CN114731910B - 一种干旱地区矿山堆填场蒸-渗可控生态修复系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种干旱地区矿山堆填场蒸‑渗可控生态修复系统，包括：保水‑储水覆盖子系统，该系统覆盖在矿山堆填场的表层，包括：沿矿山堆填场的表层依次向外设置的反渗漏层、储水层、反蒸发层和混凝土框架结构；智能层下滴灌子系统，该系统与保水‑储水覆盖子系统连接并供水，包括：滴灌管网、多个传感组件，控制器，储水箱和电动水闸，滴灌管网设置在储水层和反蒸发层之间，多个传感组件对应设置在储水层和反蒸发层内，用于执行检测动作，检测动作用于检测表示储水层和反蒸发层的基质吸力、含水率以及温度等土质参数，控制器用于控制传感组件进行检测动作并获取土质参数，同时通过对土质参数进行程序计算，进而控制电动水闸的开闭状态。

Description

一种干旱地区矿山堆填场蒸-渗可控生态修复系统

技术领域

本发明属于矿山生态修复技术领域，特别涉及一种干旱地区矿山堆填场蒸-渗可控生态修复系统。

背景技术

传统矿山生态修复方法一般直接采用铺设一定厚的土壤层，然后进行植物种植。降雨或者人工灌溉过程中，由于土壤渗透性较大，水分很容易进入土壤层，并穿透土壤层，进入堆填场内部，因此传统方法储水能力有限。且由于土壤渗透性极大，土壤中水分容易蒸发，水分使用效率极低。为了解决上述问题，现有技术中提出了在修复基材中加入土壤20-30％、泥炭土10-20％、蛭石10-15％、高分子聚合物10-15％、膨润土10-15％，进而增大基材层的储水和保水能力，此种单纯的材料改性很难有效降低基材的蒸发速率，且干旱地区优质土壤匮乏，大量使用高分子聚合物、膨润土等材料会大幅增大工程成本。此外，该技术在服役时未针对性考虑灌溉方法，普通灌溉方式由于缺乏量化参考，容易出现水分流失或灌溉不足的情况，不利于节水节能。现有技术中公开了的方案中，提出了在每一级护坡平台内侧设置生态截水沟，并每隔一定距离设置沉砂池和集水沟，从而可以合理利用降雨时坡面产生的径流，但干旱地区常年降雨稀少，集水沟很难有效发挥储水作用。也提出在土壤层内铺设土工膜等防渗层，阻滞水分下渗，进而提高土壤储水能力，但此类方法无法降低土层的水分蒸发能力，且对于矿山堆填场等有坡度的结构体很难有效发挥储水作用。

也即，对于现有技术中提出的矿山生态修复技术中，仍然存在干旱地区优质黏土匮乏、盖层保水储水效果差、高渗透和低蒸发性质难以共存的技术问题；

可见，提高干旱地区尤其是针对于矿山地貌盖层的保水储水能力，进而提高该地区的生态修复能力，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明提供的一种干旱地区矿山堆填场蒸-渗可控生态修复系统，以至少解决上述技术问题；

为了解决上述问题，本发明的第一方面提供一种干旱地区矿山堆填场蒸-渗可控生态修复系统，包括矿山堆填场，所述生态修复系统包括：保水-储水覆盖子系统，所述保水-储水覆盖子系统覆盖在所述矿山堆填场的表层，所述保水-储水覆盖子系统包括：沿所述矿山堆填场的表层依次向外设置的反渗漏层、储水层、反蒸发层和混凝土框架结构；智能层下滴灌子系统，所述智能层下滴灌子系统与所述保水-储水覆盖子系统连接并供水，所述智能层下滴灌子系统包括：滴灌管网、多个传感组件和控制器，所述滴灌管网设置在所述储水层和所述反蒸发层之间，多个所述传感组件对应设置在所述储水层和所述反蒸发层内，用于执行检测动作，所述检测动作用于检测表示所述储水层和所述反蒸发层的基质吸力、含水率以及温度的土质参数，所述控制器用于控制所述传感组件进行检测动作并获取所述土质参数；所述智能层下滴灌子系统还包括：储水箱和电动水闸；所述储水箱与所述滴灌管网连接并对其供水；所述电动水闸设置在所述滴灌管网的入口处，用于控制所述滴灌管网的通断；所述电动水闸与所述控制器连通，并通过所述控制器控制所述电动水闸的开关。

