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摘要 ：目前，喷灌技术在国内外已有较大的发展，但主要应 用在园林、道路等日常园林绿化中， 对废弃矿山边坡进行生态恢 复的应用较少。本文以喷灌技术在江苏省连云港市马涧通道边 坡生态修复项目中的应用为例， 对喷灌技术的原理、技术特点及 实际应用进行了分析。研究结果表明， 应用喷灌技术进行废弃矿 山边坡的生态复垦，其优点、缺点及需要，对同类工程具有一定 的借鉴意义。
关键词 ：喷灌技术,矿山边坡,生态恢复
近年来，由于国家积极推进生态修复，因此，废弃矿山边坡 的生态修复变得尤为重要，并且由于废弃矿山边坡独特的地形 特征，边坡生态修复过程中的养护技术越来越受到重视。在园 林、道路的日常养护种植方面，我们常说“三分种，七分养”，由 此可见护理技术对植物生长的重要性。在国外， 喷灌技术已经发 展比较成熟，在园林绿化、道路美化、农业生产等方面都有很好 的应用。随着矿山边坡生态恢复工程的施工难度越来越大， 针对 边坡的特殊情况，采取科学、合理的养护措施，对现有的喷灌技 术进行了改进和优化， 并根据实际情况， 对喷灌系统进行了设计 和优选。实验证实， 该方法能较好地满足废弃矿山边坡绿化的要 求，解决边坡生态修复工程维护的问题。
1 喷灌技术概述
喷灌技术是将天然落差产生的有压水或采用抽水增压后的 有压水经过管道输送至储罐区域， 然后喷入空气中， 在空气中形 成微小的水珠，然后均匀分布于储罐区域，达到灌溉目的。根据 装置组成， 喷灌系统可分为管道式和机组式两种。管道喷灌系统 有 ：固定式、移动式、半固定式和半移动式 ;机组式喷灌系统有 两种类型 ：轻小型、大中型。
喷灌系统在边坡生态修复上的优越性优于人工灌溉。可以 避免过分地破坏种子和种床， 降低人为和机械损害， 并可在任意 角度和任意方向上进行灌溉(如 ：在陡峭的山坡上，人类很难行 走灌溉) 并且具有很高的均匀性，能有效地控制小斜坡和局部的 水流 ;可调节的性质使得土壤表面的结构不会固化，可以维持 土壤的团状结构，对土壤、水分、气体、热量、营养等生物成分 具有很好的调节作用， 为作物生长创造最好条件 ：节水、省时。
2 喷灌体系的特点
2.1 灌溉系统
喷灌强度是反映喷嘴或喷灌系统喷射品质的一个重要的水力学指标，由于计算时间和计算面积都不会一样，喷水强度、瞬 时喷水强度和平均喷水强度因此也会有所不同，但在实际规划 中，应优先考虑土壤允许的喷水强度， 洒水器喷灌强度控制在土 壤允许强度以内，能使灌水量达到更优吸水要求，允许喷灌强 度是反映土壤渗透性能的一个重要指标，它是一种土壤在接受 水流喷涌时不会有积水或溢流的最大限度，也就是喷灌的最大 喷灌强度需要确保在土地允许强度以内，以确保灌水量达到设 计要求，并且不会出现积水，只要喷灌强度在允许强度以内它 的渗入速率就是恒定的，一般在坡面上是不会出现积水和径流 的，并且属于非饱和土壤的无压入渗过程， 这种入渗过程与地表 有水层的饱和土壤的有压入渗过程不同，存在渗吸速度恒定到 渗吸速度开始下将的过渡点，由于生态修复坡的土层厚度不到 10cm ~ 20cm，大部分都是松软的，因此，当地表径流发生时， 会形成一条沟渠，并且会迅速恶化，因此，在设计时，应将过渡 点对应的土壤渗透率视为最适宜的允许喷灌强度。根据研究显 示，坡度越大，灌溉强度越大，因此坡地的灌溉强度低于平原的 允许灌溉强度。如果喷灌强度低，则过渡点出现较晚，间歇灌溉 比连续灌溉更有效。
2.2 喷灌的均匀性
