滴灌技術在礦山環境治理項目中的應用研究

李金剛，張錦靈，趙 丹，袁正剛

（河南省地質礦產勘查開發局第五地質勘查院，河南鄭州 450001）

1 項目概況

本科研項目位于新鄉市鳳泉區鳳凰山礦山公園（青龍山）礦山環境項目區內，項目區處于中緯度地帶，屬于暖溫帶大陸性半干旱半濕潤季風型氣候。年平均氣溫14℃；7月最熱，平均27.3℃；1月最冷，平均0.2℃；最高氣溫42.7℃(1951年6月20日)，最低氣溫-21.3℃(1951年1月13日)。年均濕度68%，最大凍土深度280mm。

項目區年平均降雨656.3mm，最大降雨量1168.4mm(1963 年)，最小降雨量241.8mm(1997 年)，最大積雪厚度395mm（2009年），年蒸發量1748.4mm。6~9月份降水量最多，為409.7mm，占全年降水的72%，且多暴雨。無霜期220d，全年日照時間約2400h。

選取典型試驗地塊7200m2，分別開展滴灌和常規灌溉方式試驗。試驗區土壤為中壤土，土壤肥力基本一致，土層厚度約1.5~2.0m，地形較為平坦，種植植物為梨樹，種植密度為3m×4m。試驗期間除灌水外田間管理措施保持一致。灌溉水源為新鄉青龍山項目區內機井，距離試驗區直線距離800m 左右，井深560m，抽水實驗結果表明出水量40m3/h，水質良好。采樣潛水泵抽水，潛水泵型號為200QJ40-221。

2 交通位置

本項目位于鳳凰山青龍山一帶，治理區東臨分將池村，南距新鄉市區約10.00km，東、南距南水北調工程約2.50km，107 國道、京廣鐵路、京珠高速公路、荷寶高速公路等主要交通干線從項目區附近通過，治理區內有村莊道路及采礦道路相通，交通較為便利。

3 項目設計

滴灌系統包括水源（井水）—干管—計量裝置（水表）—網式過濾器—支管—毛管—滴頭等。

管道布置和安裝采用三級式，即干管、支管和毛管。毛管直接安裝在支管上，支管接干管。毛管與種植行平行布置，支管垂直于種植行。干管的與支管垂直，與毛管平行。為減少水頭沿程損失，降低能耗，管道系統中支管、毛管以優化方式采用梳型方式布置，目的是達到操作管理方便、系統投資和運行費用最低的效果。

滴頭流量2L/h，以土壤水分作為灌溉控制指標，每次灌水記錄灌水量及灌水時間。

常規灌溉試驗采用水罐車拉水人工澆灌養護，人工澆水過程中控制水帶出水量，以免造成水土流失及土壤沖刷，以植物長勢作為灌溉控制指標，每次灌水記錄灌水量、灌水時間及投入等。梨樹栽后24h內及時澆第一遍透水，并進行苗木的扶直整理工作，對苗木支撐進行修整和修改。梨樹種植后定期養護，養護過程中根據天氣情況和土壤水分狀況以及苗木本身的需水量，適時澆水，每次澆水要確保澆透。

收集兩種不同灌溉方式在成本投入、節水效益、省工效益及綠化成效數據并進行整理分析。

4 施工依據和標準

（1）《滴灌技術在礦山環境治理中的應用研究設計書》；

（2）《噴灌與微灌工程技術管理規范》（SL236-1999）；

（3）《噴灌工程技術規范》（GBJ85-85）；

（4）《節水灌溉技術規范》SL207-98。

5 設備選型、安裝及使用

5.1 設備選型

滴灌系統包括水源（井水）—干管—計量裝置（水表）—網式過濾器—支管—毛管—滴頭。詳見圖1滴灌系統示意圖。

圖1 滴灌系統安裝示意圖

（1）水源：項目區內有機井,井深560m，單井涌水量40m3/h。

（2）干管：各個種植區都預留有露出地面的立管HDPE（D32mm）。

（3）網式過濾器：過濾器內裝有兩層網鋼絲過濾篩，濾除水中苔蘚、雜物等，是保持水質清潔，防止滴頭和毛管堵塞，使滴灌系統正常運行的重要部件。

（4）支管、毛管：支管材料選用直徑為32mm低密度聚乙烯管材，毛管選用直徑為16mm的滴灌管。

（5）滴頭：滴頭是滴灌系統中的主要組成部分之一，滴頭為螺帽式，滴頭流量2L/h。

5.2 滴灌系統的安裝

（1）布毛管，將毛管安裝在轉盤上，1人拉著毛管沿著果樹行向前，一人拉著毛管轉盤，毛管拉到該行果樹的另一端時從這一端將毛管剪斷，一端接入干管一端進行封堵處理。重復之前的動作。直至毛管布滿該區域。

