CN112017522A - 一种尾矿库生态修复及水土流失模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种尾矿库生态修复及水土流失模拟实验装置，所述实验装置包括：模拟箱体，所述模拟箱体具有至少两个相互独立的模拟区，各所述模拟区并列排布，在各所述模拟区内进行不同形态的尾矿坝模拟；自然模拟模块，所述自然模拟模块设置于模拟箱体上方，进行自然环境模拟；库区水位模拟模块，所述库区水位模块连通各所述模拟区进行供水，通过对各所述模拟区供以不同高度的水位进行不同库区的水位模拟；水土流通区，所述水土流通区设置于所述模拟区的纵向另一端，对所述各模拟区表层水和渗透水进行排出；设置多个模拟区，通过对各模拟区进行不同形态的尾矿坝模拟实现实验的多样性，能够使本装置同时对多种形态尾矿坝进行模拟实验。

Description

一种尾矿库生态修复及水土流失模拟实验装置

技术领域

本发明属于矿山生态环境工程技术领域技术领域，具体涉及一种尾矿库生态修复及水土流失模拟实验装置。

背景技术

尾矿库不仅破坏和侵占大量土地资源，也带来一系列的生态环境问题。未经处理的尾矿堆，因其结构不稳定，会导致严重的水土流失、破坏植被，并可能引发地质灾害等。针对目前我国矿山生态环境面临的严峻形势，普遍通过模型实验探讨矿山废弃地土壤基质改良及生态恢复技术研究，实现矿山开采与生态保护同步进行，为我国建设矿山文明、实施可持续发展战略提供科技支持。

常见的尾矿基质改良及生态修复模型装置缺少植物抚育及自然环境的模拟，无法模拟真实的自然环境，并且无法对降雨及水土流失情况进行定量监测；传统的尾矿库模拟装置只能对单一尾矿坝结构进行模拟，无法提供多结构、不同角度坝体的稳定性及生态修复效果参数。

因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术中只能对单一尾矿坝结构进行模拟，无法提供多结构、不同角度坝体的稳定性及生态修复效果参数的缺陷。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种尾矿库生态修复及水土流失模拟实验装置，所述实验装置包括：

模拟箱体，所述模拟箱体具有至少两个相互独立的模拟区，各所述模拟区并列排布，在各所述模拟区内进行不同形态的尾矿坝模拟；

自然模拟模块，所述自然模拟模块设置于模拟箱体上方，进行自然环境模拟；

库区水位模拟模块，所述库区水位模拟模块设置于所述模拟区的纵向一端，所述库区水位模拟模块内盛有水，所述库区水位模块连通各所述模拟区进行供水，通过对各所述模拟区供以不同高度的水位进行不同库区的水位模拟；

水土流通区，所述水土流通区设置于所述模拟区的纵向另一端，对所述各模拟区表层水和渗透水进行排出。

如上所述的尾矿库生态修复及水土流失模拟实验装置，优选，所述库区水位模拟模块为水箱，所述水箱通过导水单元分别独立连接各所述模拟区；

所述导水单元包括具有高度差的三根导水管，所述三根导水管上分别设有导水管控制阀。

如上所述的尾矿库生态修复及水土流失模拟实验装置，优选，所述自然模拟模块通过伸缩支架设置于所述模拟箱体正上方，所述伸缩支架用于对所述自然模拟模块进行高度调节；

所述自然模拟模块包括：

降雨模拟组件，所述降雨模拟组件用于降雨模拟；

自然光模拟组件，所述自然光模拟组件用于自然光模拟。

如上所述的尾矿库生态修复及水土流失模拟实验装置，优选，所述自然光模拟组件设置于模拟箱体正上方，包括若干白光发光二极管、蓝光发光二极管和补光发光二极管，所述白光发光二极管、所述蓝光发光二极管和所述补光发光二极管呈矩阵交错分布。

