王鋒，王惠，宋喜功

(甘肅省天祝藏族自治縣華藏林場，甘肅 武威 733200)

水是林業(yè)的命脈，有水則有林，無水則無綠，然而在林業(yè)發(fā)展中，水對植被恢復(fù)中造林的影響尤其明顯。在祁連山東段供水設(shè)施的不足，使得在植被恢復(fù)中的發(fā)展后勁乏力，未來能造林的地塊可能會逐漸減少，適宜造林的地塊無法進行規(guī)劃造林。地處干旱半干旱的特殊地理特征，在灌溉技術(shù)水平較為低下的情況下，本試驗采用噴灌技術(shù)對植被恢復(fù)中的造林地條件進行了研究。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于天祝縣華藏林場水泉子和墩子洼，距縣城2 km，海拔2 410～2 570 m，土壤以山地栗鈣土為主，兼有灰褐土，土層厚度30～100 cm。氣候?qū)俅箨懶愿咴撅L(fēng)氣候，具有晝夜溫差大、氣溫低、光照不足，生長期短，年降水少且分布不均等特點。根據(jù)該地區(qū)氣象站的資料可知，區(qū)域年平均氣溫1 ℃左右，極端最高氣溫31.3 ℃，極端最低氣溫-24.3 ℃，日照時數(shù)2 600 h，年降水量450 mm左右，且多集中在7—9月，約占全年降水的70%，年蒸發(fā)量1 443 mm，最大凍土深度149 cm，多年平均無霜期160 d。

1.2 固定式噴灌設(shè)計

1.2.1 試驗原理 依據(jù)水源區(qū)位置和山體走向因地制宜地進行設(shè)計。在水源區(qū)適當(dāng)位置沿分支山梁上山，在山梁頂再向各分支管道塑料管配水，再從主管道上適當(dāng)位置引出鋼管支管道上山，噴灌單元區(qū)適當(dāng)位置再向各噴灌單元輸水塑料管道配水，利用重力流產(chǎn)生的壓力水頭驅(qū)動噴頭工作。為降低高寒、干旱、凍土層等自然因素對管網(wǎng)以及其他附屬設(shè)施的影響，可以利用地形的起伏落差，設(shè)置管路系統(tǒng)，但管道仍需覆土淺埋于地下，在每條支管道末端以及地形起伏的低洼處均設(shè)置排水閥，待冬灌結(jié)束后排空管道，以防止凍裂現(xiàn)象的發(fā)生。

1.2.2 噴灌類型的選擇 噴灌系統(tǒng)一般分為固定式噴灌系統(tǒng)、半固定式噴灌系統(tǒng)、小型機組式、絞盤式噴灌機和大型平移或時針式噴灌機共五種形式。由于本次試驗我們使用噴灌次數(shù)多，設(shè)置區(qū)域均在山坡地上，無法實現(xiàn)移動，所以比較他們各自的特點、使用價值和設(shè)置噴灌區(qū)域的立地條件，我們選用固定式噴灌系統(tǒng)。這種噴灌系統(tǒng)具有固定的泵房，閥門設(shè)備、管道都埋在地下，雖然投資較多，但節(jié)省人工、水量，從長遠看是比較經(jīng)濟實用的。

1.2.3 灌溉需水量的確定

(1)設(shè)計灌水定額計算公式[1]

m=0.1×γh(β1-β2)/η

式中：m—設(shè)計灌水定額(mm)；γ—土壤容重(g?cm-3)；h—計劃濕潤層深度(cm)；β1—適宜土壤含水量上限(質(zhì)量百分比)；β2—適宜土壤含水量下限(質(zhì)量百分比)；η—噴灑水利用系數(shù)。

試驗區(qū)作物γ為1 g?cm-3[2]，h為30 cm,β1取25.7%，β2取54.7%[3]，η取0.7[4],故m=0.1×1×30×(0.5-0.2)/0.7=128.5 m3?h-1。

根據(jù)輪灌組劃分情況分別確定各級管道流量，分支管道各段流量根據(jù)所控制噴頭數(shù)量確定，范圍在13.9～128 m3?h-1。每條支管道控制8～9個噴頭。

(2)灌水強度

①允許噴灌強度。根據(jù)《噴灌技術(shù)工程規(guī)范》(GB/T50085-2007)中“各類土壤的容許噴灌強度”的規(guī)定沙壤土的噴灌強度為15 mm?h-1[1]，考慮到本項目區(qū)地形的自然坡度等因素，按照《噴灌技術(shù)工程規(guī)范》中“坡地允許噴灌強度降低值”規(guī)定，降低40%的強度，故選用9 mm?h-1的噴灌強度。

②噴灑強度的計算

ρs1=1 000q/πR

式中：q為噴頭的噴水量，q=10 m?h-1，R為射程(m),R=32 m,ρs1=(1 000×10)/(3.14×322)=3.11 mm<9 mm滿足。

(3)霧化指標(biāo)

根據(jù)《節(jié)水灌溉工程實用手冊》[5]作霧化指標(biāo)規(guī)定，牧草、飼料作物、草坪及綠化林木中噴頭的霧化指標(biāo)在2 000～3 000 mm。

