黄河水山地绿化滴灌技术集成研究
一、任务来源
兰州地区年平均降雨量仅有324mm,蒸发量却高达1403mm，在干旱少雨情况下，要使树木成活生长，就必须对林木进行适时适量的灌溉。长期以来，喷灌、人工灌的灌溉方式在南北两山的绿化灌溉中期发挥了关键的保障作用。但是其用水量大、管护成本高，费时费力等劣势也逐步显示出来，既要搞好南北两山绿化工作，又要降低管护费用，节省运行成本，这是兰州市南北两山绿化工作面临的重大课题，为此，寻找一种技术更先进、使用更方便、既能节约水资源、又能节省生产成本的新型灌溉模式就成了当务之急。
鉴于喷灌、人工灌在南北两山绿化工作中存在的诸多问题，2006年4月，兰州市南北两山绿化工程指挥部会同甘肃省水利科学研究院、白银市水电设计院、甘肃大河有限责任公司，组织有关专家对新型滴灌技术在山地灌溉方面的实际应用进行了联合考察，并对南北两山实施滴灌技术的可行性进行了调研，初步确定在现有提灌工程和喷灌管网的基础上，应用矩形斜管沉淀泥沙技术，采用大流量可拆洗压力补偿式滴头，进行滴灌灌溉的设计、施工和试验研究。项目由兰州市南北两山环境绿化工程指挥部牵头，甘肃省水利科学研究院承担试验研究任务，白银市水电勘测设计院承担试验区工程设计，甘肃大河水利科技有限公司负责大流量滴头研发及滴灌系统安装。具体实施地点选择在兰州市城关区、七里河区、安宁区和西固区有代表性的林管站。旨在通过开展试验研究，攻克含泥沙水质处理、大坡度山地条件下滴头出水均匀度以及输水钢管锈蚀物处理等技术难点，得出“黄河水山地绿化滴灌技术集成研究”成果，探索验证滴灌技术在兰州市北两山绿化工程中应用的可行性，同时研究确定滴灌模式下林木的灌溉制度，分析实施滴灌后经济效益增加情况和生态改善状况，总结在南北两山实施滴灌的运行管理技术，为南北两山发展节水型灌溉模式提供技术支撑，反过来，南北两山独特的山地地形和含泥沙水源也为“黄河水山地绿化滴灌技术集成研究”项目提供了良好的试验场所。
二、研究方法与技术路线
1、技术路线
滴灌是一种新型的高效节水灌溉技术，一般情况下，滴头的滴注流量一般都小于3L／h，这就要求灌溉水中不含有造成滴头堵塞的污物和
杂质，所以滴灌对水质的要求很高．另外，南北两山地形复杂，坡度变化大，恒压滴灌没有办法解决压差变化条件下滴头出水均匀度问题，这也是在南北两山推广滴灌模式受到较大限制的关键因素。
针对兰州市南北两山的实际情况和存在的问题，项目组制定的技术路线是：
(1)利用先沉淀再过滤的技术措施解决黄河水泥沙、悬浮物、钢管铁锈颗粒对滴头的堵塞难题，即在现有提水工程灌溉管网首部修建矩形斜管沉淀池，先沉淀大颗粒泥沙，然后在输水管网上安装一个储锈罐和两级过滤器（分别为目150和200目的网式过滤器），清除铁锈、悬浮物和细颖粒泥沙。最后选择大尺寸流道、可拆洗压力补偿式滴头将残留物随水流排出，达到滴灌设计效果。
(2)为了解决山坡地滴灌系统压力变化和滴头出水量不均匀问题，试验中采用“管首减压、滴头补偿”的技术措施解决。即在各输水毛管首端安装减压阀，将各毛管手端的水压力控制在0.1Mpa～0.35Mpa范围之内，然后利用滴头可压力补偿的特点达到均匀灌水的目标。兼取矩形斜管沉淀池、过滤器、储锈罐、减压阀、大流量可拆洗滴头的优点，依托现有喷灌输水管网，组建滴灌系统。
在灌溉试验的过程中，根据土壤类型和树木根系分布特点，通过滴灌入渗试验，选择合理的灌水时间、灌水轮期和一次灌水量，进而确定南北两山绿化工程科学的滴灌灌溉制度；最后通过总结经验，探索适合南北两山实施滴灌的运行管理技术。
2、研究方法
(1)黄河水处理技术试验研究