所述降雨模拟组件设置于模拟箱体正上方，包括若干呈矩阵分布降雨喷头，所述降雨喷头通过水泵连接水源。

如上所述的尾矿库生态修复及水土流失模拟实验装置，优选，所述降雨模拟组件外围设有遮雨帘，用于防止降雨喷头在模拟降雨时雨水外溅。

如上所述的尾矿库生态修复及水土流失模拟实验装置，优选，所述水土流通区包括：

第一流通区，所述第一流通区对各所述模拟区的表层水进行排出；

第二流通区，所述第二流通区对各所述模拟区的渗透水进行排出；

所述第一流通区位于第二流通区上方。

如上所述的尾矿库生态修复及水土流失模拟实验装置，优选，所述第一流通区设有横向布置于各所述模拟区端部的第一排水组件，各所述模拟区端部设有对应连通所述第一排水组件的排水缺口；

各所述模拟区底部设有沿其纵向布置的第二排水组件，所述第二排水组件延伸至第二流通区。

如上所述的尾矿库生态修复及水土流失模拟实验装置，优选，所述水土流通区侧壁设有对应连通各所述第二排水组件的引出管，各所述引出管上设有引出管控制阀以供各所述模拟区的渗透水单独排出；

所述水土流通区侧壁设有对应连通各所述第一排水组件的引出管，各所述引出管上设有引出管控制阀以供各所述模拟区的表层水单独排出。

如上所述的尾矿库生态修复及水土流失模拟实验装置，优选，所述第一排水组件包括：

砖槽，所述砖槽至少具有沿其纵向延伸的流通沟，所述流通沟截面呈倒梯形；

排水管，所述排水管置于所述流通沟底部，所述排水管侧壁开设沿其纵向间隔分布的排水孔；

所述第二排水组件包括：

砖槽，所述砖槽至少具有沿其纵向延伸的流通沟，所述流通沟截面呈倒梯形；

排水管，所述排水管置于所述流通沟底部，所述排水管侧壁开设沿其纵向间隔分布的排水孔。

如上所述的尾矿库生态修复及水土流失模拟实验装置，优选，在所第二排水组件中，所述排水管外壁包裹旧金属网和土工布，并通过聚乙烯绳捆扎。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下有益技术效果：

1.设置多个模拟区，通过对各模拟区进行不同形态的尾矿坝模拟实现实验的多样性，能够使本装置同时对多种形态尾矿坝进行模拟实验；

2.设置自然模拟模块，将模拟降雨、模拟自然光结合，节约空间，实现功能多样性；

3.在各模拟区内模拟模拟设置尾矿坝生态护坡，并通过本装置进行多种形式生态护坡下的尾矿坝进行模拟，为尾矿稳定和生态修复方法提供参考与依据；

4.设置库区水位模拟模块，对各模拟区的水位进行控制，模拟出模拟尾矿库库区水位，形成不同的干滩区和库水位区，使本实验装置模拟场景更为贴近真实生态环境。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1为本发明具体实施例中整体结构示意图；

图2为本发明具体实施例中整体结构正视图；

图3为本发明具体实施例中第二排水组件结构示意图；

图4为本发明具体实施例中排水管包裹土工布和金属网的截面示意图；

图5为本发明具体实施例中排水管结构示意图。

图例说明：1：模拟箱体，2：水箱，3：导水管，4：第一排水组件，5：分隔板，6：第二排水组件，7：有机玻璃板，8：砖槽，9：排水管，10：降雨喷头，11：水泵，12：连接管，13：流量计，14：压力表，15：遮雨帘，16：伸缩支架，17：导水管控制阀，18：引出管控制阀，19：白光发光二极管，20：蓝光发光二极管，21：补光发光二极管，22：出入口，23：支挡板，24：排水孔，25土工布或金属网，26尾矿坝。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本申请提供了一种尾矿库生态修复及水土流失模拟实验装置，能够对自然环境、不同尾矿坝26形态、尾矿库区水位进行多方面模拟，提高实验真实性，为尾矿稳定和生态修复方法提供参考与依据。