（2）布干管，干管垂直于毛管布置，干管與每根毛管連接處設置一個閥門。以便于后期養護管理使用。

（3）安裝滴頭，沿毛管布置路線，安照實際種植株距布置滴頭，安裝滴頭時，用專用的錐頭在毛管上靠近果樹根部的位置鉆眼，然后將滴頭安裝在毛管上，然后將毛管固定在樹的根部，并將滴頭朝向該樹的根部。以此類推，安裝好所有的滴頭。

（4）連接管網。干管布置完畢時，使其與該區域的綠化管網連接，在干管和綠化管網之間安裝止水閥門和過濾裝置，并防止有異物堵塞毛管和滴頭。

5.3 滴灌系統的使用

滴灌系統布置完畢后（見圖2），就可以安排專人進行灌溉，通常每一個獨立的種植區域安排一人即可。灌溉時先打開每一條毛管上的控制閥，然后再打開干管上的控制閥，最后打開該區域綠化用水管道上控制閥即可。在灌溉過程中，需要巡視檢查每個滴斗的情況。防止滴頭堵塞。灌溉結束后（見圖3），關閉閥門的順序和開始的順序相反，要先關該區域綠化用水管道上控制閥，再關閉干管上的閥門，最后關閉每條毛管上的閥門。

圖2 滴灌安裝效果圖

圖3 滴灌灌溉效果圖

5.4 使用注意事項

（1）不能自行拆掉過濾裝置,不能在任意位置自行打孔安裝其它裝置;過濾系統是維護滴灌系統正常工作的關鍵,要經常檢查過濾器的狀況及時消洗過濾網,發現濾網破損時要及時更換。

（2）根據水質情況定期檢査管道,特別是毛管,以防系統內淤泥沉淀。鋪設完管道后應試水檢查各路支管及毛管是否有裂口或者有破損并及時更換有損壞的管子。

（3）滴灌系統需要通過精心維護以發揮最優性能，保證設備水流的暢通。在日常澆灌過程中，應加強巡查，檢查滴頭的情況。以防止滴頭堵塞或損壞影響澆灌質量。

6 滴灌參數的確定

6.1 設計參數

作物的設計日耗水強度為5.0mm/d，土壤濕潤比P≥25%，灌溉水利用系數η=0.95。

6.2 灌溉管理制度

滴灌作為一種先進的灌溉方式，必須配以先進的灌水技術才能發揮其優越性。灌水技術主要指合理的灌水制度，包括不同作物、不同生育期的灌水起點、灌水定額、灌水時間、灌水次數等等。

（1）在土壤、作物、大氣、蒸騰等諸多因素綜合作用下，梨樹的日平均蒸發量為5mm/d。

（2）本次試驗灌水周期取7d，每次灌水時間為8h。試驗期間根據天氣情況和土壤水分狀況以及苗木本身的需水量適時調整。由于本試驗地塊面積較小，因此本試驗地塊采用續灌的工作制度。

