一种模拟地表移动与植被影响关系的观测系统及使用方法与流程

1.本发明涉及矿区生态监测领域，尤其涉及一种模拟地表移动与植被影响关系的观测系统及使用方法。


背景技术：

2.相比于我国东部，西北地区的生态环境相对脆弱，主要是干旱半干旱地区，土地荒漠化严重。因此煤炭开采对于生态环境的影响也更加严重。一方面，开采导致的地表移动变形会加剧水土流失，降低土壤含水率及植物生长所需养分和矿物元素等；另一方面，开采还会改变植物根系的状态，严重时甚至会拉断一些根系，进而影响到植物的生长发育。
3.目前常用的矿区植被开采影响多采用室内盆栽试验及现场调查的方式，但室内研究与气候等环境条件差异大，且极少涉及现场试验及采动影响后的自修复研究。
4.现场试验主要采用根管观测，观测区域有限且对损伤后植物的自修复能力难以准确判断。现场研究开采沉陷对地表植被的影响常采用大范围整体影响分析，多使用卫星遥感、无人机等方法确定整个矿区的植被变化。
5.在现有技术中并没有地表变形对单株植物具体影响的相关研究，也没有相对成熟的装置来模拟地表移动变形对个体植物的影响。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种模拟地表移动与植被影响关系的观测系统，能够实地模拟地层开采引起的地表连续的移动变形，在保证原生植物不受其他因素的影响下，原位、无损、定量地测量地表形变后植物根系的变化，探究地表移动变形对植物根系及植物生长发育的影响。
7.本发明还提供了一种上述模拟地表移动与植被影响关系的观测系统的使用方法，通过该方法能够分析井下开采对地表植被的影响特征和规律，进而分析植被在开采损害后的自我修复能力。
8.本发明提供的一种模拟地表移动与植被影响关系的观测系统，包括：
9.承载装置，其用于承载被测植物及植物根系所处的目标地表，
10.固定桩，其设置在所述目标地表外围，
11.模拟装置，其设置在所述固定桩上，所述模拟装置与承载装置连接且可使其上下移动，用于模拟所述目标地表连续的移动变形；以及
12.观测装置，其用于观测所述目标地表移动变形后所述植物根系的形态变化并获取相关参数。
13.进一步，所述模拟装置包括与所述承载装置连接的自动松紧装置以及与所述自动松紧装置连接的升降装置，升降装置与自动松紧装置相配合以控制所述目标地表产生位移。
14.进一步，所述升降装置包括设置在所述固定桩内部的固定端，以及可沿所述固定
端上下移动的滑动端。
15.进一步，所述自动松紧装置包括设置在所述固定桩内部的滑轮，以及绕设在滑轮上的尼龙绳，所述滑轮上安装有用于感应尼龙绳拉紧度的拉力传感器，所述尼龙绳的末端穿出所述滑动端上供尼龙绳穿出的开口。
16.进一步，所述承载装置包括层叠布设的多层筛网，每层筛网的目数大于100目。
17.进一步，所述筛网包括铁丝网，以及位于铁丝网边缘的可形变的塑料筛网。
18.进一步，所述目标地表的横截面为方形，目标地表所在地块相对的两侧设置有观测坑，观测坑中所述地块的外露面上设置有玻璃板。
19.进一步，所述观测装置包括设置在所述观测坑中的成像系统，以及安装在所述玻璃板上的朝向所述根系延伸的微根管系统。
20.进一步，还包括控制装置，所述控制装置与所述模拟装置及观测装置电性连接。
21.一种根据上述模拟地表移动与植被影响关系的观测系统的使用方法，包括以下步骤：
22.1)选取待测植物，在其周围安装所述观测系统；
23.2)控制模拟装置运行，模拟地表连续的移动变形；
24.3)观测植物根系的形态变化并获取相关参数。
