趙 哲，李艷華，玄 凱

1.山東明瑞土地工程技術有限公司，山東 泰安 271000

2.山東云景土地開發(fā)整理有限公司，山東 青島 266000

3.山東農業(yè)大學信息科學與工程學院，山東 泰安 271018

近年來，隨著生態(tài)文明建設的深入推進，礦山地質環(huán)境生態(tài)修復成為全社會關注的熱點?，F(xiàn)階段，我國礦山地質環(huán)境生態(tài)修復中常采用的礦山復綠技術主要有植被混凝土技術和邊坡削方技術等，這些技術方法已經非常成熟。許多礦山通過實施礦山復綠工程，礦區(qū)的地貌景觀、生態(tài)環(huán)境有了一定程度的改善。但是，有些礦山地理位置偏遠、地形復雜，修復過程中往往需要額外建設提水工程和電力設備，這一因素不僅帶來了較高的投資成本，也降低了礦區(qū)植被覆蓋率及礦山地質生態(tài)修復的效果。太陽能光伏提水灌溉技術具有不受地形限制、不依賴電網(wǎng)、組建機動靈活、全自動運行、無污染、安全可靠、維護簡單等優(yōu)點[1]，是解決邊遠地區(qū)農業(yè)、植被灌溉問題的首選技術之一。研究小組以山東省棗莊市山亭區(qū)徐莊鎮(zhèn)幸福莊村工礦廢棄地復墾利用試點項目為例，對光伏提水灌溉技術在礦山復綠工程中的配置方案及應用效果進行初探。

1 技術方法

山東省部分礦區(qū)降雨量少，生態(tài)修復項目管護期結束后，灌溉難以保證；同時，部分礦山多位于遠離電網(wǎng)的偏僻地區(qū)，基本無灌溉設施，建設提水工程和電力設備投資成本較高，這就導致礦山復綠植物成活率較低，降低了礦區(qū)植被覆蓋率及礦山地質環(huán)境生態(tài)修復的效果。

光伏提水灌溉技術可以較好地彌補這方面的不足，它利用太陽能作為灌溉技術的需求能源，較好地減少了地形、電網(wǎng)等因素的影響。而且，太陽能作為一種源源不斷的清潔能源，具有低碳、環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)勢。棗莊市是太陽能總輻射量較豐富的地區(qū)，可以充分利用太陽能進行提水灌溉。光伏提水灌溉技術和礦山復綠工程相結合，可以有效提高礦區(qū)復綠植被成活率，從而提升礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理效果。

2 項目區(qū)概況

研究區(qū)地處山東省棗莊市山亭區(qū)東南部，屬沂蒙山區(qū)，總體地勢四周高中間低，高差約58.05 m。研究區(qū)為露天采石礦挖損、廢棄尾礦壓占形成的工礦廢棄地。項目建設目標為通過采取工程措施和生物措施，將區(qū)域內歷史遺留工礦廢棄地復墾為耕地或林地等地類。根據(jù)規(guī)劃需要，項目總建設規(guī)模3.42 hm2，其中3.33 hm2的土地將復墾為耕地，礦山立面部分做復綠處理。工程實施前項目區(qū)地質地貌如圖1 所示。

圖1 工程實施前研究區(qū)地質地貌圖

研究區(qū)主要存在的問題有：（1）水資源匱乏。研究區(qū)屬于溫帶季風型大陸性氣候，年平均降水量875 mm，70%集中在6—9 月，約為612 mm，水熱同期，蒸發(fā)量大；水資源分布不均衡，在距研究區(qū)北側400 m 處有EW 向河流新薛河，該河為季節(jié)性河流，旱季無水；研究區(qū)地下水埋藏深度在200 m 左右，且地下水儲量不足。（2）電力系統(tǒng)不完善。研究區(qū)位于徐莊鎮(zhèn)西北部，距鎮(zhèn)駐地8 km，遠離城鎮(zhèn)，無現(xiàn)成的電力設施，需要架設電路、增設變壓器等才能滿足提水灌溉需要。

3 關鍵技術分析

3.1 山體修復方案選擇

研究區(qū)東、南、西3 面為采石挖損形成的陡崖，高度0～50 m。崖壁立面巖石長期受日曬、霜凍及雨水沖刷，風化、破損嚴重，存在長度及深淺不一的裂隙，隨時都有高空落石的危險。這一情況給當?shù)厝罕娚a帶來極大的安全隱患。為此，研究小組擬對研究區(qū)周邊巖壁進行山體修復。

