光伏提水灌溉技術在礦山復綠工程中的應用研究
——以棗莊市徐莊鎮工礦廢棄地復墾項目為例

趙 哲，李艷華，玄 凱

1.山東明瑞土地工程技術有限公司，山東 泰安 271000

2.山東云景土地開發整理有限公司，山東 青島 266000

3.山東農業大學信息科學與工程學院，山東 泰安 271018

近年來，隨著生態文明建設的深入推進，礦山地質環境生態修復成為全社會關注的熱點。現階段，我國礦山地質環境生態修復中常采用的礦山復綠技術主要有植被混凝土技術和邊坡削方技術等，這些技術方法已經非常成熟。許多礦山通過實施礦山復綠工程，礦區的地貌景觀、生態環境有了一定程度的改善。但是，有些礦山地理位置偏遠、地形復雜，修復過程中往往需要額外建設提水工程和電力設備，這一因素不僅帶來了較高的投資成本，也降低了礦區植被覆蓋率及礦山地質生態修復的效果。太陽能光伏提水灌溉技術具有不受地形限制、不依賴電網、組建機動靈活、全自動運行、無污染、安全可靠、維護簡單等優點[1]，是解決邊遠地區農業、植被灌溉問題的首選技術之一。研究小組以山東省棗莊市山亭區徐莊鎮幸福莊村工礦廢棄地復墾利用試點項目為例，對光伏提水灌溉技術在礦山復綠工程中的配置方案及應用效果進行初探。

1 技術方法

山東省部分礦區降雨量少，生態修復項目管護期結束后，灌溉難以保證；同時，部分礦山多位于遠離電網的偏僻地區，基本無灌溉設施，建設提水工程和電力設備投資成本較高，這就導致礦山復綠植物成活率較低，降低了礦區植被覆蓋率及礦山地質環境生態修復的效果。

光伏提水灌溉技術可以較好地彌補這方面的不足，它利用太陽能作為灌溉技術的需求能源，較好地減少了地形、電網等因素的影響。而且，太陽能作為一種源源不斷的清潔能源，具有低碳、環保、節能等優勢。棗莊市是太陽能總輻射量較豐富的地區，可以充分利用太陽能進行提水灌溉。光伏提水灌溉技術和礦山復綠工程相結合，可以有效提高礦區復綠植被成活率，從而提升礦區生態環境治理效果。

2 項目區概況

研究區地處山東省棗莊市山亭區東南部，屬沂蒙山區，總體地勢四周高中間低，高差約58.05 m。研究區為露天采石礦挖損、廢棄尾礦壓占形成的工礦廢棄地。項目建設目標為通過采取工程措施和生物措施，將區域內歷史遺留工礦廢棄地復墾為耕地或林地等地類。根據規劃需要，項目總建設規模3.42 hm2，其中3.33 hm2的土地將復墾為耕地，礦山立面部分做復綠處理。工程實施前項目區地質地貌如圖1 所示。

圖1 工程實施前研究區地質地貌圖

研究區主要存在的問題有：（1）水資源匱乏。研究區屬于溫帶季風型大陸性氣候，年平均降水量875 mm，70%集中在6—9 月，約為612 mm，水熱同期，蒸發量大；水資源分布不均衡，在距研究區北側400 m 處有EW 向河流新薛河，該河為季節性河流，旱季無水；研究區地下水埋藏深度在200 m 左右，且地下水儲量不足。（2）電力系統不完善。研究區位于徐莊鎮西北部，距鎮駐地8 km，遠離城鎮，無現成的電力設施，需要架設電路、增設變壓器等才能滿足提水灌溉需要。

3 關鍵技術分析

3.1 山體修復方案選擇

研究區東、南、西3 面為采石挖損形成的陡崖，高度0～50 m。崖壁立面巖石長期受日曬、霜凍及雨水沖刷，風化、破損嚴重，存在長度及深淺不一的裂隙，隨時都有高空落石的危險。這一情況給當地群眾生產帶來極大的安全隱患。為此，研究小組擬對研究區周邊巖壁進行山體修復。

結合研究區實際情況及當地此類項目以往的施工經驗，研究小組采用削坡開平臺的方式進行山體修復。根據研究區地形地貌，將山體立面修筑成“階梯式”的平臺，在平臺外側修建擋土墻，內部回填土，種植爬山虎、檜柏等綠化植物，布設滴灌管道，進行節水灌溉、植被養護。

該方案優點有：（1）削坡開平臺后覆土回填，回填土壤厚度50 cm。回填的種植土可選擇有機質豐富的優質土壤，從而改變山體原土質貧瘠的弊端。（2）在平臺外側修建擋土墻，土墻既為后期管護工作提供了作業工作面，保障人員安全，又能有效防止水土流失。（3）在平臺內側布設滴灌管道進行節水灌溉，對綠化植物進行長期的灌溉養護，保證植被成活率、有效防止水土流失，提高整體綠化效果。

3.2 水源選擇

優先選擇利用地表水，再考慮利用地下水。季節性河流新薛河無法滿足水源需求，所以研究小組擬在研究區內修建集水窖。集水窖存在雨季水量充足、旱季窖內無水的情況，水源穩定性較差，因此還需要在研究區新建機井，井深260 m，出水量20 m3/h,以此保證水源的相對穩定。

3.3 灌溉方式選擇

研究區灌溉分為平面的耕地灌溉和立面的綠植灌溉。因研究區地質條件限制，可以選擇管道輸水和微灌兩種灌溉方式[2]。

研究區耕地以種植玉米和小麥為主，種植面積3.33 hm2，復種指數200%，兩種農作物不同灌溉方式的灌溉定額如表1 所示。根據兩種農作物的管道輸水和微灌灌溉定額，分別乘以兩種農作物的種植面積，計算得到研究區平面的耕地灌溉管道輸水需水量及微灌需水量分別為7 909 m3和5 858 m3[3]。