喷灌水量分配均匀度受因素的影响较大。通常包括喷头、输 水系统、气候和管理四个方面，在边坡生态修复工程中，在保证 环境相同原则下， 必须考虑坡度、垂直倾角等因素对均匀度的影 响。在斜坡上，垂直立管不垂直时，喷嘴向下坡方向加速，转向 上坡时减速，相同区域内的含水量会增大。另外，由于喷水是沿 抛射区的弹道，在重力作用下，它会被带到斜坡上，因为它与喷 嘴的相对落差较小， 所以在实际的喷水过程中， 喷水垂直向上的 水流会更多。A. A. Soares 等发现， 随着喷头角度的增大， 水流的 均匀分布也会随之增加， 这是因为喷头角度越大， 对均匀性的影 响越小。因此，在实际的使用过程中，通常采用竖排或与斜坡相 垂直的方式来调整喷洒的均匀度 ;此外，风速对坡面喷灌的均 匀性影响也很大，不同边坡的形状和位置形成的风强度和风速 也不同， 喷灌的平均系数会随着风俗的增加而增加。
2.3 土壤含水量
虽然在无风的情况下，坡上的灌溉量大于坡下，但在下坡， 土壤的含水量是坡上的 1 倍~ 3 倍。在相同的土层上，相同的土 壤含水量有这么大的差异，这意味着在喷灌后，在山坡上包括 马鞍式和起伏式山坡，会出现水分重新分布现象。这种重新分 布现象出现的结果是，土壤水分从坡顶逐渐增加到坡底。从总体上看， 越靠近坡底植被生长越好， 虽然上坡的水肥和肥料都比 较多， 但是水分蒸发的速度会很快， 水分蒸发会带走土壤内的营 养，导致土壤层薄、贫瘠，不利于作物生长。并且上坡地势高， 受风量大，再加上水分缺失，很容易就会引发旱灾，因此，在相 同水量的情况下(通常会受到水压的影响，下坡的水量大于上坡 的水量)，下坡是从上到下的水肥土，允许水分通过，增加了水 分在土壤中的渗透时间，而且土层厚度(许多复绿工程坡脚都是 回填土)，保水保肥效果好，所以下坡相对于上坡有利于促进植 物的生长。
3 工程施工中喷灌技术的设计与应用
3.1 工程概要
马涧通道位于连云港新浦区东侧，云台山风景名胜区 内，周边有花果山风景区、孔雀沟风景区 ;中心地理位置 ：东 经 119.24166°， 北纬 34.60204°。项目区紧邻徐新公路。边坡 整体由中风化、强风化变粒岩组成，边坡走向为西北 - 东南方 向，整体倾向 206°，岩体中发育绿泥片岩夹层，典型产状为 104° <37°。经过前期的边坡治理工作，马涧通道北侧边坡现 状较规整， 边坡为斜交坡， 含平台在内整体平均坡度约45°。
3.2 建筑技术的设计
(1)工程设计指标。①修复管道主水管为63mm直径镀锌管， 出水管为 50mmPVC 管， 出水管为 32mmPVC 管。②喷嘴采用直 径 15m 的圆式摇臂式喷嘴，喷嘴的间距，喷嘴的高度为 60cm。
③通过闸阀来控制主要的输水管道。④本工程的维护周期为 3a。
(2) 生产过程。清淤、测量、放线、挖沟、铺设管线、安装喷灌系统、冲洗管线、试压管、充填、加固、砌筑水库和试喷。
3.3 施工要点
(1) 根据图纸上所示的位置及方位进行放线。在测量放线 时，要对水泵、管道等进行测量，并确定其轴线的位置、开挖深 度、宽度等。
(2) 挖沟。土方工程以机械和人工方式进行。开挖的土垒应 按 1 ：0.33 的比例浇筑在距沟槽边缘 0.5m 的沟槽一侧，路堤高度 不应超过 1.5m。同时，在开挖沟槽时，为了方便铺设管线，要尽 可能将沟槽挖得越窄越好，这样就能减轻管线的压力和挖掘工 作量 ;沟槽的基坑要尽可能的平坦，在开挖后要及时地进行地 基的填筑， 以防止开挖后的长期暴露。
3.4 管道铺设
3.4.1 布局原理
管网的布放主要取决于斜坡的具体情况，需要遵守如下几 个要点 ：
(1) 输水管线的设置必须能够有效地控制整个坡口，并尽可 能缩短管线的总长度和最少的成本。而且需要最大限度地保证 各个分支管道上的水压均匀， 从而使坡面上的喷灌均匀， 从而避 免喷灌操作的难度。
