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 в себя емкость с монолитом почвы, связанный через клапан с питающим устройством, имеющим самописец уровня воды с поплавковым приводом (Авторское свидетельство SU №298887, G01N 33/24 от 16.03.1971).
Недостатком данного устройства является то, что ононе обеспечивает измерения искомых параметров при переменном уровне в емкости синхронно с изменяющимися уровнем грунтовых вод. 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. Другим недостатком является то, что он сложен в работе, а это приводит к занижению показателей инфильтрации.
Известен лизиметр, включающий емкость с образцом почвогрунта. Дно-фильтр, соединительный канал, емкость долива и слива, в стенке которой выполнено отверстие (Авторское свидетельство SU №899015, F01G 25/02 от 23.01.1983).
2
Недостатком лизиметра данной конструкции является недостаточная достоверность количественного состава перетекания жидкости 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 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 мене 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 проницаемости 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 затруднены доставка и заполнение водой водонапорного бака, кроме того, достаточно трудно удовлетворять соответствующим условиям моделирования от естественных осадков в природе, поливов напорности между дренами, между которыми образуется депрессионная кривая. Сама формула уже показывает, ошибка в погрешности измерения будет существенно влиять на достоверность проводимых исследований и тем самым получения теоретической формулы. Кроме того, недостатком является 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.
Известен также 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 вод в питающем устройстве, сообщенном через клапан с грунтовыми водами (Авторское свидетельство SU №763794, G01N 33/24, F01G 25/16 от 15.09.1980).
Недостаток 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 отверстием, 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 снижаются точность измерения суммарного испарения при грунтово-напорном питании. Поступление в емкость на контрольном участке грунтовой воды происходит снизу вверх для заполнения емкости с монолитом почвы в лизиметре, что влияет на точность проведения учета воды при исследованиях, а также возникают в связи с этим трудности наблюдения 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 лизиметра, для определения экспериментов оптимальных уровней грунтовых вод и влажность 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 заданного количества лизиметров, а также для того, чтобы поливные, талые и дождевальные 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).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является лизиметр, включающий емкость с монолитом почвы, сообщающуюся с вертикально установленной емкостью, поддон и элементы контроля уровня воды, установленная емкость разделена на измерительную емкость и дренажный колодец с перегородкой, в средней части которой выполнено отверстие в виде проема, перекрываемоего щитком, снабженным устройством для сброса воды в виде сифона, нисходящая ветвь которого выведена в дренажный колодец в сторону оголовка отводящего закрытого коллектора, при этом колено сифона закреплено внутри отверстия в щитке, выполненном с возможностью вертикально фиксированного перемещения относительно проема в перегородке, причем емкость сообщена гидравлически с поддоном емкости монолита почвы (Патент RU №2593332, G05D 9/00 от 10.08.2016).
Недостаток устройства наиболее близкого по технической сущности к предлагаемому лизиметру заключается в том, что процесс сброса излишков воды через сифон при увеличении уровня увеличивает погрешность при стабилизации заданного расхода, причем нисходящая ветвь сифона, выведенная в дренажный колодец в сторону оголовка отводящего закрытого коллектора, где происходит свободное истечение воды из сифона, приводит к увеличению поступления воздуха при уменьшении перелива и уменьшению вакуума в сифоне, а значит и поддержание определенного слоя перелива без скачков, что необходимо для стабилизации уровня или расхода в измерительной емкости, что требует дополнительных мер для подержания определенного слоя перелива при повышении точности его расчета режима орошения, а значит необходимо предотвратить перерасход воды при поливе почвогрунта при балансовых исследованиях. Кроме того, в известном аналоге при изливе воды полным сечением, где имеется перерасход, перепад между верхним в измерительной емкости и нижним в дренажном колодце, начинается отсос воздуха, и в колене сифона возникает разряжение в результате того, что отсос воздуха в нисходящей ветви превышает его приток через гребень (колено) сифона.
Из-за возникновения вакуума в колене уровень воды в нем начинает резко увеличиваться, после чего колено заполняется полностью водой. После того как торец нисходящей ветви сифона в дренажном колодце окажется открытым для воздуха, процесс вызывает резкий спад уровня в измерительной емкости, т.е. уровень несколько снижается, а значит, точность лизиметра по заданной программе несколько снижается.
Таким образом, появляется значительная погрешность стабилизации заданного сбросного расхода и необходимость настройки в каждом конкретном случае применения в различных условиях развития культуры. Недостаточная точность стабилизации заданного сбросного расхода возникает из-за неполного использования величины превышения вакуума над постоянным поступлением воздуха через нисходящую ветвь сифона в дренажном колодце и от этого зависит быстродействие лизиметра при поддержании постоянного перелива через колено (гребень) сифона, когда конец нисходящей ветви не затоплен, в конечном счете, стабилизация расхода. Кроме того, как только наступает равновесие, состояние поступления воздуха через незатопленный конец нисходяще ветви тут же выводит его из равновесия, т.е. постоянно искусственно создается возмущение и нарушение стабилизированного уже в какой-то момент расхода.