如图1所示，一种尾矿库生态修复及水土流失模拟实验装置，通过对尾矿坝26形态模拟进行水土流失实验，包括模拟箱体1，模拟箱体1至少包括两个相互独立的模拟区，各模拟区并列排布，在各模拟区内堆填尾矿库库区土质进行不同形态的尾矿坝26模拟。

模拟箱体1上方设有用于进行自然环境模拟的自然模拟模块，所述模拟区的纵向一端设置库区水位模拟模块，库区水位模拟模块内盛有水，且连通各模拟区对各模拟区进行不同库区的水位模拟，通过供以不同高度的水位以模拟形成不同的干滩区和库水位区，库区水位模拟完成后停止库区水位模拟模块对模拟区供水。

堆填时，采用现场采集的尾矿库库区及坝体岩土基质，如图2所示，在各模拟区内堆填尾矿库土石混合、石块为主等不同结构形态的下垫面结构模型，参考尾矿库实际的坝体结构、滩面结构和库区水位，建立起缩尺相似模型，采用相连的库区水位模拟模块连通各模拟区，通过控制地下水的入渗位置形成不同的浸润线分布工况，分析下垫面的稳定特征；

利用该尾矿库实验模拟实验时，在模拟区的尾矿坝26上栽植植物(例如草皮、小型树木等)，设置水土流通区水土流通区设置于模拟区的纵向一另端，对各模拟区表层水和渗透水进行排出，从而尾矿坝26实现水流流失进行检查，通过分析所述表层水和渗透水得出实验数据。

在各模拟区进行堆填尾矿堆积坝时，模拟区连接库区水位模拟模块的一侧为入水侧，模拟区连接水土流通区一侧为排水侧，堆填尾矿坝26为从入水侧先上行至最高点再下行至排水侧最低点的斜坡，其上行斜坡的坡度小于下行斜坡的坡度。

在一些实施例中，模拟箱体1内设置五个独立的模拟区，多个模拟区进行不同形态尾矿坝26模拟，可同时进行实验。

本发明还具有如下实施方式，本实施方式与上述实施方式基本相同，不同之处在于：库区水位模拟模块为水箱2，该水箱2具有高度差的三根导水管3分别连接各模拟区，三根导水管3上分别设有导水管控制阀17；由于三根导水管3具有高度差，通过开启不同导水管控制阀17即可实现对水箱2内水对模拟区导入水量的控制调节，因此每个导水管控制阀17的开启即可代表对模拟区进行不同库区水位的模拟，只需根据需要进行不同导水管3上导水管控制阀17的开启和关闭，操作简单。

优选，导水管3为pvc管。

本发明还具有如下实施方式，本实施方式与上述实施方式基本相同，不同之处在于：自然模拟模块设置在模拟箱体1正上方，包括降雨模拟组件和自然广模拟装置，将模拟降雨、模拟自然光结合，节约空间，实现功能多样性，模拟尾矿坝26生态护坡，为尾矿稳定和生态修复方法提供参数与依据。

自然模拟模块伸缩支架16固定在模拟箱体1正上方，可根据需要对其进行高度调节，保证模拟效果真实、贴近实际自然环境。

本发明还具有如下实施方式，本实施方式与上述实施方式基本相同，不同之处在于：

自然光模拟组件包括白光发光二极管19、蓝光发光二极管20和补光发光二极管21；降雨模拟组件包括若干呈矩阵分布在模拟箱体1正上方的降雨喷头10，降雨喷头10对应矩阵分布在降雨架上，通过降雨架于伸缩支架16进行固定，其中白光发光二极管19、蓝光发光二极管20和补光发光二极管21呈矩阵交错分布在降雨架的顶端，白光发光二极管19、蓝光发光二极管20和补光发光二极管21利用光谱互补方法，完成自然光的模拟。