25.本发明提供的模拟地表移动与植被影响关系的观测系统，可以实地模拟并观测地表连续移动变形对单株植物根系的具体影响，从而分析井下开采对于地表个体植物根系的影响特征和规律，进而总结植被受开采损害后能否自我修复。
26.本发明在模拟地表采动变化时较为灵活，可根据实际需要模拟出不同程度的地表移动变形，在模拟时确保了植物不受其他因素影响，并进行原位、无损、定量地测量。
附图说明
27.在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
28.图1为本发明中模拟地表移动与植被影响关系的观测系统的结构示意图；
29.图2为固定桩的剖面结构示意图；
30.图3为升降装置及自动松紧装置的结构示意图；
31.图4为筛网的结构示意图。
32.图中：1-固定桩，2-升降卡槽，3-细目筛网，4-自动松紧装置，5-玻璃板，6-控制装置，7-微根管系统，8-x射线层析成像系统，9-电动滑轮，10-卡钩，11-滑动端，12-固定端，13-高强度塑料筛网，14-细目铁丝网，15-观测坑，16-尼龙绳。
33.在附图中，相同的部件使用相同的附图标记，附图并未按照实际的比例。
具体实施方式
34.为清楚说明本发明的发明构思，下面结合实施例对本发明进行说明。
35.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系均为基于附图所示的方位或位置关系，仅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”仅用于描述目的，而不能理
解为指示或暗示相对重要性。
36.如图1-图3所示，本发明提供的一种模拟地表移动与植被影响关系的观测系统，设置在观测坑15中，包括：用于承载被测植物及植物根系所处的目标地表的承载装置，所述目标地表外围设置有固定桩1，所述固定桩1上设置有与承载装置连接的且可使其上下移动的模拟装置，用于模拟目标地表的移动变形；以及观测装置，用于观测目标地表移动变形后所述植物根系的形态变化，并获取相关参数。
37.本发明通过承载装置对植物以及植物根系所处目标地表进行承载，进而通过与承载装置连接的模拟装置，控制植物所处目标地表上下位移，来实地模拟开采引起的地表移动变形，最后通过观测装置考察在地表移动变形后植物根系的变化。
38.通过实地模拟，在保证原生植物不受其他因素的影响下，实现了对植物根系原位、无损、定量地观测及测量，可真实还原地表变形后植物根系的变化，能够更加可靠地探究地表移动变形对植物根系及植物生长发育的影响。
39.本发明中的模拟装置，包括与承载装置连接的自动松紧装置4以及与自动松紧装置4连接的升降装置，升降装置与自动松紧装置4相配合以控制承载装置带动植物所处的目标地表产生位移。
40.本实施例中的固定桩1为中空结构的钢柱，自动松紧装置4及升降装置的结构以及两者与承载装置的配合关系主要包括以下：
41.自动松紧装置4具体包括固定安装在固定桩1内部的电动滑轮9，在电动滑轮9上绕设有尼龙绳16，尼龙绳16的末端可穿出固定桩1且能够与承载装置连接，在尼龙绳16的末端以及承载装置上对应设置有相互匹配的卡钩10，卡钩10之间可配合连接。
42.在固定桩1的下部靠近植物根系地表的一侧设置有条形开口，在条形开口附近设置有升降卡槽2，升降装置包括具体包括两部分，一部分为设置在升降卡槽2上的固定端12，其固定在固定桩1上；另一部分为可沿固定端12上下移动的滑动端11，在滑动端11上设置有供尼龙绳16末端以及在末端连接的卡钩10从固定桩1内伸出的开口，尼龙绳16的末端具体从该开口从固定桩1中穿出，该开口的大小可供尼龙绳16末端以及承载装置上的卡钩10进出，固定端12可为在升降卡槽2上设置的滑轨，滑动端11可对应选用电动控制的滑轨车等形式，需要满足滑动端11可沿固定端12上下滑移的技术要求即可。
