水肥一體化技術(shù)在邊坡生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用

陳 雪，梁 偉

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽(yáng) 550002)

1 邊坡生態(tài)治理技術(shù)的發(fā)展

工程建設(shè)中，邊坡植被恢復(fù)是邊坡治理的重點(diǎn)和難點(diǎn)，日本和歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)過(guò)幾十年研究探索，已經(jīng)形成各自植被護(hù)坡技術(shù)的基礎(chǔ)理論和技術(shù)方案。國(guó)內(nèi)關(guān)于邊坡生態(tài)恢復(fù)的研究起步較晚，20世紀(jì)90年代以后才開始開展邊坡生態(tài)恢復(fù)的系統(tǒng)研究。目前邊坡防護(hù)技術(shù)已從傳統(tǒng)的工程措施發(fā)展為工程措施與植物措施相結(jié)合，主要采用的方式有鋪草皮、植生袋、三維植被網(wǎng)護(hù)坡、種植香根草籬、土工格室、漿砌片石骨架、噴播等。在現(xiàn)有邊坡生態(tài)恢復(fù)技術(shù)中，噴播是一種有效手段，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)土邊坡的植被恢復(fù)。原理是將含有種子的人工基質(zhì)用改進(jìn)后的干噴機(jī)或濕噴機(jī)攪拌后噴射到坡面，基質(zhì)中的黏結(jié)材料使基質(zhì)有效附著在坡面上，待基質(zhì)中的種子發(fā)芽生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)邊坡植被恢復(fù)[1]。

2 邊坡生態(tài)修復(fù)存在的問(wèn)題

由于噴播技術(shù)機(jī)械化程度高，可大面積快速恢復(fù)植被，適應(yīng)性廣，在人工難以施工的區(qū)域建設(shè)植被，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用到工程建設(shè)中，尤其是采用高次團(tuán)粒噴播后效果較好。但是對(duì)于高陡硬質(zhì)巖和混凝土邊坡，在實(shí)施半年后，大部分邊坡出現(xiàn)植被退化的情況，造成這一情況的主要原因是噴播基質(zhì)與土壤的物質(zhì)交換被阻斷，雖然噴播基質(zhì)有一定的養(yǎng)分，但基質(zhì)層較薄，養(yǎng)分含量有限，雨季邊坡受雨水沖刷后造成土壤和養(yǎng)分流失，夏季陽(yáng)光暴曬易造成基質(zhì)層水分蒸發(fā)，長(zhǎng)此以往，基質(zhì)層土壤干旱板結(jié)、肥力下降，無(wú)法做到持續(xù)性供給養(yǎng)分，往往在植被群落還未穩(wěn)定的情況下，養(yǎng)分已流失殆盡，植被快速退化[2]。

3 水肥一體化技術(shù)與邊坡治理的結(jié)合

為解決邊坡植被退化的問(wèn)題，維持植被群落生長(zhǎng)和穩(wěn)定，目前采取的方法主要有增加基質(zhì)厚度、鋪掛緩釋營(yíng)養(yǎng)棒、鉆物質(zhì)交換孔等，但往往代價(jià)較大，保證率低，性價(jià)比不高。

借鑒農(nóng)業(yè)、園藝領(lǐng)域的噴灌、微灌技術(shù)，在滿足條件(有固定水源)的邊坡治理工程中安裝水肥一體化系統(tǒng)，并按時(shí)或按需進(jìn)行隨水施肥灌溉，可以有效解決邊坡植被退化的問(wèn)題，是邊坡生態(tài)修復(fù)中一個(gè)值得研究的方向。

水肥一體化技術(shù)是節(jié)水灌溉與隨水施肥融為一體的農(nóng)業(yè)新技術(shù)。水肥一體化是借助水泵系統(tǒng)(或地形自然落差)，將可溶性肥料和藥劑等按土壤養(yǎng)分含量、不同植物種類的需肥規(guī)律、植物不同生長(zhǎng)期需水量，配兌成肥液與灌溉水一起均勻融合，通過(guò)管道輸送，噴頭或滴頭進(jìn)行灌溉，按相應(yīng)的灌溉頻次、時(shí)間和需水量浸潤(rùn)土壤，使土壤始終保持疏松和適宜的含水量。水肥一體化的灌水方式可采用噴灌、微噴灌、泵加壓滴灌、重力滴灌、滲灌、小管出流等。常見系統(tǒng)設(shè)備見下圖1。

