ЛИЗИМЕТР
LYSIMETER

Изобретение относится к приборам, применяемым в сельском хозяйстве при балансовых исследованиях на мелиорируемых землях, в частности для исследования водного режима почвогрунтов, а также может быть применено для поддержания уровня воды в любых водомерных устройствах.
Известен лизиметр, включающий емкость с образцом почвогрунта, дно-фильтр, соединительный канал, емкость долива и слива, в емкости долива установлена с возможностью вертикального перемещения емкость слива, в стенке которой выполнено отверстие (Авторское свидетельство SU №899015б Ф 01П 25.02 от 25.01.1982).
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, установка 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 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 через мелкопористый материал в поддоне емкости с монолитом почвы быстро уменьшить по времени расход воды до минимального испарения, вследствие чего сработка уровня должна быть отрегулирована. А значить иметь большую инерционность из-за недостаточной степени автоматизации процессов измерения водного баланса и регулирования уровня в лизиметре.
Известен лизиметр, включающий бак с монолитом почвы, связанный через клапан с питающим устройством, 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 оптимальных уровней грунтовых вод и влажности почв по фазам развития основных сельскохозяйственных культур (многолетние травы, зерновые и т.д.), для того чтобы при этом определить на полевой деляне небольших размеров по площади установки заданное количество лизиметров, а также для того чтобы использовать водонапорный бак с водой и возможность обеспечить поднятие воды в монолите почвы для развития корневой системы растительной культуры для данного почвогрунта, обеспечивающего совместную работу обеих емкостей. При этом излишки не должны поступать в монолит почвы из емкости подачи воды или иметь возможность сбрасывать их в отводящую трубу. Этим исключается подпор капиллярно-поступающей воды для того, чтобы определить точность учета количества и качества инфильтрации вод. А это, в свою очередь, позволит 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).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является 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).
Недостатком 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 при доставке воды в водонапорный бак и подаче воды в почвомонолит ограничены эксплуатационные возможности, вызванные отсутствием возможности получения порционной подачи воды в автоматическом режиме, соответствующем величине начального градиента для данного почвогрунта и выращиванием на нем сельскохозяйственных культур. Кроме того, это влияет и на заданную влажность почвы и не позволяет вовремя освободить емкость от воды и автоматизировать процесс окончания подачи воды, т.е. недостаточная надежность устройства.
Технической задачей является снижение трудоемкости контроля путем сокращения элементов контроля уровня воды при подаче воды из водонапорного бака и повышение точности регулирования и измерения при использовании монолитов почвы любых размеров, а также расширение области применения.
Технический результат достигается тем, что лизиметр, включающий емкость (1) с монолитом почвы, поддон (5) и элементы контроля уровня воды, водонапорный бак (28), который установлен выше поддона (5), соединительная труба гидравлически связана с поддоном емкости (1) монолита почвы, он снабжен уравнительной камерой (22) с поплавком (27) в форме двояковыпуклой линзы в нижней части емкости, разделенной на две неравные части горизонтальной перегородкой (15), причем нижняя часть 14 первой части (8) емкости (6) выполнена с дополнительным выходным патрубком (18) корпуса (6), нижняя часть патрубка (18) которого скреплена посредством резьбового соединения (23) с корпусом уравнительной камеры (22) с поплавком (27), а верхняя часть выходного патрубка (18) связана с корпусом (16) и размещенным в нем поплавком (19), полости которых сообщаются между собой, при этом входной патрубок (17) и корпус (16) с поплавком (19) сообщены с водонапорным баком (29), при этом корпус (16) и поплавок (19), размещенный в нем, выполнены шарообразными, а запорные элементы (20 и 21) выполнены в виде конических игл, при этом входной (17) и выходной (18) патрубки имеют конические запорные гнезда (24 и 25), причем запорное гнездо (25) выходного патрубка (18) связано с углублением (26) в виде шарового сегмента уравнительной камеры (22), и счетчик (31) выполнен в виде блока измерения расхода воды.
Кроме того, углубление (26) в виде шарового сегмента уравнительной камеры (22) выполнено с радиусом сферы, равным или меньшим, чем радиус сферы двояковыпуклой линзы поплавка (27).
Кроме того, дно уравнительной камеры (22) выполнено с выпускными отверстиями (28).
Кроме того, с целью регулирования расхода водонапорного бака (29) он снабжен регулируемым краном (32).
