滴灌技术在矿山环境治理项目中的应用研究

李金刚，张锦灵，赵 丹，袁正刚

（河南省地质矿产勘查开发局第五地质勘查院，河南郑州 450001）

1 项目概况

本科研项目位于新乡市凤泉区凤凰山矿山公园（青龙山）矿山环境项目区内，项目区处于中纬度地带，属于暖温带大陆性半干旱半湿润季风型气候。年平均气温14℃；7月最热，平均27.3℃；1月最冷，平均0.2℃；最高气温42.7℃(1951年6月20日)，最低气温-21.3℃(1951年1月13日)。年均湿度68%，最大冻土深度280mm。

项目区年平均降雨656.3mm，最大降雨量1168.4mm(1963 年)，最小降雨量241.8mm(1997 年)，最大积雪厚度395mm（2009年），年蒸发量1748.4mm。6~9月份降水量最多，为409.7mm，占全年降水的72%，且多暴雨。无霜期220d，全年日照时间约2400h。

选取典型试验地块7200m2，分别开展滴灌和常规灌溉方式试验。试验区土壤为中壤土，土壤肥力基本一致，土层厚度约1.5~2.0m，地形较为平坦，种植植物为梨树，种植密度为3m×4m。试验期间除灌水外田间管理措施保持一致。灌溉水源为新乡青龙山项目区内机井，距离试验区直线距离800m 左右，井深560m，抽水实验结果表明出水量40m3/h，水质良好。采样潜水泵抽水，潜水泵型号为200QJ40-221。

2 交通位置

本项目位于凤凰山青龙山一带，治理区东临分将池村，南距新乡市区约10.00km，东、南距南水北调工程约2.50km，107 国道、京广铁路、京珠高速公路、荷宝高速公路等主要交通干线从项目区附近通过，治理区内有村庄道路及采矿道路相通，交通较为便利。

3 项目设计

滴灌系统包括水源（井水）—干管—计量装置（水表）—网式过滤器—支管—毛管—滴头等。

管道布置和安装采用三级式，即干管、支管和毛管。毛管直接安装在支管上，支管接干管。毛管与种植行平行布置，支管垂直于种植行。干管的与支管垂直，与毛管平行。为减少水头沿程损失，降低能耗，管道系统中支管、毛管以优化方式采用梳型方式布置，目的是达到操作管理方便、系统投资和运行费用最低的效果。

滴头流量2L/h，以土壤水分作为灌溉控制指标，每次灌水记录灌水量及灌水时间。

常规灌溉试验采用水罐车拉水人工浇灌养护，人工浇水过程中控制水带出水量，以免造成水土流失及土壤冲刷，以植物长势作为灌溉控制指标，每次灌水记录灌水量、灌水时间及投入等。梨树栽后24h内及时浇第一遍透水，并进行苗木的扶直整理工作，对苗木支撑进行修整和修改。梨树种植后定期养护，养护过程中根据天气情况和土壤水分状况以及苗木本身的需水量，适时浇水，每次浇水要确保浇透。

收集两种不同灌溉方式在成本投入、节水效益、省工效益及绿化成效数据并进行整理分析。

4 施工依据和标准

（1）《滴灌技术在矿山环境治理中的应用研究设计书》；

（2）《喷灌与微灌工程技术管理规范》（SL236-1999）；

（3）《喷灌工程技术规范》（GBJ85-85）；

（4）《节水灌溉技术规范》SL207-98。

5 设备选型、安装及使用

5.1 设备选型

滴灌系统包括水源（井水）—干管—计量装置（水表）—网式过滤器—支管—毛管—滴头。详见图1滴灌系统示意图。

图1 滴灌系统安装示意图

（1）水源：项目区内有机井,井深560m，单井涌水量40m3/h。

（2）干管：各个种植区都预留有露出地面的立管HDPE（D32mm）。

（3）网式过滤器：过滤器内装有两层网钢丝过滤筛，滤除水中苔藓、杂物等，是保持水质清洁，防止滴头和毛管堵塞，使滴灌系统正常运行的重要部件。

（4）支管、毛管：支管材料选用直径为32mm低密度聚乙烯管材，毛管选用直径为16mm的滴灌管。

（5）滴头：滴头是滴灌系统中的主要组成部分之一，滴头为螺帽式，滴头流量2L/h。

5.2 滴灌系统的安装

（1）布毛管，将毛管安装在转盘上，1人拉着毛管沿着果树行向前，一人拉着毛管转盘，毛管拉到该行果树的另一端时从这一端将毛管剪断，一端接入干管一端进行封堵处理。重复之前的动作。直至毛管布满该区域。

