水利水电工程师论文滴灌技术在兰州南北两山环境绿化工程中的应用研究

水利水电工程师论文：滴灌技术在兰州南北两山环境绿化工程中的应用研究摘要:试验选择兰州市南北两山典型区域安装滴灌设备,对灌溉树木的凋萎系数、根系分布、灌水后的土壤含水量开展原位观测。结果表明:滴灌能较好的满足树木蒸发蒸腾量。在节约水资源、节省管护费用等方面滴灌具有明显的效益。滴灌对提高兰州市南北两山绿化树木成活率、改善兰州市周边地区的生态环境有着十分重要的意义。关键词:滴灌技术;环境绿化;兰州滴灌技术是当今世界上最先进的节水灌溉技术之一,自应用以来,在生产中发挥了极其重要的作用。滴灌属全管道输水和局部微量灌溉,可直接将水滴入树木根部周围,使水分的渗漏和损失降低到最低限度,无效灌水量小,同时,能做到适时地供应作物根区所需水分,不存在外围水的损失问题,使水的利用效率大大提高。滴灌是将水分缓慢均匀地渗入土壤,使作物根层土壤能保持最佳的水分、通气和养分状态,为树木生长发育创造了良好环境。滴灌时地面湿润范围较小,因而还能减少病虫危害损失。滴灌在提高灌水效率、节约水资源、降低管护成本、提高树木成活率、更加有利于树木生长等方面有很多优势,研究高泥沙水源的进化技术,山地绿化中滴灌灌水均匀度技术对指导滴灌在山地绿化中的应用具有重要的科学意义和应用价值。1试验区概况兰州市地处陇西西北黄土高原的西北部,气候恶劣,干旱少雨,年平均降雨量只有327.7mm,而年平均蒸发量却高达1403mm。2006年6月、7月份累积降雨量只有18mm,相当于往年的1/10,在这样的条件下,如果没有灌溉,树木在自然条件下难以成林。黄河干流多年平均流量1073m3/s,自西向东流经西固、安宁、七里河、城关4区,为解决兰州市南北两山绿化提供了宝贵的水源条件。试验区共有面积133.33hm2,在地貌上可分为石质山地、黄土梁峁和河谷阶地三种类型,海拔高程1755.0~1624.0m之间,最大坡度58°。试验区内林木种植的特点是小聚集、大杂集,即单一树种只在小范围内成片生长,而在较大范围内,各种树木混杂生长。这次滴灌试验按照地形情况设置的滴灌系统,没有按照树木类型设置,一个滴灌单元内可能有多种树木共生,但考虑到侧柏、柠条、刺槐的种植数量最大,种植的范围也最广,因此,试验得出的结论以这三种树种为主,兼顾考虑其他树种。试验林木分别为4年生侧柏、柠条、刺槐,选择2004年春季定植长势良好,无虫害、无伤损侧柏、柠条、刺槐。侧柏平均株高1.2m,地径2.5cm;柠条平均株高0.5m;刺槐平均株高1.45m,地径7cm;为了不改变林木生长环境、不破坏土壤原有构造机理,试验利用就地取材、原位观测的方法开展。经分析,5个试验区内的土壤均属于中塑限(粉质)黏土。经现场试验测得天然条件下土壤含水率为:5.2%~12.4%(体积百分数),土壤容重:1.30~1.55g/cm2。2滴灌系统介绍2.1水源灌溉水源为黄河水,利用水泵分级加压,将水提升到山顶后,利用山地地形自然落差,达到滴灌所需压力。黄河是世界罕有的多泥沙河流,黄河在兰州段多年平均含沙量为2.43kg/m3。在每年的主汛期,平均含沙量达到8~10kg/m3,而这段时间正是两山绿化的主要灌溉期,因此,需要对黄河水进行进化才能达到滴灌水质要求。2.2泥沙处理设备以黄河水作为滴灌水源关键要解决泥沙问题,黄河水中的悬浮物比重轻,无法依靠自身重力沉淀而直接进入滴灌管网,这些悬浮物包括不溶于水的部分淤泥、有机物、微生物等,对滴头正常出水也有很大影响,必须首先对黄河水进行净化处理。试验中黄河水泥沙处理全部采用斜管沉淀技术进行沉淀,在滴灌系统首部各分支管上安装WS-80网式过滤器1组。通过试验现场对比试验得到:斜管沉淀池截沙率为92%,网式过滤器可以清除尺寸大于100um的悬浮物。经沉淀池、过滤器处理后的水质能达到大流量滴头滴灌要求。2.3不同压力下滴头恒流均匀出水调控设备兰州市南北两山环境绿化区大都是坡度较大的山地,地形高差引起的水压变化很大,直接影响了滴灌系统的灌水均匀度。