Такая конструкция лизиметра в условиях эксплуатации с помощью настройки фиксатора положения муфты с винтом на вертикальном стержне и соединенного с входным патрубком корпуса со всеми элементами лизиметра его фиксирования в высотном положении в горизонтальной перегородке, разделяющей первую часть емкости на две дополнительные неравные части, настройки на поддержание оптимального уровня воды через перетекающую трубу в поддон, и далее в монолит почвы, в зависимости от проведения опытов на делянке с применением выбранной культуры выращивания на ней, т.е. многолетние травы, зерновые, картофель и т.п. В результате чего также поддерживается в заданных диапазонах уровень воды в нижней части емкости (первой части) в автоматическом режиме подача воды в монолит почвы снизу вверх за счет свободного перемещения двух поплавков, расположенных по форме в разных корпусах, как и самих поплавков, а также за счет шкалы и указательной стрелки выше крышки емкости, шкала, которая выполнена с определенными искомыми величинами наполнения воды в нижней части емкости. Кроме того, объем поданной воды из водонапорного бака в монолит почвы измеряется счетчиком воды, размещенным после регулируемого крана, соединенного с гибким шлангом, что регистрируется счетным механизмом с достаточной точностью за любой определенный промежуток времени на исследуемой делянке почвы вблизи естественного поля.
В таких устройствах можно точно проводить расчет расхода воды, поступающей из водонапорного бака в автоматическом режиме с подачей в монолит почвы независимо от давления воды сверху, долив ее осуществляют с определенной дозы дискретно. О количестве воды, израсходованной на суммарное испарение почвогрунта на инфильтрацию, судят по количеству воды добавленной, поступающей из подпитывающего водонапорного бака с помощью универсального счетчика воды. Процесс количества доз дискретно поступающей воды - инфильтрации почвы определяется также накоплением воды и в корпусе с поплавком, взаимодействующим через проходное отверстие выходного патрубка с уравнительной камерой на конце его за счет возвратно-поступательных движений запорных элементов, закрывающих или открывающих запорные гнезда, обеспечивающих заданную эксплуатационную надежность и учет порций воды (доз инфильтрации).
Процесс продолжается до поддержания постоянного настроенного уровня для конкретного уровня и для конкретной культуры с фазой ее развития и учитывая испарение влаги. Долив осуществляется дискретно, определяется дозатором лизиметра. Таким образом, устройство работает в автоматическом режиме поддержания уровня воды в монолите почвы, величина которого может по заданию устанавливаться по шкале стрелкой, закрепленной к входному патрубку с корпусом при вертикальном его перемещении с большей степенью точности, определяемой величиной дозы.
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».
Авторам не известны конструкции лизиметра аналогичной конструкции, поэтому они считают, что предложенное техническое решение отвечает критерию «существенные отличия».
На фиг. 1 показан опытный участок с лизиметрами, план; на фиг. 2 показана схема лизиметра, поперечный разрез.
Лизиметр содержит металлический корпус 1 с монолитом почвы, причем емкость 1 (корпус) 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 почв размещен датчик влажности 7. Емкость 6 разделена на две неравные части 8 и 9 вертикальной перегородкой 10 с отводящей сбросной трубой 11 с краном 12. Емкость 6 первой части 8 также внутри разделена на две неравные части 13 и 14 горизонтальной перегородкой 15. Внутри верхней части 13 первой части 8 размещен корпус 16 с входным патрубком 17, а в нижней части 14 размещен выходной патрубок 18 корпуса 16 и установленный в нем поплавок 19 с запорными элементами 20 и 21. Лизиметр снабжен уравнительной камерой.
Уравнительная камера 22 соединена с выходным патрубком 18 корпуса 16 посредством резьбового соединения 23. Корпус 16 и поплавок 19 выполнены шарообразными. Запорные элементы 20 и 21 представлены в виде конических игл. Входной патрубок 17 и выходной патрубок 18 имеют конические гнезда 24 и 25. Запорное гнездо 25 выходного патрубка 18 выполнено уравнительной камерой 22, в полости корпуса которой выполнено углубление 26 в виде шарового сегмента. Его радиус равен или меньше, чем радиус сферы установленного поплавка 27 в виде двояковыпуклой линзы поплавка 27.
