CN115015521A - 采煤沉陷区重构土壤水热盐耦合模拟试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开采煤沉陷区重构土壤水热盐耦合模拟试验方法，将多个试验单体套接在底座上，后将试验模拟柱内填充填充物，试验模拟柱底部连接压力传感器；将采样传感器沿试验模拟柱高度方向间隔插入填充物内；蒸发试验阶段时，通过蒸发模拟组件的加热模拟太阳光照；降雨试验阶段时，通过降雨模拟组件的喷淋模拟自然降雨；将压力传感器获得数据以及采样传感器获得含水量、温度、盐度观测数据传输至采集传输组件。本发明的有益效果：监测土壤各层含水率、温度、盐度和土壤压力等要素的变化规律，揭示重构土壤水气热、养分运移机制，为煤矿沉陷区的充填复垦、土壤培肥，环境治理和生态恢复提供科学依据，有利于土地资源合理利用和环境保护。
Description
技术领域
本发明涉及一种环境工程，尤其涉及的是一种采煤沉陷区重构土壤水热盐耦合模拟试验方法。
背景技术
煤炭资源开发带来社会的繁荣与进步，同时也给环境带来破坏，开采沉陷造成大量土地损毁，耕地大量损失。另外矿产资源开采和电厂运营过程中产生的煤矸石与粉煤灰大量堆存，不仅侵占农田，而且会对局部区域环境中的空气、水质、土壤造成一定程度的污染与破坏，影响居住环境、人体健康和城市整体形象。已有研究表明煤矸石、粉煤灰和农作物秸秆等这些固体废弃物同时也是潜在的土壤改良剂，因此，在煤矿区因地制宜地利用好这些材料进行土壤重构，将固废变废为宝，不仅具有较好经济效益，更有重要的生态环境意义。
现有技术中存在对于设施土壤以及盐碱地等土壤的试验，如中国专利文献CN204302275U，公开一种改进的设施土壤水盐运移试验装置，包括玻璃温室、供水装置、串联土箱、室温控制装置、湿度控制装置、水热盐数据采集装置和地下水控制装置,其特征在于:室温控制装置设置在玻璃温室的内部,串连土箱均匀分布于玻璃温室内,供水装置中通过供水管连接至玻璃温室内；室温控制装置与玻璃温室连接,湿度控制装置位于玻璃温室内部上端,通过供水管连接供水装置供水；地下水控制装置位于各串连土箱旁,直接置于地表,并通过供水管与供水装置连接,水热盐数据采集装置与串联土箱连接。
还如中国专利文献CN113075383A，公开一种模拟盐碱化土壤水盐运移的实验装置及方法包括平板车、水箱、盐碱土箱和数据采集器；每个数据转换器包含三个传感器，分别为电导率传感器、pH值传感器和温度传感器，温度传感器所测温度用于补偿电导率和pH值；多个数据转换器对应的传感器中，其中一组传感器用于检测从第一检测口所采集的水样，其余传感器的探头分别插入第二检测口和第三检测口的全部通孔内。
上述试验装置所适应的土壤与煤沉陷区的重构土壤成分不同，目前在两淮采煤沉陷区大多通过将煤炭附属物(煤矸石、粉煤灰等)进行充填，在充填物上部覆盖一定深度的表层土(表层覆土从40cm到80cm不等)，因此，目前尚没有针对此种重构土壤进行的试验。
目前在充填复垦后的土壤上种植作物，能够缓解土地资源的压力，但是由于充填复垦过程缺少科学的指导，这种简单的充填复垦造成后期土壤板结、贫瘠、盐碱化等问题，土地生产力下降，这种复垦仅仅是为沉陷而充填，不能称之为真正的复垦。针对土壤重构技术的研究，由于受到实验设备限制，重构土壤结构、土壤水热盐运移规律试验研究较为缺乏，导致沉陷区土壤重构过程中缺乏相应的理论支撑和科学依据。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息已构成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：如何解决目前对于对于采煤沉陷区的充填复垦过程缺少试验研究设备，针对土壤重构研究无法满足实际现场需求，采煤沉陷区土壤重构工程缺少相关理论研究作为支撑，导致土壤板结、贫瘠、盐碱化等问题。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
采煤沉陷区重构土壤水热盐耦合模拟试验方法，将多个试验单体套接在底座上，后将试验模拟柱内填充填充物，试验模拟柱底部连接压力传感器；
