一种适用于人工再植被边坡的渗灌方法及系统与流程

本发明属于灌溉领域，具体涉及一种适用于人工再植被边坡的渗灌设计方法及系统。

背景技术：

传统灌溉方法使用比较粗犷，灌溉效率较低，虽然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。滴灌可以使水分缓慢渗入到土壤当中，但依旧属于一种表层灌溉方法，对于干旱地区，土壤表面水分蒸发量很大，大部分灌溉用水还是会被蒸发掉。渗灌是灌溉水在一定灌水压力下通过埋在地下土层中的渗灌管渗出，凭借土壤毛细管作用给土壤润湿的一种先进行的节水灌溉技术。目前渗灌技术的应用，多是工程粗放应用，少有基于渗灌管渗水能力和土壤导水能力参数，建立数学模型及计算模拟，对埋管深度和来流水头等参数进行精细优化设计。而边坡地形特点导致传统渗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。

技术实现要素：

本发明就是针对目前边坡中无法良好使用渗灌技术这一问题，创新提供一种可适用于人工再植被边坡地貌中使用的渗灌方法及系统。该方法所设计的系统可应用于不同边坡地形下的均匀渗灌系统，提高人工再植被边坡地形灌溉用水使用效率。

为了实现上述目的，本发明提出一种适用于人工再植被边坡的渗灌系统，所述渗灌系统包括高位储水池，泵水装置，输水管道，渗灌管和人工再植被边坡；高位储水池设置于边坡的上部，泵水装置的出口端通过水源传递管路连接高位储水池，输水管道和渗灌管埋入人工再植被边坡的边坡土壤层中，输水管道包括主供水管道、主回水管道和分水管道；主供水管道设置在边坡的上部，并且连接高位储水池的出口端，主回水管道设置在边坡的下部，主回水管道直接连接泵水装置的入口端，分水管道的上、下端分别连接主供水管道和主回水管道，分水管道左右两边各连接一段渗灌管，用于将水输送到渗灌管，以为边坡供水,每段渗灌管的延伸方向与垂直于分水管道延伸的水平线之间具有一夹角。

其中，所述渗灌管直接由硬质多孔塑料管构成，该塑料管的材质为发泡聚氨酯塑料，所述夹角为1°-10°，优选为3°。

其中，所述渗灌系统还包括控制系统和湿度计，湿度计分布在边坡土壤层中,并且电连接控制系统，用于实时监测边坡土壤层内的含水饱和度，并反馈到控制系统，控制系统电连接泵水装置，用于根据所述含水饱和度，实时调整泵水装置的流量。

其中，所述渗灌系统还包括控制系统和湿度计，高位储水池中设置有浮力阀门，湿度计分布在边坡土壤层中，并且电连接控制系统，用于实时监测边坡土壤层内的含水饱和度，并反馈到控制系统，控制系统电连接浮力阀门，用于根据所述含水饱和度，实时调节浮力阀门的开度，从而控制整个渗灌系统内的渗灌水强度。

其中，还包括控制系统和压力计，高位储水池中设置有浮力阀门，压力计设置在输水管道上，并且电连接控制系统，用于实时监测输水压力，并反馈到控制系统，控制系统电连接浮力阀门，用于根据实时监测的输水压力，实时调节浮力阀门的开度，从而控制整个渗灌系统内的渗灌水强度。

其中，主供水管道沿着边坡的上部横向延伸，分水管道从边坡的上部向下部延伸，与主供水管道的延伸方向垂直；主回水管道沿着边坡的下部横向延伸。

其中，分水管道具有上部入水口、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道段上；主供水管道的出水口连接分水管道的上部入水口，分水管道的中间出水口通过接头左右各连接一段渗灌管，用于将水输送到渗灌管，以为边坡供水；分水管道的下部回水口连接主回水管道。

其中，所述分水管道设置有多列，沿着边坡纵向排列，每列分输水管路的中间出水口设置有多个；每列分水管道左右两边连接的一段渗灌管沿着边坡方向从上到下设置有多排，相邻列分水管道之间的渗灌管横向是不连续的，即是断开的，边坡与水平面之间的夹角为10-70度。

还提供一种确定适用于人工再植被边坡的渗灌系统中的渗灌管埋深比的方法，所述渗灌统优选为上述适用于人工再植被边坡的渗灌系统，包括如下步骤：

步骤一：首先，根据湿度计测量得到土壤的自然饱和度θe，然后通过下式确定边坡土壤的基质吸力sm，单位为厘米：

其中θe为土壤自然饱和度，单位无量纲；α和n都是拟合系数，单位无量纲，通过边坡使用土壤类型对应的土水实验经验参数确定，α＝0.0011～0.05、n＝1.5～5；