結合研究區(qū)實際情況及當?shù)卮祟愴椖恳酝氖┕そ涷?，研究小組采用削坡開平臺的方式進行山體修復。根據(jù)研究區(qū)地形地貌，將山體立面修筑成“階梯式”的平臺，在平臺外側修建擋土墻，內部回填土，種植爬山虎、檜柏等綠化植物，布設滴灌管道，進行節(jié)水灌溉、植被養(yǎng)護。

該方案優(yōu)點有：（1）削坡開平臺后覆土回填，回填土壤厚度50 cm?；靥畹姆N植土可選擇有機質豐富的優(yōu)質土壤，從而改變山體原土質貧瘠的弊端。（2）在平臺外側修建擋土墻，土墻既為后期管護工作提供了作業(yè)工作面，保障人員安全，又能有效防止水土流失。（3）在平臺內側布設滴灌管道進行節(jié)水灌溉，對綠化植物進行長期的灌溉養(yǎng)護，保證植被成活率、有效防止水土流失，提高整體綠化效果。

3.2 水源選擇

優(yōu)先選擇利用地表水，再考慮利用地下水。季節(jié)性河流新薛河無法滿足水源需求，所以研究小組擬在研究區(qū)內修建集水窖。集水窖存在雨季水量充足、旱季窖內無水的情況，水源穩(wěn)定性較差，因此還需要在研究區(qū)新建機井，井深260 m，出水量20 m3/h,以此保證水源的相對穩(wěn)定。

3.3 灌溉方式選擇

研究區(qū)灌溉分為平面的耕地灌溉和立面的綠植灌溉。因研究區(qū)地質條件限制，可以選擇管道輸水和微灌兩種灌溉方式[2]。

研究區(qū)耕地以種植玉米和小麥為主，種植面積3.33 hm2，復種指數(shù)200%，兩種農作物不同灌溉方式的灌溉定額如表1 所示。根據(jù)兩種農作物的管道輸水和微灌灌溉定額，分別乘以兩種農作物的種植面積，計算得到研究區(qū)平面的耕地灌溉管道輸水需水量及微灌需水量分別為7 909 m3和5 858 m3[3]。

表1 研究區(qū)農作物灌溉定額表（灌溉保證率50%） 單位：m3/ hm2

研究區(qū)的礦山立面復綠植被以爬山虎、連翹、月季、檜柏等植物作為綠化苗圃，灌溉定額為5 325 m3/hm2·a，復綠面積0.23 hm2。由此計算礦山立面復綠植被的管道輸水需水量為1 173 m3，微灌需水量為703.5 m3[4]。

微灌與傳統(tǒng)的管道輸水方式相比，節(jié)水60%～80%。因礦區(qū)水源不穩(wěn)定，太陽能又受天氣因素影響較大，工作水頭常常不能達到最高值，所以，研究小組擬選擇微灌或滴灌等高效節(jié)水的灌溉方式。

3.4 電力選擇

研究區(qū)遠離城鎮(zhèn)，無現(xiàn)成的電力設施。為解決研究區(qū)的供電問題，有架設電纜、地埋電纜、光伏發(fā)電等3 種供電方式。研究小組根據(jù)設備價格、預期使用年限（見表2）以及年度運行維護費用（見表3）[5]，分析3 種供電方式的成本。

表2 研究區(qū)電力系統(tǒng)投資表

如表3 所示，每年的灌溉時間為4—10 月，其中不降雨時間為138 d，工作時間取100 d，日工作時間6 h，設計日提水約120 m3，則系統(tǒng)年工作時數(shù)約600 h[6]。棗莊市當?shù)剞r用電價格為0.9 元/(kW·h)。架設、地埋電纜的電力系統(tǒng)能源費用為1.19 萬元。

表3 研究區(qū)年度維護運行成本表 單位：萬元

根據(jù)費用計算公式，可得多年提水成本，計算結果見表4。

表4 提水成本表 萬元/t

綜上可知，光伏電力系統(tǒng)的投資要遠遠小于架設、地埋電纜的電力系統(tǒng)的投資，且運行時間越長，提水成本越低。從全國太陽能資源區(qū)域分布來看，棗莊市是太陽年總輻射量較豐富地區(qū)，可以充分利用太陽能進行提水灌溉[7]。

