土层储水装置和复垦矿区分布式储水方法 |
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| 申请号 | CN202410272673.6 | 申请日 | 2024-03-11 | 公开(公告)号 | CN117966857A | 公开(公告)日 | 2024-05-03 |
| 申请人 | 中国矿业大学(北京); | 发明人 | 王玺凯; 彭苏萍; 赫云兰; 邢朕国; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种土层储 水 装置和复垦矿区分布式储水方法，涉及环境科学和 水文学 研究技术领域，包括储水缓释组件；储水缓释组件包括储水桶、透水石和集水器；储水桶的顶面向下凹陷并在形成的凹陷面的最低处设有汇流口；集水器为多孔网状结构，安装于凹陷面顶层；储水桶的底面为敞口或设有多个渗水孔，透水石填充于储水桶的内部底层空间。本发明可应用在干旱半干旱区矿区生态修复研究，广泛有效地储存 灌溉 和强降水形成的 地表径流 ，在干燥时期当 土壤 水分下降时释放水分补充土壤含水率，以维持干旱时期 植物 的生存。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种土层储水装置，其特征在于：包括储水缓释组件； |
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| 说明书全文 | 土层储水装置和复垦矿区分布式储水方法技术领域背景技术[0002] 随着工业化进程加速和人们生活水平的提高，矿产资源的需求不断增加。煤炭、铁矿、铝土矿以及各种稀有金属矿区的主要分布地区远离海洋，属于干旱半干旱地区，降水较少，生态环境脆弱，采矿活动对于当地的生态环境造成了较大的破坏，对于矿区的生态治理和复垦活动非常重要。 [0005] 但地表覆土通常渗透率较低，较大强度的降水会形成地表径流，降低水分的利用效率。而大规模井工采煤会形成大量的采煤沉陷地，采煤沉陷地中裂缝发育，土壤容重减小，降水入渗的土壤水分会因蒸发作用而大量流失。复垦初期会因上述原因造成较严重的缺水，威胁复垦区植物的生长。 发明内容[0006] 本发明的目的在于提供一种土层储水装置和复垦矿区分布式储水方法，应用在干旱半干旱区矿区生态修复研究，以缓解现有技术中存在的上述技术问题。 [0007] 为实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案： [0008] 第一方面，本发明实施例提供一种土层储水装置，包括储水缓释组件；所述储水缓释组件包括储水桶、透水石和集水器；所述储水桶的顶面向下凹陷并在形成的凹陷面的最低处设有汇流口；所述集水器为多孔网状结构，安装于所述凹陷面顶层；所述储水桶的底面为敞口或设有多个渗水孔，所述透水石填充于所述储水桶的内部底层空间。 [0009] 在本发明实施例中，优选地，所述透水石在所述储水桶内的铺设高度≤1/4所述储水桶的高度。 [0010] 在本发明实施例中，优选地，所述土层储水装置还包括监测组件；所述监测组件包括流量监测器、雨量监测器和数据发送器；所述流量监测器安装于所述汇流口处，用于监测经由所述汇流口进入所述储水桶内的水量；所述雨量监测器用于监测降水量；所述流量监测器和所述雨量监测器均与所述数据发送器电连接或信号连接，以接收所述流量监测器和所述雨量监测器的监测数据，并将所述监测数据发送至数据云平台。 [0011] 进一步优选地，所述监测组件还包括立杆和供电装置；安装状态下，所述立杆底部插入于土壤中；所述雨量监测器、所述数据发送器和所述供电装置均固定安装于所述立杆，且所述雨量监测器和所述数据发送器均与所述供电装置电连接。 [0014] 优选地，所述雨量监测器安装于所述立杆顶部。 [0015] 第二方面，本发明实施例提供一种复垦矿区分布式储水方法，该方法应用前述实施方式中任一项所述的土层储水装置。其中，所述复垦矿区分布式储水方法包括以下步骤： [0016] 设置汇水区域步骤：在地表覆土治理复垦矿区的过程中，间隔修整多个直径由底部向顶部逐渐增大的圆锥汇水区域； [0017] 以及，安装步骤：在各个所述圆锥汇水区域分别安装所述土层储水装置。 [0018] 在本发明实施例提供的复垦矿区分布式储水方法中，较为优选地，所述安装步骤中，使所述储水桶顶面最高处低于地面。 [0019] 在本发明实施例提供的复垦矿区分布式储水方法中，较为优选地，所述安装步骤包括： [0020] 根据所选复垦矿区土壤粒径筛选透水石，以所选复垦矿区土壤的粒径累积曲线中，30％颗粒粒径对应值为E，则，E‑2mm＜所述透水石的直径＜E+2mm；然后，将筛选出的所述透水石填充于所述储水桶内部底层空间。 [0021] 本发明实施例能够达到如下有益效果： [0022] 本发明实施例可以应用在干旱半干旱区矿区生态修复研究，广泛有效地储存灌溉和强降水形成的地表径流。在干燥时期当土壤水分下降时缓慢持续地补给土壤水分，以维持干旱时期植物的生存，提高干旱半干旱地区水资源的利用效率，解决干旱半干旱矿区水分季节分配不均的矛盾；有效节约水资源，降低劳动强度，对干旱半干旱地区矿区的生态治理和修复具有良好的效果。附图说明 [0023] 为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。 [0024] 图1为本发明实施例提供的土层储水装置的整体结构示意图。 [0025] 图标：1‑储水桶；2‑透水石；3‑集水器；4‑流量监测器；5‑雨量监测器；6‑数据发送器；7‑立杆；8‑供电装置。 具体实施方式[0026] 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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以各种不同的配置来布置和设计。 [0027] 因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。 [0028] 应注意到：相似的标号和字母在附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。 [0029] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。 [0030] 此外，术语“水平”、“竖直”并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。 [0031] 在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。 [0032] 下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。 [0033] 实施例一 [0034] 本实施例提供一种土层储水装置，参照图1，该土层储水装置包括储水缓释组件和监测组件。 [0035] 具体地，储水缓释组件包括储水桶1、透水石2和集水器3；其中：储水桶1的顶面向下凹陷并在形成的凹陷面的最低处设有汇流口。集水器3为多孔网状结构，安装于前述凹陷面的顶层，集水器3的安装方式可以是紧贴该凹陷面，也可以是通过框架结构悬空于该凹陷面，用于在地表水流向储水桶1汇流口时过滤地表水中的泥沙和枝叶。储水桶1的底面为敞口或设有多个渗水孔，透水石2则填充于储水桶1的内部底层空间，若储水桶1的底面为敞口，则透水石2的填充方式为：将储水桶1的底部扣在透水石2外部，由储水桶1的底部周壁对透水石2进行围挡；若储水桶1的底面为非敞口结构，但设有多个渗水孔，则使储水桶1设有顶部开口，顶部开口上设顶盖，顶盖上表面形成储水桶1的顶面，通过顶部开口将透水石2投入到储水桶1内。 [0036] 使用时，如果在采煤沉陷区，该土层储水装置安装在地表径流汇聚或流经的地方；如果在露天矿区，应在地表修整汇水坑，将该土层储水装置安装在汇水坑底部，使储水桶1的顶面略低于地面。当降水或者灌溉时，降水或灌溉水形成的地表水经集水器3的过滤，从储水桶1的汇流口流入到储水桶1中，被透水石2形成的持水层短暂储存在储水桶1中，干旱季节由于土壤含水率下降，土壤基质势增大，等土壤基质势大于透水石2的基质势时，储水桶1中的水就会透过透水石2流向土壤中补充土壤水分。 [0037] 本实施例提供的土层储水装置可将降水或者灌溉时产生的地表径流汇聚储存起来，并在干旱时期土壤水分含量低时，将储存的水分缓慢释放到土壤中维持植物的生存和生长，解决干旱半干旱矿区水分季节分配不均的矛盾，有效节约水资源，降低劳动强度，对干旱半干旱地区矿区的生态治理和修复具有良好的效果。 [0038] 特别地，该土层储水装置中，储水桶1的顶面向下凹陷并且形成凹陷面，仅在该凹陷面的最低处设汇流口来收集水流，一方面，有利于对地表水进行导流以快速收集地表水，另一方面，还能减缓水流进入到储水桶后水分的快速蒸发流失。透水石2的设置，优势是在于湿润季节土壤含水率较高时透水石2能阻止储水桶1中的水分流失，干旱季节土壤含水率较高时，透水石2能缓慢地将储水桶1中储存的水分释放到土壤中，维持植物的生存和生长，此外，透水石2还能将地表收集的水分缓慢释放到20‑30cm深度的土壤层中，该层既是大多数植物根系的吸水层，该层的土壤水分也能有效避免因地表的蒸发作用而散失到大气中。其中，优选地，透水石2在储水桶1内的铺设高度≤1/4储水桶1的高度，同时，优选地，以储水桶1周围土壤的粒径累积曲线中，30％颗粒粒径对应值为E，则，E‑2mm＜透水石2的直径＜E+ 2mm，该粒径下是申请人试验出的透水石2的优选粒径，能够使透水石2形成的持水层在所选复垦矿区土壤中储存较长时间的水分，不至于水分提前渗透完，以在干旱时期维持较长时间的土壤水分补给。 [0039] 在本实施例提供的土层储水装置中，较为优选地，该装置还包括监测组件，该监测组件包括流量监测器4、包括雨量监测器5和数据发送器6；流量监测器4安装于前述汇流口处，用于监测经由汇流口进入储水桶1内的水量。流量监测器4用于监测降水量。流量监测器4和雨量监测器5均与数据发送器6电连接或信号连接，以接收流量监测器4和雨量监测器5的监测数据，并将监测数据发送至数据云平台，调取数据云平台储存的数据，对比流量监测器4和雨量监测器5的数据就可以得到储水和降水比例，供研究人员研究。 [0040] 优选地，该监测组件还包括立杆7和供电装置8；安装状态下，立杆7底部插入于土壤中；雨量监测器5、数据发送器6和供电装置8均固定安装于立杆7，且雨量监测器5和数据发送器6均与供电装置8电连接。供电装置8则优选采用太阳能供电装置，包括相互连接的太阳能电池板和蓄电池，雨量监测器5和数据发送器6均与蓄电池电连接，以保证电源充足；且为更好地利用太阳光，以及降低风沙影响，优选使太阳能电池板通过支撑杆倾斜安装于立杆7一侧，雨量监测器5则安装于立杆7顶部。 [0041] 实施例二 [0042] 本实施例提供一种复垦矿区分布式储水方法，该复垦矿区分布式储水方法应用实施例一中任一可选实施方式提供的土层储水装置。 [0043] 该复垦矿区分布式储水方法包括以下步骤： [0044] 设置汇水区域步骤：在地表覆土治理复垦矿区的过程中，间隔修整多个直径由底部向顶部逐渐增大的圆锥汇水区域；以每两个圆锥汇水区域间间隔约3米为宜； [0045] 以及，安装步骤：在各个圆锥汇水区域分别安装土层储水装置，其中，将储水缓释组件安装于圆锥汇水区域的最底部，将监测组件安装于地面以上，使复垦矿区广泛分布有土层储水装置，且在安装时，优选使储水桶1顶面最高处低于地面。 [0047] 并且，在该方法使用的土层储水装置的各个可选实施方案中，优选地，以所选复垦矿区土壤的粒径累积曲线中，30％颗粒粒径对应值为E，则，E‑2mm＜透水石2的直径＜E+2mm；上述安装步骤对应包括：根据所选复垦矿区土壤粒径筛选透水石2，以所选复垦矿区土壤的粒径累积曲线中，30％颗粒粒径对应值为E，则，E‑2mm＜透水石2的直径＜E+2mm，然后，将筛选出的透水石2填充于储水桶1内部底层空间。该粒径下是申请人试验出的透水石2的优选粒径，能够使透水石2形成的持水层在所选复垦矿区土壤中储存较长时间的水分，不至于水分提前渗透完，以在干旱时期维持较长时间的土壤水分补给。 |
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