水肥一體化技術在邊坡生態修復中的應用

陳 雪，梁 偉

(貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴陽 550002)

1 邊坡生態治理技術的發展

工程建設中，邊坡植被恢復是邊坡治理的重點和難點，日本和歐美等發達國家經過幾十年研究探索，已經形成各自植被護坡技術的基礎理論和技術方案。國內關于邊坡生態恢復的研究起步較晚，20世紀90年代以后才開始開展邊坡生態恢復的系統研究。目前邊坡防護技術已從傳統的工程措施發展為工程措施與植物措施相結合，主要采用的方式有鋪草皮、植生袋、三維植被網護坡、種植香根草籬、土工格室、漿砌片石骨架、噴播等。在現有邊坡生態恢復技術中，噴播是一種有效手段，可以實現無土邊坡的植被恢復。原理是將含有種子的人工基質用改進后的干噴機或濕噴機攪拌后噴射到坡面，基質中的黏結材料使基質有效附著在坡面上，待基質中的種子發芽生長，實現邊坡植被恢復[1]。

2 邊坡生態修復存在的問題

由于噴播技術機械化程度高，可大面積快速恢復植被，適應性廣，在人工難以施工的區域建設植被，該技術已廣泛應用到工程建設中，尤其是采用高次團粒噴播后效果較好。但是對于高陡硬質巖和混凝土邊坡，在實施半年后，大部分邊坡出現植被退化的情況，造成這一情況的主要原因是噴播基質與土壤的物質交換被阻斷，雖然噴播基質有一定的養分，但基質層較薄，養分含量有限，雨季邊坡受雨水沖刷后造成土壤和養分流失，夏季陽光暴曬易造成基質層水分蒸發，長此以往，基質層土壤干旱板結、肥力下降，無法做到持續性供給養分，往往在植被群落還未穩定的情況下，養分已流失殆盡，植被快速退化[2]。

3 水肥一體化技術與邊坡治理的結合

為解決邊坡植被退化的問題，維持植被群落生長和穩定，目前采取的方法主要有增加基質厚度、鋪掛緩釋營養棒、鉆物質交換孔等，但往往代價較大，保證率低，性價比不高。

借鑒農業、園藝領域的噴灌、微灌技術，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，并按時或按需進行隨水施肥灌溉，可以有效解決邊坡植被退化的問題，是邊坡生態修復中一個值得研究的方向。

水肥一體化技術是節水灌溉與隨水施肥融為一體的農業新技術。水肥一體化是借助水泵系統(或地形自然落差)，將可溶性肥料和藥劑等按土壤養分含量、不同植物種類的需肥規律、植物不同生長期需水量，配兌成肥液與灌溉水一起均勻融合，通過管道輸送，噴頭或滴頭進行灌溉，按相應的灌溉頻次、時間和需水量浸潤土壤，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。常見系統設備見下圖1。

圖1 水肥一體化系統示意圖

4 一體化技術在夾巖水利樞紐中的應用

4.1 邊坡現狀

夾巖水利樞紐位于長江流域烏江一級支流六沖河中游，為一在建大型水庫，大壩采用面板堆石壩，大壩建設開挖形成了左、右壩肩大邊坡，大壩左、右壩肩邊坡高達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噴播的方法建設植被，通過現場查看，部分邊坡植被出現退化現象，為保證后期壩坡景觀和邊坡植被建群效果及景觀協調性，決定采用水肥一體化技術。

4.2 設計思路

4.2.1 片區劃分

為使水肥一體化系統在工作時能滿足不同地塊需水量，降低水泵功率，優化系統配置，降低工程造價，需要劃分不同的灌溉片區，使各個片區獨立工作。根據夾巖樞紐區邊坡區塊分布位置、灌溉面積大小等情況，將其劃分為五個獨立片區(圖2)，大壩壩坡劃分為B、C兩個片區、左右壩肩劃分為A、D、E三個片區。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置樞紐系統，左右互不影響，右岸首部樞紐控制A、B片區，左岸首部樞紐控制C、D、E片區。對于邊坡較高，水頭需求較大的壩肩邊坡，設置二級泵。

