一种露天矿排土场土壤生态水位控制装置及方法
阅读说明：本技术 一种露天矿排土场土壤生态水位控制装置及方法 (Device and method for controlling ecological water level of soil in strip mine refuse dump ) 是由 李全生 邢朕国 张润廷 刘勇 张周爱 于 2021-08-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种露天矿排土场土壤生态水位控制装置及方法,该方法包括：根据露天矿所处地域、气候、地质、水文和土壤条件确定选用的优势植物；优势植物的补给水位决定补水单元铺设深度；自下而上排弃每层平台时,预铺每层平台补水单元；若水分监测器监测的土壤水分值低于预设预警值,控制模块控制补水单元进行定量补水。本发明在生态水位的基础上,关注没有地下水的人工排土场生态环境,采用人工辅助的措施在优势植物的基础上通过维系类似生态水位的植被需水土壤含水量来达到露天矿排土场植被优选优育的目的,相对于传统地表浇灌有成本低、人工少的优势。(The invention discloses a device and a method for controlling the ecological water level of soil in a strip mine refuse dump, wherein the method comprises the following steps: determining selected dominant plants according to the region, climate, geology, hydrology and soil conditions of the strip mine; the supply water level of the dominant plants determines the laying depth of the water replenishing unit; when each layer of platform is discarded from bottom to top, pre-paving a water replenishing unit of each layer of platform; if the soil moisture value monitored by the moisture monitor is lower than the preset early warning value, the control module controls the water replenishing unit to perform quantitative water replenishing. The invention focuses on the ecological environment of the artificial waste dump without underground water on the basis of the ecological water level, adopts artificial auxiliary measures to achieve the purpose of preferably and optimally breeding the vegetation in the waste dump of the strip mine by maintaining the water content of the vegetation with similar ecological water level on the basis of the dominant plants, and has the advantages of low cost and less labor compared with the traditional surface irrigation.)
技术领域
本发明涉及露天矿排土场生态环保领域，具体涉及一种露天矿排土场土壤生态水位控制装置及方法。
背景技术
我国露天煤矿大多分布在生态脆弱区，为保护开采工作区域主要采用疏干排水方式控制地下水，导致矿区周边地下水位下降、植被覆盖度减少，地下水水资源和生态环境均不同程度受到影响。为解决露天煤矿开采造成的水资源与生态环境问题，业界提出了多种思路和方案，目前应用较好的为地下防渗帷幕截流技术，但针对非开采工作区如排土场的水文生态保护方案仍未得到重视和发展，排土场作为工业用地的一部分，保障其生态地下水位，有利于实现减损、保水、绿色开采。
《煤炭科学技术》论文“基于保障生态地下水位的露天煤矿主动保水技术研究”公开了一种露天煤矿主动保水技术，包括厘清矿坑水的补给源和补给通道，确定适宜的截水帷幕路线、顶底位置，确保帷幕底部进入稳定隔水层、顶部高于历史水位，因地制宜地选择沟槽式截水帷幕或钻孔注浆帷幕方式及其配套防渗材料，通过构筑连续的帷幕墙体拦截潜水含水层侧向补给矿坑。采用该技术的露天矿区地下水位可恢复至原始水位，植被逐渐修复。但该技术针对开采及周边区域，利用地下水的动力学特性顺势补给，无法补给到远高于潜水高程的排土场区域。
综上所述，现有技术中对于排土场区域的土壤生态水位控制装置和方法并未过多说明，目前各矿根据政策要求普遍采取浇灌绿化等措施，浪费水资源的同时无法形成自更替的优势植被，费时费工费钱，且不利于绿色矿山建设。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明提出一种露天矿排土场土壤生态水位控制装置及方法。
为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种露天矿排土场土壤生态水位控制装置，包括：地表水泵房，与地表水泵房连接的主管道，与主管道连接的补水单元，补水单元包括与主管道连接的辅管道，辅管道靠近主管道的一端设有主阀门，辅管道上均匀布置若干补水管，补水管靠近辅管道的一端设有副阀门，补水管上均匀开设若干补水孔，补水管上均匀布置若干中间水分监测器，补水管远离辅管道的一端设有端头水分监测器，补水单元通过控制模块进行控制。
优选地，控制模块包括干旱预警模块、水量控制模块、实时显示模块；中间水分监测器、端头水分监测器与干旱预警模块连接，干旱预警模块与水量控制模块连接，通过水量控制模块控制补水单元补水量，中间水分监测器、端头水分监测器、干旱预警模块、水量控制模块分别与实时显示模块连接。