在第一方面中，多个所述传感组件对应布设在所述储水层和所述反蒸发层之间，且空间设置位置位于所述矿山堆填场的坡顶、坡中和坡脚；若干所述传感组件包括含水率传感器、基质吸力传感器和温度传感器。

在第一方面中，位于所述储水层内的所述土质参数传感器距离该层底部5～10cm，位于所述反蒸发层内的所述土质参数传感器距离该层底部2～5cm。

在第一方面中，所述反渗漏层为所述矿山堆填场的碎石二次破碎后制备；所述反渗漏层的厚度为15～25cm；所述反渗漏层的饱和渗透系数区间为：1×10^-2cm/s～1×10^{- 3}cm/s之间；所述反渗漏层材料粒径不大于5mm。

在第一方面中，所述反蒸发层的材料为黄河底泥；所述反蒸发层的厚度为6～12cm；所述反蒸发层的饱和渗透系数区间为：1×10^-6cm/s～1×10^-7cm/s。

在第一方面中，所述反蒸发层的材料为改性的黄河底泥，所述改性的黄河底泥包括：高分子聚合物0.1％-0.3％、钙基膨润土1％-3％。

在第一方面中，所述混凝土框架结构由高透水性混凝土制备；所述混凝土框架结构的渗透系数大于1×10^-2cm/s。

在第一方面中，所述混凝土框架结构的底部嵌入储水层内2～5cm，所述混凝土框架结构的顶部高于反蒸发层顶面5～15cm设置。

在第一方面中，所述控制器包括存储器和处理器，其中，所述存储器存储有计算机程序，所述程序被处理器执行是能够实现以下步骤：依据多个所述传感组件传输的所述基质吸力、所述温度和所述含水率监测结果计算基质吸力平均值、温度平均值和含水率平均值；若所述基质吸力平均值大于1.2MPa或温度平均值大于32℃时，则所述控制器控制所述电动水闸启动；若所述基质吸力平均值小于30kPa或含水率平均值高于预设含水率，则所述控制器控制所述电动水闸关闭。

有益效果：本发明提出了一种干旱地区矿山堆填场蒸-渗可控生态修复系统，通过在矿山堆填场上依次设置反渗漏层、储水层、反蒸发层和混凝土框架结构，利用反渗漏层和储水层非饱和渗透系数的差异，在储水层底部形成毛细阻滞效应，起到底部防渗的作用，反蒸发层覆盖在储水层上部，且所用的改性黄河底泥渗透性较低，可大幅降低储水层内水分蒸发强度，提高水分的使用效率，自然降雨时，雨水降沿坡面经过高透水性混凝土框架进入储水层内储存，此方法同时解决了水分高渗透率和低蒸发率两个矛盾性质共存的问题。并且改性黄河底泥性质随含水率循环变化，高含水时呈软塑状，低含水时呈硬体状，具有良好的抑尘、保水、缓释性能，植物适应性显著高于天然黄河泥沙。高透水性混凝土框架除了降雨入渗通道功能外，还具备增加生态覆盖系统稳定性，降低坡面风速，减小扬尘的功能，以及配合智能层下滴灌子系统对其进行补水的方式，供水可100％进入储水层内存储，并可根据储水层和反蒸发层内的基质吸力、含水率和温度等土质参数变化，智能控制滴灌管网的开闭状态，做到了土壤含水状态的最优化调控，有利于植物生长，同时具有节水节能的有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一中干旱地区矿山堆填场蒸-渗可控生态修复系统的系统结构图；

附图标记说明：

1、矿山堆填场；

2、反渗漏层；

3、储水层；

4、反蒸发层；

5、混凝土框架结构；

6、土质参数传感器；

7、植物；

8、滴灌管网；

9、电动水闸；

10、储水箱；

11、导线；

12、控制器。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

同时，本说明书实施例中，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本说明书实施例中所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明目的，并不是旨在限制本发明。

