礦山高陡巖質邊坡復綠中節水灌溉技術現狀與發展趨勢

楊 陽， 趙金召， 張兆長， 李克強

(河北省地質礦產勘查開發局 國土資源勘查中心(河北省礦山和地質災害應急救援中心),河北 石家莊 050081)

露天礦業在為國家經濟和社會發展作出貢獻的同時,也產生了一系列生態環境問題。目前關于露天礦業的開采平臺、渣坡等部位都有了有效的綠化方法,唯獨高陡掌子面形成的“白茬山”由于其坡面長、坡度陡,立地條件惡劣,難以為綠化植被提供長期穩定的水土肥生長條件,因此高陡巖質邊坡的生態修復與重建工作一直都是礦山復綠的重點和難點。到目前為止,無論是露天開采的灰巖礦、煤礦、鐵礦,還是其他露天礦開采所形成的高陡巖質邊坡,絕大部分都沒有得到有效的生態修復與重建。

高陡巖質邊坡復綠的重點是如何有效地保存和利用水分,因此發展節水灌溉和提高水的利用率成為高陡巖質邊坡能否長期復綠的關鍵性技術問題。本文從復綠植被生態需水量、傳統節水灌溉技術措施、攔排蓄灌節水技術措施和智能化毛細滲灌節水技術措施4個方面綜述目前國內高陡巖質邊坡中常用的節水技術,同時指出這幾種技術的適用條件,旨在為高陡巖質邊坡復綠后期植被的生長提供技術指導與參考。

1 復綠植被生態需水量

復綠植被生態需水量是指能保證高陡巖質邊坡復綠植被的存活、生長、發育,逐漸改善高陡巖質邊坡的生態環境所需的灌溉用水。復綠植被是巖質邊坡生態系統中水分的主要消費者,蒸騰作用散失掉了植物根系吸收的大部分水分,而植物的新陳代謝只用了極少數水分。國內外眾多學者對植被生態需水量做了大量的研究工作,如張楊等[1]選用改進的彭曼公式法,通過概化裂隙巖體單元,計算植物正常生長發育的需水量,并與治理后邊坡植物的生長狀況相結合,分析該技術方法的適用性；胡廣錄等[2]采用幾種常用的計算法對干旱半干旱區植被生態需水量進行計算與綜述,并分析與評價這些計算方法在實際應用中的優缺點；周丹等[3]通過AVHRR-GIMMS和SPOT-VEGETATION兩種NDVI數據計算干旱區生長季植被覆蓋度指數(fc),并根據覆蓋度指數劃分閾值范圍,確定荒漠植被面積,其適用性在塔里木盆地得到驗證。

目前關于高陡巖質邊坡復綠的特定植被生態需水量和干旱復水對植被群落構建的影響研究較少,干旱脅迫作用對高陡巖質邊坡綠化植被的生長影響也亟待研究。礦山復綠的最終目的是在植被養護期結束后,在自然狀態下復綠植被能夠長期成活與生長。高陡巖質邊坡需要綠化植被的點綴,同時綠化植被需要適應高陡掌子面苛刻的生境條件,二者相輔相成。研究土壤含水量對植被生存的臨界值以及植被抗旱時長的周期性是高陡巖質邊坡復綠植被生態需水量的新方向與新思路。

2 傳統節水灌溉技術措施

傳統節水灌溉技術體系包括工程、農藝和管理三方面的節水技術[4]。高陡巖質邊坡的節水灌溉技術大多參照農業和園林綠化方面較成熟的節水灌溉技術。目前,噴灌、滴灌、滲灌技術的應用大大提高了用水效率,有效利用系數達到了0.45[5-6]。中國節水灌溉技術經過多年的發展,目前已經初步形成了多種多樣的技術方法,現分述如下：

2.1 噴灌技術及其優缺點

噴灌技術是利用外力將水加壓,把壓力水輸送到復綠區域,通過噴頭噴射到空中形成細小的水滴,并均勻地散落在復綠區域,濕潤土壤并滿足植物需水要求的一種灌溉技術[7-8]。噴灌系統一般由水源、首部樞紐、管網和噴頭等組成[9]。水源一般多采用地下水、水庫水、水渠水或收集的雨水；首部樞紐的任務是取水與加壓,并通過管網將壓力水輸送到所需灌溉的區域；噴頭將壓力水分散成小水滴用于均勻灌溉。針對噴灌技術的特點、適應性及其后續效應,國內許多學者就其性能的綜合評價作了大量的研究。如朱興業等[10]對傳統噴灌機進行分析評價,并研制出一種更先進的小型噴灌機[11-15]；Karami[16]采用層次分析法對3種灌溉方式進行優先級分析,結果表明噴灌適合大面積規模化灌溉；劉興發等[17]綜述噴灑水滴測試中存在的問題及研究進展,總結噴灌水滴直徑的計算方法。

