礦山高陡巖質(zhì)邊坡復(fù)綠中節(jié)水灌溉技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

楊 陽， 趙金召， 張兆長， 李克強(qiáng)

(河北省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 國土資源勘查中心(河北省礦山和地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急救援中心),河北 石家莊 050081)

露天礦業(yè)在為國家經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展作出貢獻(xiàn)的同時,也產(chǎn)生了一系列生態(tài)環(huán)境問題。目前關(guān)于露天礦業(yè)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(wěn)定的水土肥生長條件,因此高陡巖質(zhì)邊坡的生態(tài)修復(fù)與重建工作一直都是礦山復(fù)綠的重點和難點。到目前為止,無論是露天開采的灰?guī)r礦、煤礦、鐵礦,還是其他露天礦開采所形成的高陡巖質(zhì)邊坡,絕大部分都沒有得到有效的生態(tài)修復(fù)與重建。

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

1 復(fù)綠植被生態(tài)需水量

復(fù)綠植被生態(tài)需水量是指能保證高陡巖質(zhì)邊坡復(fù)綠植被的存活、生長、發(fā)育,逐漸改善高陡巖質(zhì)邊坡的生態(tài)環(huán)境所需的灌溉用水。復(fù)綠植被是巖質(zhì)邊坡生態(tài)系統(tǒng)中水分的主要消費(fèi)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(shù)水分。國內(nèi)外眾多學(xué)者對植被生態(tài)需水量做了大量的研究工作,如張楊等[1]選用改進(jìn)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(fā)育的需水量,并與治理后邊坡植物的生長狀況相結(jié)合,分析該技術(shù)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(qū)植被生態(tài)需水量進(jìn)行計算與綜述,并分析與評價這些計算方法在實際應(yīng)用中的優(yōu)缺點；周丹等[3]通過AVHRR-GIMMS和SPOT-VEGETATION兩種NDVI數(shù)據(jù)計算干旱區(qū)生長季植被覆蓋度指數(shù)(fc),并根據(jù)覆蓋度指數(shù)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(guān)于高陡巖質(zhì)邊坡復(fù)綠的特定植被生態(tài)需水量和干旱復(fù)水對植被群落構(gòu)建的影響研究較少,干旱脅迫作用對高陡巖質(zhì)邊坡綠化植被的生長影響也亟待研究。礦山復(fù)綠的最終目的是在植被養(yǎng)護(hù)期結(jié)束后,在自然狀態(tài)下復(fù)綠植被能夠長期成活與生長。高陡巖質(zhì)邊坡需要綠化植被的點綴,同時綠化植被需要適應(yīng)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(zhì)邊坡復(fù)綠植被生態(tài)需水量的新方向與新思路。

2 傳統(tǒng)節(jié)水灌溉技術(shù)措施

傳統(tǒng)節(jié)水灌溉技術(shù)體系包括工程、農(nóng)藝和管理三方面的節(jié)水技術(shù)[4]。高陡巖質(zhì)邊坡的節(jié)水灌溉技術(shù)大多參照農(nóng)業(yè)和園林綠化方面較成熟的節(jié)水灌溉技術(shù)。目前,噴灌、滴灌、滲灌技術(shù)的應(yīng)用大大提高了用水效率,有效利用系數(shù)達(dá)到了0.45[5-6]。中國節(jié)水灌溉技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展,目前已經(jīng)初步形成了多種多樣的技術(shù)方法,現(xiàn)分述如下：

2.1 噴灌技術(shù)及其優(yōu)缺點

噴灌技術(shù)是利用外力將水加壓,把壓力水輸送到復(fù)綠區(qū)域,通過噴頭噴射到空中形成細(xì)小的水滴,并均勻地散落在復(fù)綠區(qū)域,濕潤土壤并滿足植物需水要求的一種灌溉技術(shù)[7-8]。噴灌系統(tǒng)一般由水源、首部樞紐、管網(wǎng)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(wù)是取水與加壓,并通過管網(wǎng)將壓力水輸送到所需灌溉的區(qū)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(shù)的特點、適應(yīng)性及其后續(xù)效應(yīng),國內(nèi)許多學(xué)者就其性能的綜合評價作了大量的研究。如朱興業(yè)等[10]對傳統(tǒng)噴灌機(jī)進(jìn)行分析評價,并研制出一種更先進(jìn)的小型噴灌機(jī)[11-15]；Karami[16]采用層次分析法對3種灌溉方式進(jìn)行優(yōu)先級分析,結(jié)果表明噴灌適合大面積規(guī)?；喔?；劉興發(fā)等[17]綜述噴灑水滴測試中存在的問題及研究進(jìn)展,總結(jié)噴灌水滴直徑的計算方法。

