高寒矿区冻土-水文耦合生态调控方法与流程

本发明属于矿区生态环境调控，尤其涉及一种高寒矿区冻土-水文耦合生态调控方法。

背景技术：

1、专利号为zl202210125495.5的发明专利公开了一种生态环境修复治理方法，可以将矿区修复改造为良田。但其技术方案存在以下问题：

2、（1）对矿区处于高寒区域，比如我国的华北、东北、西北及青藏高原地区的很多地方在冬季会形成大面积的季节性冻土，矿区在修复改造后较贫瘠的土壤形成冻土，导致农作物难以存活。此外，大部分矿区通常是在远离城市的偏远地区，冬季供暖仍然采用煤炭烧锅炉的方式，不仅浪费资源，而且污染环境。因此采用地热能为矿区冬季冻土进行生态调控是亟需解决的问题。

3、（2）灌溉供水管路系统的支供水管固定设置，虽然也可通过犁耙设备、播种机、收割机等农业机械，但农业机械实际作业时为了避开支供水管，尤其是在转弯时就会产生较多的死角区域，这时就需要人工进行劳作，劳动强度大，效率低。

4、（3）很多矿区并不存在矿坑，而是大面积的堆放的矿渣，因此难以按该专利的技术方案进行修复改造。

技术实现思路

1、本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种节能环保、可将矿区冻土进行解冻且可提高机械化作业效率的高寒矿区冻土-水文耦合生态调控方法。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：高寒矿区冻土-水文耦合生态调控方法，包括以下步骤：

3、s1、划定一处呈矩形区域，在矩形区域内摊铺一层矿渣，在矿渣层上依次设置碎石层、砂浆层、隔热层和隔水层，其中隔水层呈左低右高倾斜设置，在隔水层表面铺设地热管路传导系统，在地热管路传导系统上铺设土壤层，土壤层上表面平行于水平面；

4、s2、在矩形区域外部右侧施工地热抽采井，在矩形区域外部左侧施工地热回灌井、三级蓄水沉淀池和灌溉井，地热抽采井与地热回灌井分别临近矩形区域的两个对角，三级蓄水沉淀池位于灌溉井和地热回灌井之间，三级蓄水沉淀池的右侧池壁沿前后方向开设有进水长孔，进水长孔外端口设有滤网，隔水层左侧边中部向左延伸穿过进水长孔底面伸入到三级蓄水沉淀池内，隔水层左侧边在三级蓄水沉淀池前侧和后侧均向上折起形成挡水沿；

5、s3、在地热抽采井、地热回灌井、三级蓄水沉淀池和灌溉井的井口处分别施工抽采保温房、回灌保温房、蓄水保温房和灌溉保温房；

6、s4、在抽采保温房内设置抽采泵、过滤装置和增压泵，抽采泵进口与地热抽采井内布置的地热抽采管上端口连接，抽采泵出口通过过滤装置与增压泵进口连接，增压泵出口与地热管路传导系统右端进口连接；地热回灌井内设置回灌管路系统，回灌管路系统上端口与地热管路传导系统左端出口连接；三级蓄水沉淀池的第三级池体上部设有分别与回灌管路系统和灌溉井连接的溢流管；

7、s5、在土壤层上播种农作物；在雨季时，渗入土壤层内的雨水沿隔水层自右向左汇集，最后通过三级蓄水沉淀池池壁上的进水长孔流入到三级蓄水沉淀池内；在干旱季节时，在土壤层上方架设可拆卸灌溉供水管路系统，可拆卸灌溉供水管路系统的主供水管的进水口通过三通管路分别与灌溉保温房内设置的抽水泵出口和设置在蓄水保温房内三级蓄水沉淀池内的灌溉潜水泵连接；通过可拆卸灌溉供水管路系统对土壤层的农作物喷水浇灌；

8、s6、在冬季时，启动抽采泵、增压泵将地热抽采井内的地热水通入地热管路传导系统，通过地热管路传导系统对土壤层进行热传导，避免土壤层形成冻土，经过热交换后的地热水通过回灌管路系统注入回灌到地热回灌井内；在农业机械在土壤层上作业时，将可拆卸灌溉供水管路系统拆卸。

