CN112970369B - 一种露天矿排土场生态再造海绵结构及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种露天矿排土场生态再造海绵结构及其应用。所述露天矿排土场生态再造结构为布置于排土场基质层上的三层型海绵生态结构；由下至上，三层型海绵生态结构包括隔水层、涵水层和表土生态层；隔水层的厚度为100～200cm，隔水层的渗透系数为0.35～0.7m/d，压实度为1200～1400KPa；涵水层的厚度为150～250cm，涵水层的渗透系数为10～20m/d，压实度为800～900KPa；表土生态层的厚度为40～60cm；可以通过探地雷达监测土层厚度与含水率。本发明生态再造海绵结构对于植被的生长和物种繁衍具有较好的长期效应，促进了物种的生长与生态系统的稳定，使排土场植被多样性、丰富度及生物量均达到较好的水平；与排土场的汇流工程设计相结合，使排土场的水分得到充分的保存和有效利用，大幅度地提高了露天煤矿的生态重构效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种露天矿排土场生态再造海绵结构及其应用，属于土地复垦与生态重建技术领域。
背景技术
大型露天矿排土场是一个人工巨型松散岩土堆积体，“平台-边坡”为基本地貌单元，平台岩土由大型机械分层压实，而边坡自然堆倒岩土松散(图1)。新建排土场非均匀沉降明显，多裂缝和陷穴，植被覆盖度低，其水蚀特征与原地貌相比差别显著，具体体现在3个方面：①表层坚硬的覆土碾压平台和陡坡松散岩土为剧烈水蚀创造了条件；②50～80m的坡长引起坡面密集的细沟状侵蚀；③不均匀沉陷和裂缝造成径流汇集路径具有较大的时空变化特性。另一方面，露天开采中为了高效和容纳更多的岩土排弃物，多采用机械搬运、压实增大排土场容量，往往忽视覆土层次结构、物理性状对生态布局模式的影响，因此，有效可行地构建出涵水率高的海绵型土层结构是半干旱黄土区大型排土场土地复垦和植被恢复的基础。
发明内容
本发明的目的是提供一种露天矿排土场生态再造海绵结构，本发明生态再造海绵结构与排土场的汇流工程设计相结合，能够使排土场的水分得到充分的保存和有效利用，大幅度地提高露天煤矿的生态重构效果。
本发明所提供的露天矿排土场生态再造海绵结构，为布置于排土场基质层上的三层型海绵生态结构；
由下至上，所述三层型海绵生态结构包括隔水层、涵水层和表土生态层。
上述的生态再造海绵结构中，所述隔水层的厚度可为100～200cm；
所述隔水层由砂石、泥土和粉煤灰经压实形成；
所述隔水层的渗透系数可为0.35～0.7m/d，压实度可为1200～1400KPa。
所述粉煤灰可由燃煤火电厂得到；
所述粉煤灰呈球形，直径在17～40μm范围内的含量为85％以上，平均粒径为30μm左右)，其中主要成分为二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁和氧化钙。
上述的生态再造海绵结构中，所述涵水层的厚度可为150～250cm，优选2m左右；
所述涵水层可由砂、泥土和粉煤灰经压实形成；
所述涵水层的渗透系数可为10～20m/d，压实度可为800～900KPa。
所述砂石、所述砂和所述泥土皆来自露天煤矿开采分层剥离基质。
上述的生态再造海绵结构中，所述表土生态层的厚度可为40～60cm；
所述表土生态层指的是矿区开采前剥离表土层或人工添加一定有机质的表土层，适合于植被生长。
本发明生态再造海绵结构中的涵水层，是水的动态蓄积并保持水分含量的一个层次，当地表水多时水分会下渗并保持在该层次，地表水少时根系下扎到该层吸收调用水，本发明中表土生态层的厚度为40～60cm，便于根系下扎到涵水层取用水，所以本发明生态再造结构中的涵水层具有缓冲保水的功能与特点，不仅仅是含水的作用，还有生态水涵养功能。
本发明生态再造海绵结构的结构设置，即40～60cm的表土生态层、150～250cm的涵水层(渗透系数为10～20m/d，压实度为800～900KPa)、100～200cm的隔水层(渗透系数为0.35～0.7m/d，压实度为1200～1400KPa)，可以采用探地雷达监测出不同土层的厚度与含水率，使土层结构能更好地满足生态应用。
本发明生态再造海绵结构对于植被的生长和物种繁衍具有较好的长期效应，促进了物种的生长与生态系统的稳定，使排土场植被多样性、丰富度及生物量均达到较好的水平。
本发明生态再造海绵结构与排土场的汇流工程设计相结合，使排土场的水分得到充分的保存和有效利用，大幅度地提高了露天煤矿的生态重构效果。
附图说明
图1为现有大型露天煤矿外排土场的结构示意图。
图2为本发明三层型海绵生态结构的示意图。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