在对本发明的实施例进行具体陈述之前，先对本技术的申请背景进行简要介绍：乌海及周边地区生态环境综合治理亟需解决两大核心工程难题，一是黄河内蒙段乌海湖底泥的安全处置与生态高值化利用。乌海湖是黄河海勃湾水利枢纽，自2013年12月底蓄水以外，泥沙淤积接近库容1/3，清淤工作势在必行。但大体量的清淤底泥占据黄河两岸土地，难以有效利用，已成为乌海地区扬尘污染的重要源头。二是乌海及周边地区矿山堆填场生态环境修复与可持续发展。乌海市是我国重要的露天煤矿开采区，但导致的生态破坏也尤为严重。乌海市地处沙漠边缘，年平均降水量159.8毫米，平均相对湿度42％，平均蒸发量3289毫米，极其干旱且优质土壤缺乏，矿山生态修复工程“缺水少土”，任重道远。

并且，检索已有的相关文献资料，并未发现可适用于乌海市当地气候环境的有效技术方案，为此，本专利提出了改性黄河泥沙协同干旱地区矿山生态修复这一技术思路，其解决的核心技术问题主要包括两个方面：(1)通过对黄河泥沙改性，将低品位的黄河泥沙转变成适应干旱地区植物生长的优良土壤，解决黄河周边矿山修复缺少优质土壤的难题。(2)通过生态修复系统结构设计，提出了蒸-渗可控生态修复系统，解决了传统盖层高渗透和低蒸发性质难以共存的技术难题，配合土下智能滴灌技术，可大幅度降低矿山堆填场修复用水。

基于此，以下将本申请的一种干旱地区矿山堆填场蒸-渗可控生态修复系统的实施例做详细说明：

实施例一：

如图1所示，本发明的实施例一提供了一种干旱地区矿山堆填场蒸-渗可控生态修复系统，包括矿山堆填场1，生态修复系统包括：保水-储水覆盖子系统和智能层下滴灌子系统；

保水-储水覆盖子系统覆盖在矿山堆填场1的表层，保水-储水覆盖子系统包括：沿矿山堆填场1的表层依次向外设置的反渗漏层2、储水层3、反蒸发层4和混凝土框架结构5；

智能层下滴灌子系统与保水-储水覆盖子系统连接并供水，智能层下滴灌子系统包括：滴灌管网8、多个传感组件和控制器12，滴灌管网8设置在储水层3和反蒸发层4之间，多个传感组件对应设置在储水层3和反蒸发层4内，用于执行检测动作，检测动作用于检测表示储水层3和反蒸发层4的基质吸力、含水率以及温度的土质参数，控制器12用于控制传感组件进行检测动作并获取土质参数。

在上述实施例一的技术方案中，通过在矿山堆填场1上依次设置反渗漏层2、储水层3、反蒸发层4和混凝土框架结构5，利用反渗漏层2和储水层3非饱和渗透系数的差异，在储水层3底部形成毛细阻滞效应，起到底部防渗的作用，根据Van Genuchten方程中土体非饱和渗透性曲线拟合方程(式1)和土水特征曲线方程(式2)，在水体下渗过程中，储水层3(细粒土)的体积含水率(θ)增大，从而基质吸力(φ)降低，进而非饱和渗透系数(k)增大，而底部反渗漏层2(粗粒土)含水率(θ)低基质吸力(φ)高从而渗透系数小(k)，因此反渗漏层2可视为相对不透水层而存在，可起到很好的阻滞水分的效果。

式中k为非饱和渗透系数，ks为饱和渗透系数，φ为基质吸力，θ为体积含水率，α，n，m为拟合参数。

反蒸发层4覆盖在储水层3上部，且所用的改性黄河底泥渗透性较低，可大幅降低储水层3内水分蒸发强度，提高水分的使用效率，自然降雨时，雨水降沿坡面经过高透水性混凝土框架进入储水层3内储存，此方法同时解决了水分高渗透率和低蒸发率两个矛盾性质共存的问题。并且改性黄河底泥性质随含水率循环变化，高含水时呈软塑状，低含水时呈硬体状，具有良好的抑尘、保水、缓释性能，植物7适应性显著高于天然黄河泥沙。高透水性混凝土框架5除了降雨入渗通道功能外，还具备增加生态覆盖系统稳定性，降低坡面风速，减小扬尘的功能，以及配合智能层下滴灌子系统对其进行补水的方式，供水可100％进入储水层3内存储，并可根据储水层3和反蒸发层4内的基质吸力、含水率和温度等土质参数变化，智能控制滴灌管网8的开闭状态，当储水层3或反蒸发层4内基质吸力达到1.2MPa时，接近植物7调萎点(1.5MPa)，此时植物7根系汲水困难，开始出现焉萎，智能层下滴灌系统开始供水。大量研究表明，植物7根系最适宜的土壤温度为20～30℃，当储水层3或反蒸发层4的温度高于32℃时，植物7蒸腾速率显著增加，耗水量大幅提高，此时应及时通过智能层下滴灌系统供水。当储水层3含水率高于田间水率后，或基质吸力低于30kPa时，储水层3接近饱和状态，水分开始自由进入反渗漏层2，毛细阻滞作用失效，此时应及时关闭电动水阀。通过上述智能层下滴灌系统的智慧调控，可确保储水层3的水分始终保持一个最佳的范围，大幅提高了干旱地区植物7的生长适应性，同时节水节能。

