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摘要 ：矿山高陡掌子面生态修复一直是一个业内难 题，主要是高陡掌子面立地条件差，修复后植被的养护困 难，影响修复效果。治理后植被养护，传统洒水车人工式 养护方式，受到掌子面、取水条件、设备动力等限制，作 业安全风险系数大 ；水资源消耗大，养护成本较高，养护 时易造成水土流失，破坏修复效果。通过修建引水上山系 统、微喷给水系统、自动控制系统，探索一种高陡掌子面 生态修复自动化养护技术， 解决了矿山高陡掌子面修复养 护的痛点。
关键词 ：矿山高陡掌子面 ；生态治理修复 ；养护技术
1 研究背景
党的十八大以来，生态文明建设深入人心，矿山地质 环境恢复治理是生态文明建设的重要一环，历史遗留矿山 环境恢复治理问题突出，难度大，主要体现在部分高陡掌 子面立地条件差， 修复后植被的养护困难， 影响修复效果。
目前，我国矿山生态修复工程中高陡立面绿化工程 部分传统的养护方式主要为洒水车养护（适用相对高差 0 ～ 40m）或人工养护（适用相对高差 40m 以上）、自然养 护。洒水车养护主要利用水泵动力将养护用水喷洒至种植 区域，以满足种植苗木养护要求。其工作原理是发动机动 力传递给取力器、取力器与传动轴连接、传动轴将力传递 给水泵、经水泵加压、水通过喷嘴喷洒出去。因此洒水高 度取决于发动机功率和水泵压力。
人工养护主要利用水泵压力，将养护用水喷洒至种植 区域，以满足种植苗木养护要求。通过将作业人员悬挂在 事先锚固牢固的锚杆上人力控制养护范围，涉及高空作 业，安全风险系数较大。
传统大水漫灌式粗放养护方式，存在以下问题，一是 不同治理修复区域无法做到科学、合理、精准养护，易受 作业人员技能素质差异、作业面限制、取水条件及机械设 备等的不利影响，往往出现局部旱涝现象，苗木成活率较 低，达不到预期养护效果 ；二是水资源消耗大，养护成本 较高，养护效率较低 ；三是大水漫灌形式，对生态修复带 冲刷较大，易造成掌子面水土流失，影响修复质量。尤其 是人工养护方式，还容易存在已经修复工程再破坏现象， 作业安全风险系数大。
本文以张家口市怀来县东八里乡北部矿山立面修复项目工程实践为例， 探索出一种高陡岩质边坡生态修复后 养护方法， 通过工程实践， 效果明显。
2 技术方案
本项目主要特点难点如下 ：矿山采面多为高陡岩质 边坡，相对高差最高处达236m，坡度较陡，最大边坡角度 大于 80°。本项目治理方案结合采面微地貌形态，结合绿 植遮蔽措施，采用多种治理措施相结合，对采面进行综合 治理，难点是高度大于 50m 的治理方案，坡度≥ 70°区域 采用点植绿化，种植景观小乔木、彩色灌木、藤本植物 ； 裂隙、裂缝等区域人工撒播营养土混合灌木种子。
本项目实施的矿山高陡立面生态修复后水肥一体化 自动化养护系统，包括引水池、引水上山系统和微喷给水 系统、自动控制系统 ；引水池设置于山脚 ；引水上山系统 包括至少一条引水上山线路、一台引水泵和至少一个主蓄 水池 ；微喷给水系统包括至少一条微喷给水线路， 一条微 喷给水线路的灌溉范围覆盖一个治理修复区， 治理修复区 的设置高程低于与之相连的所蓄水池的设置高程。
通过引水上山系统可将引水池中的养护用水分级提 升到相应的主蓄水池中。利用微喷给水系统，充分考虑到 了立面绿化养护的特点， 可减小水流对生态修复带的冲刷 作用， 保证了生态修复带施工质量。
微喷给水线路包括灌溉主管和与灌溉支管。
自动控制系统包括仪表检测系统和采集控制系统 ； 仪表检测系统包括用于检测引水池、主蓄水池、副蓄水池 水位的液位计。
