ЛИЗИМЕТР
LYSIMETER

Изобретение относится к приборам, применяемым в сельском хозяйстве при балансовых исследованиях на мелиорируемых землях, в частности для определения инфильтрации поливных, талых и дождевальных вод.
Известен лизиметр, включающий емкость с образцом почвогрунта, дно-фильтр, соединительный канал, емкость долива и слива, при этом в емкости долива установлена с возможностью вертикального перемещения и емкость слива, в стенке которой выполнено отверстие (Авторское свидетельство SU №899015, A01G 25/02 от 23.01.1982).
2
Недостатком лизиметра данной конструкции является недостаточная достоверность количественного состава перетекания жидкости из емкости через отверстие и вновь в емкость, которое характеризуется питанием грунтовых вод. Кроме того, при установке датчика расхода под толщей почвы ведет к неудобству в обслуживании, т.е. для его осмотра необходимо отрывать почву по глубине всей емкости, в результате образуется пустота, которая затем заполняется почвенной водой, а также нарушается строение почвы, что снижает достоверность получаемых результатов в естественных условиях. Кроме того, оно слишком сложное для полевых лизиметров, опытных делянок, исследования по изучению научно-обоснованных параметров агрохимической мелиорации на деградированных почвах, например, в условиях лизиметрических опытов, когда необходимо использовать полив или дождевание. Площадь таких опытных делянок составляет не менее 8…10 м, на которых должны быть установлены лизиметры в количестве не менее 14…16 штук для получения достоверности полученных конечных результатов. Другим недостатком является то, что оно энергоемко, так как требует больших затрат электроэнергии и гидронасоса для откачивания жидкости из емкости.
Известен лизиметр, включающий почвогрунтовый монолит с вертикально установленной в нем трубкой для измерения влажности, металлический корпус, поддон с фильтрующим материалом, в котором расположены распределительные трубки, он снабжен водонапорным баком, который установлен выше поддона и соединен с распределительными трубками, а почвогрунтовый монолит заполнен двумя различными по водопроницаемости слоями грунта, причем внутри верхнего хорошо проницаемого слоя установлены дренажные трубки с мерными емкостями и наблюдательные скважины (Авторское свидетельство SU №1513400, G01N 33/24, A01G 25/16 от 07.10.1989).
Недостаток известного устройства является высокая трудоемкость работ. Необходимо нарушать монолит почвы, отрывать ниши для дрен и мерных емкостей и вновь их засыпать, в результате чего это дает низкую точность определения объема инфильтрационного потока воды. В полевых исследованиях затруднена доставка и заполнение воды водонапорного бака, кроме того, достаточно трудно учитывать соответствующие условия моделирования от естественных осадков в природе, поливов и напорности между дренами которыми образуется депрессионная кривая. Сама формула уже показывает, ошибка в погрешности измерении будет существенно влиять на достоверность проводимых исследований и тем самым получение теоретической формулы. Недостатком является и неудобство в обслуживании, т.е. обслуживание мерных емкостей достаточно затруднено, необходимо отрывать почву в корпусе, в результате нарушается строение почвы, что снижает достоверность получаемых опытных результатов в естественных условиях.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является лизиметр, включающий бак с монолитом почвы, связанный через клапан с питающим устройством, имеющим самописец уровня воды с поплавковым приводом, он снабжен электронным блоком управления клапаном и фиксатором положения поплавка с электроконтактным датчиком уровня воды в питающем устройстве, сообщенном через клапан с грунтовыми водами (Авторское свидетельство SU №763794, G01N 33/24, A01G 25/16 от 15.09.1980).