9、地热管路传导系统包括左地热汇流管和右地热汇流管，左地热汇流管沿矩形区域左侧边设置，右地热汇流管沿矩形区域右侧边设置，左地热汇流管左侧通过回灌总管与回灌管路系统上端口连接，右地热汇流管右侧通过地热排出管与增压泵出口连接，左地热汇流管和右地热汇流管之间通过若干根换热管连接，每根换热管均沿左右方向设置，每根换热管上均安装有若干个耐腐蚀换热组件；

10、每个耐腐蚀换热组件均包括同轴向卡装在换热管上的弹性卡套，弹性卡套底部左右两端通透且底部敞口，弹性卡套横截面为优弧结构，弹性卡套下端两条直边均向外折弯形成喇叭口结构，弹性卡套外圆沿径向设有三个换热片，相邻两个换热片的夹角为90°。

11、回灌管路系统包括外套管、内套管、回灌泵、水位传感器和plc控制器，外套管竖向设在地热回灌井内，外套管的上端伸出地热回灌井通过弯头管与回灌总管连接，内套管同轴设置在外套管中，内套管与外套管之间形成环形的自流回灌腔，内套管的上端向上穿过弯头管的上侧管壁，内套管与弯头管之间密封固定连接，内套管的上侧部管壁开设有位于外套管的内上侧部的回灌口，内套管外壁设有遮挡回灌口并导流回灌水的开口朝下的u型罩，内套管的内上侧部安装有位于回灌口下方且向下泵送的所述的回灌泵，水位传感器设在内套管内壁并位于回灌口上方，plc控制器分别与水位传感器和回灌泵控制连接。

12、可拆卸灌溉供水管路系统包括若干条均沿左右方向设置的喷水管，所述的主供水管沿前后方向布置，主供水管前后两端口封堵，每条喷水管左端均通过一节高压软管与主供水管连接，主供水管上在任意两条相邻的喷水管之间均设有一个阀门，喷水管由若干根喷水支管通过法兰连接，每根支喷水管底部沿长度方向均匀设有若干个雾化喷头，每根支喷水管底部沿长度方向均匀设有若干根伸缩支杆；

13、每根伸缩支杆均包括竖向设置的外空心杆和滑动插设在外空心杆内的内空心杆，外空心杆上端口处设有用于夹紧内空心杆外圆的双重紧箍定位装置，内空心杆上端通过球形铰链与支喷水管底部连接，外空心杆下端设有支撑限位板，支撑限位板直径大于外空心杆外径，支撑限位板下表面固定设有下端尖锐且呈半圆锥状的定位锥，定位锥为空心结构，外空心杆的中心线位于定位锥外侧的三角形平面上，定位锥内部设有固定连接在三角形平面内侧面的磁铁板。

14、双重紧箍定位装置包括上外固定环、下外固定环、上内固定环、下内固定环、上弹性开口压套、下弹性开口压套和活动压套，上外固定环和下外固定环均固定设在外空心杆外圆，上内固定环和下内固定环均固定设在外空心杆内圆与内空心杆外圆之间，活动压套外圆滑动装配在外空心杆上端口内，活动压套上端一体成型有与上外固定环上下对应的压盘，活动压套内圆下部和上弹性开口压套外圆上部均为上细下粗的上圆锥面，上弹性开口压套外圆下部和上内固定环外圆上部均为上粗下细的下圆锥面，上圆锥面和下圆锥面上下对称设置，上弹性开口压套设置在活动压套和上内固定环之间，下弹性开口压套设在上内固定环下端和下内固定环上端之间，上弹性开口压套和上弹性开口压套均套在内空心杆外部；上外固定环和下外固定环之间设有用于压缩上弹性开口压套内径的竖向锁紧组件，下外固定环上设有用于压缩下弹性开口压套内径的径向锁紧组件；内空心杆下端设有与外空心杆内圆滑动配合且位于下内固定环下方的限位导向环。

15、竖向锁紧组件沿上外固定环圆周方向均匀设有四个，每个竖向锁紧组件均包括上手轮、压筒、弹簧和上螺杆，上螺杆竖向穿过压盘与上外固定环螺纹连接，上螺杆上端与上手轮底面中心固定连接，压筒套在上螺杆上并位于上手轮与压盘之间，弹簧套在上螺杆上并位于压盘与上外固定环之间；

16、径向锁紧组件沿下外固定环圆周方向均匀设有四个，每个竖向锁紧组件均包括下手轮、下螺杆和弧形压板，下螺杆沿外空心杆径向方向与下外固定环螺栓连接，弧形压板在高度方向上设在上内固定环和下内固定环之间，弧形压板在径向方向上设在下弹性开口压套外圆与外空心杆内圆之间，下螺杆内端穿过外空心杆与弧形压板外圆顶压配合。

17、步骤s5中在土壤层上方架设可拆卸灌溉供水管路系统的具体过程为：先将高压软管进口与主供水管连接，再将高压软管出口与一节喷水支管连接，接着自左向右依次将若干根喷水支管通过法兰螺栓连接完成，最后自左向右将喷水支管逐节向上抬起，旋转伸缩支杆，使伸缩支杆一节向前，接着一节向后旋转，形成间隔前后支撑的方式，伸缩支杆下端的定位锥扎到土壤内，所有的伸缩支杆将整条喷水管支起来后，接着逐个调节每个伸缩支杆上的双重紧箍定位装置，将内空心杆向上抽出外空心杆，提高喷水管的高度，然后再拧紧双重紧箍定位装置，使整条喷水管保持基本相同的高度；

18、双重紧箍定位装置的具体操作过程为：内空心杆抽出外空心杆一定长度后，拧动上手轮和下手轮，上手轮带动上螺杆旋转，由于上螺杆与上外固定环螺栓连接，上螺杆和上手轮向下移动，上手轮通过压筒对压盘产生向下的压力，压盘驱动活动压套向下移动，活动压套与上内固定环间距缩小，活动压套内圆下部上圆锥面和上内固定环外圆上部的下圆锥面挤压上弹性开口压套，使上弹性开口压套的开口缩小，即内径缩小，上弹性开口压套内圆紧箍住内空心杆外圆；下手轮带动下螺杆沿径向向内移动，下螺杆内端顶压弧形压板外圆，弧形压板内圆顶压下弹性开口压套外圆，下弹性开口压套内圆缩小，下弹性开口压套内圆紧箍住内空心杆外圆，从而使内空心杆和外空心杆定位连接为一体；

19、通过可拆卸灌溉供水管路系统对土壤层的农作物喷水浇灌时，如果三级蓄水沉淀池内有存储的水，启动灌溉潜水泵抽取三级蓄水沉淀池内的水，通过主供水管和若干条喷水管，最后由雾化喷头向下喷淋到土壤上；如果三级蓄水沉淀池内存储的水较少，启动抽水泵，抽取灌溉井内的水对土壤进行喷淋。

20、步骤s6中在冬季避免土壤层形成冻土的具体过程为：启动抽采泵将地热井内的热水抽出，先经过过滤装置对泥沙进行过滤，再经过增压泵将干净的热水送入右地热汇流管，再流经换热管，热水通过换热管和换热管上安装的耐腐蚀换热组件将热量传导到土壤层，耐腐蚀换热组件上设置的三片换热片增加与土壤的热交换接触面积，热量沿土壤层的缝隙向上逐渐传递，这样就提升土壤层的温度，避免土壤层成为冻土，经过热交换的地热水通过左地热汇流管和回灌管路系统后注入到地热回灌井内。

21、步骤s6中地热水通过回灌管路系统注入回灌到地热回灌井内的具体过程为：热交换后的地热水依次通过左地热汇流管、回灌总管和弯头管，进入到内套管与外套管之间的自流回灌腔中，进而向下自然回灌到地热回灌井中，当自然回灌的水流量下降并低于回灌总管的水流量时，自流回灌腔中的水位便会慢慢上升，当自流回灌腔中的水位上升到回灌口以上时，自流回灌腔中的地热水通过回灌口进入到内套管中，地热水通过内套管向下自然回灌，当内套管中的水位上升到水位传感器时，水位传感器检测到水位并将信号发送给plc控制器，plc控制器发出回灌泵开始启动工作的命令，回灌泵对内套管中的地热水增压并将地热水向下泵送强制回灌到地热回灌井中。

