光伏提水灌溉技术在矿山复绿工程中的应用研究——以枣庄市徐庄镇工矿废弃地复垦项目为例

赵 哲，李艳华，玄 凯

1.山东明瑞土地工程技术有限公司，山东 泰安 271000

2.山东云景土地开发整理有限公司，山东 青岛 266000

3.山东农业大学信息科学与工程学院，山东 泰安 271018

近年来，随着生态文明建设的深入推进，矿山地质环境生态修复成为全社会关注的热点。现阶段，我国矿山地质环境生态修复中常采用的矿山复绿技术主要有植被混凝土技术和边坡削方技术等，这些技术方法已经非常成熟。许多矿山通过实施矿山复绿工程，矿区的地貌景观、生态环境有了一定程度的改善。但是，有些矿山地理位置偏远、地形复杂，修复过程中往往需要额外建设提水工程和电力设备，这一因素不仅带来了较高的投资成本，也降低了矿区植被覆盖率及矿山地质生态修复的效果。太阳能光伏提水灌溉技术具有不受地形限制、不依赖电网、组建机动灵活、全自动运行、无污染、安全可靠、维护简单等优点[1]，是解决边远地区农业、植被灌溉问题的首选技术之一。研究小组以山东省枣庄市山亭区徐庄镇幸福庄村工矿废弃地复垦利用试点项目为例，对光伏提水灌溉技术在矿山复绿工程中的配置方案及应用效果进行初探。

1 技术方法

山东省部分矿区降雨量少，生态修复项目管护期结束后，灌溉难以保证；同时，部分矿山多位于远离电网的偏僻地区，基本无灌溉设施，建设提水工程和电力设备投资成本较高，这就导致矿山复绿植物成活率较低，降低了矿区植被覆盖率及矿山地质环境生态修复的效果。

光伏提水灌溉技术可以较好地弥补这方面的不足，它利用太阳能作为灌溉技术的需求能源，较好地减少了地形、电网等因素的影响。而且，太阳能作为一种源源不断的清洁能源，具有低碳、环保、节能等优势。枣庄市是太阳能总辐射量较丰富的地区，可以充分利用太阳能进行提水灌溉。光伏提水灌溉技术和矿山复绿工程相结合，可以有效提高矿区复绿植被成活率，从而提升矿区生态环境治理效果。

2 项目区概况

研究区地处山东省枣庄市山亭区东南部，属沂蒙山区，总体地势四周高中间低，高差约58.05 m。研究区为露天采石矿挖损、废弃尾矿压占形成的工矿废弃地。项目建设目标为通过采取工程措施和生物措施，将区域内历史遗留工矿废弃地复垦为耕地或林地等地类。根据规划需要，项目总建设规模3.42 hm2，其中3.33 hm2的土地将复垦为耕地，矿山立面部分做复绿处理。工程实施前项目区地质地貌如图1 所示。

图1 工程实施前研究区地质地貌图

研究区主要存在的问题有：（1）水资源匮乏。研究区属于温带季风型大陆性气候，年平均降水量875 mm，70%集中在6—9 月，约为612 mm，水热同期，蒸发量大；水资源分布不均衡，在距研究区北侧400 m 处有EW 向河流新薛河，该河为季节性河流，旱季无水；研究区地下水埋藏深度在200 m 左右，且地下水储量不足。（2）电力系统不完善。研究区位于徐庄镇西北部，距镇驻地8 km，远离城镇，无现成的电力设施，需要架设电路、增设变压器等才能满足提水灌溉需要。

3 关键技术分析

3.1 山体修复方案选择

研究区东、南、西3 面为采石挖损形成的陡崖，高度0～50 m。崖壁立面岩石长期受日晒、霜冻及雨水冲刷，风化、破损严重，存在长度及深浅不一的裂隙，随时都有高空落石的危险。这一情况给当地群众生产带来极大的安全隐患。为此，研究小组拟对研究区周边岩壁进行山体修复。

结合研究区实际情况及当地此类项目以往的施工经验，研究小组采用削坡开平台的方式进行山体修复。根据研究区地形地貌，将山体立面修筑成“阶梯式”的平台，在平台外侧修建挡土墙，内部回填土，种植爬山虎、桧柏等绿化植物，布设滴灌管道，进行节水灌溉、植被养护。

该方案优点有：（1）削坡开平台后覆土回填，回填土壤厚度50 cm。回填的种植土可选择有机质丰富的优质土壤，从而改变山体原土质贫瘠的弊端。（2）在平台外侧修建挡土墙，土墙既为后期管护工作提供了作业工作面，保障人员安全，又能有效防止水土流失。（3）在平台内侧布设滴灌管道进行节水灌溉，对绿化植物进行长期的灌溉养护，保证植被成活率、有效防止水土流失，提高整体绿化效果。

3.2 水源选择

优先选择利用地表水，再考虑利用地下水。季节性河流新薛河无法满足水源需求，所以研究小组拟在研究区内修建集水窖。集水窖存在雨季水量充足、旱季窖内无水的情况，水源稳定性较差，因此还需要在研究区新建机井，井深260 m，出水量20 m3/h,以此保证水源的相对稳定。

3.3 灌溉方式选择

研究区灌溉分为平面的耕地灌溉和立面的绿植灌溉。因研究区地质条件限制，可以选择管道输水和微灌两种灌溉方式[2]。

研究区耕地以种植玉米和小麦为主，种植面积3.33 hm2，复种指数200%，两种农作物不同灌溉方式的灌溉定额如表1 所示。根据两种农作物的管道输水和微灌灌溉定额，分别乘以两种农作物的种植面积，计算得到研究区平面的耕地灌溉管道输水需水量及微灌需水量分别为7 909 m3和5 858 m3[3]。