采集控制系统连接蓄水池出水总电磁阀、支管电磁阀 和微喷设备 ；采集控制系统用于根据预设程序控制蓄水 池出水总电磁阀、支管电磁阀和微喷设备的工作状态在预 设时间内对治理修复区的所有轮灌区完成一次灌溉。
采用自动控制系统后能够有可能更为严格地控制治 理修复区的养护时间、养护用水量，做到科学、合理、精 准养护， 可保证养护的及时性、有效性， 提高苗木成活率， 因此可解决苗木成活低的问题。
3 项目技术路线
根据项目区总体地形呈北高南低的特点总体地形 呈北高南低的特点，海拔高程在 650m ～ 950m 范围，相对高差约 300m ；且裸露立面陡峻，大部分坡度范围为 35°~ 70°。
3.1 引水上山给水系统
根据治理区域水文地质条件、地下水储量及含水层 分布情况，利用污水处理后的中水作为灌溉、养护主要水 源。根据治理区绿化工程灌溉、养护需水量，结合当地地 形地质条件、坡面径流总量、蓄排关系等，在山脚下合适 地段建立2 座引水池。引水池的水源采用附近污水处理站 处理后所得的中水，中水通过管道输送至山脚下引水池 中，引水池的最大供水量为 100m3/h/ 座。
在引水池附近新建 4 座泵房，每座泵房内设置一套引 水泵，4 套引水泵的编号分别为YS1#、YS2#、YS3#、YS4#。 在高程适当位置处按照既有利于灌溉，又有利于减少管 线铺设、各区之间施工互不干扰的原则，修建 10 座蓄水 池，包括 8 座主蓄水池和2 座副蓄水池，地面绝对标高分 别 为 837.5m、771.0m、755.0m、830.0m、890.0m、780.0m、 750.0m、830.0m、733.0m、800.0m。这 10 座蓄水池同4套引 水泵2组建成四条引水上山线路，分别为第一、第二、第 三和第四引水上山线路，4 条引水上山线路构成引水上山 系统， 具体为 ：
第一引水上山线路。共分为三级提升。包括 1套引水 泵、4 座主蓄水池 3，1 座副蓄水池，2套提升泵。引水泵通过管道与 4 座主蓄水池连接，4 座主蓄水池通过管道组成 主引水线。1# 的主蓄水池与副蓄水池组成副引水线，其 中，2# 的主蓄水池和 4# 的主蓄水池各配置有一套编号分 别为TS1# 和TS2# 的提升泵，用以分别增加向编号为 4# 的 主蓄水池和 5# 的主蓄水池泵水的泵送压力。2# 的主蓄水 池通过引水泵补水，4# 的主蓄水池和 1# 的主蓄水池通过 1# 的提升泵补水，5# 的主蓄水池通过2# 的提升泵补水，3# 的主蓄水池通过2# 的主蓄水池重力补水。
第二引水上山线路。为三级提升。包括 1 套引水泵 2 和 1 座主蓄水池。引水泵通过管道与 6# 的主蓄水池 3 连 接。6# 的主蓄水池通过引水泵补水。
第三引水上山线路。为二级提升。包括 1套引水泵、2 座主蓄水池和 1 座副蓄水池。引水泵通过管道与主蓄水池连接，主蓄水池通过引水泵补水，主蓄水池通过副蓄水池 重力补水。
第四引水上山线路，为一级提升。包括 1套引水泵、1 座主蓄水池。引水泵通过管道与 10# 的主蓄水池（由编号 为XSC-10-1# 和XSC-10-2# 的双联蓄水池组成）连接，10# 的主蓄水池通过引水泵补水。
对于多级提升的引水上山线路来说，采用一级补满后 再补下一级的方式进行补水。待各蓄水池均到达满水位后，可采用重力流系统或加压流系统按轮灌区分别向微喷 给水线路供水。对于一级提升的引水上山线路来说，蓄水 池均到达满水位后， 可采用重力流系统或加压流系统按轮 灌区分别向微喷给水线路供水。其中，引水上山系统中， 管道均采用给水无缝钢管， 管道走向和长度根据图纸比例 确定， 焊接连接， 管道公称压力 3.2MPa。