傳統漫灌與噴灌相比,水分損失的差別在于從水源到田間及田間到植物根部的輸水損失和田間內部深層滲漏損失[18]。噴灌可以有效改善局部小氣候,并對局部氣溫的降低有一定的促進作用[19-20]。噴灌系統具有大范圍、均勻灌溉等優點,但噴灌受自然風力影響較大,容易形成漂移,造成水分損失,并且壓力水泵需要很大的功率,致使后期的使用成本增加。

2.2 滴灌技術及其優缺點

滴灌技術(包括膜下滴灌)是通過輸水管網上的滴頭,在低壓條件下向土壤持續緩慢地滴水，是一種直接向植物根部精準均勻地供應已過濾的水肥或其它化學劑等的灌溉系統[21]。目前常用的滴灌技術有膜下滴灌水肥一體化技術和微噴灌水肥一體化技術[22]。國內許多學者對滴灌技術在農業上的應用做了大量的研究。如戚迎龍等[23]研究水肥一體化滴灌條件下覆膜對玉米生長及土壤水肥熱的影響；王玉玨等[24]研究滴頭間距和施肥方式對烤煙產質量的影響,發現滴灌系統滴頭間距宜選擇50 cm,水肥一體化滴灌施用有利于煙葉化學品質和等級結構的提高；吳玉芹等[25]針對微灌技術發展的特點與存在的問題進行思考,總結并提出微灌技術發展過程中要處理好幾種關系。

滴灌不存在輸送過程中的水分損失,使水的利用率得到了極大的提高,同時滴灌可以有效的與肥料相結合,營養物質可直接均勻地施到植物根部附近,提高肥料的有效利用率,節省化肥用量,減輕土壤污染。但是滴灌只能保證滴頭下面局部范圍內的土壤水分處于飽和狀態,土壤其他部分的水分只能依靠擴散和入滲作用,不能處于完全飽和狀態；滴灌所需時間較長,能源消耗過多。

2.3 滲灌技術及其優缺點

滲灌技術是通過輸水管網及埋設在地表下植被根毛區的滲灌管,將水緩慢流出,滲入附近土壤,再借助土壤的毛細作用或重力將水分擴散到整個根層供植被吸收利用的灌溉技術[26]。目前,中國滲灌技術及其應用水平狀況尚處于初級階段且與發達國家差距很大,國內的研究人員大多數采用意大利式(打孔的塑料管)或美國式(橡塑微孔管)的滲水管進行滲灌試驗研究。如馬旭東[27]以毛細透排水帶作為毛細滲灌材料解決了滲灌淤堵問題；姬景紅等[28]研究不同灌溉方法對土壤氮素形態及其數量剖面分布的影響,認為不同灌溉方法之間有著顯著差異(滲灌>溝灌>滴灌)；巴特爾·巴克等[29]通過噴灌與根灌的比較表明，與移動式噴灌相比,滲灌前期投入較大,但在折舊年限相同的情況下,滲灌具有較高的凈效益,比噴灌多10.9%。

滲灌與傳統的漫灌相比,其優點在于灌水后能保持土壤疏松,無板結,減少地表蒸發,灌水效率高;缺點是由于上表層土壤濕度低,不適合淺根的草本植物生長,且前期投資高,施工復雜,維修管理困難,容易產生深層滲漏。

3 攔排蓄灌節水技術措施

由于高陡巖質邊坡立地條件極差,缺少植被生長需要的土水肥條件,且后期養護困難,長期進行人工養護又不現實,不采取其他措施,僅靠自然降雨很難滿足植物生長對水分的要求，因此,尋找簡單有效、低成本灌溉養護措施尤為重要。露天礦山掌子面臺階植被修復攔排蓄灌管養系統研究可以有效解決這一難題,開展此項工作具有較大的現實意義。目前國內一些學者已經對攔排蓄灌管養系統進行了一些研究,如吳帆等[30]提出4種新型綠化方法：其中自動浸灌技術預先將自由水變成束縛水,以供植物后期的生長需求；自灌式植草方法可將坡面大氣降水收集利用,降低后期養護成本；自滲水植生帶是利用植生袋的吸水性對綠化植被進行滲水灌溉；活木樁—生態袋組合綠化方法可以改善巖質邊坡的視覺效果。王春慧等[31]結合雨水花園原理,設計3種雨水邊坡技術方案,并以土壤含水率為代表進行室外節水實驗,結果表明3種雨水邊坡技術方案都可以使土壤含水率維持在10%左右并保持30 d。