将采样传感器沿试验模拟柱高度方向间隔插入填充物内，并将压力传感器与采样传感器数据采集传输组件进行连接；
蒸发试验阶段时，蒸发模拟组件位于试验模拟柱上方，通过蒸发模拟组件的加热模拟太阳光照，同时将压力传感器获得数据以及采样传感器获得相应剖面的含水量、温度、盐度观测数据传输至采集传输组件；
降雨试验阶段时，降雨模拟组件位于试验模拟柱上方，通过降雨模拟组件的喷淋模拟自然降雨，同时将压力传感器获得数据以及采样传感器获得相应剖面的含水量、温度、盐度观测数据传输至采集传输组件。
本发明在试验模拟柱内填充填充物后形成土柱，试验模拟柱置于底座上，利用蒸发模拟组件来模拟太阳光照以及不同的光照强度；降雨试验阶段时，用降雨模拟组件模拟自然降雨以及实现不同的降雨强度；土柱整体放置在压力传感器上，用于实时监测土柱蒸发量；在试验模拟柱侧壁不同高度分别安装采样传感器，以获取相应剖面的含水量、温度、盐度观测数据，将获取的数据上传到数据采集传输组件，以进行相关分析与研究；且可以对多组试验单体获得的数据进行综合分析，提高数据的准确性。本发明能够将土壤剖面含水量、温度、盐度和压力传感器的数据实时采集、存储、浏览和分析功能；通过土柱实验结合蒸发、降雨模拟装置监测土壤各层含水率、温度、盐度和土壤压力等要素的变化规律，揭示重构土壤水气热、养分运移机制，为煤矿沉陷区的充填复垦、土壤培肥，环境治理和生态恢复提供科学依据，有利于土地资源合理利用和环境保护。
优选的，所述试验模拟柱为玻璃圆柱筒状结构，所述试验模拟柱的底部套接在所述底座内，所述压力传感器为多个，多个所述压力传感器连接所述底座与所述试验模拟柱之间。
试验模拟柱采用玻璃材质，便于观察。
优选的，所述试验模拟柱的底部具有集水漏斗。
集水漏斗用来采集淋滤的液体，模拟实际雨水经土壤渗入地下的过程。
优选的，所述试验模拟柱的侧壁具有多个沿试验模拟柱高度方向上布置的采样口。
采样口用于采集试验模拟柱内的填充物。
优选的，所述数据采集传输组件包括多个网关，以及交换机、服务器，每个所述试验单体连接一个网关，每个所述网关连接所述交换机，所述交换机连接所述服务器。
优选的，所述填充物包括由上自下铺设的土壤层、煤灰层、石英砂层。
优选的，所述降雨模拟组件包括喷淋头、水管、喷淋控制阀门，所述喷淋头位于所述试验模拟柱的上方，所述水管连接所述喷淋头，所述喷淋控制阀门连接所述水管，所述喷淋控制阀门连接所述数据采集传输组件；降雨试验阶段，通过喷淋控制阀门设置不同的降雨量。
喷淋控制阀门可以实现调节降雨量的大小；喷淋头为圆盘型花洒，适配试验模拟柱顶端为圆型，实现均匀降雨。
优选的，所述蒸发模拟组件包括加热灯、电线、加热控制开关，所述加热灯位于所述试验模拟柱的上方，所述电线连接所述加热灯，所述加热控制开关连接所述电线，所述加热控制开关连接所述数据采集传输组件；蒸发试验阶段，通过加热控制开关设置不同的光照强度和光照时间。
加热控制开关可以调节光照的强度与时间；蒸发实验时加热灯悬挂在土柱正上方，为了控制灯光照射的范围，在加热灯上安装灯罩，以使照射到土壤表面的灯光更加均匀；此外，灯罩规格须与土柱口相对应，以使灯光只照射到土柱表面，减少边界效应的影响。
优选的，所述采样传感器为水热盐三合一传感器。
采样传感器可以是水热盐三合一传感器，是含水量传感器、温度传感器、盐度传感器三者集成在一起具备检测含水量、温度以及盐度的多功能传感器，水热盐三合一传感器内部使用金品品质芯片，具有低功耗、高灵敏度、信号稳定的优点；选用进口316L型不锈钢作为原料，具有防锈、不电解、耐盐碱腐蚀等优点，适用于各种土壤。
优选的，还包括压力变送器，多个压力传感器输出连接所述压力变送器。
压力传感器采用JLBU轮辐式拉压力测力称重传感器，每个试验模拟柱配置四只压力传感器，并配套BSQ-12型四进一出的压力变送器。压力变送器将传感器初级的电信号转换成标准的电信号,输出电流信号4--20mA。
本发明的优点在于：
