CN114467704B

CN114467704B - 近地表土壤层序重构的露天矿排土场及其深部补水方法

Info

Publication number: CN114467704B
Application number: CN202210106492.7A
Authority: CN
Inventors: 陈树召; 朱文成; 杨猛
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2022-01-28
Filing date: 2022-01-28
Publication date: 2022-09-27
Anticipated expiration: 2042-01-28
Also published as: CN114467704A; AU2023200290A1

Abstract

本发明公开了一种近地表土壤层序重构的露天矿排土场及其深部补水方法，由下至上依次设置排土场底层、阻水层、储水补水层、心土层和种植层，储水补水层上表面间隔设置下渗带；储水补水层内布置补水管，补水管连接输水管，输水管分别与高压水泵和高压气泵连接，相应层中设置传感器检测水分含量；控制器接收传感器数据，并根据不同传感器的数据情况来控制通断阀、高压水泵和高压气泵的工作状态。本发明对排土场土层进行重构，为水分在土壤内长时间停留提供基础，为植被生长提供水分支撑；采用类似滴灌的方式直接为土壤内部精准补水；用气体驱动水体上升，减少水资源使用，用传感器分析动态控制补水，提高系统利用率与准确性，实现远程无人操作。

Description

近地表土壤层序重构的露天矿排土场及其深部补水方法

技术领域

本发明涉及一种露天矿排土场，具体涉及一种近地表土壤层序重构的露天矿排土场及其深部补水方法。

背景技术

‌露天矿排土场复垦对于矿区环境治理至关重要，长期以来，由于排土场土层重构后土壤裂隙发育严重，水分下渗快，水资源在浅层土壤中保存困难，而深部土壤中的水分毛细作用有限，很难补充地表，地表植物吸收土壤水分困难，尤其是我国北方降水较少的情况下，复垦效果差，亟待解决。

滴灌是迄今为止农田灌溉最节水的灌溉技术之一，可有效减少土壤水分的无效蒸发，不产生地面径流，且易掌握精确的施水深度。但是传统的滴灌系统布置于近地表，易受田间作业设备和冬季寒冷天气影响，因此系统的有效服役时间短；同时，为了避免冬季严寒给塑胶滴水管路造成的伤害，每年需进行一次的管路铺设与收集入库工作，不仅费工费力，而且加速了设备折损。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种近地表土壤层序重构的露天矿排土场及其深部补水方法，通过土壤层序重构并将滴灌管路布置于露天矿排土场内部，为排土场复垦土壤补水的同时，避免系统损伤同时提高灌溉水的利用效果。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种近地表土壤层序重构的露天矿排土场，排土场底层上方铺设阻水层，阻水层上构建储水补水层，储水补水层上表面每隔100-200m的距离设置一个山峰状的下渗带，下渗带峰顶露出排土场表面，在储水补水层上方铺设剥离的黄土、砂土等物料作为心土层，心土层上铺设剥离的表土作为种植层；

在储水补水层底部往上1m的位置，布置“井”字形交叉的补水管，补水管表面间隔30cm在两侧对称开设通孔，孔径1mm；补水管在下渗带对应的储水补水层的位置处间断设置，每200-400m²范围内的补水管连接一根输水管，输水管垂直布置且顶端露出排土场表面后分别与高压水泵和高压气泵连接；

以输水管对应的200-400m²范围为一个监测单元，每个监测单元内，在阻水层与储水补水层交界处、储水补水层与心土层交界处、心土层与种植层交界处、心土层中部和储水补水层中部分别设置第六传感器、第四传感器、第二传感器、第三传感器和第五传感器；在每个监测单元内的阻水层中安装一个垂直的下渗通道，下渗通道顶部高出储水补水层上表面1-2m，下渗通道内部安装有通断阀，通断阀、高压水泵、高压气泵、第二传感器、第三传感器、第四传感器、第五传感器和第六传感器均与控制器连接。