Недостатком известного устройства является то, что дополнительно необходимо иметь наблюдательную скважину с поплавковым приводом, так как в течение всего периода работы устройства уровень воды в емкости взаимосвязан с фильтром отверстия и уровень постоянно следует за уровнем грунтовых вод, т.е. присутствуют высокие уровни грунтовых вод. Однако не все земли имеют высокий уровень грунтовых вод, влияющих на инфильтрацию почвы снизу вверх, т.е. снижают область их применения. Кроме того, конструкция сложна в эксплуатации, в результате чего снижается точность измерения суммарного испарения при грунтово-напорном питании. Поступление в емкость на контрольном участке грунтовой воды происходит снизу вверх для заполнения емкости с монолитом почвогрунта в лизиметре, что влияет на точность проведения учета воды при исследованиях, а также возникает в связи с этим наблюдение за ростом и развитием растений в целом; определение агрохимических показателей почв с достаточной степенью точности, определяемой величиной дозы поступления полива или дождевания сверху в емкость, и накопление тем самым воды на дне лизимитра для определения экспериментом оптимальных уровней грунтовых вод и влажност почвы по фазам развития основных сельскохозяйственных культур (многолетние травы, зерновые и т.д.), для того чтобы при этом определить на полевой делянке небольших размеров по площади установки заданное количество лизиметров, а также для того, чтобы поливные, талые и дождевые воды проходили через почвенную толщу на опытных делянках через слои монолитной почвы. При этом излишки постоянно должны отводиться из емкости для сброса в отводящие трубы. Этим самым исключается подпор капиллярно-поступающей воды для того, чтобы определить точность учета количества и качества инфильтрационных вод. Например, на землях, при глубоком залегании грунтовых вод требуется полив или дождевание опытных делянок с последующей возможностью отвода излишков воды из емкости в сбросное сооружение, что позволяет поддерживать оптимальный уровень воды в емкости лизиметра с монолитом почвы (для многолетних трав - 70…90 см; для зерновых - 60…85 см; для картофеля - 75…95 см).
Технической задачей является снижение трудоемкости контроля путем сокращения элементов контроля уровня воды при поливе или дождевании для низконапорного грунтового питания и расширение области применения.
Технический результат достигается тем, что лизиметр, включающий емкость (1) с монолитом почвы, сообщающуюся с вертикально установленной емкостью (6), поддон (5), клапан (11), фиксатор (16) положения клапана (11) и элементы контроля уровня воды, вертикально установленная емкость (6) разделена на две неравные части (8, 9) вертикальной перфорированной перегородкой (10) и одна из частей емкости (8), сообщенная посредством трубы с емкостью (1) монолита почвы, выполнена с размещенным внутри клапаном (11), жестко закрепленным к вертикальному стержню (13) с указательной стрелкой (14), размещенной над крышкой (15) емкости (6), причем клапан (11) выполнен в виде шара, снабженного сверху кольцевым козырьком (12), размещен с возможностью перекрытия выпускного отверстия (18) в горизонтальной перегородке (19), закрепленной в средней части емкости (6), при этом клапан (11) в нижней части дополнительно снабжен направляющим стержнем (20, проходящим через выпускное отверстие (18) в горизонтальной перегородке (19), а боковая стенка емкости (6) выше крышки (15) снабжена градуированной стойкой (21) в виде шкалы напротив указательной стрелки (14), причем шкала состоит из разноцветных светящихся отсчетных и разделительных полос.
Кроме того, вторая часть (9) емкости (6) посредством водоотводящей полости соединена с отводящей трубой (23).
Кроме того, фиксатор (16) положения клапана (11) на вертикальном стержне (13) содержит регулировочное приспособление в виде винта-гайки (17).
Такая конструкция лизиметра в условиях эксплуатации с помощью настройки фиксатора положения с винтом на вертикальном стержне клапана после его фиксирования в высотном положении дает возможность вертикального свободного перемещения вертикального стержня с клапаном внутри вертикальной емкости и настройки на поддержание оптимального уровня через перетекающую трубу с емкостью монолита почвы в зависимости от проведения опытов на делянке с применением культуры выращивания на ней, т.е. многолетние травы, зерновые, картофель и т.п. В результате поддерживается в заданных диапазонах уровень воды в вертикальной емкости, также в автоматическом режиме за счет свободного перемещения вертикального стержня с указательной стрелкой, размещенной напротив градуированной стойки, выполненной в виде шкалы на определенной искомой величины наполнения воды в емкости.
В таких условиях можно проводит экспресс-информацию для визуального замера уровня воды в емкости по водомерной шкале, т.е. разноцветные полосы шкалы системы индикации, позволяет дополнительно допускать погрешность приборов контроля ±1,0 см и вычислять расход, сбрасываемый во вторую часть емкости через вертикальную перфорированную перегородку с водоотводящей полостью второй части емкости посредством сводного отвода воды через сбросную (отводящую) трубу.