Уравнительная камера 22 имеет в дне выпускные отверстия 28. Запорное гнездо 24 соединено с водонапорным баком 29 посредством шланга 30 через счетчик 31 измерения холодной воды (СХВ) с регулируемым краном 32. Корпус 16 выполнен разъемным. Это позволяет выполнить соответствующее техническое обслуживание лизиметра.
2
2
max
Счетчик 31 измерения воды, размещенный между гибким шлангом 30 и регулируемым краном 32 с диаметром условного прохода 15 или 20 мм типа (СХВ), может быть применен как счетчик для измерения объема холодной воды, подпитывающей из водонапорного бака 29 при температуре от +5 до +40°С, при давлении не более 1 МПа (10 кгс/см). Данные счетчики устойчивы к воздействию внешнего магнитного поля. Для предотвращения загрязнения от поступающей воды из бака 29 устанавливается кран-фильтр (не показано) типа КВФ. Потеря давления на счетчике при максимальном расходе воды (Q) не превышает 0,1 МПа (1 кгс/см). Срок службы счетчика 31 12 лет. Принцип действия счетчика состоит в измерении числа оборотов крыльчатки, вращающейся под действием протекающей воды. Количество оборотов крыльчатки пропорционально объему протекающей воды. Вращение крыльчатки передается на счетный механизм, обеспечивающий за счет понижающего редуктора возможность снятия показателей объема воды, поступившей в монолит почвы снизу вверх при суммарном испарении из почвы для каждой сельскохозяйственной культуры. Интегратор счетного механизма позволяет с достаточной точностью определять указания объемов воды за любой определенный промежуток времени на исследуемой делянке почвы и способность контроля вблизи естественного поля. Корпус 1 с поплавком 19, с запорными элементами 20 и 21 и уравнительной камерой 22 с поплавком 27 в ней связывают между собой через счетчик измерения 31 расхода воды и через поддон 5 с исследуемым образцом почвы.
Входной патрубок 17 корпуса 16 жестко присоединен к передвижной муфте 33 с фиксатором 34, муфта, которая закреплена на стойке 35, содержит указательную стрелу 36 напротив закрепленной градуированной стойки 37 с возможностью размещения на ней системы индикации в виде шкалы из разноцветных светящихся отсчетных и разделительных полос. Разноцветные светящиеся отсчетные полосы, соответствующему расчетному уровню воды в монолите почв, могут быть, например, нанесены разными цветами для различных фаз развития сельскохозяйственной культуры, что соответствует движению вверх или вниз корпуса 16 и корпуса уравнительной камеры 22 от минимального до максимального приращения уровня воды в первой и нижней частях 14 емкости 6.
Поскольку состояние УГВ от поверхности почв и влажности почвы зависит как от периода проведения работ, так и применяемых сельскохозяйственных культур и их фаз развития, в результате с помощью фиксатора 34 с муфтой 33 на стойке 35 перемещают муфту 33 с фиксатором 34 вверх или вниз на данный период роста растений для назначения уровня воды в первой части 8 емкости 6 ниже горизонтальной перегородки 15, что регулирует подачу дискретного слива воды через уравнительную камеру 22 с поплавком 27 и связанной с корпусом 16 с поплавком 19. В случае слива воды из первой части 8 емкости 6 открывают кран 12 на сбросной трубе 11, определенное количество воды из лизиметра поступает в дренажную сеть.