具体的，补光发光二极管21与白光发光二极管19结构相同，不同之处在于，补光发光二极管21与白光发光二极管19的光照角度不同，一则对白光发光二极管19的光线进行补光，二则可根据每天不同时刻的太阳照射强度和/或角度，对光照强度和/或角度进行调节，以模拟实际太阳照射。调节方式包括：(1)通过控制补光发光二极管21的输入电流调节光照强度；(2)控制补光发光二极管21打开数量进行调节光照强度。

在实际运用过程中，在根据每天不同时刻的太阳照射强度和/或角度，对补光发光二极管21进行调节时，清晨时分，太阳的光照较弱，且具有一定倾斜角，因此补光发光二极管21的光照强度调至较弱模式，并关闭或者减小位于模拟箱体1一侧(即现实方位的西侧)的补光发光二极管21；中午时分，太阳的光照最强，因此将补光发光二极管21的光照强度调至最大，将补光发光二极管21全部打开；傍晚时分，太阳的光照较弱，且具有一定倾斜角，因此补光发光二极管21的光照强度调至较弱模式，并关闭或者减小位于模拟箱体1另一侧(即现实方位的东侧)的补光发光二极管21。

通过补光的方式更为真实的模拟太阳照射，从不同的方向对植物进行照射，补光的时间和实际阳光照射的时间相同，使植物具有更为贴近真实的生长环境。

将降雨喷头10通过连接管12串联或者并联后通过水泵11连接水源，水泵11与降雨喷头10之间的连接管12上设置流量计13，流量计连接控制器，利用控制器对降雨喷头10所模拟的降雨量进行监控，不仅如此，在连接管12上设置压力表14，通过控制器连接压力表14进行监控，以不同水压模拟大雨、中雨、小雨等。

优选，可将水泵11设置于库区水位模拟模块(水箱2)中。

本发明还具有如下实施方式，本实施方式与上述实施方式基本相同，不同之处在于：降雨架外围设置遮雨帘15，用于防止降雨喷头10在模拟降雨时雨水外溅。

本发明还具有如下实施方式，本实施方式与上述实施方式基本相同，不同之处在于：水土流通区设置在各模拟区另一端，包括第二流通区和第一流通区，其中，第二流通区将各模拟区中的渗透水单独排出，排出后的渗透水另行收集，通过对渗透水的研究分析得出该模拟环境下的通过渗透方式造成的水土流失参数，该参数主要包括水土流失造成的营养成分流失量、地下水流失量。

第二流通区将各模拟区中的表层水进行单独排出，排出后的表层水另行收集，通过对表层水的研究分析得出该模拟环境下的通过表层流失的方式造成的水土流失参数，该参数主要包括水土流失造成的营养成分流失量、表层水土流失量。

本发明还具有如下实施方式，本实施方式与上述实施方式基本相同，不同之处在于：各模拟区底部均设有沿其纵向布置的第二排水组件6，第二排水组件6伸出模拟箱体1延伸至第二流通区；

第一流通区对应设有横向布置于各模拟区端部的第一排水组件4，分别通过第二排水组件6和第一排水组件4将各模拟区的表层水和渗透水单独排出，排出后的表层水和渗透水单独收集，能够对各模拟区内的表层水和渗透水进行水土流失参数单独记录，其中第二流通区和第一流通区在水土流通区间隔分布。

模拟区端部设有对应连通第一排水组件4的排水缺口，排水缺口设置于支挡板23上，该排水缺口通过导流嘴连接第一排水组件4，在模拟区中，所模拟的尾矿坝至少包括坝体和坝坡，所述排水缺口下沿所处平面位于坝坡中部。

本发明还具有如下实施方式，本实施方式与上述实施方式基本相同，不同之处在于：水土流通区侧壁设有第一排水组件4的引出管，通过引出管上的引出管控制阀18对是否导出表层水进行控制。