进一步的，所述种植层和下渗带上铺设蒸发阻滞层，蒸发阻滞层顶面与下渗带峰顶高度持平，采用粒径约1cm石子，铺设厚度1-2cm。

进一步的，所述种植层厚度大于0.3m，则在种植层中部设置第一传感器，第一传感器与控制器连接。

进一步的，所述阻水层采用露天矿剥离的黏土、泥岩等材料通过润湿、加压固结方式构建，厚度不小于2.0m。

进一步的，所述储水补水层采用粒径1-2mm的砂粒构建，厚度为0.3-0.5m。

进一步的，所述种植层在种植草时，厚度为0.5-1m；在种植灌木或小乔木时厚度为1-3m；在种植大型乔木时厚度为3-5m。

进一步的，所述下渗带采用粒径1cm以上的石子堆积而成，下渗带顶宽1-3m，并通过调整心土层的厚度使蒸发阻滞层由下渗带向两侧抬高，坡度渐变率为5‰，为了在降雨比较大的情况下，落到蒸发阻滞层上的水向下渗带汇集，由下渗带渗入地下，提高下渗的量，减少地表蒸发。

一种近地表土壤层序重构的露天矿排土场深部补水方法，包括以下步骤：

当第一传感器和第二传感器数据显示水分充足时，控制器待机；

当第一传感器和第二传感器数据显示轻度缺水，但是其余传感器均显示水分充足时，控制器控制高压气泵工作，以气驱水，带动水分向上运动，给种植层补水；

当第一传感器和第二传感器数据显示中度缺水，第三传感器和第四传感器数据显示轻度缺水，第五传感器和第六传感器数据显示水分充足时，控制器控制高压水泵向储水补水层内注水，注水结束后，控制器控制高压气泵工作，以气驱水，带动水分向上运动，给种植层补水；

当所有传感器数据均显示不同程度的缺水时，控制器控制高压水泵工作向储水补水层内注水，注水结束后，控制器控制高压气泵工作，以气驱水，带动水分向上运动，给种植层补水；同时地面采用人工浇灌方式，为植物浇水；当种植层补水结束后，如果第五传感器和第六传感器数据仍然显示不同程度的缺水，则该监测单元中的阻水层损坏，需重新修复阻水层；

当第一传感器、第二传感器和第三传感器数据显示水分充足，且第四传感器、第五传感器和第六传感器数据显示水分过量时，表明储水补水层过渡积水，此时控制器控制通断阀打开，将储水补水层中的积水由下渗通道快速下排。

与现有技术相比本发明对排土场土层进行重构，为水分在土壤内较长时间停留提供基础，为植被生长提供水分支撑；采用类似滴灌的方式直接为土壤内部精准补水，提高水资源利用率，提高补水效果，节约了水资源；用高压气体驱动水体上升，减少水资源使用，采用传感器分析动态控制补水或加气，提高系统利用率与准确性，实现远程无人操作。

附图说明

图1为本发明结构剖视图；

图2为本发明输水管和补水管结构示意图；

图3为本发明俯视图；

图中：1-排土场底层；2-阻水层；3-储水补水层；4-下渗带；5-心土层；6-种植层；7-蒸发阻滞层；8-补水管；9-输水管；10高压水泵；11-高压气泵；12-第一传感器；13-第二传感器；14-第三传感器；15-第四传感器；16-第五传感器；17-第六传感器；18-下渗通道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

下面将结合本发明实施例中的附图，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在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种技术方案：如图1所示，在排土场底层1上方铺设阻水层2，阻水层2采用露天矿剥离的黏土、泥岩等材料通过润湿、加压固结方式构建，阻水层2厚度不小于2m；阻水层2堵塞部分水分向上或者向下的渗透通道，对水分向上或者向下渗透都有一定的阻碍作用，可以减缓上下水分通过该层的时间，既能提高该层以上的水在土壤中的停留时间，提高近地表土壤含水率；同时在上层干旱时，能够允许下层的水通过毛细作用通过本阻水层2渗透到上层土壤中，为植被生长提供必要的水分。

阻水层2上方采用粒径1-2mm的砂粒构建厚度为0.3-0.5m的储水补水层3，储水补水层3上表面每隔100-200m的距离设置一个山峰状的下渗带4，下渗带4采用粒径1cm以上的石子堆积而成，顶宽1-3m，下渗带4的底面宽度为50m，下渗带4峰顶露出排土场表面，下渗带4露出排土场表面的宽度不超过10m，主要是为了大气降水量大时，地表径流可以直接通过下渗带4渗入储水补水层3，由于孔隙率高、水稳定性好，储水补水层3可以使水在整个层内迅速均布，从而实现向土壤的均匀补水，同时，水分由下向上渗透，可以提高土壤润湿效果并减少蒸发。