22、步骤s6中在农业机械在土壤层上作业包括犁耙、播种、施肥和收获；可拆卸灌溉供水管路系统拆卸的具体过程为：先将所有的伸缩支杆缩短：将上手轮和下手轮拧松，在弹簧的作用下，压盘和活动压套向上移动，松开对上弹性开口压套的压制，上弹性开口压套内径扩大，下螺杆向外移动，不再顶压弧形压板，在下弹性开口压套自身弹性的作用下，下弹性开口压套内径扩大，上弹性开口压套和下弹性开口压套不再抱紧内空心杆，内空心杆下部缩回到外空心杆内，直到内空心杆下端与支撑限位板接触后，即伸缩支杆长度缩回到最短，拧紧上手轮和下手轮；然后拆卸相邻两条喷水支管之间法兰连接的螺栓，接着将伸缩支杆旋转，相邻两根伸缩支杆相对折叠到与喷水支管平行，并且使两个定位锥的三角形平面对接，定位锥内部的磁铁块相互吸引，使相邻两根伸缩支杆吸磁力吸附连接为一体，方便搬运和存放。

23、采用上述技术方案，相比现有技术，本发明具有以下技术效果：

24、（1）本发明通过在划定的矩形区域内摊铺矿渣，目的是将矩形区域整平，然后依次铺设碎石层、砂浆层、隔热层和隔水层，碎石层用于填充矿渣层中的较大间隙，灌充砂浆进一步填充碎石层和下方矿渣层的较小间隙，从而提高矿坑底部的密实度和平整度。隔热层铺设在平整的砂浆层上，隔热层起到减少地热水通过换热管向下的热传导。土壤层的厚度至少50cm，且根据不同地区进行设置，比如东北地区的土壤层厚度要大于华北地区的。

25、（2）耐腐蚀换热组件的设置，在换热管内通入地热水与土壤进行热交换时，提高热交换面交和热交换效率。隔水层呈左低右高倾斜设置，在下雨较多时，边坡和土壤层内部的水沿隔水层自右向左汇集流向三级蓄水沉淀池，三级蓄水沉淀池将多余的水储存，用于在旱季时浇灌作业，还可以用于向灌溉井和地热回灌井中进行回灌，确保地下水位保持稳定性。

26、（3）提高设置地热抽采井和地热回灌井，在寒冬季节，将地热抽采井中的地热水抽出，通过换热管与土壤层的热交换，整个土壤层的温度上升，避免形成冻土，热能利用后回灌到地热井内，地热水通过如此循环，避免高寒矿区在生态修复为耕地（良田）后形成冻土，实现高寒矿区冻土与水文耦合的生态调控，为高寒地区冬季作物存活和生长保驾护航。如果地热抽采井有多余的地热，还可将多余的地热水抽到矿区的生活区利用。本发明的主题是“高寒矿区冻土-水文耦合生态调控方法”，即是“高寒矿区冻土-地热资源生态调控方法”。

27、（4）抽采保温房、回灌保温房、蓄水保温房和灌溉保温房的设置，确保设备在冬季工作时的可靠性。地热水在抽采后先进行过滤，以避免在换热管内产生堵塞，同时也确保回灌过程的顺利，因此本发明采用自然回灌，当自然回灌出现一定的堵塞时，自流回灌腔内的水位上升，并通过回灌口进入到内套管，通过内套管进行自然回灌，当通过内套管也难以回灌时，回灌泵启动，对地热水实施增压回灌，从而确保回灌的顺利进行，确保地热资源的良性循环利用。

28、（5）设置的可拆卸灌溉供水管路系统的喷水管采用多节喷水支管采用法兰螺栓连接的方式，方便安装和拆卸，同时设置的伸缩支杆前后间隔支撑，不仅具有良好的稳定性，而且在折叠后可平行于伸缩支杆通过磁铁吸附连接为一体，这样方便搬运和存放。伸缩支杆采用内空心杆在外空心杆内抽拉伸缩，同时采用手动操作双重紧箍定位装置将内空心杆与外空心杆固定连接，不仅确保夹持的可靠性和稳定性，而且通过上部轴向伸缩操作转为周向抱紧，下部径向伸缩操作转为周向抱紧，结构紧凑，方便操作且锁紧效果好。

29、综上所述，本发明通过对高寒地区的已开采的矿区进行生态改造，堆放矿渣的区域变成良田，通过抽采地热水对冬季易形成冻土的区域进行生态调控，实现冻土-水文耦合协作，确保作物安全过冬，并设置易拆装的灌溉喷淋系统，为农业机械提供方便操作的空间。