(1)本发明在试验模拟柱内填充填充物后形成土柱，试验模拟柱置于底座上，利用蒸发模拟组件来模拟太阳光照以及不同的光照强度；降雨试验阶段时，用降雨模拟组件模拟自然降雨以及实现不同的降雨强度；土柱整体放置在压力传感器上，用于实时监测土柱蒸发量；在试验模拟柱侧壁不同高度分别安装采样传感器，以获取相应剖面的含水量、温度、盐度观测数据，将获取的数据上传到数据采集传输组件，以进行相关分析与研究；且可以对多组试验单体获得的数据进行综合分析，提高数据的准确性。本发明能够将土壤剖面含水量、温度、盐度和压力传感器的数据实时采集、存储、浏览和分析功能；通过土柱实验结合蒸发、降雨模拟组件，监测土壤各层含水率、温度、盐度和土壤压力等要素的变化规律，揭示重构土壤水气热、养分运移机制，为煤矿沉陷区的充填复垦、土壤培肥，环境治理和生态恢复提供科学依据，有利于土地资源合理利用和环境保护；
(2)试验模拟柱采用玻璃材质，便于观察；
(3)喷淋控制阀门可以实现调节降雨量的大小；喷淋头为圆盘型花洒，适配试验模拟柱顶端为圆型，实现均匀降雨；
(4)加热控制开关可以调节光照的强度与时间；蒸发实验时加热灯悬挂在土柱正上方，为了控制灯光照射的范围，在加热灯上安装灯罩，以使照射到土壤表面的灯光更加均匀；此外，灯罩规格须与土柱口相对应，以使灯光只照射到土柱表面，减少边界效应的影响；
(5)采样传感器可以是水热盐三合一传感器，是含水量传感器、温度传感器、盐度传感器三者集成在一起具备检测含水量、温度以及盐度的多功能传感器，水热盐三合一传感器内部使用金品品质芯片，具有低功耗、高灵敏度、信号稳定的优点；选用进口316L型不锈钢作为原料，具有防锈、不电解、耐盐碱腐蚀等优点，适用于各种土壤。
附图说明
图1是本发明实施例土壤水热盐耦合模拟试验装置的结构示意图；
图2是本发明实施例土壤水热盐耦合模拟试验装置的设计结构示意图；
图3是本发明实施例试验单体的结构示意图；
图4是本发明实施例试验单体的剖视图；
图5是本发明实施例中不同厚度的填充物的示意图；
图中标号：
1、试验单体；11、试验模拟柱；12、降雨模拟组件；121、喷淋头；122、喷淋控制阀门；13、蒸发模拟组件；131、加热灯；132、加热控制开关；14、压力传感器；15、采样传感器；16、集水漏斗；17、采样口；18、压力变送器；2、底座；3、数据采集传输组件；31、网关；32、交换机；33、服务器；
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，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作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。
实施例一：
如图1所示，采煤沉陷区重构土壤水热盐耦合模拟试验方法，采用土壤水热盐耦合模拟试验装置，该装置包括多个试验单体1、底座2、数据采集传输组件3，图1中为五个试验单体1，每个试验单体1均连接底座2上，五个试验单体1均连接数据采集传输组件3。如图1、如图2、图3所示，所述试验单体1包括试验模拟柱11、降雨模拟组件12、蒸发模拟组件13、压力传感器14、采样传感器15、集水漏斗16、采样口17、压力变送器18。
首先，将多个试验单体1套接在底座2上，后将试验模拟柱11内填充填充物，试验模拟柱底部连接压力传感器14；将采样传感器15沿试验模拟柱11高度方向间隔插入填充物内，并将压力传感器14与采样传感器数据15采集传输组件3进行连接。
蒸发试验阶段时，蒸发模拟组件13位于试验模拟柱11上方，通过蒸发模拟组件13的加热模拟太阳光照，同时将压力传感器14获得数据以及采样传感器15获得相应剖面的含水量、温度、盐度观测数据传输至采集传输组件3；
降雨试验阶段时，降雨模拟组件12位于试验模拟柱11上方，通过降雨模拟组件12的喷淋模拟自然降雨，同时将压力传感器14获得数据以及采样传感器15获得相应剖面的含水量、温度、盐度观测数据传输至采集传输组件。
其中，所述试验模拟柱11为玻璃圆柱筒状结构，可以观察内部填充物的高度以及情况。试验模拟柱11内填充填充物，由上自下分别是土壤层、煤灰层、石英砂层，五个试验模拟柱11内可以填充相同的填充物，便于获得多组数据，提高数据的准确性。