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。各片區灌溉方式見表1。

表1 各片區灌溉方式表

圖2 夾巖水利樞紐水肥一體化系統布置示意圖

4.2.3 灌溉噴頭選擇

根據不同片區不同的灌溉方式，選擇不同的噴頭，噴灌區域需要出水量大，射程遠的噴頭，微噴灌區域需要流量較小，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)采用美國雨鳥5004型噴頭，工作壓力0.20MPa，額定流量0.28m3/h，射程10.2m，灌溉強度5mm/h，噴頭起布距離5m，間距10m；

2)微噴灌(A、D、E片區)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算各個片區的流量和各個噴頭所需的壓力，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)分干管垂直等高線布置，壩后坡面(B、C區)分干管沿大壩兩側邊緣向下布置，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，管道應布置在噴播基質之上，在坡面上用拉爆膨脹螺絲安裝管卡，再固定管道。支管進口設電磁閥，與首部樞紐自動化控制設備匹配，計算整個系統所需要的水頭，確定水泵選型，并使用自動化控制設備分別控制左、右岸的分干管依次實行輪灌。

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系統能否順利運行的關鍵，若各個噴頭末端壓力值超過系統允許的最大壓力值，可能造成噴頭損壞或者支管爆裂，若壓力值過小，則噴頭不會噴水灌溉。因此，需要根據各個噴頭、支管、分干管等所處的位置、長度等情況，考慮水頭損失，通過水力計算，確定各端口所需水頭。

與農業、園藝項目多為平緩地帶，安裝水肥一體化系統基本不用考慮高程差相比，夾巖水利樞紐各個邊坡高差最大達80m，也就造成水肥一體化系統本身內部就會有80m的水頭差。例如，當坡頂位置噴頭的壓力滿足額定灌溉壓力(約0.29MPa)時，坡底噴頭的壓力(約1.09MPa)大大超過了系統允許的水頭偏差，因此還要考慮系統自身水頭的影響，通過計算整個系統中各個位置所需壓力，在滿足最不利位置的噴頭所需壓力后，在其余超過系統允許壓力值的支管進口處設置減壓閥，并按壓力設計值調節壓力以滿足系統正常運行。分干管、干管亦按此要求進行計算并設置減壓閥。夾巖水利樞紐部分管道安裝參數見下表2。

表2 管道安裝參照表

4.2.6 灌溉制度

根據植物類型、土壤含水率等相關參數分別計算灌水周期、一次灌水延續時間等，通過計算后，本工程的灌溉制度如下：

1)發芽期，無降雨情況下每天實行灌溉，每次灌溉持續時間如下表3。

表3 每次灌溉時間參照表

2)除發芽期外，每年在凍前、早春、春旱、夏旱、入秋進行補充灌溉，每年約10-20次，并在春秋兩季隨水施肥。灌溉時間最少應間隔2天，每次灌溉持續時間按表3要求進行。表3根據經驗列出了每年灌溉時間和次數，供養護中參考。

表4 灌溉頻次參照表

4.3 結論

在高陡硬質巖和混凝土邊坡生態修復時，物質交換被阻斷，噴播基質養分有限且得不到持續補充，造成植被退化。采用水肥一體化技術可以有效解決邊坡持續供養問題，代替目前常用的增加基質厚度、鋪掛緩釋營養棒、鉆物質交換孔等方法，以降低工程造價，提高保證率。但是在高邊坡上實施灌溉技術，壓力控制是關鍵，對設計要求較高。另外，邊坡分布復雜的工程灌溉單元較多，實現輪灌是人力不可及的，需要高水平的自動化控制。諸如此類問題，還需要進一步的實踐和研究。