河渠水泥沙处理问题是关系到在城市生态绿化工作中能否应用滴灌模式的关键问题之一。本次试验中灌溉水源为黄河水，黄河水泥沙含量大，悬浮物多，一般的处理技术很难达到滴灌水质要求。滴灌试验有3个试验区利用黄河水做灌溉水源，试验中采取“先沉淀再过滤”的技术措施净化水质。黄河水泥沙处理采用斜管沉淀技术、过滤器过滤技术、储锈罐除锈技术净化水质．为了检验斜管沉淀技术清除黄河水泥沙的效果，试验过程中在某一时段连续跟踪监测黄河水来水过程中的含沙量情况，对比沉沙池出水水质，试验研究斜管沉淀池对黄河水泥沙的处理效果，最后得出这种沉淀技术处理的黄河水是否能够达到滴灌所要求的水质条件的结论。检测滴头水质，对比过滤器出灌模式的关键问题之一。
本次试验中灌溉水源为黄河水，黄河水泥沙含量大，悬浮物多，一
般的处理技术很难达到滴灌水质要求。滴灌试验有3个试验区利用黄河水做灌溉水源，试验中采取“先沉淀再过滤”的技术措施净化水质。黄河水泥沙处理采用斜管沉淀技术、过滤器过滤技术、储锈罐除锈技术净化水质．为了检验斜管沉淀技术清除黄河水泥沙的效果，试验过程中在某一时段连续跟踪监测黄河水来水过程中的含沙量情况，对比沉沙池出水水质，试验研究斜管沉淀池对黄河水泥沙的处理效果，最后得出这种沉淀技术处理的黄河水是否能够达到滴灌所要求的水质条件的结论。检测滴头水质，对比过滤器出、地形、坡度等分别选择两种毛管布置（倒坡、顺坡），每种毛管布置形势下分别选择入口压力为O.1Mpa、0.25Mpa、0.35Mpa的毛管，在选定的毛管的入口、中部、末端分别设置十个滴头测量流量，即每个试验区设置18组共180个滴头，测量每个滴头运行Smin内的滴注流量，计算滴头平均流量、变异系数与额定流量的平均偏差、均匀系数，以便对滴头均匀度进行检验。
(3)滴灌灌溉制度试验研究
灌溉制度是根据灌溉对象需水量和需水规律，在充分利用有效降水的条件下，经过分阶段水量平衡计算，并经现场试验验证确定的灌水定额、灌水时间和灌溉定额。树木滴灌灌溉制度是绿化管理部门合理配水的重要依据，也是水资源优化调配的前提条件。这次实施的滴灌试验是兰州市南北两山首次采用滴灌灌溉模式对林木进行灌溉，为了正确指导滴灌系统合理、有序运行，做到对树木及时灌水和足量灌水，必须对试验区树木在不同灌溉期的灌溉制度进行试验研究。因此要在弄清楚试验区土壤类型、试验区树木种类的前提下，测定土壤的渗透系数，摸清不同树木的根系分布规律和生长特点，测定灌水后不同时段土壤的含水量，然后根据不同品种树木的凋萎系数，最终确定灌水量、灌水时间和灌溉定额。
(4)滴灌系统运行管理技术研究
滴灌系统运行管理技术包括施工管理、工程管理、组织管理和用水管理。滴灌系统运行管理的目的是为了更好的发挥滴灌的作用，完善滴灌运行机制。本次试验旨在通过对滴灌系统设计、施工安装和运行过程中好的经验总结以及出现的问题的处理，探索适应南北两山绿化要求的滴灌系统运行管理技术。
三、创新之处
一是在充分利用现有提灌工程的基础上，选择沉淀效率高的斜管沉淀技术，现抽水、沉淀、过滤、滴灌连续作业，减少大容量水库、塘坝
沉淀设施，降低工程投资，利于推广实施。二是选择大流量滴头降低滴头堵塞风险，选择可拆滴头可以方便清洗堵塞滴头，实现滴头的重复使用，降低成本。三是选择压力补偿式滴头，实现滴头出水均匀。四是采用分级减压方式，解决山坡地、高落差压力变化大的问题。
四、试验结果
1、黄河水处理技术。
针对黄河水含沙量大的特点，试验中采用了矩形斜管沉淀池对黄河水进行初步处理，试验结果表明：矩形斜管沉淀池截沙率达到90%以上，有效清除了粒径大于0.O1mm的泥沙颗粒。
2、输水钢管锈蚀物处理及黄河水悬浮物过滤技术。
试验中采取了“先沉淀再过滤”的泥沙、悬浮物清理思路。即兼取矩形斜管沉淀池、过滤器、储锈罐及大流量滴头的优点，对进入滴头的黄河水中的泥沙颗粒、悬浮物颗粒、钢管铁锈进行沉淀、过滤，将杂质堵截在滴头之外。试验结果表明，过滤器过滤效率达到75%，沉淀池、过滤器、储锈罐等黄河水处理集成系统的除杂率为96％以上，有效清除了黄河水中的泥沙、悬浮物、铁锈等颗粒。对试验区内的滴头进行随机抽检，滴头正常运行率达到96.69%，由于堵塞造成非正常运行的滴头只占到1.67%。
3、山地绿化滴头出水均匀技术。