WP=hp/d

式中：WP為霧化指標(biāo)，hp為噴頭工作壓力水頭40 m；d為噴頭主噴嘴直徑16 m。

WP=(350×100)/16=2 187<3 000。

1.2.4 噴頭的選擇 噴頭的選取和噴灌強度有直接關(guān)系。[6]經(jīng)方案比對，如果選用小型噴頭，雖然有利于提高灌水質(zhì)量，但噴頭的數(shù)量和支管道的數(shù)量將成倍增加。噴頭的數(shù)量較多，不利于管理，且裝卸工作量增加，同時設(shè)備損壞的概率也會增大。本噴灌工程灌溉對象為林草，對灌水均勻度、噴頭霧化指標(biāo)的要求低于農(nóng)作物的要求。選用大流量遠射程噴頭，可以減少噴頭和配水管道的數(shù)量，利于節(jié)省投資，降低運行成本，選用ZY-3S搖臂式2噴嘴全圓合金噴頭，工作壓力30～50 m,噴灑半徑26～38 m，噴頭流量9.23～25.09 m3?h-1,接口尺寸1.5寸。本試驗設(shè)計工作壓力取40 m,設(shè)計噴灑半徑取32 m,設(shè)計流量取15 m3?h-1。

1.2.5 噴頭的布置 為了保證噴灑均勻度，本次噴頭設(shè)計采用梅花形布置方式，也就是正三角布置方式。噴頭間距55.4 m,噴頭行距47.95 m。

1.2.6 試驗設(shè)計 在首次試噴成功的墩子洼噴灌區(qū)域內(nèi)，設(shè)置面積為20 m×20 m的樣地7個，分別設(shè)置噴灌噴灑區(qū)(A)、人工澆灌區(qū)(B)和噴灌對照區(qū)(C)。噴灌試驗從5月份開始，每月噴施3次。在8月份對樣地內(nèi)的目的樹種和灌草的生長變化做調(diào)查，并分析比較紀(jì)錄的樹種、蓋度、高度等因子。

2 結(jié)果與分析

2.1 噴灌效果分析

表1 樣地內(nèi)的目的樹種調(diào)查結(jié)果

表2 樣地內(nèi)的灌草調(diào)查結(jié)果

由表1看出，在噴灌工程建成前，云杉的年平均生長高度為8.5 cm，人工澆灌云杉年平均生長高度為17.5cm，噴灌工程建成實施后，樣地內(nèi)云杉的年平均生長高度為18.7cm以上；由表2可知，在噴灌工程建成前，灌草的平均覆蓋度為25%，人工澆灌后的灌草覆蓋度平均為35%，噴灌工程建成后，樣地內(nèi)灌草的覆蓋度平均為79%。未使用噴灌技術(shù)前灌草植被稀疏，使用噴灌后灌草植被生長茂盛，生態(tài)環(huán)境得以恢復(fù)。

2.2 噴灌工程成本計算

通過研究在目前運行的水泉子、墩子洼的四片噴灌區(qū)域中，對噴灌成本造價進行比較，結(jié)果表明：

由于噴灌工程是分期完成的，所以水泉子噴灌工程分別在2013年和2014年完成：2013年覆蓋面積33.3 hm2，總造價86.6萬元；2014年度完成覆蓋面積33.3 hm2，總造價66萬元。2016年又在此基礎(chǔ)上延伸13.3 hm2，總造價為38萬元。

墩子洼噴灌區(qū)的總投資造價為120萬元，平均造價為15 000元· hm-2。

4 結(jié)論

噴灌技術(shù)試驗是祁連山東端干旱半干旱區(qū)植被恢復(fù)造林系列技術(shù)研究之一，結(jié)果表明，噴灌工程建成后，試驗區(qū)目的樹種—云杉的年平均生長高度比自然生長對照樣地內(nèi)的云杉高度增加了1.2 cm；灌草植被的覆蓋度比對照樣地內(nèi)灌草覆蓋度平均提高54個百分點。使用噴灌后，造林區(qū)內(nèi)測定林草植被的各項因子有明顯的提升，生態(tài)環(huán)境有了很大的改善。通過對水泉子和墩子洼兩個噴灌區(qū)域的成本計算得知，在立地條件和建設(shè)條件相對容易的墩子洼噴灌區(qū)造價為1 000元，在立地條件相對困難的水泉子噴灌區(qū)造價在1 320～1 900元，再綜合所有的實施地點造價為1 488元。噴灌技術(shù)在具備水源的條件下，在祁連山干旱半干旱區(qū)的植被恢復(fù)造林中具有一定的推廣價值。

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[1] 中華人民共和國建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢疫檢驗總局.噴灌工程技術(shù)規(guī)范[M].北京：中國計劃出版社，2007

[2] 許宮堂，李元武，許開勝，等.石羊河流域水源涵養(yǎng)區(qū)不同立地類型土壤水分物理性質(zhì)分析[J].農(nóng)業(yè)科技與信息,2009(20):30-31

[3] 趙維俊.雷蕾.劉賢德，等.祁連山東段青海云杉林土壤理化特性研究[J].水土保持通報.2011，12(6):72-75

[4] 張燕，高峰.天祝藏族自治縣循環(huán)經(jīng)濟初論[J].社會縱橫，2008,23(5)：31-33

[5] 中華人民共和國農(nóng)村水利司，中國灌溉排水發(fā)展中心.節(jié)水灌溉工程實用手冊[M].北京：中國水利水電出版社，2005

[6] 中華人民共和國水利部.節(jié)水灌溉工程技術(shù)規(guī)范[M].北京：中國計劃出版社，2012