傳統(tǒng)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(nèi)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(jìn)作用[19-20]。噴灌系統(tǒng)具有大范圍、均勻灌溉等優(yōu)點,但噴灌受自然風(fēng)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(shù)及其優(yōu)缺點

滴灌技術(shù)(包括膜下滴灌)是通過輸水管網(wǎng)上的滴頭,在低壓條件下向土壤持續(xù)緩慢地滴水，是一種直接向植物根部精準(zhǔn)均勻地供應(yīng)已過濾的水肥或其它化學(xué)劑等的灌溉系統(tǒng)[21]。目前常用的滴灌技術(shù)有膜下滴灌水肥一體化技術(shù)和微噴灌水肥一體化技術(shù)[22]。國內(nèi)許多學(xué)者對滴灌技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)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(chǎn)質(zhì)量的影響,發(fā)現(xiàn)滴灌系統(tǒng)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(xué)品質(zhì)和等級結(jié)構(gòu)的提高；吳玉芹等[25]針對微灌技術(shù)發(fā)展的特點與存在的問題進(jìn)行思考,總結(jié)并提出微灌技術(shù)發(fā)展過程中要處理好幾種關(guān)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(jié)合,營養(yǎng)物質(zhì)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(jié)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(nèi)的土壤水分處于飽和狀態(tài),土壤其他部分的水分只能依靠擴(kuò)散和入滲作用,不能處于完全飽和狀態(tài)；滴灌所需時間較長,能源消耗過多。

2.3 滲灌技術(shù)及其優(yōu)缺點

滲灌技術(shù)是通過輸水管網(wǎng)及埋設(shè)在地表下植被根毛區(qū)的滲灌管,將水緩慢流出,滲入附近土壤,再借助土壤的毛細(xì)作用或重力將水分?jǐn)U散到整個根層供植被吸收利用的灌溉技術(shù)[26]。目前,中國滲灌技術(shù)及其應(yīng)用水平狀況尚處于初級階段且與發(fā)達(dá)國家差距很大,國內(nèi)的研究人員大多數(shù)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(jìn)行滲灌試驗研究。如馬旭東[27]以毛細(xì)透排水帶作為毛細(xì)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(tài)及其數(shù)量剖面分布的影響,認(rèn)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(tǒng)的漫灌相比,其優(yōu)點在于灌水后能保持土壤疏松,無板結(jié),減少地表蒸發(fā),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(fù)雜,維修管理困難,容易產(chǎn)生深層滲漏。

3 攔排蓄灌節(jié)水技術(shù)措施

由于高陡巖質(zhì)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(yǎng)護(hù)困難,長期進(jìn)行人工養(yǎng)護(hù)又不現(xiàn)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(yǎng)護(hù)措施尤為重要。露天礦山掌子面臺階植被修復(fù)攔排蓄灌管養(yǎng)系統(tǒng)研究可以有效解決這一難題,開展此項工作具有較大的現(xiàn)實意義。目前國內(nèi)一些學(xué)者已經(jīng)對攔排蓄灌管養(yǎng)系統(tǒng)進(jìn)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(shù)預(yù)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(yǎng)護(hù)成本；自滲水植生帶是利用植生袋的吸水性對綠化植被進(jìn)行滲水灌溉；活木樁—生態(tài)袋組合綠化方法可以改善巖質(zhì)邊坡的視覺效果。王春慧等[31]結(jié)合雨水花園原理,設(shè)計3種雨水邊坡技術(shù)方案,并以土壤含水率為代表進(jìn)行室外節(jié)水實驗,結(jié)果表明3種雨水邊坡技術(shù)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(fù)攔排蓄灌管養(yǎng)系統(tǒng)研究工作。攔排蓄灌管養(yǎng)系統(tǒng)包括位于臺階標(biāo)高以上的高位集水蓄水池、位于臺階標(biāo)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(yǎng)單元。臺階攔排蓄灌管養(yǎng)單元分別通過補(bǔ)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(yǎng)系統(tǒng)以臺階攔排蓄灌管養(yǎng)單元為核心,其主要由砌筑體、集水導(dǎo)水槽、碎石蓄水層、PVC導(dǎo)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(fù)攔排蓄灌管養(yǎng)系統(tǒng)集成積水槽收集雨水、砂層蓄水、毛細(xì)水上升補(bǔ)水、蓄水和防瀝澇雙向灌溉等關(guān)鍵技術(shù)為一體,為解決北方缺水少雨地區(qū)礦山治理中高陡掌子面管養(yǎng)問題提供了新思路。