目前，排土场工程复垦主要依靠大型采矿复垦机械进行搬运、平整土岩工作，使“人造场地”恢复成较合理的地形地貌。为了保证露天排土场的安全和容纳更多的土岩物质，人们多采用机械严格压实的方法，造成干旱半干旱地区露天矿排土场的生态修复困难极大。为此，本发明提供了一种三层型海绵生态结构，以提高露天矿的生态重构效果。
实施例1、三层型海绵生态结构
如图1所示，本发明三层型海绵生态结构的示意图，在大规模的土岩压实工程后(排土场基质层)，铺一层1m厚度(具体可为1m～2m之间)的隔水层，其由砂石、泥土和粉煤灰经压实形成，渗透系数为0.5m/d，压实度达到1300KPa；再铺一层2m左右厚的涵水层，其由砂、泥土和粉煤灰经压实形成，渗透系数为15m/d，压实度达850KPa；最上层铺上40～60cm的表土生态层，即构成了三层型海绵生态结构。
本发明采用的粉煤灰呈球形，粉煤灰直径为17～40μm范围的含量为85％以上，平均粒径为30μm左右，其中主要成分为二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁、氧化钙。
本发明采用的砂石、砂和泥土皆来自露天煤矿开采分层剥离基质。
本发明采用的表土生态层为矿区开采前剥离表土层，适合于植被生长。
本发明生态再造海绵结构中的涵水层，是水的动态蓄积并保持水分含量的一个层次，当地表水多时水分会下渗并保持在该层次，地表水少时根系下扎到该层吸收调用水，本发明中表土生态层的厚度为40～60cm，便于根系下扎到涵水层取用水，所以本发明生态再造结构中的涵水层具有缓冲保水的功能与特点，不仅仅是含水的作用，还有生态水涵养功能。
本发明生态再造海绵结构的设置，可以采用探地雷达监测出不同土层的厚度与含水率，使土层结构能更好地满足生态应用。
实施例2、三层型海绵生态结构的应用效果
在本发明三层型海绵生态结构与上部覆盖50cm的表土生态层(即不设置涵水层与隔水层)的结构上种植植物(油松、山杏、沙棘、无芒雀麦)，考察两种结构上植物的生长及水分变化情况。
两种结构的最底层均为岩沙混排堆放的结构。
(1)群落特征差异
表1为在本发明三层型海绵生态结构上种植的植被在同复垦年限的植被特征分析结果。
表1表土层相似下，不同土层结构上排土场覆被生长情况比较
由表1中的数据可以看出，不同海绵结构植被的生长表现出差异：表土下层无结构的排土场上植被总体生长比海绵结构的差，植被稀疏，物种少；无结构土层复垦10年甚至达不到本发明海绵生态结构复垦7年的植被生长。
可见，本发明海绵生态结构的土层对于植被的生长和物种繁衍具有较好的长期效应，促进了物种的生长与生态系统的稳定。
(2)土层中水分的变化
西北地区7～9月是每年集中降雨季节，70％以上的雨量集中在这个季节，且大多是暴雨。9月连续降雨1周后，监测土层的水分含量，不同层次的水分含量不同。雨后天晴，气温迅速升高，蒸发量增加，如表2所示。
表2表土层相似不同土层结构排土场土壤含水率变化(保水能力)
(3)保水效果
采用海绵生态结构(上部覆盖40～60cm表土，下部2m涵水层与1m隔水层)与无结构堆放土层相比，种植乔+灌组合生态重建区内水分蒸发量减少约17～38％，空气相对湿度提高10％～30％，减少作物无效蒸腾22％～37％，露天煤矿采用海绵结构生态重建有效地调节了矿区内的小气候；其土壤侵蚀量降低，冲刷量减少。在海绵土层结构上种植不同配置植被乔灌草(油松、山杏、无芒雀麦)、灌草(沙棘、无芒雀麦)、草(无芒雀麦)生长良好，复垦7年后植被盖度达到100％、80％、60％，裸地(植被盖度不足10％)的平均水土流失量分别为植被盖度20％、40％、60％、80％、100％时的1.806、3.027、4.923、11.977、46.667倍，植被再造极大地降低了水土流失。当植被覆盖度达到60～80％时，平均土壤流失量为258.137～628.087t/km2·a，属于轻度侵蚀，基本上消除了水土流失危害，可见本发明海绵结构对于调节水分的保蓄与生态利用，减少水土流失具有较好的生态意义。
Claims (2)
1.一种露天矿排土场生态再造海绵结构，为布置于排土场基质层上的三层型海绵生态结构；
由下至上，所述三层型海绵生态结构包括隔水层、涵水层和表土生态层；
所述隔水层的厚度为100～200cm；
所述隔水层由砂石、泥土和粉煤灰经压实形成；
所述隔水层的渗透系数为0.35～0.7m/d，压实度为1200～1400KPa；
所述涵水层的厚度为150～250cm；
所述涵水层由砂、泥土和粉煤灰经压实形成；
所述涵水层的渗透系数为10～20m/d，压实度为800～900KPa；
所述表土生态层的厚度为40～60cm；
所述表土生态层指的是矿区开采前剥离表土层或添加有机质的表土层。
2.权利要求1所述生态再造海绵结构可结合探地雷达监测识别其土层厚度与含水率，用于露天矿排土场土地复垦和植被重建。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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