8)在不同高程下的渗水能力相同，确定不同高度下的渗水管的渗流层(14)的渗透系数ki，不同高度下的渗水管的渗流层(14)的渗透系数ki满足以下公式(3)：
[0048]
[0049] H为边坡设计灌溉覆盖面积总高程，单位m，H0为高位储水池中自由水表面到主输水管路(5)之间高程差，单位m；
[0050] (5)由于边坡设计灌溉覆盖面积总高程H和高位储水池中自由水表面到主输水管路(5)之间高程差H0是已知，因此首先根据公式(3)得到第1排渗水管的渗透系数k1，第1排渗水管即是从边坡上部起算排列的第1排渗水管(8)，则通过公式(4)，从上到下逐个得到第i排渗水管的渗透系数ki，公式(4)为：
[0051]
[0052] 具体的流程步骤如下：
[0053] 首先按照已经完成的人工再造边坡地貌，可以得到该给出该边坡所需供水量Q，单位m3/d，以及，单位m。假设每一纵排
排水管覆盖的边坡面积上需水量为Q1，而同等边坡面积上
蒸发量为Q2，那么该纵排渗水管所覆盖的边坡面积上需水量Q＝Q1+Q2，边坡上植被的需水量和蒸发量为根据工程所在地区的
气候经验以及植被培养的经验来提供。根据定源水源在土壤中渗流波及范围，对渗流系统中每根渗水管间距进行确定，根据图1示意，理论上渗水管设计越密集，灌溉的均匀效果越明显，但灌溉系统的成本会越高，所以应根据实际经济情况对渗水管的设计间距进行考量。目前假设该边坡中间设计加入n排渗水管，然后根据供水量Q，可以得到发生在渗流系统中每根渗水管的渗流层可能发生的渗流速度，由于渗流系统中用管比较细，所以单根渗水管的渗流层中重力对渗流速度分布影响很小，可以忽略，故第i排渗水管的渗流层中发生渗流速度均为Vi，单位m/d，其中i＝1,2,3,...,n。为了方便设计和加工，故n排所有渗水管中支撑硬管的设计长度L和直径D相等，单位m，进而供水量Q与渗流速度Vi存在以下关系：
[0054] Q＝πDL×∑Vi，(i＝1,2,3,...,n)，公式(1)
[0055] 进一步的，为了确保整个边坡上得到灌溉用水比较均匀，则保证n排渗水管上发生渗流速度Vi都是相同的，即V1＝V2＝L＝Vn。根据达西公式 可以得到第i排渗水管内压力Pi与渗流速度V之间的关系：
[0056]
[0057] 其中ki(m/d)为第i排渗水管渗流层的平均渗透系数，单位m/d；Pi为第i排渗水管内压力，单位Pa；P0为渗水管渗流层外侧压力，即
大气压，单位Pa，由于设计以大气压为基准，3
故P0＝0；γ为水的重度，单位N/m ，是固定常数；h为渗流层的平均厚度，单位m，为了设计加工方便，故设计所有渗水管渗流层厚度均匀为h。由于设计的每排渗水管的渗水覆盖土壤面积基本相同，故实际上所有渗水管间间距相同，单排渗水管内水压处于同一高程上，则单
根管内压力Pi分布基本处处相同，而第i排渗水管的渗透系数ki与该排渗水管内压力Pi之间存在下述关系：
[0058]
[0059] 更进一步的，边坡设计灌溉覆盖面积总高程H，单位m，则高位储水池中自由水表面到主输水管路之间高程差为H0，单位m；第i排渗水管的高程为Hi，单位m，并且为了使施工方便，则设计所有渗水管间间距均匀分布，所以高程则以最下排渗水管为基准，则第i排渗水管的高程可表达为 而第i排渗水管内压力Pi则与输水系统的分输水管路上对应位置压力等同，故由于输水系统的分输水管路应满足伯努利方程 第i排渗水管的管内压力Pi也应满足伯努利方程。滴灌系统属于一种节水装置，故系统内水流流动比较缓慢，管道内水的流动基本上处于
层流状态，输水系统和渗流系统内各点水流速度基本相同，则输水系统内的伯努利方程可简化为下面方程：
[0060]
[0061] 更进一步的，为了保证各排渗水管在不同高程下的渗水能力相同，则第i排渗水管的管内压力Pi应满足下列伯努利方程：
[0062]
[0063] 则
[0064]
[0065] 则第i排渗水管的渗透系数ki可表述为：
[0066]
[0067] 如果第1排渗水管的渗透系数k1已知，则第i排渗水管的渗透系数ki为[0068]
[0069] 若H0较小或供水主输水管路有漏口，则H0≈0，第i排渗水管的渗透系数ki可化简为[0070]
[0071] 依据上述公式，可以初步得到不同排渗水管的渗透层渗透系数ki的具体数值，但根据工程需求，以保证所有土壤都能得到灌溉覆盖为前提，尽量减少水的使用量，可以对渗水层设计使用近似简化的材料，提高水资源的使用效率。