3.2 微喷给水系统
掌子面区域设置微喷给水系统。系统中主要采用微喷 喷头， 微喷喷头的顶部应高于修复植被 300mm。
微喷给水系统包括 10 条微喷给水线路，每条微喷给 水线路与座蓄水池一一对应连接， 每条微喷给水线路覆盖 一个灌溉区，所有的微喷给水线路组成一个总的微喷管 网。根据场地海拔高度（875m ～ 635m），将微喷给水系统 依高程，每隔 15 米左右设为一个竖向分区。根据场地，将 每个竖向分区分出若干个轮灌区， 轮灌区的设置高程低于 与之相连的蓄水池的设置高程， 以使蓄水池可为各轮灌区 的微喷设备采用重力流系统供水。
以5# 的主蓄水池连接的微喷给水线路为例，微喷给 水线路包括灌溉主管和与灌溉支管，部分灌溉支管与灌 溉主管连接，灌溉主管与 5# 的主蓄水池 3 的池体连接，部 分灌溉支管与 5# 的主蓄水池中配置的潜水泵连接。在灌 溉支管上安装有两套微喷设备和用于控制灌溉支管通断 状态的支管电磁阀， 在位于微喷设备和支管电磁阀之间的 位置设置有减压阀， 微喷给水系统的微喷设备采用现有技 术，包括电控的微喷喷头。灌溉主管上安装有用于控制其 通断状态的蓄水池出水总电磁阀、用于控制其排气泄压的 安全泄气阀和预留给水管。所有的灌溉支管分布在个竖 向分区中，每个竖向分区中具有 1 个或2 个或 3 个灌溉支 管，每个灌溉支管对应一个轮灌区。为保证系统各个竖向 分区压力的均衡， 同时避免系统压力高于微喷喷头的正常 工作压力而造成过度雾化影响洒水的均匀性和有效性， 蓄 水池出水总电磁阀 9 的下游处需根据所控制的微喷喷头的 最适压力配备减压阀。其中，微喷喷头选型 ：喷头压力范 围 0.15MPa ～ 0.30MPa， 接口尺寸DN15， 射程2.0m， 流量 28l/h。灌溉支管与灌溉主管的管材与微喷设备中的管材 均采用给水无缝钢管， 焊接连接， 管道公称压力 3.2MPa。
3.3 自动控制系统
（1）仪表检测系统。仪表检测系统主要是工艺参数检测 仪表， 主要包括用于检测引水池 1、各主蓄水池3、各副蓄水 池 5水位的液位计以及设置在各泵出口的压力变送器，比 如检测各提升泵出水口处压力的提升泵出水总管压力变送 器，检测微喷喷头处管道压力的喷灌加压主管压力变送器， 检测各引水泵出水口处压力的引水泵出水总管压力变送器，以及设置在各个阀门处检测阀门工作状态的传感器。
（2）采集控制系统。本自动控制系统本着集中管理， 分散控制的原则设置一个控制中心工作站（在管理房）， 服务器的操作员站、工程师站、A3激光打印机、A4激光 打印机、管理房服务器分别与管理级通讯网络连接，在 本工作站设立 14 套PLC 工作子站，各PLC 工作子站通过 GPRS 无线通讯网络与管理房服务器建立通讯，使控制中 心工作站与各 PLC 工作子站连接起来，形成一完整的计 算机控制系统，实现各轮灌区的自动喷灌、电气参数的采 集，过程控制等任务的完成。
14 套PLC 工作子站分别负责各提升泵站和各蓄水池 及其所要覆盖的灌溉范围内的各设备。
2# 的主蓄水池编和号为 1# 的提升泵同PLC 工作子站 的连接结构， 1# 的提升泵所配备的提升泵出水总管压力变 送器、2# 的主蓄水池 3所配备的液位计、与2# 的主蓄水池 相连的微喷给水线路所配备的两套喷灌加压主管压力变 送器以及各电磁阀与相配的PLC 工作子站连接， PLC 工作 子站连接与管理房服务器建立通讯。其中，各提升泵、引 水泵和微喷设备所配的喷灌泵均为变频泵， 也连接相应的 PLC 工作子站， 通过PLC 工作子站来控制其变频。