在储水补水层3上方铺设厚度为3-5m的露天矿剥离物料作为心土层5，物料选择遇水不易崩解，具有一定的孔隙，能够实现水分的缓慢下渗，同时具有较强的毛细功能，心土层5上，根据供给条件、拟复垦植被要求、冬季冻结深度等条件铺设土壤作为种植层6，种植层6在种植草时，厚度为0.5-1m；在种植灌木或小乔木时厚度为1-3m；在种植大型乔木时厚度为3-5m。

对于干旱、半干旱区，为了减少近地表土壤水分蒸发，如图3所示，在种植层6和下渗带4上表面铺设厚度为1-2cm的砾石作为蒸发阻滞层7，砾石粒径在1cm左右，蒸发阻滞层7顶面与下渗带4峰顶高度持平；该层同时起到阻挡土壤热传导，冬季维持土壤温度，夏季阻断深层土壤升温，保护植物根系的作用。对于降雨量大的湿润区，可以不设该层。

在储水补水层3底部往上1m的位置，布置“井”字形交叉的具有防腐抗压能力的管作为补水管8，补水管8表面间隔30cm开设通孔；补水管8布满整个储水补水层3，在下渗带4对应的储水补水层3的位置处间断设置，如图2所示，每200-400m²范围内的补水管8连接一根输水管9，输水管9垂直设置且顶端露出排土场表面后分别与高压水泵10和高压气泵11连接，高压水泵10和高压气泵11可以向输水管9中注水和充气。

以单根输水管9对应的200-400m²的范围为一个监测单元，每个监测单元内，在阻水层2与储水补水层3交界处、储水补水层3与心土层5交界处、心土层5与种植层6交界处、心土层5中部和储水补水层3中部分别设置第六传感器17、第四传感器15、第二传感器13、第三传感器14和第五传感器16；在每个监测单元内的阻水层2中安装一个垂直的不锈钢管作为下渗通道18，下渗通道18管壁上开设有通孔，下渗通道18顶部高出储水补水层3上表面1-2m，下渗通道18内部安装有通断阀，通断阀、高压水泵10、高压气泵11、第二传感器13、第三传感器14、第四传感器15、第五传感器16和第六传感器17均与控制器连接；当种植层6厚度大于0.3m时，则在种植层6中部设置第一传感器12，第一传感器12与控制器连接。

每个传感器数据显示分为四种情况，分别为水分过量、水分充足、轻度缺水和中度缺水，控制器接收传感器数据，并根据不同传感器的数据情况来控制通断阀、高压水泵10和高压气泵11的工作状态，实现深部补水，每个监测单元相互独立工作。

当第一传感器12和第二传感器13数据显示水分充足时，证明当前条件适宜植被生长，控制器待机；当第一传感器12和第二传感器13数据显示轻度缺水，但是其余传感器均显示水分充足时，控制器控制高压气泵11工作，高压气泵11将高压气体由输水管9、补水管8吹入储水补水层3内，以气驱水，带动水分向上运动，给种植层6补水。

当第一传感器12和第二传感器13数据显示中度缺水，第三传感器14和第四传感器15数据显示轻度缺水，第五传感器16和第六传感器17数据显示水分充足时，控制器控制高压水泵10工作，高压水泵10将水通过输水管9、补水管8向储水补水层3内注入，注水结束后，控制器再控制高压气泵11工作，高压气泵11将高压气体由输水管9、补水管8吹入储水补水层3内，以气驱水，带动水分向上运动，给种植层6补水。

当所有传感器数据均显示不同程度的缺水时，控制器控制高压水泵10工作向储水补水层3内注水，注水结束后，控制器再控制高压气泵11工作将高压气体由输水管9、补水管8吹入储水补水层3内，以气驱水，带动水分向上运动，给种植层6补水；同时地面采用人工浇灌方式，为植物浇水；当种植层6补水结束后，如果第五传感器16和第六传感器17数据仍然显示不同程度的缺水，则该监测单元中的阻水层2损坏，需重新修复阻水层2。

当第一传感器12、第二传感器13和第三传感器14数据显示水分充足，第四传感器15、第五传感器16和第六传感器17数据显示水分过量时，表明储水补水层3过渡积水，此时控制器控制通断阀打开，将储水补水层3中的积水由下渗通道18快速下排，减少储水补水层3内的水量。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。