Таким образом, из всего вышеописанного следует:
- позволяет организовать и проводить систематический учет сбрасываемых расходов воды по уровню в емкости перед вертикальной перфорированной перегородкой в зависимости от объема воды в емкости с монолитом почвы, связанных между собой перетекающей трубой;
- обеспечение требуемой точности определения расходов, связанное с наполнением первой части вертикальной емкости и его сброса во вторую часть емкости - водоотводящую со сбросной трубой;
- позволяет варьировать величиной диапазона измеряемого (контролируемого параметра высоты уровня) за счет применения данного вида выращиваемой культуры на опытном участке;
- не требуется конструктивных изменений для применения отдельной вертикальной емкости, нет необходимости в устройстве энергоемкого измерительного контроля уровня воды, вызывающих большую стоимость эксплуатации устройства.
Таким образом, технико-экономический эффект заключается в существенном сокращении затрат на строительство опытного участка для проведения экспериментальных исследований в естественных условиях.
Эти конструктивные отличия от прототипа позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого лизиметра критерию изобретения «новизна».
Автору не известны конструкции лизиметра аналогичной конструкции, поэтому он считает, что предложенное техническое решение отвечает критерию «существенные отличия».
На чертеже показан лизиметр, общий вид в разрезе.
Лизиметр содержит металлический корпус емкости 1 с монолитом почвы, причем емкость 1 заполняется двумя различными водопроницаемыми слоями фильтра: верхнего хорошо проницаемого 2 исследуемого образца почвы и нижнего слабо проницаемого 3 дна - фильтра, выполненного из геотекстильного материала, уложенного на сетку 4, перекрывающих сверху поддон 5, который соединен гидравлически с металлической вертикальной трубой в виде емкости 6. В хорошо проницаемом 2 образце почвы размещен датчик влажности 7. Емкость 6 разделена на две неравные части 8 и 9 вертикальной перфорированной перегородкой 10. Внутри первой части 8 емкости 6 размещено седло с клапаном 11 в виде шара, снабженного сверху жестко кольцевым козырьком 12, к которому жестко присоединен вертикальный стержень 13 с указательной стрелкой 14 в верхней части стержня 13 над крышкой 15 емкости 6. На вертикальном стержне 13 закреплен фиксатор 16 (ограничитель) с возможностью его перемещения и фиксации в виде винта-гайки 17. Клапан 11 расположен в углублении выпускного отверстия 18 в горизонтальной перегородке 19, а нижняя часть клапана 11 снабжена направляющим стержнем 20. Для измерения поступившей фильтрующей воды в первую часть 8 емкости 6 с крышкой 15 на боковой стенке емкости 6 закреплена градуированная стойка 21 с возможностью размещения на ней системы индикации в виде шкалы из разноцветных светящихся отчетных и разделительных полос. Имеется возможность экспресс-контроля значений уровня воды в первой части 8 емкости 6 до ±5% интервала изменения расхода. Разноцветные светящиеся отчетные полосы, соответствующие расчетному расходу воды, могут быть, например, белыми, а разделительная полоса - черная, что соответствует движению вверх или вниз клапана 11 с кольцевым козырьком 12 от минимального до максимального приращения уровня воды в первой части 8 емкости 6, а также светящиеся краской указательной стрелки 14 на вертикальном стержне 13.
Выпускное отверстие 18 в горизонтальной перегородке 19 периодически перекрывается клапаном 11 с кольцевым козырьком 12. Свободный верхний конец стержня 13 снабжен фиксатором 22, предназначенным для фиксации клапана 11 с кольцевым козырьком 12 на требуемой высоте, что в свою очередь определяет свободное истечение воды через выпускное отверстие 18 в перегородке 19, далее происходит перелив через перфорацию в вертикальной перегородке 10 во вторую часть 9 емкости 6, которая соединена с отводящей трубой 23.
Поскольку состояние УГВ от поверхности почв и влажности почвы зависит как от периодов проведения работ, так и от сельскохозяйственных культур и их фаз развития, в результате чего с помощью фиксатора 16 с винтом-гайкой 17 перемещают фиксатор 16 вверх или вниз на данный период роста растений для открытия выпускного отверстия 18 в горизонтальной перегородке 19, что создает подпор истечения воды в первой части 8 емкости 6, следовательно, и истечение через перфорацию в вертикальной перегородке 10 также меняется в большую сторону или меньшую сторону в водоотводящей второй части 9 емкости 6, которая соединена с отводящей трубой 23.
Лизиметр работает следующим образом.