河北省地礦局國土資源勘查中心于2020年開展了露天礦山掌子面臺階植被修復攔排蓄灌管養系統研究工作。攔排蓄灌管養系統包括位于臺階標高以上的高位集水蓄水池、位于臺階標高以下的低位集水蓄水池,及在高位集水蓄水池與低位集水蓄水池之間且位于高陡掌子面開采臺階上的臺階攔排蓄灌管養單元。臺階攔排蓄灌管養單元分別通過補水管路和集水管路與高位和低位集水蓄水池連通,且低位集水蓄水池通過供水管路與高位集水蓄水池連通并通過安裝于供水管路上的水泵為高位集水蓄水池供水。攔排蓄灌管養系統以臺階攔排蓄灌管養單元為核心,其主要由砌筑體、集水導水槽、碎石蓄水層、PVC導水花管、中粗砂儲水層、隔水防水層、種植土、綠化植物組成。

掌子面臺階植被修復攔排蓄灌管養系統集成積水槽收集雨水、砂層蓄水、毛細水上升補水、蓄水和防瀝澇雙向灌溉等關鍵技術為一體,為解決北方缺水少雨地區礦山治理中高陡掌子面管養問題提供了新思路。

4 智能化毛細滲灌節水技術措施

由于高陡巖質邊坡分布比較分散,且都處于山區,交通條件不便,主要依靠天然降雨或人工灌溉,存在養護難度大或成本高等問題。近年來,國內外許多學者對智能化節水灌溉技術開展了技術攻關。如馬旭東[27]提出一套基于毛細透排水帶為滲灌材料的智能化毛細滲灌節水技術,結果表明此技術方法有效解決了滲灌淤堵問題，實現了自動監測、自動灌溉及遠程智能化管理。劉洪靜等[32]基于模糊PID算法,利用信電共線通訊方式和Modbus協議,結合MCGS組態系統,以設定的土壤濕度值作為灌溉的依據,研究并設計了一種節水灌溉智能控制系統,實驗證明該系統具有設計合理、安全可靠、性能穩定、操作簡單、實用性強等優點。

智能化毛細滲灌節水技術能夠實現灌溉的精確性,做到精準施肥,有效提高水資源的利用率,節約土地,保護環境,容易控制。但由于中國智能化灌溉起步較晚,整體研究水平與以色列、沙特阿拉伯等國家相比還較低,無法對智能化節水灌溉提供有效保障。同時該技術造價成本較高,并且國內缺乏掌握該技術的專業技術人才,造成該技術無法大范圍推廣。

5 節水灌溉技術的發展趨勢

(1) 根據植被生態需水量精準精細灌溉。未來高陡巖質邊坡復綠植被要實現精準精細灌溉是必然趨勢。精準精細灌溉是在研究復綠植被本身的干旱脅迫與干旱復水的基礎上進行的,并在土壤中插入土壤濕度傳感器,當土壤中含水率低于植被生存所需含水率時對其進行精準精細灌溉,同時根據干旱復水對其灌溉周期進行最大程度的延長。由于高陡巖質邊坡能給植被提供的土壤有限,這就導致營養物質無法與植被生長相匹配,所以灌溉水肥一體化技術也是未來的一種發展趨勢。

(2) 不同節水灌溉技術相互組合。根據高陡巖質邊坡的覆土厚度以及種植植被的種類,選擇較為適宜的灌溉方式,使不同的節水技術發揮更大的效果。不同區域、不同氣候條件、不同植被類型、不同治理方法等都是影響節水灌溉技術選擇的重要因素,因此,未來高陡巖質邊坡復綠植被的節水灌溉技術應注重節水技術的優勢組合,探索出植被—治理方式—節水技術的最佳節水灌溉模式。

(3) 攔排蓄灌發展趨勢。如何能更大限度地收集、儲存、利用礦區的大氣降水對高陡巖質邊坡復綠植被進行養護是礦山綠化節水灌溉的大趨勢。很多責任主體滅失的無主礦山都處于交通條件較差的山區,當地政府治理后不可能會長期對其進行養護,所以如何對大氣降水進行有效地攔排蓄灌是礦山復綠中急需解決的問題。

(4) 智能信息化。逐步實現高陡巖質邊坡復綠植被節水技術的智能化、數據化、信息化是未來節水灌溉的必然趨勢。較多礦區由于電力供應不足,考慮將太陽能電板與水泵相連,形成自動抽水系統,同時將土壤濕度傳感器插入土中,并與無線連接,對土壤的含水率進行監測,當含水率低于植被生長的臨界值時,電腦開始報警并自動啟動灌溉系統。

6 結論

綜上所述,礦山高陡巖質邊坡復綠中節水灌溉技術從最初參照農林業的相關技術,逐漸發展為適合自身特點的節水灌溉技術,由最初的噴、滴、滲灌等技術發展為攔排蓄灌一體化,并向智能化節水技術發展,既提高了灌溉效率,又節省了人工成本,對高陡巖質邊坡復綠植被的節水灌溉技術的發展方向具有一定的指導意義。