圖1 水肥一體化系統(tǒng)示意圖

4 一體化技術(shù)在夾巖水利樞紐中的應(yīng)用

4.1 邊坡現(xiàn)狀

夾巖水利樞紐位于長(zhǎng)江流域?yàn)踅患?jí)支流六沖河中游，為一在建大型水庫(kù)，大壩采用面板堆石壩，大壩建設(shè)開挖形成了左、右壩肩大邊坡，大壩左、右壩肩邊坡高達(dá)80m，肩邊坡坡度45°-70°左右，大壩壩坡坡度36.5°，大壩壩坡和左右壩肩邊坡均采用了厚基質(zhì)噴播的方法建設(shè)植被，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)查看，部分邊坡植被出現(xiàn)退化現(xiàn)象，為保證后期壩坡景觀和邊坡植被建群效果及景觀協(xié)調(diào)性，決定采用水肥一體化技術(shù)。

4.2 設(shè)計(jì)思路

4.2.1 片區(qū)劃分

為使水肥一體化系統(tǒng)在工作時(shí)能滿足不同地塊需水量，降低水泵功率，優(yōu)化系統(tǒng)配置，降低工程造價(jià)，需要?jiǎng)澐植煌墓喔绕瑓^(qū)，使各個(gè)片區(qū)獨(dú)立工作。根據(jù)夾巖樞紐區(qū)邊坡區(qū)塊分布位置、灌溉面積大小等情況，將其劃分為五個(gè)獨(dú)立片區(qū)(圖2)，大壩壩坡劃分為B、C兩個(gè)片區(qū)、左右壩肩劃分為A、D、E三個(gè)片區(qū)。因灌溉面積較大，為滿足水泵選型條件，在大壩左右岸分別設(shè)置樞紐系統(tǒng)，左右互不影響，右岸首部樞紐控制A、B片區(qū)，左岸首部樞紐控制C、D、E片區(qū)。對(duì)于邊坡較高，水頭需求較大的壩肩邊坡，設(shè)置二級(jí)泵。

4.2.2 灌溉方式

大壩后邊坡坡面平整、坡度較緩、地形連續(xù)開闊，采用噴灌的方式快速灌溉，左右壩肩邊坡較陡，灌溉后垂直方向水分流失較快，宜采用微噴灌緩慢浸潤(rùn)。各片區(qū)灌溉方式見表1。

表1 各片區(qū)灌溉方式表

圖2 夾巖水利樞紐水肥一體化系統(tǒng)布置示意圖

4.2.3 灌溉噴頭選擇

根據(jù)不同片區(qū)不同的灌溉方式，選擇不同的噴頭，噴灌區(qū)域需要出水量大，射程遠(yuǎn)的噴頭，微噴灌區(qū)域需要流量較小，噴灑半徑小的噴頭。因此，本工程噴頭選擇如下：

1)噴灌(B、C片區(qū))采用美國(guó)雨鳥5004型噴頭，工作壓力0.20MPa，額定流量0.28m3/h，射程10.2m，灌溉強(qiáng)度5mm/h，噴頭起布距離5m，間距10m；

2)微噴灌(A、D、E片區(qū))選用南水灌溉單出口霧化噴頭，工作壓力0.3MPa，額定流量0.025m3/h，噴灑半徑0.8m，灌溉強(qiáng)度0.5mm/h，噴頭起布距離1m，間距2m。

4.2.4 管道布置

按照灌溉面積和選定的噴頭分別計(jì)算各個(gè)片區(qū)的流量和各個(gè)噴頭所需的壓力，確定干管、分干管、支管的管徑和布置方式如下：

(1)干管分別自左、右岸首部樞紐引出與各分干管連接；(2)壩肩邊坡(A、D、E區(qū))分干管垂直等高線布置，壩后坡面(B、C區(qū))分干管沿大壩兩側(cè)邊緣向下布置，分干管盡量與干管、支管垂直連接；(3)在壩肩坡面及壩后坡面沿水平方向平行布置支管，與分干管垂直連接。