1# 的主蓄水池同PLC 工作子站的连接结构，1# 的主 蓄水池 3 所配液位计、与 1# 主蓄水池相连的微喷给水线 路所配备的喷灌加压主管压力变送器以及各电磁阀与相 配的PLC 工作子站连接。
引水泵同PLC 工作子站的连接结构， 引水池所配的液 位计、引水泵所配的引水泵出水总管压力变送器与相配的 PLC 工作子站连接，引水泵为变频泵，也连接相应的PLC 工作子站， 通过PLC 工作子站来控制其变频。
具体的控制方式为手动或自动。其中，自动控制是指 计算机控制系统根据事先编制的程序， 通过采集的数据分 析， 自动作出反应， 对工艺设备作出相应的控制。
微喷给水系统按设计分区进行轮灌，由计算机控制系 统对各电磁阀定时控制，使得在 16个竖向分区总共约 295 个轮灌区中， 设计流量可满足 8个轮灌区同时工作， 每个轮 灌区喷灌工作时间为 1h，每天工作 14h，浇灌周期为3天。
在第一（二、三、四） 引水上山线路种，其自动运行 方式大致为 ：编号为2（6/9/10）# 的主蓄水池液位降低到 启泵液位时，各引水泵启动。引水泵根据管道压力通过 计算机控制系统控制变频运行 ；编号为2（6/9/10）# 的主 蓄水池的液位到达停泵液位后，相应引水泵停泵。当引 水池内水位过低时，各引水泵停泵保护。提升泵自动运 行方式为 ：编号为 1/4（5/8）# 主蓄水池的液位降低到启泵液位时， 编号为（2/3）# 的提升泵启动，相应提升泵根 据管道压力通过计算机控制系统控制变频运行。编号为 1/4（5/8）# 的主蓄水池的液位到达停泵液位后，编号为 1 （2/3）# 的提升泵停泵。当编号为 2（4/9）# 的主蓄水池内 的水位过低时， 编号为 1（2/3）# 的提升泵停泵保护。
喷灌泵自动运行方式为 ：根据 PLC 内预定程序，开 启微喷设备的阀门， 微喷设备的喷灌泵根据管道压力变频 运行。当与该微喷设备所连的蓄水池的水位过低时，喷灌 泵停泵保护。
4 有益效果
本项目通过引水上山系统可将引水池中的养护用水 分级提升到相应的主蓄水池中， 并通过主蓄水池采用重力 流供给方式向微喷给水系统供水。
利用微喷给水系统，充分考虑到了立面绿化养护的 特点，可有效避免局部旱涝现象，保证治理修复区养护质 量，也可减小水流对生态修复带的冲刷作用，保证了生态 修复带施工质量。项目创造性的在点景上部 300mm左右， 间隔 100mm左右， 采取利用天然裂隙或人工沟槽， 敷衍土 工布或植生袋条等，增设两道防冲减渗措施，起到保墒防 冲节水作用， 效果明显。
利用该种养护系统可代替人工养护和洒水车养护，一 是减少了人工作业环节， 一定程度上预防了矿山修复后因 养护问题带来的认为在破坏现象 ；二是减少了人工高空 作业， 降低了施工作业安全风险 ；三是提高了水资源利用 率，降低了养护成本 ；四是通过微喷技术和自动化控制， 最大程度上保证了养护的及时性、有效性，提高了苗木成 活率 ；五是利用微喷技术， 解决了高陡掌子面生态修复后 养护痛点。
5 结语
努力探索生态修复的方法，提高矿山环境治理效果， 是践行绿水青山就是金山银山的理念， 推动城乡人居环境 明显改善的具体体现。本项目治理高陡掌子面绿化面积约 38 万平米，是边坡治理项目中高差大、坡度大、治理难度 大、治理措施种类齐全的典型项目，具有示范性。通过项 目的实施，极大改善当地生态环境，提升了景观效果，美 化了周边环境。通过项目实践，对历史遗留矿山高陡掌子 面修复后植被养护方法进行了积极探索研究， 解决了这一 领域的一个难点痛点， 取得了良好的效果。
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