试验中选用大流量可拆洗压力补偿式滴头。滴头型号:DBC-1;工作压力:0.1~0.35MPa;出水流量:6.5L/h;流道尺寸:流道咽喉直径大于400um;水质要求:进水浊度小于200NTU,悬浮物最大尺寸小于100μm。通过现场试验观测,这种滴头出水量大,滴头出口3cm内是连续的水流,类似小管出流,不宜堵塞。在滴头内部设置了调压膜片,根据水压大小,滴头会自动调整膜片开合程度,很好的解决了不同工作压力条件下出水均匀度问题。为进一步减少地形落差产生的水压不均匀性,每隔10m落差的支管首部安装了减压阀,以提高灌水均匀度。根据现场试验结果表明,在0.1~0.35MPa的压力范围内这种滴头的流量标准偏差8.1%、灌水均匀度0.9左右,达到B类均匀度标准。满足山地灌溉压力变化条件下恒定出水的要求。3试验结果分析3.1不同树种凋萎系数测定凋萎系数是土壤水对作物生长有效部分与无效部分的分界点,常作为土壤中有效含水的下限。一般认为,对某一土壤来说,多数树木凋萎时的土壤含水量是一致的。但由于受根系的生长速度、分布密度和深度的影响,各种树木抗旱和耐旱能力的不同,主要是在注意到根系差异对树木抗旱性能影响的同时,往往忽略了树木本身所能承受的最低土壤含水量,以及在这一含水量下树木能维持其生命时间的长短对树木抗旱力的影响,在西北地区(降水量较小,蒸发量较大,易造成长期干旱)这种微小的差异对提高造林存活率具有明显的影响。由于试验区内树种多样,地形多变,人工灌、喷灌、滴灌等灌溉方式并存,这有利于选择苗木测定各种苗木的凋萎系数。在试验区内根据树木缺水情况(主要根据叶片的萎蔫、枝条的干枯情况),灌水间隔时间,选择不同缺水状况下的苗木进行土壤含水量测定。如下图1所示为侧柏、柠条、刺槐喷灌后46天所示的土壤含水率随土层的变化量。从图1中可以看到,侧柏土壤最大含水量的点在30cm处,含水量达到8.88%;柠条土壤最大含水量的点在40cm处,含水量达到8.81%;刺槐土壤最大含水量的点在37cm处,含水量达到8.76%。结合国内外学者对侧柏、柠条、刺槐的土壤凋萎系数研究结果,上述3个树种所对应的土壤含水量可以表示兰州市南北两山三种绿化树种的凋萎系数。从图1中看到灌水时间间隔相同,相同树龄的侧柏、柠条、刺槐土壤含水量柠条刺槐侧柏。随着土层的深入,土壤含水量发生变化刺槐柠条侧柏。这是由于地表面上遮荫面积柠条刺槐侧柏以及在下文的根系分析中发现根系深度刺槐柠条侧柏等因素造成的。这就使得刺槐、柠条分别吸收深层土壤中的水分,使该处的土壤含水量降低。3.2不同树种根系分布情况分析植物根系不仅是固定、吸收水分和养分最重要的器官,而且将消耗1/2以上的光合产物用于物质形成和其他生理生态活动,对植物的生命过程特别重要。林木根系特别是细根作为植被吸收土壤水分和养分的主要通道,其分布空间直接影响到林木拥有的土壤水分和养分空间的大小,根系的垂直分布特征除了受树种的遗传特性的影响外,还在很大程度上受立地条件的影响。尽管深层土壤中不仅有很少比例的细根存在,但它们在水分吸收方面发挥着非常重要的作用。在南北两山滴灌试验区内不同地形、不同坡度的山梁上随机选择五年生无病虫害、长势良好的苗木进行开挖试验,观察侧伯、柠条、刺槐的根系分布的结果表明:南北两山绿化区内侧柏根系分布仅局限在5~40cm土层中,并集中于5~20cm土层中;柠条根系分布可达到50cm,刺槐根系分布可达80cm,且分布相对均匀;国外一些研究证实,通常情况下深根型树种较浅根型树种具有更高的生产力。根据开挖试验得出的侧伯、柠条、刺槐根系分布深度远小于国内外学者的研究成果。这是由于试验苗木栽种于喷灌、人工灌区域,经过测定喷灌、人工灌灌水后第二天苗木所在处的土壤含水量,发现喷灌、人工灌后土壤含水量达到8.8%的点分别出现在土层52cm、59cm处。按照试验区已经实施的灌溉方式和灌溉制度对苗木灌水,喷灌后距土层20cm处的含水率达到24.78%,在土层深度50cm的地方,含水率降到9.39%;人工灌后距土层20cm处的含水率达到24.33%,在土层深度59cm附近含水率降到8.8%(见图2)。