在上述实施例一的技术方案中，对于智能层下滴灌子系统而言，其还包括：储水箱10和电动水闸9；储水箱10内预先储存有水资源，并与滴灌管网8连接并对其供水，且电动水闸9设置在滴灌管网8的入口处，用于控制滴灌管网8的通断；电动水闸9与控制器连通，当需要进行滴灌时，可通过控制器控制电动水闸9的打开，当不需要滴灌时，可通过控制器控制电动水闸9的关闭，具体地，电动水闸9通过导线11与控制器12连接。

具体来说，对于多个传感组件的布置方式而言，本实施例一提出一种实施方式，该实施方式包括：多个传感组件布设在储水层3和反蒸发层4之间的坡顶、坡中和坡脚位置；每一传感组件包括土质参数传感器6，需要说明的是，坡顶、坡中和坡脚指的是山体结构也即本申请中矿山堆填场1的方位名词，具体可以理解为，矿山堆填场1由起始位置至末尾位置形成坡度，且将起始位置命名为坡脚，将末尾位置命名为坡顶，中间位置命名为坡中。

进一步地，位于储水层3内的土质参数传感器6距离该层底部5～10cm，位于反蒸发层4内的土质参数传感器6距离该层底部2～5cm。

具体来说，对于上述实施例一中的反渗漏层2而言，本实施例一还提出一种实施方式，该实施方式包括：反渗漏层2为矿山堆填场1的碎石二次破碎后制备；反渗漏层2的厚度为15～25cm；反渗漏层2的饱和渗透系数区间为：1×10^-2cm/s～1×10^-3cm/s之间；反渗漏层2材料粒径不大于5mm。

具体来说，对于上述实施例一中的反蒸发层4而言，本实施例一还提出一种实施方式，该实施方式包括：反蒸发层4的材料为黄河底泥；反蒸发层4的厚度为6～12cm；反蒸发层4的饱和渗透系数区间为：1×10^-6cm/s～1×10^-7cm/s。

进一步地，反蒸发层4的材料为改性的黄河底泥，改性的黄河底泥包括：高分子聚合物0.1％-0.3％、钙基膨润土1％-3％，高分子聚合物包括生物聚合物、人工合成聚合物、半合成聚合物的一种或多种；

具体来说，对于上述实施例一中的混凝土框架结构5而言，本实施例一还提出一种实施方式，该实施方式包括：混凝土框架结构5由高透水性混凝土制备；混凝土框架结构5的渗透系数大于1×10^-2cm/s。

进一步地，对于混凝土框架结构，本实施例一还提出一种实施方式，该实施方式包括：混凝土框架结构的底部嵌入储水层3内2～5cm，混凝土框架结构的顶部高于反蒸发层4顶面5～15cm设置。

具体来说，对于上述实施例一中的控制器12而言，本实施例一还提出一种实施方式，该实施方式包括：控制器还用于依据多个传感组件传输的基质吸力、温度和含水率监测结果计算基质吸力平均值、温度平均值和含水率平均值；若基质吸力平均值大于1.2MPa或温度平均值大于32℃时，则控制器控制电动水闸9启动；若基质吸力平均值小于30kPa或含水率平均值高于预设含水率，则控制器控制电动水闸9关闭。