4 工程規(guī)劃方案

研究區(qū)光伏提水灌溉工程設計方案如圖2所示[8]。

圖2 研究區(qū)項目設計方案圖

（1）山體修復：使用邊坡削方技術將山體立面修筑成“階梯式”的平臺，在平臺外側修建擋土墻，內部回填土，種植爬山虎、檜柏等綠化植物。

（2）光伏提水灌溉設施：研究區(qū)灌溉水源主要利用地下水資源進行灌溉。研究小組規(guī)劃在研究區(qū)西北位置新打1 眼機井作為農田灌溉水源，規(guī)劃配套潛水泵、輸水管道等進行節(jié)水灌溉。新建機井配套潛水泵型號為150 QJ10-200，功率22 kW。選擇建設1 處固定光伏提水灌溉工程，配置光伏組件28 kWp。規(guī)劃埋設直徑90 mm1.0 MpaPE 干管管道1 020 m，埋設直徑90 mm 0.8 MpaPE 支管管道520 m，用于對復墾后的耕地區(qū)域灌溉。規(guī)劃埋設直徑63 mm 1.6 MpaPE 管道440 m，布設直徑25 mm 1.0 MpaPE 管道2 940 m，用于對山體修復區(qū)域的防護林進行滴灌節(jié)水灌溉。

此外，為防止高空落石，在排水溝靠近陡崖底部位置，預留4 m 作為安全距離，預留區(qū)回填土，種植檜柏及爬山虎。為阻止行人及動物靠近陡崖頂部，防止陡崖頂部石塊墜落，規(guī)劃沿陡崖頂部安裝1.8 m 高護欄網(wǎng)，長度510 m。為防止水土流失，規(guī)劃在山體修復預留綠化平臺內側栽植綠化防護林木，分內外兩排種植，內側一排選用檜柏，株距3.0 m，在檜柏中間種植爬山虎，株距1.5 m；外側一排選用月季和連翹，株距1.5 m。排水溝靠近陡崖內側種植檜柏177 株，種植爬山虎354 株。

5 應用效益分析

光伏提水灌溉技術利用太陽能發(fā)電來驅動水泵，將深埋地下的深層地下水源不斷的泵送至指定位置，解決了礦山生態(tài)修復中的缺水問題。該技術的應用使礦山復綠工程的后期植被灌溉養(yǎng)護有了保障，提高了礦區(qū)植被覆蓋率及礦山生態(tài)修復的效果。同時，該技術的應用也帶來了顯著的經濟、社會效益，主要體現(xiàn)在減排、優(yōu)化能源結構、降低勞動強度、提高復綠植被成活率等方面。

（1）經濟效益：經實驗證明，該項目使用光伏提水技術后，在前期投資中與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)相比可以節(jié)省接近3/4的成本。從運行成本來看，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)成本是光伏提水系統(tǒng)的5.4倍。從提水成本來看，運行10年后的成本光伏提水可以降低到1 000 元/t。

（2）節(jié)能減排效益：光伏提水技術與傳統(tǒng)的電力、水泵相比，能減少溫室氣體排放和對自然環(huán)境的污染。并且，該技術充分利用當?shù)刎S富的太陽能資源，提高了可再生能源發(fā)電量所占比重，優(yōu)化了電源結構。

6 結 語

研究小組以山東省棗莊市山亭區(qū)徐莊鎮(zhèn)幸福莊村工礦廢棄地復墾利用試點項目為例，實踐證明光伏提水灌溉技術可有效解決礦山生態(tài)修復中的植被缺水問題，節(jié)約前期成本，提高礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理效果。但在礦山復綠過程中，還需解決以下問題：（1）光伏提水灌溉技術受時間和天氣條件影響大，出水量不穩(wěn)定，導致部分時間滴灌壓力不足，所以還需增加自動控制系統(tǒng)，以增加系統(tǒng)的適應性[9]。（2）光伏提水灌溉系統(tǒng)在無需灌溉期間，因無儲蓄電池，造成資源的部分浪費，可以考慮與附近灌區(qū)聯(lián)合設計，充分利用光伏提水灌溉資源。（3）光伏提水灌溉系統(tǒng)的運行需要人工現(xiàn)場維護，可以考慮配套光伏提水滴灌自動化控制系統(tǒng)，做到自動智能控制[10]。