7 試驗數據分析

為方便數據的采集和分析，在工作中將試驗地塊進行編碼，分別為1號地塊、2號地塊。其中1號地塊采用滴灌技術進行養護，2號地塊采用常規養護方式進行養護。

7.1 成本效益分析

（1）養護成本（詳見圖4）：

圖4 成本用量示意圖

1 號地塊一年養護成本：43926 元（分擔的管網費用：3600×8.8=31680元；滴灌材料及安裝費用：5000元；養護人工及水費：7246元）。

2號地塊一年養護成本：29720元（養護人工及水費15920元；水罐車租賃費：23×600=13800元）。

（2）成本對比分析：

1號地塊成本增加額：43926-29720=14206元；

1號地塊成本增加率：14206/29720=47.7%。

7.2 節水效益、省工效益分析

（1）養護用水統計如表1所示。

表1 1號、2號地塊用水統計表

（2）養護人工及用水量（詳見表1和圖5）：

圖5 用水量示意圖

1 號地塊養護人工及用水量：25 人工，安裝10 人工；用水123.100t/a。

2號地塊養護人工及用水量：75人工，用水460t/a，水費：1000元。

（3）節水效益：

1號地塊節水額：460-123.100=336.9（t）；

1號地塊節水率：336.9/460=73.2%。

（4）省工效益：

1號地塊省工額：75-35=40（人工）；1號2號地塊用工量見圖6。

圖6 用工量示意圖

1號地塊省工率：40/75=53.3%。

7.3 樹木成活率（詳見圖7）

圖7 成活率示意圖

1 號地塊梨樹總數336 棵，死亡16 棵。成活率(336-16)/336=95.2%；

2 號地塊梨樹總數336 棵，死亡35 棵。成活率(336-47)/336=86.0%；

1號地塊提高樹木成活率：95.2%-86.0%=9.2%。

8 試驗結論

本滴灌系統運行1 年以來運行穩定，性能可靠，有效改善了種植物的灌溉條件，提高了灌溉節水省工的應用效果，提高了樹木成活率。

（1）成本方面：由以上數據我們可以看到，滴灌養護比常規養護成本多14206元，多支出47.7%。但這只是一年養護期的養護成本，在滴灌養護成本組成中可以看出，滴灌管材及安裝在其總成本中占很大比例，由于時間因素限制，本項目的工期只有一年，由成本方面的數據可以推算出，第二年兩個成本接近，第三年滴灌的成本才比常規養護成本大幅下降，成本優勢明顯。而滴灌的管材使用壽命一般為5年以上，礦山環境治理項目養護期一般為3年。滴灌管材的使用壽命完全滿足礦山環境治理項目養護期的需要。也就是說從整個項目養護期來看，使用滴灌進行養護的成本是低于使用常規養護的成本的。

（2）節水方面：由以上數據可以看到，滴灌養護比常規養護節水73.2%。

（3）省工方面：由以上數據可以看到，滴灌養護比常規養護省工53.3%。

（4）成活率方面：由以上數據可以看到，滴灌養護比常規養護樹木成活率提高9.2%。

通過以上分析數據，可以看出滴灌技術應用在礦山環境治理項目中是可行的，具有非常廣闊的推廣前景。礦山環境治理項目，大多位于礦區，缺水少路。采用常規的灌溉模式往往浪費水資源和人力，而且成活率不高。而采用滴灌能很好地解決這一問題。礦山環境治理項目在養護過程中使用滴灌技術使得養護用水量和養護用工有了很大程度的降低，并且提高了種植物的成活率，從而降低了養護成本，在一定程度上增加了項目的收益水平，同時可以將節約的水資源用于其他產業的發展，提高了水資源利用率，創造了更高的經濟效益和社會效益。

由于本文所依托的項目只有一年時間，實驗數據只有一年的數據，無法對滴灌在整個養護期的情況進行準確的分析評價，在今后的科研項目中有必要對滴灌技術在礦山環境治理項目中的應用進行連續的試驗，采集整個養護期的試驗數據，對其在礦山環境治理綠化養護過程中的實用性做進一步的研究。

9 建議

（1）在以后類似的礦山環境治理項目設計中，要考慮后期的養護配套問題，如果項目的通水通電條件較為便利的話?？梢栽O計養護機井、管道及滴灌。

（2）在通水通電條件困難的項目上，可以設計無需水電的自壓式滴灌，即在山上一定高度安裝儲水池或儲水罐，利用自身的高差獲取滴灌壓力。儲水池及儲水罐要做好安全防護。

（3）滴頭堵塞是目前滴灌使用中最主要的問題。引起堵塞的原因主要有：部分系統上沒有設置過濾器，有的雖然設置了過濾器，但管理人員為圖方便，棄之不用，使水中的泥砂等雜質進入系統，使滴頭堵塞；大部分蓄水池或沉淀池上無加蓋，長期經太陽照射，易于在池中產生藻類等微生物，這些微生物在運行中隨水進入系統，使滴頭堵塞；滴灌系統在安裝過程中，常在管道上用鉆頭打孔，在打孔中會產生大小不等的顆粒，若在系統運行時不及時把各級管道末端堵頭打開沖洗，也會造成滴頭堵塞。

（4）為了充分發揮滴灌效益，延長滴灌使用壽命，必須注意以下幾個問題：在滴灌系統中應設置過濾器，在每次系統開始運行時，打開過濾器上開關，沖洗過濾器重點雜質。經常打開過濾器檢查濾網是否破損，如有破損及時更換；對蓄水池加蓋，防止太陽照射池中產生藻類等微生物；經常在系統運行時打開滴灌管末端堵頭排水，以排除沉積在系統中的沉積物；系統安裝好后，在調試時，應打開系統各級管道末端堵頭，沖洗安裝過程中打孔產生的顆粒雜質。