43.在模拟目标地表移动变形时，尼龙绳16末端的卡钩10与承载装置的卡钩10相连接，通过滑动端11沿固定端12上下滑移，间接调节从滑动端11中穿出的尼龙绳16的松紧状态，以此使承载装置带动植物以及植物根部所处目标地表产生上下位移，从而模拟目标地表连续的移动变形。
44.本实施例中的尼龙绳16与承载装置通过分别设置在两者上的卡钩10连接后，尼龙绳16处于紧绷状态，使目标地表所处位置固定。
45.当需要模拟目标地层的向下塌陷时，滑动端11沿固定端12向上滑移时，在此过程尼龙绳16出现瞬时的放松状态，尼龙绳16相对滑动端11的伸出长度延长，从而使承载装置带动目标地表向下移动；当需要还原目标地表移动变形前的位置时，滑动端11沿固定端12向下滑移，尼龙绳16收紧，从而使承载装置带动目标地表向上抬升。
46.通过采用自动收紧装置以及升降装置间接控制目标地表的上下移动，相较于直接控制地表位移，能够从最大程度上还原在开采时地表的移动变形，进而更加真实地反应地
表中植物根系随地表移动变形时出现的变化。
47.本实施例中通过转动电动滑轮9可以拉紧或者放松尼龙绳16，在电动滑轮9上安装有用于感应尼龙绳16拉紧度的拉力传感器，能够控制电动滑轮9在尼龙绳16被拉紧到一定程度时停止转动，防止尼龙绳16在滑动端11上出现的卡壳。
48.本发明中植物根系所处目标地表的横截面为方形，承托目标地表的承载装置具体包括层叠布设的多层筛网，筛网为方形筛网，与地层横截面的形状相随。考虑到所承载的目标地表为地表土壤，筛网优选为细目筛网3，每层筛网的目数均大于100目，与尼龙绳16末端相对应的卡钩10具体设置在筛网的周向外围，且两种卡钩10优选为能快速配合连接的回型卡钩，可实现尼龙绳16与筛网之间的快速配对连接，承载装置的具体结构参见图4。
49.细目筛网3具体包括细目铁丝网14，在方形细目铁丝网14的边缘为条形密孔高强度塑料筛网13，高强度塑料筛网13支持一定程度的形变，能够避免尼龙绳16在调节松紧或升降装置在移动时松散层沙土漏下进而影响实验。
50.本发明中的观测坑15设置在目标地表所在地块相对的两侧，该地块位于观测坑15中的外露面上贴附安装有可直观考察目标地表移动变形状态的玻璃板5，通过玻璃板5能够更加直观地观测目标地表上下移动时的变形状态，便于结合上述模拟装置来控制植物根系所处目标地表的移动。
51.在目标地表发生移动变形后，通过观测装置考察植物根系所发生的变化，观测装置具体包括设置在观测坑15中的成像系统以及安装在玻璃板5之间的微根管系统7。
52.其中，成像系统具体为x射线层析成像系统8，包括x射线发射端，植物根系的投影端，发射端及投影端分别设置在目标地表相对两侧的观测坑15中，该系统利用x射线层析成像技术对植物在目标地表移动变形后的根系形态进行观测。
53.微根管系统7利用原位根系扫描装置，无破坏地对植物根系进行原位在线扫描成像，以此来获取植物根系相关的参数，如根的长度、面积以及根尖数量等信息。
54.本实施例中的玻璃板5优选高强度钢化玻璃板5，在玻璃板5上设置有预制的孔洞，便于安装微根管系统7，微根管系统7朝向植物根系延伸安装，能够更加全面地获取植物根系的上述参数信息。
55.本发明中各装置由安装在地面上的控制装置6控制运行，控制装置6具体为控制台，其与升降装置中的滑动端11、自动松紧装置4中的电动滑轮9、微根管系统7及x射线层析成像系统8电性连接，以实现滑动端11沿固定端12的滑动，电动滑轮9对尼龙绳16的松紧调节以及目标地表移动变形后观测装置对植物根系变化的考察。