步骤二：确定每根渗灌管外表面土壤中供水水头h，单位厘米；确定边坡土壤层的平均厚度h，单位为厘米；然后通过下式得到渗灌水湿润锋垂直坡面向上运移距离zu，单位为厘米：

其中a为边坡平均坡度角，单位度；

步骤三：确定渗灌管埋深比，即渗灌管最佳埋深比例i，通过下式得到渗灌管最佳埋深比例i：

还提供一种确定适用于人工再植被边坡的渗灌系统中的相邻渗灌管最佳间距的方法，所述渗灌系统优选为上述的适用于人工再植被边坡的渗灌系统，包括如下步骤：

步骤一：首先，根据湿度计测量得到土壤的自然饱和度θe，然后通过下式确定边坡土壤的基质吸力sm，单位为厘米：

其中θe为土壤自然饱和度，单位无量纲；α和n都是拟合系数，单位无量纲，通过边坡使用土壤类型对应的土水实验经验参数确定，α＝0.0011～0.05、n＝1.5～5；

步骤二：确定每根渗灌管外表面土壤中供水水头h，单位厘米；确定边坡土壤层(9)的平均厚度h，单位为厘米；然后通过下式得到渗灌水湿润锋垂直坡面向上运移距离zu，单位为厘米：

其中a为边坡平均坡度角，单位度；

步骤三：确定出中间函数b，单位无量纲，中间函数b表达如下：

确定相邻两个渗灌管外侧渗水湿润锋沿边坡平行方向向下运移距离za，单位厘米：

确定相邻两个渗灌管外侧渗水湿润锋沿边坡平行方向向上的运移距离zb，单位厘米：

其中lambertw为朗伯w函数的解集中使za、zb为最小正实数的唯一解；

最后确定相邻两根渗灌管最佳间距zw，单位厘米：

为了实现上述目的，本发明所设计的一种适用边坡地形的渗灌系统，该系统包括：水源系统，渗灌管和监测系统。所述水源系统包括高位蓄水池、浮力控制阀门、泵水装置、输水管道，所述高位蓄水池为灌溉势能来源，用来调节整个渗灌系统里灌溉水的渗水水头；所述浮力控制阀门负责控制高位蓄水池中的合理水位，阀门通过利用蓄水池内水位对其产生的浮力来实现蓄水池内的水位保持；所述泵水装置负责将灌溉水提高到高位蓄水池中；所述输水管道负责将高位蓄水池的水源输送到渗灌管中，并将剩余灌溉水回收到泵水装置中，输水管道为一种硬质pvc管道，可以形成良好的支撑使灌溉水顺利通过，所述硬质pvc材料为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，硬质pvc材料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。所述渗灌管为一种硬质多孔塑料管，该塑料管由低发泡量高密度聚氨酯塑料制成(常见低密度聚氨酯即为人工海绵)，由于渗灌管直接埋于土壤中，故不需要内部增加硬质硬管而实现对渗灌管的支撑。所述监测系统包括湿度计和压力计，所述湿度计为分布在整个边坡土壤中的湿度测量仪器，负责随时监测边坡土壤深层内的含水饱和度，所述压力计为安装在输水管道上的压力监测仪器，负责随时提供渗灌系统内的流体压力，湿度计和压力计都可以为调节灌溉水资源高效利用提供定量化管理数据。

进一步地，所述渗灌管在不同厚度和坡度角的边坡土壤中最优埋深比例是不同的。根据达西定律和green-ampt的活塞模型，边坡土壤平均厚度h和湿润锋垂直边坡向上运移距离zu之间存在关系。所述边坡土壤平均厚度h是指整个边坡地形中所覆盖人工新植入的土壤层沿边坡垂直方向上厚度的平均值，所述湿润锋垂直边坡向上运移距离zu是指渗灌管外侧土壤中水分的湿润锋沿着垂直边坡向斜上方可运移的最大距离。然后以同一时间内湿润锋可以同时达到边坡土壤层的上表面和下表面为前提，则认为该状态下整个边坡土壤层达到完全均匀灌溉的效果，此时设计渗灌管到土壤层上表面的距离zu，与土壤层厚度h之间的比值i即为渗灌管的最优埋深比例。

进一步地，所述渗灌管不同最优埋深比例状况下的相邻两根渗灌管间距也是不同的。根据渗灌管外表面的土壤中水分湿润锋在某一时刻时达到整个边坡能均匀灌溉的效果为前提，得到此时较高的渗灌管外侧湿润锋沿边坡平行向下的最大运移距离za，和较低的渗灌管外侧湿润锋沿边坡平行向上的最大运移距离zb，则该边坡渗灌管间最佳间距为两个距离之和zw，即zw＝za+zb。

进一步地，所述渗灌管延展方向与水平方向存在一定夹角。一般流体在渗灌管中流动存在一定沿程水头损失，在水头较小的情况下，这种损失所占比例更大。按照一般经验，使渗灌管与水平轴方向之间夹角沿边坡方向存在向下1°～10°即为合理，一般3°最佳，渗灌管内表面粗糙摩擦所产生的沿程损失与重力作用即可大约抵消。

本发明的优点在于：将渗灌系统埋于土壤中，使灌溉用水直接作用到植物的根部，减少了地表灌溉导致的水的大量蒸发的问题，提高灌溉用水的整体使用效率；可以随着土壤层的厚度对渗灌管的埋深和管间距进行优化，使土壤中的灌溉用水湿润的更加均匀充分；使渗灌管与边坡平面方向之间存在一定夹角，使渗灌管内水的重力作用与沿程损失大体抵消掉；带有坡度角的设计方法使得渗灌系统可以应用于多种复杂的边坡地形当中，避免了由于不均匀灌溉所导致植被按非预期模式生长，以及人工再植被边坡的功能失效。该系统设计不需要低位蓄水池蓄水，只需要高位蓄水池和一个浮力控制阀门即可，通过水池水位的高度反馈给阀门自动调节大小，即可控制整个渗灌系统内的渗灌水强度。并且渗灌管直接由硬质多孔塑料管构成，该塑料管由发泡聚氨酯塑料制成，由于渗灌管直接埋于土壤中，不需要内部增加硬质硬管而实现对渗灌管的支撑，提高了渗透率，节省了成本。

附图说明

图1为本发明一种适用于人工再植被边坡的渗灌系统整体布置结构平视示意图。

图2为该渗灌系统侧面结构剖视示意图。

图3为渗灌管带有坡度角的细节设计示意图。

图4为最佳埋深比例i和相邻渗灌管最佳间距zw的计算流程图；图中：高位储水池1，浮力阀门2，泵水装置3，主供水管道4.1，主回水管道4.2，分水管道4.3，渗灌管5，压力计6，湿度计7，边坡角8，边坡土壤层厚度9，上层土壤厚度10，渗灌管沿坡面夹角11，四通接头12。

具体实施方式

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。

如图1-3所示，一种适用于人工再植被边坡的渗灌系统，所述渗灌系统包括高位储水池1，泵水装置3，输水管道，渗灌管5和人工再植被边坡；高位储水池1设置于边坡的上部，泵水装置3的出口端通过水源传递管路连接高位储水池1，输水管道和渗灌管5埋入人工再植被边坡的边坡土壤层中，输水管道包括主供水管道4.1、主回水管道4.2和分水管道4.3；主供水管道4.1设置在边坡的上部，并且连接高位储水池1的出口端，主回水管道4.2设置在边坡的下部，主回水管道4.2直接连接泵水装置3的入口端，分水管道4.3的上、下端分别连接主供水管道4.1和主回水管道4.2，分水管道4.3左右两边各连接一段渗灌管5，用于将水输送到渗灌管5，以为边坡供水,每段渗灌管5的延伸方向与垂直于分水管道4.3延伸的水平线之间具有一夹角。所述渗灌管5直接由硬质多孔塑料管构成，该塑料管的材质为发泡聚氨酯塑料，所述夹角为1°-10°，优选为3°。

所述渗灌系统还包括控制系统和湿度计7，湿度计7分布在边坡土壤层中,并且电连接控制系统，用于实时监测边坡土壤层内的含水饱和度，并反馈到控制系统，控制系统电连接泵水装置3，用于根据所述含水饱和度，实时调整泵水装置的流量。

所述渗灌系统还包括控制系统和湿度计7，高位储水池1中设置有浮力阀门2，湿度计7分布在边坡土壤层中,并且电连接控制系统，用于实时监测边坡土壤层内的含水饱和度，并反馈到控制系统，控制系统电连接浮力阀门2，用于根据所述含水饱和度，实时调节浮力阀门的开度，从而控制整个渗灌系统内的渗灌水强度。

还包括控制系统和压力计6，高位储水池1中设置有浮力阀门2，压力计6设置在输水管道上,并且电连接控制系统，用于实时监测输水压力，并反馈到控制系统，控制系统电连接浮力阀门2，用于根据实时监测的输水压力，实时调节浮力阀门的开度，从而控制整个渗灌系统内的渗灌水强度。