本发明还提供一种露天矿排土场土壤生态水位控制方法，包括：
S1：根据露天矿所处地域、气候、地质、水文和土壤条件确定选用的优势植物；优势植物的补给水位决定补水单元铺设深度；
S2：自下而上排弃第一层平台时，预铺第一层平台补水单元；
S3：自下而上依次排弃中间层平台时，分别预铺中间层平台补水单元；
S4：排弃最上层平台时，预铺最上层平台补水单元；
S5：若水分监测器监测的土壤水分值低于预设预警值，控制模块控制补水单元进行定量补水。
优选地，步骤S1中优势植物的确定方法如下：
Ai＝i相对密度+i相对盖度+i相对频度
A＝Max(Ai)
其中，Ai为第i种植物的优势值，i相对密度为第i种植物的相对密度，i相对盖度为第i种植物的相对盖度，i相对频度为第i种植物的相对频度，i＝1，2，...，n，n为植物总种数，A为优势植物的优势值。
优选地，步骤S2、S3补水单元从平台四周向中心斜向上铺设，且补水单元与水平方向的夹角为0-3°。
优选地，步骤S5中水分监测器监测的土壤水分值低于预设预警值的判定方法如下：
Q＞Q端头且Q＞Min(Qj)时，即判定水分监测器监测的土壤水分值低于预设预警值，水量控制模块控制补水单元进行定量补水；
其中，Q为预设预警值，Q端头为端头水分监测器监测到的土壤水分值，Qj为补水管上第j个中间水分监测器监测到的土壤水分值，j＝1，2，…，m，m为补水管上中间水分监测器个数。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明在生态水位的基础上，关注没有地下水的人工排土场生态环境，采用人工辅助的措施在优势植物的基础上通过维系类似生态水位的植被需水土壤含水量来达到露天矿排土场植被优选优育的目的，相对于传统地表浇灌有成本低、人工少的优势。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域中的普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明装置铺设示意图；
图2为补水单元示意图；
图3为主管道与补水单元连接示意图；
图4为控制模块示意图。
图中，1、地表水泵房；2、主管道；3、补水单元；3-1、辅管道；3-2、主阀门；3-3、补水管；3-4、副阀门；3-5、补水孔；3-6、中间水分监测器；3-7、端头水分监测器。
具体实施方式
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。
实施例
以锡林浩特市北电胜利露天矿煤矿为例：
本发明提供一种露天矿排土场土壤生态水位控制装置，如图2-4所示，包括：地表水泵房1，与地表水泵房1连接的主管道2，与主管道2连接的若干补水单元3，补水单元3包括与主管道2连接的辅管道3-1，辅管道3-1靠近主管道2的一端设有主阀门3-2，辅管道3-1上均匀布置4个补水管3-3，补水管3-3靠近辅管道3-1的一端设有副阀门3-4，补水管3-3上均匀开设6个补水孔3-5，补水管3-3上均匀布置2个中间水分监测器3-6，补水管3-3远离辅管道3-1的一端设有端头水分监测器3-7，补水单元3通过控制模块进行控制。控制模块包括干旱预警模块、水量控制模块、实时显示模块；中间水分监测器3-6、端头水分监测器3-7与干旱预警模块连接，干旱预警模块与水量控制模块连接，通过水量控制模块控制补水单元3补水量，中间水分监测器3-6、端头水分监测器3-7、干旱预警模块、水量控制模块分别与实时显示模块连接。
根据矿山开拓方案可知，北排土场由下及上共三层平台，每层平台高10米，自下而上第一层平台面积1平方公里，自下而上第三层平台面积0.6平方公里。根据排土场30米高程确定地表水泵房1泵机功率参数。
本发明还提供一种露天矿排土场土壤生态水位控制方法，包括：
S1：根据露天矿所处地域、气候、地质、水文和土壤条件确定选用的优势植物；优势植物的补给水位决定补水单元3铺设深度；补水单元3铺设深度即为补水单元3距离平台上表面的距离。优势植物的确定方法如下：
Ai＝i相对密度+i相对盖度+i相对频度
A＝Max(Ai)
其中，Ai为第i种植物的优势值，i相对密度为第i种植物的相对密度，i相对盖度为第i种植物的相对盖度，i相对频度为第i种植物的相对频度，i＝1，2，…，n，n为植物总种数，A为优势植物的优势值，Max(Ai)为所有Ai的最大值。通过上述方法得出该区优势植物为：长芨芨草、大针茅。根据优势植物长芨芨草、大针茅的生长特点，根系吸水深度约至地下0.5m，补水单元3铺设深度为地下0.5-1米。
S2：如图1所示，自下而上排弃第一层平台时，预铺第一层平台补水单元3，优势植物的补给水位决定第一层平台补水单元3铺设深度。通过第一平台控制模块控制补水单元3进行补水工作。考虑到下层平台受上层平台重力压实作用影响，第一层平台补水单元3从平台四周向中心斜向上铺设，且第一层平台补水单元3与水平方向的夹角为3°。
S3：自下而上排弃第二层平台时，预铺第二层平台补水单元3，优势植物的补给水位决定第二层平台补水单元3铺设深度。考虑到下层平台受上层平台重力压实作用影响，第二层平台补水单元3从平台四周向中心斜向上铺设，且第二层平台补水单元3与水平方向的夹角为2°。此时，第一层平台控制模块只需要控制未被上层平台压覆的空间内的补水单元3。
S4：排弃最上层平台时，预铺最上层平台补水单元3，优势植物的补给水位决定最上层平台补水单元3铺设深度。此时，第二层平台控制模块只需要控制未被上层平台压覆的空间内的补水单元3。
S5：若水分监测器监测的土壤水分值低于预设预警值，控制模块控制补水单元3进行定量补水。水分监测器监测的土壤水分值低于预设预警值的判定方法如下：
Q＞Q端头且Q＞Min(Qj)时，即判定水分监测器监测的土壤水分值低于预设预警值，水量控制模块控制补水单元3进行定量补水；
其中，Q为预设预警值，Q端头为端头水分监测器3-7监测到的土壤水分值，Qj为补水管3-3上第j个中间水分监测器3-6监测到的土壤水分值，Min(Qj)为所有Qj的最小值，j＝1，2，…，m，m为补水管3-3上中间水分监测器3-6个数。
当水分监测器监测的土壤水分值低于预设预警值，干旱预警模块向水量控制模块发送工作指令，水量控制模块根据干旱预警模块的指令实现补水功能。补水单元3的主阀门3-2、副阀门3-4打开，水泵房1的水依次通过主管道2、辅管道3-1、补水管3-3、补水孔3-5向周围土壤补水。同时，水分监测器、干旱预警模块、水量控制模块的信息显示在实时显示模块。
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