（2）布干管，干管垂直于毛管布置，干管与每根毛管连接处设置一个阀门。以便于后期养护管理使用。

（3）安装滴头，沿毛管布置路线，安照实际种植株距布置滴头，安装滴头时，用专用的锥头在毛管上靠近果树根部的位置钻眼，然后将滴头安装在毛管上，然后将毛管固定在树的根部，并将滴头朝向该树的根部。以此类推，安装好所有的滴头。

（4）连接管网。干管布置完毕时，使其与该区域的绿化管网连接，在干管和绿化管网之间安装止水阀门和过滤装置，并防止有异物堵塞毛管和滴头。

5.3 滴灌系统的使用

滴灌系统布置完毕后（见图2），就可以安排专人进行灌溉，通常每一个独立的种植区域安排一人即可。灌溉时先打开每一条毛管上的控制阀，然后再打开干管上的控制阀，最后打开该区域绿化用水管道上控制阀即可。在灌溉过程中，需要巡视检查每个滴斗的情况。防止滴头堵塞。灌溉结束后（见图3），关闭阀门的顺序和开始的顺序相反，要先关该区域绿化用水管道上控制阀，再关闭干管上的阀门，最后关闭每条毛管上的阀门。

图2 滴灌安装效果图

图3 滴灌灌溉效果图

5.4 使用注意事项

（1）不能自行拆掉过滤装置,不能在任意位置自行打孔安装其它装置;过滤系统是维护滴灌系统正常工作的关键,要经常检查过滤器的状况及时消洗过滤网,发现滤网破损时要及时更换。

（2）根据水质情况定期检査管道,特别是毛管,以防系统内淤泥沉淀。铺设完管道后应试水检查各路支管及毛管是否有裂口或者有破损并及时更换有损坏的管子。

（3）滴灌系统需要通过精心维护以发挥最优性能，保证设备水流的畅通。在日常浇灌过程中，应加强巡查，检查滴头的情况。以防止滴头堵塞或损坏影响浇灌质量。

6 滴灌参数的确定

6.1 设计参数

作物的设计日耗水强度为5.0mm/d，土壤湿润比P≥25%，灌溉水利用系数η=0.95。

6.2 灌溉管理制度

滴灌作为一种先进的灌溉方式，必须配以先进的灌水技术才能发挥其优越性。灌水技术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点、灌水定额、灌水时间、灌水次数等等。

（1）在土壤、作物、大气、蒸腾等诸多因素综合作用下，梨树的日平均蒸发量为5mm/d。

（2）本次试验灌水周期取7d，每次灌水时间为8h。试验期间根据天气情况和土壤水分状况以及苗木本身的需水量适时调整。由于本试验地块面积较小，因此本试验地块采用续灌的工作制度。