所述降雨模拟组件12包括喷淋头121、水管、喷淋控制阀门122，所述喷淋头121位于所述试验模拟柱11的上方，所述水管连接所述喷淋头121，所述喷淋控制阀门122连接所述水管，所述喷淋控制阀门122连接所述数据采集传输组件3。喷淋控制阀门122可以实现调节降雨量的大小，并将喷淋控制阀门122开度参数传输给数据采集传输组件3，用以记录不同开度实现的降雨量；喷淋头121为圆盘型花洒，适配试验模拟柱11顶端为圆型，圆盘型的花洒可以实现均匀降雨。水管可以与自来水连接。
所述蒸发模拟组件13包括加热灯131、电线、加热控制开关132，所述加热灯131位于所述试验模拟柱11的上方，所述电线连接所述加热灯131，所述加热控制开关132连接所述电线，所述加热控制开关132连接所述数据采集传输组件3，将加热灯131的加热功率参数进行记录。加热控制开关132可以调节光照的强度与时间；蒸发实验时加热灯131悬挂在土柱正上方，为了控制灯光照射的范围，在加热灯上安装灯罩，以使照射到土壤表面的灯光更加均匀；此外，灯罩规格须与土柱口相对应，以使灯光只照射到土柱表面，减少边界效应的影响。为使用便捷，在试验模拟柱11的一侧设置支架，用于固定加热灯131以及电线走向。
再者，因所述降雨模拟组件12与所述蒸发模拟组件13通常不同时使用，在所述蒸发模拟组件13使用时，如降雨模拟组件12依然在试验模拟柱上方，则会遮挡部分光照，因此，降雨模拟组件12可以的支架可以是可旋转或可移动的，在所述蒸发模拟组件13使用时将降雨模拟组件12旋转至一侧或移动至旁边。
所述压力传感器14为四个，四个所述压力传感器14连接所述底座2与所述试验模拟柱11之间；本实施例中，压力传感器14采用JLBU轮辐式拉压力测力称重传感器，每个试验模拟柱配置四只压力传感器，并配套BSQ-12型四进一出的压力变送器18，压力变送器18将传感器初级的电信号转换成标准的电信号,输出电流信号4--20mA。
本实施例中，采样传感器15为水热盐三合一传感器，是含水量传感器、温度传感器、盐度传感器三者集成在一起具备检测含水量、温度以及盐度的多功能传感器，水热盐三合一传感器内部使用金品品质芯片，具有低功耗、高灵敏度、信号稳定的优点；选用进口316L型不锈钢作为原料，具有防锈、不电解、耐盐碱腐蚀等优点，适用于各种土壤。
本实施例中，试验土柱总高为90cm，土壤层高65cm，煤矸石层10cm，石英砂层5cm，五个水热盐三合一传感器分别布置深度为5cm、15cm、30cm、50cm和70cm位置(70cm处于煤矸石层中)，对于图5中D组。
所述试验模拟柱11的底部具有集水漏斗16，集水漏斗16用来采集淋滤的液体，模拟实际雨水经土壤渗入地下的过程，试验模拟柱11的侧壁具有采样口17，采样口沿试验模拟柱11高度方向上布置，采样口17用于采集试验模拟柱内的填充物。
本实施例中，参考图3、图4所示，所述试验模拟柱11的底部套接在所述底座2内，底座2的上部为顶端开口的圆筒，圆筒内底面安装压力传感器14，圆筒底面的中部具有贯穿孔，集水漏斗16的底部可以由贯穿孔穿出，底座2的下部为支撑架结构。
数据采集传输组件3包括五个网关31，以及交换机32、服务器33，每个所述试验单体1连接一个网关31，每个所述网关31连接所述交换机32，所述交换机32连接所述服务器33。网关31用于将每个试验单体1内的含水量、温度、压力、盐度参数以及降雨模拟组件12的降雨量和蒸发模拟组件13的加热光强传输出去。
本实施例采煤沉陷区重构土壤水热盐耦合模拟试验方法，具体为：
在试验模拟柱11内填充填充物后形成土柱，试验模拟柱11置于底座2上；
蒸发试验阶段时，利用蒸发模拟组件13的加热灯131来模拟太阳光照，在试验土柱顶端加热，通过加热控制开关132来调控光照强度和时间；
降雨试验阶段时，用降雨模拟组件12的喷淋头121模拟自然降雨，通过喷淋控制阀门122实现不同的降雨强度；
土柱整体放置在高精度的压力传感器14上，用于实时监测土柱蒸发量，通过压力变送器18传输给网关31；在试验模拟柱11侧壁不同高度分别安装采样传感器15，以获取相应剖面的含水量、温度、盐度观测数据，并通过网关31、交换机32等设备将获取的数据上传到服务器33，以进行相关分析与研究。