水土流通区侧壁设有连通第二排水组件6的引出管，通过引出管上的引出管控制阀18对是否导出渗透水进行控制。

优选，引出管为pvc管。

本发明还具有如下实施方式，本实施方式与上述实施方式基本相同，不同之处在于：

如图3所示的第一排水组件4示意图，第一排水组件4包括砖槽8和排水管9，砖槽8至少具有沿其纵向延伸的流通沟，流通沟截面呈倒梯形，砖槽8高300mm，底部做防渗面，抹上425#水泥，流通沟2％找坡，以便排水；流通沟底部中间位置设置排水管9，排水管9内部直径90mm，长度按实际需求进行设置，排水管9上开设排水孔24，排水孔24内径10mm，在其纵向上每隔25mm开设一个排水孔24，两排排水孔24在其周向上间距为25mm。排水管9为pvc管。

第二排水组件6包括砖槽8和排水管9，第二排水组件6整体结构与第一排水组件4示意图类似，可参考图3所示，砖槽8至少具有沿其纵向延伸的流通沟，流通沟截面呈倒梯形，砖槽8高300mm，底部做防渗面，抹上425#水泥，流通沟2％找坡，以便排水；流通沟底部中间位置设置排水管9，排水管9内部直径90mm，长度按实际需求进行设置，排水管9上开设两排沿其纵向排列的排水孔24，如图4-5所示，排水孔24内径10mm，在其纵向上每隔25mm开设一个排水孔24，两排排水孔24在其周向上间距为25mm。排水管9为pvc管。

优选，引出管为pvc管，排水管9可以与引出管一体成型。

本发明还具有如下实施方式，本实施方式与上述实施方式基本相同，不同之处在于：如图4所示的排水管9包裹旧金属网或土工布示意图，第二排水组件6中的排水管9外壁包裹旧金属网和土工布，并通过聚乙烯绳扎紧。

具体地，土工布规格为400g/㎡，金属网网目为100目，二者依次包裹排水管9后利用聚乙烯绳扎紧，由于第二排水组件6主要用于对渗透水进行排出，由于渗透水的水土流失参数的研究中，无需计算泥沙含量，故将第二排水组件6中的排水管9进行包裹；第一排水组件4主要对表层水进行收集和排出，由于对表层水土流失参数的研究中，需要计算泥沙含量，因此，第一排水组件4中的排水管9中无需对表层水进行过滤。

在一些实施例中,模拟箱体1为长方体，五面封闭，顶部开口，其边界尺寸为10m×7.5m×1.5m，模拟箱体1结构的左、右、后面由水泥砖砌成，外表用水泥砂浆抹平；正对面是1cm厚透明有机玻璃板7；模拟箱体1外围由尺寸为10.2m×7.7m×1.5m的钢护栏进行加固。

在水土流通区正面留有1.2m×1.5m出入口22，对应处钢护栏留有1.2m×1.5m的外开启门。模拟箱体1中由5个尺寸为7m×7.5m×1.5m模拟区组成，且各模拟区由7m×0.05m×1.5m分隔板5阻隔。5个模拟区与土水流通区由7.5m×0.1m×0.8m支挡板23阻隔。

综上所述，本装置内的尾矿库模型构建方法为：采用现场采集的尾矿库库区及坝体岩土基质，堆填尾矿库土石混合和石块为主等不同结构特征的下垫面结构模型。土壤堆填时，参考尾矿库实际的坝体结构、滩面结构和水面位置，建立起缩尺相似模型，采用相连的水箱2控制地下水的入渗位置，形成不同的浸润线分布工况，以分析下垫面的稳定特征，将模拟降雨装置、模拟自然光装置结合，形成更为贴近自然环境的实验场景，节约空间，具有功能的多样性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种尾矿库生态修复及水土流失模拟实验装置，其特征在于，所述实验装置包括：