為便于檢修，管道應(yīng)布置在噴播基質(zhì)之上，在坡面上用拉爆膨脹螺絲安裝管卡，再固定管道。支管進(jìn)口設(shè)電磁閥，與首部樞紐自動(dòng)化控制設(shè)備匹配，計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)所需要的水頭，確定水泵選型，并使用自動(dòng)化控制設(shè)備分別控制左、右岸的分干管依次實(shí)行輪灌。

4.2.5 壓力控制

各噴頭、干管、分干管、支管等的壓力控制是整個(gè)系統(tǒng)能否順利運(yùn)行的關(guān)鍵，若各個(gè)噴頭末端壓力值超過(guò)系統(tǒng)允許的最大壓力值，可能造成噴頭損壞或者支管爆裂，若壓力值過(guò)小，則噴頭不會(huì)噴水灌溉。因此，需要根據(jù)各個(gè)噴頭、支管、分干管等所處的位置、長(zhǎng)度等情況，考慮水頭損失，通過(guò)水力計(jì)算，確定各端口所需水頭。

與農(nóng)業(yè)、園藝項(xiàng)目多為平緩地帶，安裝水肥一體化系統(tǒng)基本不用考慮高程差相比，夾巖水利樞紐各個(gè)邊坡高差最大達(dá)80m，也就造成水肥一體化系統(tǒng)本身內(nèi)部就會(huì)有80m的水頭差。例如，當(dāng)坡頂位置噴頭的壓力滿足額定灌溉壓力(約0.29MPa)時(shí)，坡底噴頭的壓力(約1.09MPa)大大超過(guò)了系統(tǒng)允許的水頭偏差，因此還要考慮系統(tǒng)自身水頭的影響，通過(guò)計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)中各個(gè)位置所需壓力，在滿足最不利位置的噴頭所需壓力后，在其余超過(guò)系統(tǒng)允許壓力值的支管進(jìn)口處設(shè)置減壓閥，并按壓力設(shè)計(jì)值調(diào)節(jié)壓力以滿足系統(tǒng)正常運(yùn)行。分干管、干管亦按此要求進(jìn)行計(jì)算并設(shè)置減壓閥。夾巖水利樞紐部分管道安裝參數(shù)見下表2。

表2 管道安裝參照表

4.2.6 灌溉制度

根據(jù)植物類型、土壤含水率等相關(guān)參數(shù)分別計(jì)算灌水周期、一次灌水延續(xù)時(shí)間等，通過(guò)計(jì)算后，本工程的灌溉制度如下：

1)發(fā)芽期，無(wú)降雨情況下每天實(shí)行灌溉，每次灌溉持續(xù)時(shí)間如下表3。

表3 每次灌溉時(shí)間參照表

2)除發(fā)芽期外，每年在凍前、早春、春旱、夏旱、入秋進(jìn)行補(bǔ)充灌溉，每年約10-20次，并在春秋兩季隨水施肥。灌溉時(shí)間最少應(yīng)間隔2天，每次灌溉持續(xù)時(shí)間按表3要求進(jìn)行。表3根據(jù)經(jīng)驗(yàn)列出了每年灌溉時(shí)間和次數(shù)，供養(yǎng)護(hù)中參考。

表4 灌溉頻次參照表

4.3 結(jié)論

在高陡硬質(zhì)巖和混凝土邊坡生態(tài)修復(fù)時(shí)，物質(zhì)交換被阻斷，噴播基質(zhì)養(yǎng)分有限且得不到持續(xù)補(bǔ)充，造成植被退化。采用水肥一體化技術(shù)可以有效解決邊坡持續(xù)供養(yǎng)問(wèn)題，代替目前常用的增加基質(zhì)厚度、鋪掛緩釋營(yíng)養(yǎng)棒、鉆物質(zhì)交換孔等方法，以降低工程造價(jià)，提高保證率。但是在高邊坡上實(shí)施灌溉技術(shù)，壓力控制是關(guān)鍵，對(duì)設(shè)計(jì)要求較高。另外，邊坡分布復(fù)雜的工程灌溉單元較多，實(shí)現(xiàn)輪灌是人力不可及的，需要高水平的自動(dòng)化控制。諸如此類問(wèn)題，還需要進(jìn)一步的實(shí)踐和研究。