且本实施例设置多组试验单体1，可以对多组试验单体1获得的数据进行综合分析，提高数据的准确性。
本实施例能够将土壤剖面含水量、温度、盐度和压力传感器14的数据实时采集、存储、浏览和分析功能；通过土柱实验结合蒸发模拟组件13、降雨模拟组件12，监测土壤各层含水率、温度、盐度和土壤压力等要素的变化规律，揭示重构土壤水气热、养分运移机制，为煤矿沉陷区的充填复垦、土壤培肥，环境治理和生态恢复提供科学依据，有利于土地资源合理利用和环境保护。
实施例二：
如图5所示，本实施例中，试验模拟柱11内填充物按照A、B、C组不同的土壤高度进行分别试验，对不同高度的土壤层进行试验，以便获得不同厚度土壤层的数据；当然也可以同时进行A、B、C、D组，便于多组不同厚度土壤层进行比较；当然也可以更对相同厚度不同成分的土壤进行比对分析；上述试验相辅相成，为环境治理和生态恢复提供更多的数据依据，有利于土地资源合理利用和环境保护，具有重要的生态环保意义。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.采煤沉陷区重构土壤水热盐耦合模拟试验方法，其特征在于，将多个试验单体套接在底座上，后将试验模拟柱内填充填充物，试验模拟柱底部连接压力传感器；
将采样传感器沿试验模拟柱高度方向间隔插入填充物内，并将压力传感器与采样传感器数据采集传输组件进行连接；
蒸发试验阶段时，蒸发模拟组件位于试验模拟柱上方，通过蒸发模拟组件的加热模拟太阳光照，同时将压力传感器获得数据以及采样传感器获得相应剖面的含水量、温度、盐度观测数据传输至采集传输组件；
降雨试验阶段时，降雨模拟组件位于试验模拟柱上方，通过降雨模拟组件的喷淋模拟自然降雨，同时将压力传感器获得数据以及采样传感器获得相应剖面的含水量、温度、盐度观测数据传输至采集传输组件。
2.根据权利要求1所述的采煤沉陷区重构土壤水热盐耦合模拟试验方法，其特征在于，所述试验模拟柱为玻璃圆柱筒状结构，所述试验模拟柱的底部套接在所述底座内，所述压力传感器为多个，多个所述压力传感器连接所述底座与所述试验模拟柱之间。
3.根据权利要求1所述的采煤沉陷区重构土壤水热盐耦合模拟试验方法，其特征在于，所述试验模拟柱的底部具有集水漏斗。
4.根据权利要求1所述的采煤沉陷区重构土壤水热盐耦合模拟试验方法，其特征在于，所述试验模拟柱的侧壁具有多个沿试验模拟柱高度方向上布置的采样口。
5.根据权利要求1所述的采煤沉陷区重构土壤水热盐耦合模拟试验方法，其特征在于，所述数据采集传输组件包括多个网关，以及交换机、服务器，每个所述试验单体连接一个网关，每个所述网关连接所述交换机，所述交换机连接所述服务器。
6.根据权利要求1所述的采煤沉陷区重构土壤水热盐耦合模拟试验方法，其特征在于，所述填充物包括由上自下铺设的土壤层、煤灰层、石英砂层。
7.根据权利要求1所述的采煤沉陷区重构土壤水热盐耦合模拟试验方法，其特征在于，所述降雨模拟组件包括喷淋头、水管、喷淋控制阀门，所述喷淋头位于所述试验模拟柱的上方，所述水管连接所述喷淋头，所述喷淋控制阀门连接所述水管，所述喷淋控制阀门连接所述数据采集传输组件；降雨试验阶段，通过喷淋控制阀门设置不同的降雨量。
8.根据权利要求1所述的采煤沉陷区重构土壤水热盐耦合模拟试验方法，其特征在于，所述蒸发模拟组件包括加热灯、电线、加热控制开关，所述加热灯位于所述试验模拟柱的上方，所述电线连接所述加热灯，所述加热控制开关连接所述电线，所述加热控制开关连接所述数据采集传输组件；蒸发试验阶段，通过加热控制开关设置不同的光照强度和光照时间。
9.根据权利要求1所述的采煤沉陷区重构土壤水热盐耦合模拟试验方法，其特征在于，所述采样传感器为水热盐三合一传感器。
10.根据权利要求1所述的采煤沉陷区重构土壤水热盐耦合模拟试验方法，其特征在于，还包括压力变送器，多个压力传感器输出连接所述压力变送器。
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