模拟箱体，所述模拟箱体具有至少两个相互独立的模拟区，各所述模拟区并列排布，在各所述模拟区内进行不同形态的尾矿坝模拟；

自然模拟模块，所述自然模拟模块设置于模拟箱体上方，进行自然环境模拟；

库区水位模拟模块，所述库区水位模拟模块设置于所述模拟区的纵向一端，所述库区水位模拟模块内盛有水，所述库区水位模块连通各所述模拟区进行供水，通过对各所述模拟区供以不同高度的水位进行不同库区的水位模拟；

水土流通区，所述水土流通区设置于所述模拟区的纵向另一端，对所述各模拟区表层水和渗透水进行排出。

2.根据权利要求1所述的尾矿库生态修复及水土流失模拟实验装置，其特征在于，所述库区水位模拟模块为水箱，所述水箱通过导水单元分别独立连接各所述模拟区；

所述导水单元包括具有高度差的三根导水管，所述三根导水管上分别设有导水管控制阀。

3.根据权利要求1所述的尾矿库生态修复及水土流失模拟实验装置，其特征在于，所述自然模拟模块通过伸缩支架设置于所述模拟箱体正上方，所述伸缩支架用于对所述自然模拟模块进行高度调节；

所述自然模拟模块包括：

降雨模拟组件，所述降雨模拟组件用于降雨模拟；

自然光模拟组件，所述自然光模拟组件用于自然光模拟。

4.根据权利要求3所述的尾矿库生态修复及水土流失模拟实验装置，其特征在于，所述自然光模拟组件设置于模拟箱体正上方，包括若干白光发光二极管、蓝光发光二极管和补光发光二极管，所述白光发光二极管、所述蓝光发光二极管和所述补光发光二极管呈矩阵交错分布；

所述降雨模拟组件设置于模拟箱体正上方，包括若干呈矩阵分布降雨喷头，所述降雨喷头通过水泵连接水源。

5.根据权利要求4所述的尾矿库生态修复及水土流失模拟实验装置，其特征在于，所述降雨模拟组件外围设有遮雨帘，用于防止降雨喷头在模拟降雨时雨水外溅。

6.根据权利要求1所述的尾矿库生态修复及水土流失模拟实验装置，其特征在于，所述水土流通区包括：

第一流通区，所述第一流通区对各所述模拟区的表层水进行排出；

第二流通区，所述第二流通区对各所述模拟区的渗透水进行排出；

所述第一流通区位于第二流通区上方。

7.根据权利要求6所述的尾矿库生态修复及水土流失模拟实验装置，其特征在于，所述第一流通区设有横向布置于各所述模拟区端部的第一排水组件，各所述模拟区端部设有对应连通所述第一排水组件的排水缺口；

各所述模拟区底部设有沿其纵向布置的第二排水组件，所述第二排水组件延伸至第二流通区。

8.根据权利要求7所述的尾矿库生态修复及水土流失模拟实验装置，其特征在于，所述水土流通区侧壁设有对应连通各所述第二排水组件的引出管，各所述引出管上设有引出管控制阀以供各所述模拟区的渗透水单独排出；

所述水土流通区侧壁设有对应连通各所述第一排水组件的引出管，各所述引出管上设有引出管控制阀以供各所述模拟区的表层水单独排出。

9.根据权利要求8所述的尾矿库生态修复及水土流失模拟实验装置，其特征在于，所述第一排水组件包括：

砖槽，所述砖槽至少具有沿其纵向延伸的流通沟，所述流通沟截面呈倒梯形；

排水管，所述排水管置于所述流通沟底部，所述排水管侧壁开设沿其纵向间隔分布的排水孔；

所述第二排水组件包括：

砖槽，所述砖槽至少具有沿其纵向延伸的流通沟，所述流通沟截面呈倒梯形；

排水管，所述排水管置于所述流通沟底部，所述排水管侧壁开设沿其纵向间隔分布的排水孔。

10.根据权利要求9所述的尾矿库生态修复及水土流失模拟实验装置，其特征在于，在所第二排水组件中，所述排水管外壁包裹旧金属网和土工布，并通过聚乙烯绳捆扎。

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