(2) 在较为陡峭的地形时，主管应沿着主坡的方向，尽可能 缩短道路， 分支管线的长度应该与等高线相同。这能是有效地控 制喷嘴内的水分损失， 使喷嘴内各个位置的水压得以保持。在梯 田中铺设管道时， 应沿梯田横向设置分支管， 从而减小了梯田与 梯田的交会处， 并增设了管道等设施。
(3) 为方便进行喷灌操作，最佳方法是对阀门进行调整。阀 门必须交叉地设置在分支管道的分支上，以便喷射工作是向前 和向后运动。因此， 考虑到人员的锁繁运动活动可能会致使坡面 土壤变松软， 必须在一定程度上采取平缓或开放的方式， 这在很 多生态恢复工程中是很难做到的。当坡度不超过 50m ~ 60m 时， 可以在坡底或坡顶设主管。当坡长超过 100m 时，可以选择一个 具体的位置(比如沿着等高线布置的道路)。这并不像机械耕种 和耕地灌溉那么严格。当某些区域的管网布局较为复杂， 比如供 水不足而不能进行喷洒时， 可以在主要管线上设置连接管， 并与 水管连接， 以便于更好地进行灌溉。
3.4.2 不规则地形的管网布设
(1) 横截面分支管。在斜坡长度不大于 50m ~ 60m、扬程差 小的情况下， 可在满足坡顶和坡脚的条件下， 应选择水平方向的 支管，并与支管平行。该方法既可满足喷淋的需要，又可保证喷 淋系统的可操作性，防止斜坡受到过分的损害。此外，若坡长大 于 100m，在坡面中央较平坦或较空旷处，亦可将坡面分成上下 段， 由支管沿坡中部水平方向布设。
(2) 分支管竖直。在斜坡高度较大的情况下，在支管水平方 向的选择上，应该是竖向的。由于支管管径太窄，给排水用水量 不足，而上、下、高程差大，会使给水压力分布不均匀，从而使 管网压力不均匀， 严重时会发生管道破裂或局部脱落。在这一点 上，宜选用支管布置在垂直方向上， 而支管则与等高线平行。 3.5 复杂地形中的网络布置
在普通的生态修复段，不管是整体的坡型，还是局部的坡 度，都是千差万别， 山峦相连， 沟壑纵横， 局部陡峭。所以， 在坡 面上设置喷灌系统， 通常需要根据坡度、方向的不同而有一定的 规律性， 以山岭为单位， 在最佳的路线或成本造价最低的方式布 置。超过 75°的坡体可以放弃喷灌，原因是在坡度陡峭的情况 下，10层(喷播板) 厚度太小， 粘附性差， 容易导致水分损失， 即 使喷灌系统已经完成， 灌水系统也很难控制， 严重时会导致整个 土体脱落。
3.6 喷头及柱子的安装
喷嘴的分布取决于喷嘴的实际半径。在喷嘴的压力范围内， 水压较高，半径较大，水流量越大。在相同的情况下，低处的喷 水半径比墙架的喷淋半径大，而水源处的喷水半径要比远点的 喷水半径要大。武汉水电所的试验结果显示， 在斜坡低于 5°时， 喷嘴的含水量分布与平面基本一致。在坡度超过 15°时，喷灌 的上坡幅度减小，喷灌强度增大，等喷灌强度线粗化后下降幅 度增大，等喷灌强度线逐渐稀薄，并呈现出桃型分布。适当提高竖管的高度，使其倾角范围扩大，特别是对幅度的影响。有人认 为，在一个陡峭的山坡上，喷嘴不能用来做圆周喷射，喷头按等 腰三角形，间距会比距形布置大，因此，三角形布置比距形布置 好。在边坡生态修复过程中，立柱需要采用硬质柱状材料，并且 需要根据植物种类、灌木生长速率、喷头直径等因素，柱高设计 应该大于 70cm 小于 1.2m，大于 1.2m 时从增加水流从喷头喷出 到整个斜坡上的时间， 相应的湿气会被蒸发， 在有风的环境中更 甚，立柱应该在垂直于斜坡的方向上，而不是在铅直方向上，也 可以同过调整喷头角度来正柱的精密倾斜还可以由喷嘴的高度 来调节立柱的方向。
3.7 灌水装置
(1) 在铺设管线之前，应检查管线的质量证书及合格证书， 其质量是否达到国家相关标准，不合格的物料不得采用。在搬 运、安装过程中，必须轻巧地搬运、搬送，并需要在运输过程中 防止油污、撞击等情况的发生。