Технический результат - повышение точности и надежности лизиметра при минимальном потоке.
Технический результат достигается тем, что в лизиметре, включающем емкость с монолитом почвы, поддон и элементы контроля уровня воды, установленная емкость разделена на измерительную емкость и дренажный колодец перегородкой, в средней части которой выполнено отверстие в виде проема, перекрываемого подвижным щитком, снабженным устройством для сброса воды в виде сифона, нисходящая ветвь которого выведена в дренажный колодец в сторону оголовка отводящего закрытого коллектора, при этом колено закреплено внутри отверстия в щитке, выполненном с возможностью вертикального перемещения относительно проема в перегородке, причем емкость сообщена гидравлически с поддоном емкости монолита почвы, колено сифона снабжено патрубком с воздуховпускным отверстием с установленным клапаном, стержень которого снабжен грузом с изменяющейся массой, размещенными в измерительной емкости.
Кроме того, нисходящая ветвь сифона размещена в дренажном колодце, конец ее выполнен в виде колена, изогнутого вверх.
Такая конструкция лизиметра в условиях эксплуатации позволяет с помощью сифона и его элементов в виде закрепленного к колену сифона патрубка с воздуховпускным отверстием с установленным клапаном и снабженного грузом с изменяющейся массой, а также, когда нижний конец нисходящей ветви сифона изогнут вверх (наполняя его водой), позволяет быстро восстанавливать слой перелива, следовательно, расход до заданного. Причем восстановление переливного слоя (излишек расхода) до заданного при его отключении в сторону увеличения при поливе или дождевании испытываемого почвогрунта лизиметра вблизи естественного поля при настройке на определенную культуру полива, поддержание уровня в монолите почвы в зависимости от проведения опытов на делянке по фазам их роста будет надежно в работе. Заданное отклонение переливного сбросного слоя достигается впуском воздуха быстрее, чем при отключении в сторону уменьшения и восстанавливаемого до заданного вакуумом. Это предотвращает перерасход сброса излишков воды при заборе ее из измерительной емкости. Непосредственный визуальный контроль за высотой переливного слоя позволяет более просто и точно изменением массы клапана настроить лизиметр на необходимый сбросной расход, что упрощает его эксплуатацию для автоматического включения сифона.
В таких условиях можно проводит экспресс-информацию для визуального замера уровня воды в емкости по водомерной шкале боле точно и с меньшей ошибкой, т.е. разноцветные полосы шкалы системы индикации позволяют дополнительно допускать заданную погрешность приборов контроля ±1,0 см и вычислять расход, так как точность перелива воды сифоном в дренажный колодец повышена до восстанавливаемого, заданного вакуумом, а значит, перелива через колено (гребень) сифона уменьшением времени переходных процессов из-за полного использования источника вакуума, что позволяет быстрее восстановить слой перелива, следовательно, и расход до заданного.
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 предложенное техническое решение отвечает критерию «существенные отличия».
На чертеже показана схема лизиметра, общий вид в разрезе.
Лизиметр содержит корпус 1, заполненный монолитом почвогрунта, причем емкость заполняется двумя различными по водопроницаемости слоями фильтра: верхнего хорошо проницаемого 2 исследуемого образца почвы и нижнего слабопроницаемого 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 образце почвы размещен датчик влажности 7. Емкость 6 разделена перегородкой 8 на две неравные части: на мерную емкость 9, и вторую часть выполненную в виде дренажного колодца 10, в средней части перегородки 8 выполнено отверстие 11 в виде проема. Отверстие перекрывается подвижным щитком 12 с механизмом подъема в виде винта 13, размещенного в направляющих 14, закрепленных в перегородке 8. В средней части перекрываемого щитка 12 выполнено отверстие, через которое пропущено устройство в виде сифона 15, закрепленного к подвижному щитку 12. Нисходящая ветвь сифона 15 снабжена изогнутым коленом 16 вверх, размещенным в дренажном колодце 10. Колено (гребня) сифона 15, размещенное в измерительной емкости 9, имеет патрубок 17 с воздуховпускным отверстием 18 для сообщения с атмосферой. Воздуховпускное отверстие 18 перекрыто клапаном 19, снабженным грузом 20 для увеличения его массы. Для контроля высоты переливаемого слоя сифон 15 имеет прозрачное окно 21 со шкалой. Колено сифона 15 закреплено внутри отверстия 11 в щитке 12, выполнено с возможностью фиксированного перемещения относительно отверстия 11 в перегородке 8.
Мерная емкость 9 является основной деталью лизиметра. Она объединяет в себе все остальные детали и служит для сброса излишков воды в дренажный колодец 10 со сбросной отводящей трубой 22.
Для измерения поступившей фильтрующей воды в мерную емкость 9 над крышкой 23 емкости 6 закреплена градуированная стойка 24 с возможностью размещения на ней системой индикации в виде шкалы из разноцветных светящихся отчетных и разделительных полос, а также светящейся указательной стрелки 25. