防洪集流保水滴灌工程技術在烏鞘嶺鐵路隧道棄渣治理恢復中的應用

呂海元，高文耀

(甘肅祁連山國家級自然保護區管理局烏鞘嶺自然保護站，甘肅 天祝 733200)

1 治理恢復實驗區概況

高速鐵路蘭州至張掖三、四線工程新烏鞘嶺隧道段地處甘肅祁連山國家級自然保護區，該自然保護區是我國西部重要生態安全屏障[1，2]，地理位置位于河西走廊的咽喉地帶，屬石羊河流域主要水源涵養保護地，具有舉足輕重的生態保護治理地位，保護好森林資源對整個流域生態環境建設與人民群眾生產生活和經濟發展具有非常重要的生態戰略意義[3]，而該項目橫穿保護區，隧洞雙線設計，全長17125 m[4]，大量廢渣運輸到保護區外集中傾倒堆放，治理恢復難度大，針對這一現狀，通過在廢渣堆放區域建立實驗模塊，在治理恢復中開展防洪集流保水滴灌工程措施進行實踐示范研究。

2 技術措施

我國滴灌工程經歷了嘗試、引進與研究、國產化與示范、規模化發展4個階段[5]，目前技術力量比較成熟，在農業生產中應用非常廣泛，在甘肅民勤防沙治沙中進行過系統的實踐研究，目前積極推廣，成效顯著[6]，但在祁連山生態脆弱區恢復治理工程中缺乏系統的實踐研究和推廣使用。在本區域選擇面積35351 m2廢渣臺作為試驗研究樣板，將水利工程技術與渣臺恢復治理有機結合，建設防洪集流水利自流式滴管設施。主要是修建容積2.25 m3沉淤池4座、容積72 m3蓄水池4座，修筑相應的集流水渠、排洪水渠 、排淤管道，埋設PVC主管(Ф110 mm、0.63 MPa)、PVC分管(Ф60 mm、0.63 MPa)，安裝內鑲貼片式滴灌帶(Ф16 mm、e=0.20 mm、q=2.1 L/h)。

2.1 防洪集流水渠

修建防洪集流水渠既攔截季節性山洪，預防山洪對治理恢復區渣臺坡面造成沖毀，又能匯集水源對治理恢復區植被進行有效灌溉。集流渠規劃設計在渣臺與山體結合處等高水平線位置，設置為混凝土澆筑“U”型渠，根據山體徑流量設計渠規格，針對該區域設置為上沿寬80 cm，下底寬60 cm，深60 cm,集流水渠適當設置與沉淤池連接入水口，入水口處與渠終端設計高差為1/2渠深高度以便匯集水源，同時便于進水量過大從水渠兩端排洪，集流水渠兩端與垂直排洪渠連接，連接處設置在斜面緩坡，防止沖毀排洪渠。防洪渠設置與山體坡面垂直并與山體溝槽聯通。

2.2 沉淤池

設置沉淤池主要是分離集流水中的泥沙、懸浮物，保護管道、閥門等設施避免堵塞和受損。沉淤池設計在低于防洪集流渠水平高度的位置，進水口設置在集流渠渠底最低位置處，在進水口安裝濾網，濾網網口直徑應在0.5～1 cm之間，防止塊石進入池內。池身用C20砼現澆為內徑長150 cm圓形，池身壁厚25 cm，池內徑設計為寬130 cm，深150 cm，池底設計為一定坡度的錐形體，具有更好的沉淤作用。蓋板為預制C25鋼筋砼圓形結構，直徑為160 cm，厚15 cm，為使進出水順暢在靠池壁一側開直徑30 cm大小的通氣孔。在最底部設置排淤口、排淤管道及閥門，排淤管道與排洪渠相連。在沉淤池壁上部安裝出水口與集流池相連，在出水口處安裝網孔大小為0.3 cm濾網。

2.3 集流池

集水池是整個防洪集流滴管小型水利灌溉系統中的關鍵部位，為整個灌溉系統提供水源，其設計規劃位置選擇十分重要，池體在整個管網系統中具有一定水平高度差，一般高差應在5 m以上產生的壓力才能保證滴管系統自然灌溉。池體容量大小根據渣臺治理恢復區降雨量、灌溉面積、樹(草)種根系深度、灌溉次數來具體確定。該治理恢復試驗區年降水量410.5 mm[3]，治理恢復面積35351 m2，建設長6 m，寬4 m,深3 m集水池，確保每畝灌溉量5 m3。集水池身用C20砼現澆，池身壁厚30 cm，蓋板為預制C25鋼筋砼結構，在蓋板上設置邊長為80 cm的長方形活動蓋板，同時預留進氣口使排水暢通。池壁設置鋼筋池梯，以便清除淤泥或維修檢查。池壁頂部設置進水口與沉淤池相連，池壁底端預留30 cm高度位置設置出水口，預留部分起沉淤作用，池壁底端設置排淤口及時排出泥沙。在集水池出水口和排淤口分別處安裝PVC主管和排淤管，并在一定距離處設置檢查井、安裝閘閥(圖1)。

圖1 防洪集流系統布局平面圖

2.4 管網布局

渣臺治理恢復試驗區采取若干獨立的集水池及滴管管網閉合系統，滴灌輸配水管網由于單組灌溉面積小，設計主管、支管、配水管和滴灌帶(管)四級管網組成。各級管道均按照“管路短、控制面積大”的原則布置，主管、支管、配水管、滴管帶互相垂直布設，使管道長度最短，控制面積最大。主管和支管分別采用外徑為φ160 mm、φ110 mm聚氯乙烯PVC管道，均埋置在地下。主管的始端與集水池相連，主管與支管交叉處設置閘閥井，安裝總控制閥、初級過濾器、二級過濾器，便于灌溉控制和水質凈化。支管垂直與主管，呈“豐”字型，支管沿水平線平行分布，間距設置在10～15 m之間，每條支管均安裝一個調節閥，便于分組灌溉和解決因坡面高差造成供水不均衡的問題。在每條支管上垂直連接若干條輔管，鋪設于地面，地面輔管選用不容易損壞的基乙烯PE管道(0.32 Mpa,壁厚e=2.3 mm)，外徑為φ75 mm，間距一般保持在40～50 m之間。選擇內鑲貼片式滴灌帶(Ф16 mm、e=0.20 mq=2.1 L/h)，垂直于輔管設置，根據植被帶和植樹行距確定間距，沿植被帶和植樹行水平溝平行鋪設，確保全面補給灌溉。在輔管末端及各管道水平低凹處均安裝排水井和閘閥以便于沖洗管道泥沙和冬季排積水(圖2)。

圖2 自流式滴管系統布局平面圖

3 實驗調查分析

在該區域往年采取傳統單一覆土、植樹植草措施的廢棄渣臺治理恢復成效調查的基礎上，選取相同立地條件、渣臺地質結構的模塊進行防洪集流保水技術模塊試驗，通過對不同措施治理恢復區樣塊進行當年干旱季節土壤保水濕度情況、治理恢復區坡面受洪災情況及不同樹種植被成活率等因子對照分析。

3.1 土壤含水量調查

傳統的渣臺坡面治理恢復措施主要采取的是渣堆平整、清除塊石、覆土回填、植樹植草等工程措施修復水文地質結構，治理恢復生態，其土壤保水性能較差，苗木及植被因季節性干旱致使成活率底、生長不良現象。在次基礎上應用了防洪保水水利自流灌溉水利工程措施治理恢復實驗，解決了難題。5、6、7、8、9月份植物生長期在不同措施治理區選擇渣臺坡度35～42°區域，分別設置100 m×100 m兩塊樣方，分別重復調查深度0～10、10～20、20～30 cm之間土質平均含水量，采用烘干法測量計算，具體數據對照顯示如表1所示。

表1 相同立地條件地質結構不同補水措施渣臺土壤含水量調查對照

通過調查數據顯示：在采取常規治理方法措施的渣臺坡面降雨量較少的5、6、7月份內，渣臺坡面土壤相對缺水干旱，不利于植樹植綠植物成活和生長，采取防洪保水水利自流灌溉治理恢復措施后，及時集流水源用于季節性干旱期補水灌溉，使渣臺坡面土壤水分含量相對充足，補水均衡。通過兩種措施對比：5～9月份植物生長季坡面不同深度平均含水量從22.01%提高到31.09%，提高了9.08%，避免植物生長期樹木及植被土壤缺水狀態。

3.2 治理恢復成效調查

對采取兩種不同治理恢復措施的治理恢復區分別進行了當年洪災受災面積和植被成活率調查，調查數據顯示如表2所示。

表2 渣臺治理恢復中不同措施當年恢復成效調查

調查數據顯示，采取防洪保水集流滴灌治理恢復措施后，治理恢復區渣臺坡面受季節性洪抵御能力增強，受災率下降11.48%。造林苗木成活率明顯提高，苗木成活率綜合提高15.63%，植草單位面積成活率提高16.6%。

4 結論與討論

針對在祁連山高海拔林區國家工程項目建設傾倒廢棄渣臺治理恢復措施單一、治理恢復區受自然洪災和季節性干旱天氣影響致使治理恢復成效易反彈、重復性修復治理工作量大、生態恢復進度慢等難題和不足，在探索研究新方法、新舉措、新技術上還存在一些短板和難題。通過以高速鐵路新烏鞘嶺隧道渣臺恢復治理為樣板，積極在治理恢復中采用防洪保水滴灌水利工程措施，并對照開展技術研究和成效調查，治理恢復區抵御自然災害能力增強，植樹植草成活率提高，治理區生態恢復治理進度加快，效果明顯。但對于防洪集流保水滴灌工程在治理區實施中前期投資較高、工程設施建設技術不夠完善等問題和不足，有待于深入開展實踐探索研究，進一步改進和創新。