大流量滴头对防止小颗粒泥沙堵塞十分有效，水流的冲刷作用使小颗粒泥沙很难在滴头处积聚。不论是室内试验或是现场试验，大流量滴头出水3cm以内是水流，3cm之后才变为水滴。因此，从某种意义上讲，大流量滴头就是一种特殊的小孔出流。另外，从滴头出流速度和水的入渗情况看，实施滴灌作业时，在树坑周围形成了一个直径30～50cm、水深2～3cm的积水区，有利于水分充分下渗到树木根区，这就要求每棵树周围必须有直径不小于50cm、深度不小于5cm的树穴，否则容易形成溢流。
4、滴灌灌溉试验制度研究。
南北两山山地造林滴灌条件下的灌溉制度为，每个滴头设计流量
6.5L/h,一次灌水时间8小时，亩均植树按220定株计算，则一次灌水量为11.4m3／亩，年灌溉定额为57.0m3／亩。
五、试验研究的作用与意义
如果在兰州市南北两山全面推广滴灌工程，经济效益将非常显著，首先在节水方面，兰州市南北两山绿化工程现有24万亩上水灌溉面积，
按照50％改造比例计算，将有12万亩改造成滴灌灌水模式，其中，面山面积又占到改造面积的70%，计有8.4万亩，喷灌灌溉定额为150m3／年，滴灌灌溉定额为57.0m3/年，滴灌比喷灌每亩每年节水93.0m3,此项每年可节水781.2万m；其他地方喷灌面积3.6万亩，喷灌灌溉定额120m3／年，每亩节水63m3，此项每年可节水226.8万m3；两项合计每年节水1008万m3，平均单方水价按0.45元计算，每年可节省水费423.6万元：其次，在节能方面，单方水耗电平均按2.6度计算，每年可节电2620.8万度；第三，在节约管护费用方面，根据试验结果，滴灌比喷灌人均管护面积增加50亩，管护人员的人工工资按现在的5400元／年计算，平均每亩节省管护费用9元，每年可年约管护费用108万元。滴灌的维修费与喷灌基本持平，两者不做成本分析。以上3项除节电费用已经计入水费外，其他2项节省的费用合计为531.6万元／年。实施滴灌灌溉，还本年限是10年，因此，从经济效益方面看，在南北两山实施滴灌是可行的。
1、社会效益分析
兰州市地处西北黄土高原，这里千旱少雨，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。兰州市南北两山如果将12万亩上水造林灌溉面积实施滴灌方式造林，经计算滴灌比喷灌能节约水资源62.0%(每年节约水资源1008万m3），节约电能62.0%（每年节约电能2620.8万度），节约管护费用25%（每年可节约管护费用108万元）。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。
2、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护享体生态防护网络，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。
六、问题与建议
在兰州市南北两山实施滴灌方式造林，在有效提高林木成活率的前提下，能最大限度节约水资源，节省劳力和减轻劳动强度，节省管护费用，经济效益和社会效益显著。尽管滴灌试验取得了令人满意的结果，在试验过程中也发现了一些问题。主要表现为：一是在试验开始初期，．由于滴灌系统运行不是很正常，个别试验区不相信滴灌的效果和作用，重喷灌、轻滴灌，不能合理安排滴灌灌水时间，从而使滴灌系统没有发挥有效作用；二是由于事先培训不够，滴灌系统安装工作受到一定影响，个别滴头安装不规范，影响灌水效果。为此，课题组建议：
（1）在加强对滴灌先进性宣传的同时，要求各个林区要狠抓科学管理，培训合格的管护人员上岗操作，保证滴灌系统正常运行；
（2）根据需要合理设置沉淀池参数，尽量避免供水量与滴灌系统需求不一致的现象发生；
（3）在安装滴灌系统时，要尽量使用经过正规培训的专业施工人员，严格按照滴灌施工技术规范精心施工，坚决杜绝安装不合格的滴灌系统投入使用；
（4）继续开展黄河泥沙自动监控设备的研发工作，以保证滴灌系统安全正常运行。