На опытной делянке, на исследуемом поле, отрывается траншея, в которой на заданной глубине 1,0…1,8 м устанавливается металлическая емкость 1 и заполняется исследуемым почвогрунтом с двумя водопроницаемыми слоями фильтра, т.е. верхний слой монолит почвы 2 и геотекстильный материал 3 на сетке 4, последние закреплены над поддоном 5. Поддон 5 емкости 1 соединен гидравлически посредством перетекающей трубы с вертикально установленной емкостью 6, разделенной на две неравные части 8 и 9, вертикальной перфорированной перегородкой 10. Таким образом имеется перепад перед отводящей трубой 23. При высоком стоянии воды в емкости 1 она через поддон 5 заполняет первую часть 8 емкости 6, далее через избыточное давление воды воздействует на клапан 11, выполненный в виде шара с кольцевым козырьком 12, поднимая его вверх с вертикальным стержнем 13, открывая тем самым путь для выхода воды в первую часть 8, далее приводит к перемещению вверх указательную стрелку 14 на ΔL. Так как пропускная способность перфорации перегородки 10 имеют малые отверстия, то вода постепенно сливается во вторую часть 9 емкости 6, и свободно отводится в отводящую трубу 23. Свободный нижний конец направляющего стержня 20 обеспечивает свободу перемещения клапана 11 с кольцевым козырьком 12 и со стержнем 13 в первой части 8 емкости 6 по высоте с указательной стрелкой 14. При этом в зависимости от расположения отверстий в перфорированной перегородке 10 обеспечивается тем самым сброс воды в водоотводящую вторую часть 9 емкости 6 свободно, далее вода поступает в отводящую трубу 23 за пределы емкости 6. Величина жидкости (воды) слитой из первой части 8 во вторую часть 9 емкости 6 характеризует собой как бы инфильтрационное питание монолитного почвогрунта в емкости 1, и также фиксируется на градуированной стойке 21 с системой индикации в виде шкалы из разноцветных светящихся отсчетных и разделительных полос до тех пор, пока не установится заданный уровень относительно уровня в монолитном почвогрунте емкости 1. Влажность почвы измеряют датчиком влажности 7, а положение воды в емкости 1 определяют наличием емкости 6 с элементами контроля, установленными в ней.
В зависимости от того, какая культура выращивается на опытной делянке с испытуемым полем, какой необходимо поддерживать уровень в емкости 6 относительно емкости 1, стержень 13, клапан 11 с кольцевым козырьком 12, указатель стрелки 14 должны иметь возможность перемещения и фиксации фиксатора 16 с винтом-гайкой 17, при этом фиксатор 16 в верхнем положении контактирует с направляющими в крышке 15, а сам клапан 11 с козырьком 12 создают гидравлическое сопротивление вытекающей воды через выпускное отверстие 18 в горизонтальной перегородке 19, так как верхняя часть клапана 11 снабжена кольцевым козырьком 12. Таким образом, наличие фиксатора 16 с винтом-гайкой 17 зафиксированного на стержне 13 позволяет задавать открытие над выпускным отверстие 18 седла с клапаном 11 с козырьком 12, т.е. наличием формы козырька жестко закрепленного на клапане 11. В целях исключения застаивания воды в первой части 8 емкости 6 и ее цветения над козырьком 12, в перфорированной перегородке 10 в нижней ее части выполнено выпускное отверстие, обеспечивающее санитарный сток во вторую часть 9 емкости 6.
В случае ремонтных работ или отрегулировать положение фиксатора 16 с винтом-гайкой 17 на вертикальном стержне 13 и других его элементов, можно в ручную поднять клапан 11 с козырьком 12 и зафиксировать стержень 13 в верхнем положении (люк в крышке 15 не показан). Этим самым обеспечивается вручную полное открытие клапана с козырьком и пропуск свободно всего расхода во вторую часть 9 емкости 6 через перфорированную перегородку 10, далее в отводящую трубу 23.
Эффективность лизиметра позволит облегчить долговременную эксплуатацию его и улучшению условий труда обслуживающего персонала, а также является независимость процесса задания и поддержания уровня от полива или дождевания монолита почвы исследуемого образца с естественным полем, рационально использовать емкость слива без подпора с нижнего бьефа и возможность автоматической регистрации и управления процессами фазы развития культуры на опытной делянке. Точность в целом также поддерживается совместной работы всего пакета (количества) заданных лизиметров на определенной исследуемой делянке с датчиками влажности почвы, следовательно, повышается достоверность его качественного состава исследуемого почвогрунта.
Основная часть технико-экономического эффекта заключается в существенном сокращении затрат на строительство опытных делянок исследуемой почвы и возможность экспресс-контроля сброса воды в условиях опытных делянок вблизи естественного поля.