如图1-3所示，主供水管道4.1沿着边坡的上部横向延伸，分水管道4.3从边坡的上部向下部延伸，与主供水管道4.1的延伸方向垂直；主回水管道4.2、沿着边坡的下部横向延伸。分水管道4.3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道段上；主供水管道4.1的出水口连接分水管道4.3的上部入水口，分水管道4.3的中间出水口通过接头12左右各连接一段渗灌管5，用于将水输送到渗灌管5，以为边坡供水；分水管道4.3的下部回水口连接主回水管道4.2。所述分水管道4.3设置有多列，沿着边坡纵向排列，每列分输水管路3.3的中间出水口设置有多个；每列分水管道4.3左右两边连接的一段渗灌管5沿着边坡方向从上到下设置有多排，相邻列分水管道4.3之间的渗灌管5横向是不连续的，即是断开的，边坡与水平面之间的夹角为10-70度。

渗灌是灌溉水在一定灌水压力下通过埋在地下土层中的渗灌管渗出，凭借土壤毛细管作用给土壤润湿的一种先进行的节水灌溉技术。目前渗灌技术的应用，多是工程粗放应用，少有基于渗灌管渗水能力和土壤导水能力参数，建立数学模型及计算模拟，对埋管深度和来流水头等参数进行精细优化设计。本专利针对埋于边坡的渗灌管，对渗灌管最佳埋深进行发明。具体实施方式如下：

图中所示适用于人工再植被边坡中渗灌系统由三部分组成包括水源系统，监测系统和渗灌管。

水源系统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，然后通过输水管道将水资源分配给渗灌系统的终端。该系统设计不需要低位蓄水池蓄水，只需要高位蓄水池和一个浮力控制阀门即可，通过水池水位的高度反馈给阀门自动调节大小，即可控制整个渗灌系统内的渗灌水强度。

监测系统用于监测输水管道进出口处水力压力大小，进而可以根据水管的压力，调节浮力控制阀门，实现对水源系统供水强度的调节。

渗灌管负责将水资源直接灌溉到植被的根部土壤中。虽然渗灌管与水平轴方向之间夹角沿边坡方向存在向下3°的夹角，但这种设计目的在于利用重力抵消掉灌溉水流动时产生的沿程动力损失，实际渗灌管内整体的水头分布比较均匀。由于该发明目的是使水资源均匀灌溉到再植被边坡地形中，如图4所示，所以整体渗灌管的最优埋深和最佳间距可以参考以下步骤获得：

步骤一：根据土壤水分特征曲线的vangenuchten模型获得边坡土壤的基质吸力sm，单位厘米，sm与土壤自然饱和度θe之间存在指数关系，相关表达式如下：

其中θe为土壤自然饱和度，单位无量纲，根据湿度计7测量得到土壤的自然饱和度；α和n都是拟合系数，单位无量纲，具体数值参考边坡使用土壤类型对应的土水实验经验参数，一般范围为α＝0.0011～0.05、n＝1.5～5，取α＝0.002、n＝3.5最佳。

步骤二：根据定源水源在土壤中渗流湿润锋运移范围，对渗灌管埋深进行确定，根据图1所示。理论上渗灌管设计越密集，灌溉的均匀效果越好，但渗灌系统成本会提高，所以应根据实际经济情况对渗灌管的埋深和设计间距进行考量。目前假设该边坡中间设计加入并排排列的渗灌管，每根渗灌管外表面土壤中供水水头h(单位厘米)，在同等时间内渗灌水湿润锋垂直坡面向上zu(单位厘米)。首先按照已经完成的人工再植被边坡，可以得到边坡土壤层9的平均厚度h，单位厘米。然后根据达西定律和green-ampt活塞模型，可以得到渗灌水湿润锋垂直坡面向上运移距离zu：

其中a为边坡平均坡度角，单位度。

步骤三：求得最佳埋深比例。渗灌管最佳埋深比例即为边坡渗灌管上覆土壤厚度10(对应的是渗灌水湿润锋垂直坡面向上zu(单位厘米))与边坡土壤层厚度9比值，则渗灌边坡上最优渗灌管埋深比例i可以表达为：

步骤四：求得相邻渗灌管最佳间距。假设中间函数b，单位无量纲。中间函数b表达如下：

根据达西定律和green-ampt活塞模型，可以得到相邻两个渗灌管外侧渗水湿润锋沿边坡平行方向向下运移距离za(单位厘米)及平行向上的运移距离zb(单位厘米)：

其中lambertw为朗伯w函数的解集中使za、zb为最小正实数的唯一解，而朗伯w函数表示为x＝w(x)e^w(x)方程。则相邻两根渗灌管最佳间距zw表达如下：

其中zw为相邻两根渗灌管最佳间距，单位厘米。