(2) 管道施工人员必须对钢管的基本特性有一定的认识，并 掌握使用要点，避免盲目施工。例如，聚氯乙烯塑料管间需要用 特殊的熔接器进行熔接 ;管子和金属零件之间的连接是以螺纹 形式进行的。
(3) 在安装水泵时，必须确保泵的轴与动力机的轴在同一轴 上，然后用同心度仪测量其同心度。
(4) 在喷灌和维护系统中，阀门必须满足设计的要求 ;安装 之前， 阀门必须进行抗压强度测试， 以确认其满足使用要求。
(5) 管路支架必须正确地安装，并与管路紧密接触，并牢固 地固定。
3.8 冲洗管线
整个系统安装完毕后，再进行清洗，清洗工作按阶段进行。 清洗时用高速的水流冲刷管道，将污物排除，防止后期堵塞，冲 出的水没有任何杂质。
3.9 管线压力测试
在试验之前，对试压管线进行有效的固定和安全防护。在封 闭试压管的端部后，在管线中缓慢地注入水，把管道内的气体 抽走，然后在充满水后，检查管道的水密性，如发现有渗漏，需 及时补充。试管应按分段进行， 试验压力应该是常规工况下的两 倍，并在 10min 内维持此压力。
3.10 填筑夯实
经监督检查合格后，可以进行回填。管道埋深时，应分层回 填，通常用沙土或筛土回填。在回填区内，不能含有砾石、砖石等较大的碎石。
3.11 砌筑水库和试喷
为了保证管线的压力和节约水资源，在斜坡上适当的地方 修建水库。充填完毕后，安装喷嘴，进行试喷。在试喷时，要注
意各个喷嘴在正常工作状态下是否能满足喷嘴所能覆盖的区 域，满足设计要求 ;检查喷灌系统是否有任何不正常的现象。
3.12 生态恢复效果
植物在栽植后，经过细心的维护，可获得较好的生态修复效 果。在生态修复前，坡面植被覆盖率不超过 10%，喷施后喷施 3 个月~ 6 个月， 可使植被覆盖率达 80%。
4 喷灌技术在矿山边坡生态修复的应用优缺点
4.1 优势
(1) 在废弃矿山边坡进行生态修复工程时，喷灌技术可以有 效地防止由于客土层喷洒技术对土壤和种子层造成的侵蚀，从 而降低对幼苗的伤害， 提高了相应的种苗成活率。
(2) 实现肥料和水的有机结合。在喷灌期间， 可以将除草剂、 杀虫剂、化肥等有机结合起来， 以达到更好的效果。
(3) 可在任意角度、高陡边坡设置。尤其是在一些复杂的地 区，车辆和人员无法进入的情况下，可以积极采用喷灌技术，以 便更好地达到神态修复的效果。
(4) 喷灌技术具有较为均匀的灌溉面积，能有效地降低土壤 侵蚀和坡面径流 ;能防止坡面结构的板结，在一定时间内维持 土壤的湿度，并维持土壤的团粒结构 ;通过对土壤水分、气体、 热量、养分、微生物等条件的调控，为作物的生长发育提供了必 要的条件。
(5) 资源的节省。相对于传统的人工灌溉，在水资源、劳动 力和机械设备等方面， 可以节省大量的资源。
4.2 缺陷
(1) 喷灌系统前期投入较大。前期的施工， 需要大量的机器、 管线、人工成本投入。
(2) 喷灌技术易受到外部环境的极大干扰，尤其是风速对喷 灌技术的影响更大。在4 级或更高的风速下，对喷灌的效果有一 定的影响。
(3) 边坡地形和生态修复技术的特殊性，使在边坡上布置喷 灌系统要比在地面上布置更为复杂， 这给工程带来了一定的难度。
5 结语
经工程实践表明，尽管目前采用的喷灌技术对废弃矿井边 坡的生态恢复和养护仍有一定的困难，但与传统的人工灌溉相 比，其优越性也是相当显著的。因此，将喷灌技术用于矿山边坡 的生态修复是十分必要的， 尤其对于我国缺水地区， 既能节省水资源又能有效地恢复边坡的生态环境， 有着广阔的发展前景。
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