56.本发明还提供了一种采用上述模拟地表移动与植被影响关系的观测系统的使用方法，以下结合图1-图4对观测系统的使用方法展开说明。
57.第一步，选取实验区域中需要进行实验的植物，根据选取的待测植物将固定桩1锚固在植物附近，固定桩1优选按照正方形布置在植物周围，并确保固定桩1所构成的目标地表区域外没有待测植物的根系；
58.第二步，选取正方形相对的两侧，开挖出观测坑15，并在观测坑15中目标地表所处地块靠近待测植物侧部的外露面上贴附安装玻璃板5，并在玻璃板5上的预制孔洞上安装微根管系统7，观测坑15的深度依照植物根系长度确定；
59.第三步，将观测坑15底部目标地表的正方形区域的下方挖通，且再朝下挖一定距
离，同时将细目筛网3的卡钩10连接在各固定桩1上从滑动端11开口处伸出的尼龙绳16末端的卡钩10上，然后控制自动松紧装置4拉紧尼龙绳16；
60.第四步，控制升降装置的滑动端11沿固定端12进行升降，以此来模拟目标地表连续的移动变形，在升降时如果尼龙绳16被拉的过紧则使用自动松紧装置4适当放松；
61.第五步，通过微根管系统7获取模拟开采引起的目标地表移动变形对植物根系各参数的影响，通过x射线层析成像系统8观测植物在目标地表移动变形后的根系形态变化。
62.以下针对具体使用工况对本发明中的观测系统以及使用方法进行详细说明。
63.以神东矿区为例，该地区主要是干旱及半干旱地区，植物类型中沙生植被占主导地位，包括沙蒿、沙柳、柠条等。在已有研究基础上表明，上述各植物的根系垂直分布在地下1m以上，水平分布在1.8m
×
1.8m的土层中的根系占总根量的90％以上，因此本实施例的观测坑深度为1.8m，固定桩围成的实验区域为2m
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2m的正方形区域。
64.在实验场地中选取沙蒿和沙柳各两株，将八根长度为2m的固定桩锚固在植物附近2m
×
2m正方形区域的四角及四边中点，为了方便操作，在钉固定桩时要先将自动松紧装置尼龙绳末端的卡钩收到升降装置滑动端的开口内部；
65.选取正方形区域的相对两边，在两侧挖出1.8m深的观测坑，在观测坑中靠近植物侧方的地块外露面上贴附安装玻璃板，并在玻璃板上的预制孔洞上安装微根管系统；
66.将观测坑底部的正方形区域挖通，连通区域的高度为50cm，在挖连通区域时对植物根系所处地块进行支护防止上层坍塌；
67.在拆卸支护的同时将细目筛网的卡钩卡在各固定桩上升降装置开口处伸出的尼龙绳末端的卡钩上，然后控制自动松紧装置拉紧尼龙绳，为了避免调节松紧或升降装置滑动端移动时松散层沙土漏下影响实验，细目筛网中的细目铁丝网尺寸为2m
×
2m，条形高强度塑料筛网的宽度为50cm，该种设置方式通过可发生形变的高强度塑料筛网使细目筛网整体承托住地块，防止出现地块中沙土的泄露。
68.控制升降装置上的滑动端进行升降，以此来模拟地表连续的移动变形，在升降时如果尼龙绳被拉的过紧则使用自动松紧装置适当放松；
69.通过观测装置观测目标地表移动变形后植物根系的参数及形态变化。
70.需要重点指出，本发明中的自动松紧装置以及升降装置可相互配合，能够通过间接控制的形式模拟地表的连续移动变形，从最大程度上真实还原了开采过程中地表的移动变形。
71.需要说明的有，除了采用高强度尼龙绳的形式，还可采用兼具较好柔性及较高强度的其他连接结构，这里不再赘述。
72.最后，可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。