4 智能化毛細(xì)滲灌節(jié)水技術(shù)措施

由于高陡巖質(zhì)邊坡分布比較分散,且都處于山區(qū),交通條件不便,主要依靠天然降雨或人工灌溉,存在養(yǎng)護(hù)難度大或成本高等問題。近年來,國內(nèi)外許多學(xué)者對智能化節(jié)水灌溉技術(shù)開展了技術(shù)攻關(guān)。如馬旭東[27]提出一套基于毛細(xì)透排水帶為滲灌材料的智能化毛細(xì)滲灌節(jié)水技術(shù),結(jié)果表明此技術(shù)方法有效解決了滲灌淤堵問題，實現(xiàn)了自動監(jiān)測、自動灌溉及遠(yuǎn)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(xié)議,結(jié)合MCGS組態(tài)系統(tǒng),以設(shè)定的土壤濕度值作為灌溉的依據(jù),研究并設(shè)計了一種節(jié)水灌溉智能控制系統(tǒng),實驗證明該系統(tǒng)具有設(shè)計合理、安全可靠、性能穩(wěn)定、操作簡單、實用性強(qiáng)等優(yōu)點。

智能化毛細(xì)滲灌節(jié)水技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)灌溉的精確性,做到精準(zhǔn)施肥,有效提高水資源的利用率,節(jié)約土地,保護(hù)環(huán)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(jié)水灌溉提供有效保障。同時該技術(shù)造價成本較高,并且國內(nèi)缺乏掌握該技術(shù)的專業(yè)技術(shù)人才,造成該技術(shù)無法大范圍推廣。

5 節(jié)水灌溉技術(shù)的發(fā)展趨勢

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

(2) 不同節(jié)水灌溉技術(shù)相互組合。根據(jù)高陡巖質(zhì)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(jié)水技術(shù)發(fā)揮更大的效果。不同區(qū)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(jié)水灌溉技術(shù)選擇的重要因素,因此,未來高陡巖質(zhì)邊坡復(fù)綠植被的節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)注重節(jié)水技術(shù)的優(yōu)勢組合,探索出植被—治理方式—節(jié)水技術(shù)的最佳節(jié)水灌溉模式。

(3) 攔排蓄灌發(fā)展趨勢。如何能更大限度地收集、儲存、利用礦區(qū)的大氣降水對高陡巖質(zhì)邊坡復(fù)綠植被進(jìn)行養(yǎng)護(hù)是礦山綠化節(jié)水灌溉的大趨勢。很多責(zé)任主體滅失的無主礦山都處于交通條件較差的山區(qū),當(dāng)?shù)卣卫砗蟛豢赡軙L期對其進(jìn)行養(yǎng)護(hù),所以如何對大氣降水進(jìn)行有效地攔排蓄灌是礦山復(fù)綠中急需解決的問題。

(4) 智能信息化。逐步實現(xiàn)高陡巖質(zhì)邊坡復(fù)綠植被節(jié)水技術(shù)的智能化、數(shù)據(jù)化、信息化是未來節(jié)水灌溉的必然趨勢。較多礦區(qū)由于電力供應(yīng)不足,考慮將太陽能電板與水泵相連,形成自動抽水系統(tǒng),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(jìn)行監(jiān)測,當(dāng)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(tǒng)。

6 結(jié)論

綜上所述,礦山高陡巖質(zhì)邊坡復(fù)綠中節(jié)水灌溉技術(shù)從最初參照農(nóng)林業(yè)的相關(guān)技術(shù),逐漸發(fā)展為適合自身特點的節(jié)水灌溉技術(shù),由最初的噴、滴、滲灌等技術(shù)發(fā)展為攔排蓄灌一體化,并向智能化節(jié)水技術(shù)發(fā)展,既提高了灌溉效率,又節(jié)省了人工成本,對高陡巖質(zhì)邊坡復(fù)綠植被的節(jié)水灌溉技術(shù)的發(fā)展方向具有一定的指導(dǎo)意義。