Claims

1.一种近地表土壤层序重构的露天矿排土场，其特征在于，

排土场底层（1）上方铺设阻水层（2），阻水层（2）上构建储水补水层（3），储水补水层（3）上表面每隔100-200m的距离设置一个山峰状的下渗带（4），下渗带（4）峰顶露出排土场表面，在储水补水层（3）上方铺设剥离物料作为心土层（5），心土层（5）上铺设种植层（6）；

在储水补水层（3）底部往上1m的位置，布置“井”字形交叉的补水管（8），补水管（8）表面间隔30cm开设通孔；补水管（8）在下渗带（4）对应的储水补水层（3）的位置处间断设置，每200-400m2范围内的补水管（8）连接一根输水管（9），输水管（9）垂直布置且顶端露出排土场表面后分别与高压水泵（10）和高压气泵（11）连接；

以输水管（9）对应的200-400m2范围为一个监测单元，每个监测单元内，在阻水层（2）与储水补水层（3）交界处、储水补水层（3）与心土层（5）交界处、心土层（5）与种植层（6）交界处、心土层（5）中部和储水补水层（3）中部分别设置第六传感器（17）、第四传感器（15）、第二传感器（13）、第三传感器（14）和第五传感器（16）；在每个监测单元内的阻水层（2）中安装一个垂直的下渗通道（18），下渗通道（18）顶部高出储水补水层（3）上表面1-2m，下渗通道（18）内部安装有通断阀，通断阀、高压水泵（10）、高压气泵（11）、第二传感器（13）、第三传感器（14）、第四传感器（15）、第五传感器（16）和第六传感器（17）均与控制器连接；

所述种植层（6）和下渗带（4）上铺设蒸发阻滞层（7），蒸发阻滞层（7）顶面与下渗带（4）峰顶高度持平；所述下渗带（4）采用粒径1cm以上的石子堆积而成，下渗带（4）顶宽1-3m，并通过调整心土层（5）的厚度使蒸发阻滞层（7）由下渗带（4）向两侧抬高，坡度渐变率为5‰；

所述阻水层（2）采用露天矿剥离材料通过润湿、加压固结方式构建，厚度不小于2.0m；

所述储水补水层（3）采用粒径1-2mm的砂粒构建，厚度为0.3-0.5m。

2.根据权利要求1所述的一种近地表土壤层序重构的露天矿排土场，其特征在于：所述种植层（6）厚度大于0.3m，则在种植层（6）中部设置第一传感器（12），第一传感器（12）与控制器连接。

3.根据权利要求1所述的一种近地表土壤层序重构的露天矿排土场，其特征在于：所述种植层（6）在种植草时，厚度为0.5-1m；在种植灌木或小乔木时厚度为1-3m；在种植大型乔木时厚度为3-5m。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种近地表土壤层序重构的露天矿排土场深部补水方法，其特征在于，包括以下步骤：

当第一传感器（12）和第二传感器（13）数据显示水分充足时，控制器待机；

当第一传感器（12）和第二传感器（13）数据显示轻度缺水，但是其余传感器均显示水分充足时，控制器控制高压气泵（11）工作，以气驱水，带动水分向上运动，给种植层（6）补水；

当第一传感器（12）和第二传感器（13）数据显示中度缺水，第三传感器（14）和第四传感器（15）数据显示轻度缺水，第五传感器（16）和第六传感器（17）数据显示水分充足时，控制器控制高压水泵（10）向储水补水层（3）内注水，注水结束后，控制器控制高压气泵（11）工作，以气驱水，带动水分向上运动，给种植层（6）补水；

当所有传感器数据均显示不同程度的缺水时，控制器控制高压水泵（10）工作向储水补水层（3）内注水，注水结束后，控制器控制高压气泵（11）工作，以气驱水，带动水分向上运动，给种植层（6）补水；同时地面采用人工浇灌方式，为植物浇水；当种植层（6）补水结束后，如果第五传感器（16）和第六传感器（17）数据仍然显示不同程度的缺水，则该监测单元中的阻水层（2）损坏，需重新修复阻水层（2）；

当第一传感器（12）、第二传感器（13）和第三传感器（14）数据显示水分充足，且第四传感器（15）、第五传感器（16）和第六传感器（17）数据显示水分过量时，表明储水补水层（3）过渡积水，此时控制器控制通断阀打开，将储水补水层（3）中的积水由下渗通道（18）快速下排。