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 на поддоне 5. Поддон 5 емкости 1 соединен гидравлически посредством подпитывающей трубы с вертикально установленной емкостью 6, разделенной на две неравные части 8 и 9 вертикальной перегородкой 10, и отводящую трубу 11 с краном 12. Поскольку заполнение нижней части 13 первой части 8 емкости 6 происходит посредством горизонтальной перегородки 15, то величина напорности зависит от превышения уровня воды в водонапорном баке 29 над уровнем в первой части 8 емкости 6. Вода, заполнившая водонапорный бак 29, проходит счетчик 31 с регулируемым краном 32, поступает в шланг 30, далее во входной патрубок 17 корпуса 16 и заполняет его полость. В начальной стадии шаровой поплавок 19 под действием силы веса опирается на запорный элемент 21 и перекрывает коническое запорное гнездо 25 и выход воды в уравнительную камеру 22 в нижней части 14 выходного патрубка 18 корпуса 16. По мере заполнения водой корпуса 16 поплавок 19 всплывает и запорный элемент 20 перекрывает отверстие в запорном гнезде 24, а запорный элемент 21 открывает нижнее коническое запорное гнездо 25, и порция воды, находящаяся в корпусе 1, поступает в уравнительную камеру 22 и через отверстия в дне ее направляется в поддон 5, и заполняет как нижнюю часть 14 внутри первой части 8 емкости 6, так и монолит почвы в емкости 1. Таким образом, уровень воды достигает уравнительной камеры 22, где заполненная полость камеры 22 водой, подъемная сила действует на поплавок 27 и он всплывает в направлении углубления 26. При полностью заполненной полости камеры 22 поплавок 27 перекрывает доступ воды через выходной патрубок 18 в нижнюю часть 14 первой части 8 емкости 6. Одновременно с этим полость корпуса 16 заполнена водой, поплавок 19 всплывает, а запорный элемент 20 перекрывает отверстие в заданном гнезде 24. В результате накопление дозы воды в полости корпуса 16 удерживается до момента испарения при напорном питании монолита почвы из нижней части 14, соответствующего условиям развития фазы культуры, т.е. понижение даже небольшого уровня в нижней части 14 первой части 8 емкости 6 вызывает опускание поплавка 27 медленно в уравнительной камере 22, соответственно открывает углубление 26, и доза воды из корпуса 16 поступает в уравнительную камеру 22, далее в нижнюю часть 14. Далее повторяется весь процесс заполнения полости корпуса 16.
О количестве воды, израсходованной на суммарное испарение и рост растений в почве, судят по количеству воды, добавляемой из водонапорного бака 29 с регулированием краном 32 и применением счетчика 31. 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, указатель стрелки 36 должен иметь возможность вертикально перемещаться с фиксацией фиксатором 34 муфты 33 на стойке 34, при этом стрелка 36 жестко соединена с входным патрубком 17 корпуса 16 через муфту 32. Таким образом, наличие перемещения корпуса 16 и уравнительной камеры 22 позволяет задавать и поддерживать оптимальный уровень воды в нижней части 14 первой части 8 емкости 6 лизиметра с монолитом почвы. В целях исключения застаивания воды в нижней части 14 первой части 8 емкости 6 и ее цветения, в нижней части выполнено выпускное отверстие с отводящей сбросной трубой 11 с краном 12, обеспечивающее санитарный сток в дренажную сеть.
Таким образом, в течение всего периода работы лизиметра счетчик 31 холодной воды (СХВ) является универсальным измерительным прибором (блоком) и может быть использован для измерения объема воды в автоматическом режиме, независимо от времени использования его на опытной делянке исследуемой почвы. Погрешность измерений которого достигает не более ±2% по расходу воды, а значит и точность экспериментальных данных лизиметра значительно повышается.
Эффективность лизиметра с дискретной выдачей дозы воды позволит облегчить долговременную эксплуатацию лизиметра и обеспечит улучшение условий труда обслуживающего персонала; независимость процесса задания и поддержания уровня от массы воды в водонапорном баке, запасенной для долива воды для монолита почвы со стороны поддона снизу вверх, возможность автоматической дискретной дозы выдачи воды за счет форм элементов дозиметра и возможность управления процессами фазы развития культуры на опытной делянке в виде подпочвенного орошения и снятия одновременно показания объема воды счетчиком 31. Одновременно расширяется область применения водобалансового лизиметра. Точность расчета параметров применения лизиметра поддерживается совместной работой всего пакета (количество) заданных лизиметров на исследуемой делянке с датчиками влажности почвы и влиянием напорной воды в нижней части 14 первой части 8 емкости 6 водного баланса. Следовательно, повышается достоверность качественного состава исследуемого почвогрунта.
Основная часть технико-экономического эффекта заключается в существенном сокращении затрат на строительство опытных делянок исследуемой почвы и возможность контроля опытных делянок вблизи естественного поля. Этим также достигается строго дозированная дискретная выдача порции воды в течение определенного времени, поддерживается оптимальный уровень воды в емкости лизиметра с монолитом почвы, соответственно, моделирование приближено к подпочвенному орошению естественного поля. Таким образом, о количестве воды, израсходованной на суммарное испарение, в зону аэрации, на инфильтрацию, судят по количеству воды, добавленной из подпитывающего напорного бака с применением счетчика воды, который размещен на выходе со стороны водонапорного бака добавленной воды в корпус с поплавком и уравнительной камеры также с поплавком в целом.