表1 研究區農作物灌溉定額表（灌溉保證率50%） 單位：m3/ hm2

研究區的礦山立面復綠植被以爬山虎、連翹、月季、檜柏等植物作為綠化苗圃，灌溉定額為5 325 m3/hm2·a，復綠面積0.23 hm2。由此計算礦山立面復綠植被的管道輸水需水量為1 173 m3，微灌需水量為703.5 m3[4]。

微灌與傳統的管道輸水方式相比，節水60%～80%。因礦區水源不穩定，太陽能又受天氣因素影響較大，工作水頭常常不能達到最高值，所以，研究小組擬選擇微灌或滴灌等高效節水的灌溉方式。

3.4 電力選擇

研究區遠離城鎮，無現成的電力設施。為解決研究區的供電問題，有架設電纜、地埋電纜、光伏發電等3 種供電方式。研究小組根據設備價格、預期使用年限（見表2）以及年度運行維護費用（見表3）[5]，分析3 種供電方式的成本。

表2 研究區電力系統投資表

如表3 所示，每年的灌溉時間為4—10 月，其中不降雨時間為138 d，工作時間取100 d，日工作時間6 h，設計日提水約120 m3，則系統年工作時數約600 h[6]。棗莊市當地農用電價格為0.9 元/(kW·h)。架設、地埋電纜的電力系統能源費用為1.19 萬元。

表3 研究區年度維護運行成本表 單位：萬元

根據費用計算公式，可得多年提水成本，計算結果見表4。

表4 提水成本表 萬元/t

綜上可知，光伏電力系統的投資要遠遠小于架設、地埋電纜的電力系統的投資，且運行時間越長，提水成本越低。從全國太陽能資源區域分布來看，棗莊市是太陽年總輻射量較豐富地區，可以充分利用太陽能進行提水灌溉[7]。

4 工程規劃方案

研究區光伏提水灌溉工程設計方案如圖2所示[8]。

圖2 研究區項目設計方案圖

（1）山體修復：使用邊坡削方技術將山體立面修筑成“階梯式”的平臺，在平臺外側修建擋土墻，內部回填土，種植爬山虎、檜柏等綠化植物。

（2）光伏提水灌溉設施：研究區灌溉水源主要利用地下水資源進行灌溉。研究小組規劃在研究區西北位置新打1 眼機井作為農田灌溉水源，規劃配套潛水泵、輸水管道等進行節水灌溉。新建機井配套潛水泵型號為150 QJ10-200，功率22 kW。選擇建設1 處固定光伏提水灌溉工程，配置光伏組件28 kWp。規劃埋設直徑90 mm1.0 MpaPE 干管管道1 020 m，埋設直徑90 mm 0.8 MpaPE 支管管道520 m，用于對復墾后的耕地區域灌溉。規劃埋設直徑63 mm 1.6 MpaPE 管道440 m，布設直徑25 mm 1.0 MpaPE 管道2 940 m，用于對山體修復區域的防護林進行滴灌節水灌溉。

此外，為防止高空落石，在排水溝靠近陡崖底部位置，預留4 m 作為安全距離，預留區回填土，種植檜柏及爬山虎。為阻止行人及動物靠近陡崖頂部，防止陡崖頂部石塊墜落，規劃沿陡崖頂部安裝1.8 m 高護欄網，長度510 m。為防止水土流失，規劃在山體修復預留綠化平臺內側栽植綠化防護林木，分內外兩排種植，內側一排選用檜柏，株距3.0 m，在檜柏中間種植爬山虎，株距1.5 m；外側一排選用月季和連翹，株距1.5 m。排水溝靠近陡崖內側種植檜柏177 株，種植爬山虎354 株。

5 應用效益分析

光伏提水灌溉技術利用太陽能發電來驅動水泵，將深埋地下的深層地下水源不斷的泵送至指定位置，解決了礦山生態修復中的缺水問題。該技術的應用使礦山復綠工程的后期植被灌溉養護有了保障，提高了礦區植被覆蓋率及礦山生態修復的效果。同時，該技術的應用也帶來了顯著的經濟、社會效益，主要體現在減排、優化能源結構、降低勞動強度、提高復綠植被成活率等方面。

（1）經濟效益：經實驗證明，該項目使用光伏提水技術后，在前期投資中與傳統電力系統相比可以節省接近3/4的成本。從運行成本來看，傳統電力系統成本是光伏提水系統的5.4倍。從提水成本來看，運行10年后的成本光伏提水可以降低到1 000 元/t。

（2）節能減排效益：光伏提水技術與傳統的電力、水泵相比，能減少溫室氣體排放和對自然環境的污染。并且，該技術充分利用當地豐富的太陽能資源，提高了可再生能源發電量所占比重，優化了電源結構。

6 結 語

研究小組以山東省棗莊市山亭區徐莊鎮幸福莊村工礦廢棄地復墾利用試點項目為例，實踐證明光伏提水灌溉技術可有效解決礦山生態修復中的植被缺水問題，節約前期成本，提高礦區生態環境治理效果。但在礦山復綠過程中，還需解決以下問題：（1）光伏提水灌溉技術受時間和天氣條件影響大，出水量不穩定，導致部分時間滴灌壓力不足，所以還需增加自動控制系統，以增加系統的適應性[9]。（2）光伏提水灌溉系統在無需灌溉期間，因無儲蓄電池，造成資源的部分浪費，可以考慮與附近灌區聯合設計，充分利用光伏提水灌溉資源。（3）光伏提水灌溉系統的運行需要人工現場維護，可以考慮配套光伏提水滴灌自動化控制系統，做到自動智能控制[10]。