根据本次试验测定的喷灌、人工灌土壤含水率随土层深度的变化来看,喷灌、人工灌方式下水分入渗范围不能完全覆盖根系所在的范围,满足不了树木生理需水量,树木在干旱、少雨的气候条件下不能正常生长。而滴灌方式下,在70cm处含水量依然可以达到9%左右,相比喷灌、人工灌,入渗深度有了明显的提高,覆盖了树木根系分布范围。3.3滴灌条件下土壤湿润体随灌水时间的变化规律为了进一步分析滴灌条件下灌溉水分入渗情况,及为设计山地造林中滴头流量、滴头间距及制定灌溉制度等提供依据。灌水结束第二天后立即对树穴根部的湿润情况进行开挖试验,在水平段每隔10cm取一组土样,在垂直方向上,每间隔10cm取一组土样,分层测定其含水量,绘制滴灌后树木根区湿润图。如图3所示为滴灌条件下土壤湿润体示意图。结合现场观测及数据分析,得出在灌水过程中,由于湿润锋水平扩散速率大于垂直入渗速率,湿润锋为宽浅形,形似以水平方向为长轴、垂直方向为短轴的平卧半椭球体。其湿润范围可以覆盖树木的根系分布区,保证了树木正常生长。4山地绿化滴灌技术效益分析4.1经济效益分析本次试验共在5个滴灌试验区,由于各试验所在的地理位置不同,导致林木灌溉管护费、水电费有所不同,所以分别对比分析了五个试验区内滴灌、喷灌德灌溉定额、亩均水电费、管护费。如表1所示为滴灌、喷灌的效益对比表。从表1可以看出,滴灌比喷灌亩均节水1198.50m3/hm2,节约水费524.40元/hm2,节约管护费135元/hm2,滴灌与喷灌相比,滴灌具有显著经济效益。4.2社会效益分析兰州市地处西北黄土高原,这里干旱少雨,蒸发强烈,水资源紧缺,工农业生产和环境绿化用水矛盾十分突出。南北两山绿化工程是兰州市的一张城市名片,随着绿化面积的不断扩大,生态环境逐年好转,兰州市的城市面貌大为改观,城市形象明显提升。但长期以来,以喷灌为主的灌溉造林模式,管护人员多、灌溉用水量大、成本高、经济负担重,严重制约了绿化工作的可持续发展。经计算,实施滴灌方式造林比喷灌能节约水资源53.27%,节约电能53.27%,节约管护费用25%。滴灌方式灌溉造林不仅节省水资源、节约能源和管护费用,而且从试验结果看,滴灌水入渗深度达到90cm(喷灌达到50cm),最大限度的满足深层树根生理需水量,改变了深层土壤的理化特性,更加适合于树木根系分布与生长,提高了林木成活率,为南北两山绿化工作向更高层次迈进奠定了坚实基础。4.3生态效益分析实施滴灌造林方式,大大减少了喷灌灌溉过程中水分的飘逸损失和径流损失等无效消耗,节约了水资源和电能,使水资源得到了充分合理利用,也提高了林木成活率;同时,原有的喷灌不但达不到节水的效果,而且还容易形成地表径流,造成水土流失,严重时还可能破坏山体结构,人为造成坡面塌陷和山体滑坡等地质灾害,开展滴灌造林对控制坡地塌陷、稳定坡面结构有着不可替代的作用;实施滴灌会进一步增加造林面积,促进林木快速生长成材,这将有效的抵御风沙对城市环境的袭击,改善区域生态环境面貌,使城市的生态环境向良性循环方向发展;开展滴灌造林,将使得坡地上的草地得到更多的灌溉保障,从而增强兰州市南北两山生态结构的完整性,林、草的相间分布,在城市周围形成了一套立体生态防护网络,这对改善兰州市及其周边地区的生态环境有着十分重要的意义。5结语(1)分析了斜管沉淀技术和网式过滤器过滤技术组合系统对黄河水进化能力,表明黄河水经过该种组合技术处理后,灌溉水质能达到大流量滴头滴灌要求。(2)分析了兰州市南北两山山地绿化中侧柏、柠条、刺槐三种主栽树种的凋萎系数。分别为侧柏8.88%;柠条8.81%;刺槐8.76%。(3)分析了滴灌条件下土壤水分分布范围,结果表明,滴灌条件下,土壤水分的分布范围可以覆盖树木根系的分布范围,保证树木正常生长。(4)对比分析了滴灌、喷灌、人工注水灌的经济效益。结果表明,滴灌技术应用于山地绿化中具有省工、省水、节能的显著经济效益。参考文