表1 研究区农作物灌溉定额表（灌溉保证率50%） 单位：m3/ hm2

研究区的矿山立面复绿植被以爬山虎、连翘、月季、桧柏等植物作为绿化苗圃，灌溉定额为5 325 m3/hm2·a，复绿面积0.23 hm2。由此计算矿山立面复绿植被的管道输水需水量为1 173 m3，微灌需水量为703.5 m3[4]。

微灌与传统的管道输水方式相比，节水60%～80%。因矿区水源不稳定，太阳能又受天气因素影响较大，工作水头常常不能达到最高值，所以，研究小组拟选择微灌或滴灌等高效节水的灌溉方式。

3.4 电力选择

研究区远离城镇，无现成的电力设施。为解决研究区的供电问题，有架设电缆、地埋电缆、光伏发电等3 种供电方式。研究小组根据设备价格、预期使用年限（见表2）以及年度运行维护费用（见表3）[5]，分析3 种供电方式的成本。

表2 研究区电力系统投资表

如表3 所示，每年的灌溉时间为4—10 月，其中不降雨时间为138 d，工作时间取100 d，日工作时间6 h，设计日提水约120 m3，则系统年工作时数约600 h[6]。枣庄市当地农用电价格为0.9 元/(kW·h)。架设、地埋电缆的电力系统能源费用为1.19 万元。

表3 研究区年度维护运行成本表 单位：万元

根据费用计算公式，可得多年提水成本，计算结果见表4。

表4 提水成本表 万元/t

综上可知，光伏电力系统的投资要远远小于架设、地埋电缆的电力系统的投资，且运行时间越长，提水成本越低。从全国太阳能资源区域分布来看，枣庄市是太阳年总辐射量较丰富地区，可以充分利用太阳能进行提水灌溉[7]。

4 工程规划方案

研究区光伏提水灌溉工程设计方案如图2所示[8]。

图2 研究区项目设计方案图

（1）山体修复：使用边坡削方技术将山体立面修筑成“阶梯式”的平台，在平台外侧修建挡土墙，内部回填土，种植爬山虎、桧柏等绿化植物。

（2）光伏提水灌溉设施：研究区灌溉水源主要利用地下水资源进行灌溉。研究小组规划在研究区西北位置新打1 眼机井作为农田灌溉水源，规划配套潜水泵、输水管道等进行节水灌溉。新建机井配套潜水泵型号为150 QJ10-200，功率22 kW。选择建设1 处固定光伏提水灌溉工程，配置光伏组件28 kWp。规划埋设直径90 mm1.0 MpaPE 干管管道1 020 m，埋设直径90 mm 0.8 MpaPE 支管管道520 m，用于对复垦后的耕地区域灌溉。规划埋设直径63 mm 1.6 MpaPE 管道440 m，布设直径25 mm 1.0 MpaPE 管道2 940 m，用于对山体修复区域的防护林进行滴灌节水灌溉。

此外，为防止高空落石，在排水沟靠近陡崖底部位置，预留4 m 作为安全距离，预留区回填土，种植桧柏及爬山虎。为阻止行人及动物靠近陡崖顶部，防止陡崖顶部石块坠落，规划沿陡崖顶部安装1.8 m 高护栏网，长度510 m。为防止水土流失，规划在山体修复预留绿化平台内侧栽植绿化防护林木，分内外两排种植，内侧一排选用桧柏，株距3.0 m，在桧柏中间种植爬山虎，株距1.5 m；外侧一排选用月季和连翘，株距1.5 m。排水沟靠近陡崖内侧种植桧柏177 株，种植爬山虎354 株。

5 应用效益分析

光伏提水灌溉技术利用太阳能发电来驱动水泵，将深埋地下的深层地下水源不断的泵送至指定位置，解决了矿山生态修复中的缺水问题。该技术的应用使矿山复绿工程的后期植被灌溉养护有了保障，提高了矿区植被覆盖率及矿山生态修复的效果。同时，该技术的应用也带来了显著的经济、社会效益，主要体现在减排、优化能源结构、降低劳动强度、提高复绿植被成活率等方面。

（1）经济效益：经实验证明，该项目使用光伏提水技术后，在前期投资中与传统电力系统相比可以节省接近3/4的成本。从运行成本来看，传统电力系统成本是光伏提水系统的5.4倍。从提水成本来看，运行10年后的成本光伏提水可以降低到1 000 元/t。

（2）节能减排效益：光伏提水技术与传统的电力、水泵相比，能减少温室气体排放和对自然环境的污染。并且，该技术充分利用当地丰富的太阳能资源，提高了可再生能源发电量所占比重，优化了电源结构。

6 结 语

研究小组以山东省枣庄市山亭区徐庄镇幸福庄村工矿废弃地复垦利用试点项目为例，实践证明光伏提水灌溉技术可有效解决矿山生态修复中的植被缺水问题，节约前期成本，提高矿区生态环境治理效果。但在矿山复绿过程中，还需解决以下问题：（1）光伏提水灌溉技术受时间和天气条件影响大，出水量不稳定，导致部分时间滴灌压力不足，所以还需增加自动控制系统，以增加系统的适应性[9]。（2）光伏提水灌溉系统在无需灌溉期间，因无储蓄电池，造成资源的部分浪费，可以考虑与附近灌区联合设计，充分利用光伏提水灌溉资源。（3）光伏提水灌溉系统的运行需要人工现场维护，可以考虑配套光伏提水滴灌自动化控制系统，做到自动智能控制[10]。