7 试验数据分析

为方便数据的采集和分析，在工作中将试验地块进行编码，分别为1号地块、2号地块。其中1号地块采用滴灌技术进行养护，2号地块采用常规养护方式进行养护。

7.1 成本效益分析

（1）养护成本（详见图4）：

图4 成本用量示意图

1 号地块一年养护成本：43926 元（分担的管网费用：3600×8.8=31680元；滴灌材料及安装费用：5000元；养护人工及水费：7246元）。

2号地块一年养护成本：29720元（养护人工及水费15920元；水罐车租赁费：23×600=13800元）。

（2）成本对比分析：

1号地块成本增加额：43926-29720=14206元；

1号地块成本增加率：14206/29720=47.7%。

7.2 节水效益、省工效益分析

（1）养护用水统计如表1所示。

表1 1号、2号地块用水统计表

（2）养护人工及用水量（详见表1和图5）：

图5 用水量示意图

1 号地块养护人工及用水量：25 人工，安装10 人工；用水123.100t/a。

2号地块养护人工及用水量：75人工，用水460t/a，水费：1000元。

（3）节水效益：

1号地块节水额：460-123.100=336.9（t）；

1号地块节水率：336.9/460=73.2%。

（4）省工效益：

1号地块省工额：75-35=40（人工）；1号2号地块用工量见图6。

图6 用工量示意图

1号地块省工率：40/75=53.3%。

7.3 树木成活率（详见图7）

图7 成活率示意图

1 号地块梨树总数336 棵，死亡16 棵。成活率(336-16)/336=95.2%；

2 号地块梨树总数336 棵，死亡35 棵。成活率(336-47)/336=86.0%；

1号地块提高树木成活率：95.2%-86.0%=9.2%。

8 试验结论

本滴灌系统运行1 年以来运行稳定，性能可靠，有效改善了种植物的灌溉条件，提高了灌溉节水省工的应用效果，提高了树木成活率。

（1）成本方面：由以上数据我们可以看到，滴灌养护比常规养护成本多14206元，多支出47.7%。但这只是一年养护期的养护成本，在滴灌养护成本组成中可以看出，滴灌管材及安装在其总成本中占很大比例，由于时间因素限制，本项目的工期只有一年，由成本方面的数据可以推算出，第二年两个成本接近，第三年滴灌的成本才比常规养护成本大幅下降，成本优势明显。而滴灌的管材使用寿命一般为5年以上，矿山环境治理项目养护期一般为3年。滴灌管材的使用寿命完全满足矿山环境治理项目养护期的需要。也就是说从整个项目养护期来看，使用滴灌进行养护的成本是低于使用常规养护的成本的。

（2）节水方面：由以上数据可以看到，滴灌养护比常规养护节水73.2%。

（3）省工方面：由以上数据可以看到，滴灌养护比常规养护省工53.3%。

（4）成活率方面：由以上数据可以看到，滴灌养护比常规养护树木成活率提高9.2%。

通过以上分析数据，可以看出滴灌技术应用在矿山环境治理项目中是可行的，具有非常广阔的推广前景。矿山环境治理项目，大多位于矿区，缺水少路。采用常规的灌溉模式往往浪费水资源和人力，而且成活率不高。而采用滴灌能很好地解决这一问题。矿山环境治理项目在养护过程中使用滴灌技术使得养护用水量和养护用工有了很大程度的降低，并且提高了种植物的成活率，从而降低了养护成本，在一定程度上增加了项目的收益水平，同时可以将节约的水资源用于其他产业的发展，提高了水资源利用率，创造了更高的经济效益和社会效益。

由于本文所依托的项目只有一年时间，实验数据只有一年的数据，无法对滴灌在整个养护期的情况进行准确的分析评价，在今后的科研项目中有必要对滴灌技术在矿山环境治理项目中的应用进行连续的试验，采集整个养护期的试验数据，对其在矿山环境治理绿化养护过程中的实用性做进一步的研究。

9 建议

（1）在以后类似的矿山环境治理项目设计中，要考虑后期的养护配套问题，如果项目的通水通电条件较为便利的话。可以设计养护机井、管道及滴灌。

（2）在通水通电条件困难的项目上，可以设计无需水电的自压式滴灌，即在山上一定高度安装储水池或储水罐，利用自身的高差获取滴灌压力。储水池及储水罐要做好安全防护。

（3）滴头堵塞是目前滴灌使用中最主要的问题。引起堵塞的原因主要有：部分系统上没有设置过滤器，有的虽然设置了过滤器，但管理人员为图方便，弃之不用，使水中的泥砂等杂质进入系统，使滴头堵塞；大部分蓄水池或沉淀池上无加盖，长期经太阳照射，易于在池中产生藻类等微生物，这些微生物在运行中随水进入系统，使滴头堵塞；滴灌系统在安装过程中，常在管道上用钻头打孔，在打孔中会产生大小不等的颗粒，若在系统运行时不及时把各级管道末端堵头打开冲洗，也会造成滴头堵塞。

（4）为了充分发挥滴灌效益，延长滴灌使用寿命，必须注意以下几个问题：在滴灌系统中应设置过滤器，在每次系统开始运行时，打开过滤器上开关，冲洗过滤器重点杂质。经常打开过滤器检查滤网是否破损，如有破损及时更换；对蓄水池加盖，防止太阳照射池中产生藻类等微生物；经常在系统运行时打开滴灌管末端堵头排水，以排除沉积在系统中的沉积物；系统安装好后，在调试时，应打开系统各级管道末端堵头，冲洗安装过程中打孔产生的颗粒杂质。