进一步地，所述控制器12可基于土质参数传感器6实时监测储水层3和反蒸发层4内基质吸力、含水率和温度参数的时空分布，并可通过参数分析智能控制电动水阀的开闭状态。

具体来说，对于上述实施例一中的技术方案而言，本实施例一还提出一种实施方式，该实施方式包括：在反蒸发层4上还栽种有植物7，用于美化环境，同时提高边坡的稳定性。

由于该实施例二与实施例一为同一发明构思下的一个实施例，其部分结构完全相同，因此对实施例二中与实施例一实质相同的结构不在详细阐述，未详述部分请参阅实施例一即可。

最后应说明的是：以上上述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (6)

1.一种干旱地区矿山堆填场蒸-渗可控生态修复系统，包括矿山堆填场，其特征在于，所述生态修复系统包括：

保水-储水覆盖子系统，所述保水-储水覆盖子系统覆盖在所述矿山堆填场的表层，所述保水-储水覆盖子系统包括：沿所述矿山堆填场的表层依次向外设置的反渗漏层、储水层、反蒸发层和混凝土框架结构；

所述反渗漏层为所述矿山堆填场的碎石二次破碎后制备；所述反渗漏层的厚度为15～25cm；所述反渗漏层的饱和渗透系数区间为：1×10^-2cm/s～1×10^-3cm/s之间；所述反渗漏层材料粒径不大于5mm；

所述反蒸发层的厚度为6～12cm；所述反蒸发层的饱和渗透系数区间为：1×10^-6cm/s～1×10^-7cm/s；所述反蒸发层的材料为改性的黄河底泥，所述改性的黄河底泥包括：高分子聚合物0.1％-0.3％、钙基膨润土1％-3％；

所述储水层的材料为细粒土；

所述混凝土框架结构由高透水性混凝土制备；

智能层下滴灌子系统，所述智能层下滴灌子系统与所述保水-储水覆盖子系统连接并供水，所述智能层下滴灌子系统包括：滴灌管网、多个传感组件和控制器，所述滴灌管网设置在所述储水层和所述反蒸发层之间，多个所述传感组件对应设置在所述储水层和所述反蒸发层内，用于执行检测动作，所述检测动作用于检测表示所述储水层和所述反蒸发层的基质吸力、含水率以及温度的土质参数，所述控制器用于控制所述传感组件进行检测动作并获取所述土质参数；

所述智能层下滴灌子系统还包括：

储水箱和电动水闸；

所述储水箱与所述滴灌管网连接并对其供水；

所述电动水闸设置在所述滴灌管网的入口处，用于控制所述滴灌管网的通断；

所述电动水闸与所述控制器连通，并通过所述控制器控制所述电动水闸的开关。

2.根据权利要求1所述的干旱地区矿山堆填场蒸-渗可控生态修复系统，其特征在于：

多个所述传感组件对应布设在所述储水层和所述反蒸发层之间，且空间设置位置位于所述矿山堆填场的坡顶、坡中和坡脚；

若干所述传感组件包括含水率传感器、基质吸力传感器和温度传感器。

3.根据权利要求2所述的干旱地区矿山堆填场蒸-渗可控生态修复系统，其特征在于：

位于所述储水层内的所述传感组件距离该层底部5～10cm，位于所述反蒸发层内的所述传感组件距离该层底部2～5cm。

4.根据权利要求1所述的干旱地区矿山堆填场蒸-渗可控生态修复系统，其特征在于：

所述混凝土框架结构的渗透系数大于1×10^-2cm/s。

5.根据权利要求4所述的干旱地区矿山堆填场蒸-渗可控生态修复系统，其特征在于：

所述混凝土框架结构的底部嵌入储水层内2～5cm，所述混凝土框架结构的顶部高于反蒸发层顶面5～15cm设置。

6.根据权利要求1所述的干旱地区矿山堆填场蒸-渗可控生态修复系统，其特征在于，所述控制器包括存储器和处理器，其中，所述存储器存储有计算机程序，所述程序被处理器执行是能够实现以下步骤：

依据多个所述传感组件传输的所述基质吸力、所述温度和所述含水率监测结果计算基质吸力平均值、温度平均值和含水率平均值；

若所述基质吸力平均值大于1.2MPa或温度平均值大于32℃时，则所述控制器控制所述电动水闸启动；

若所述基质吸力平均值小于30kPa或含水率平均值高于预设含水率，则所述控制器控制所述电动水闸关闭。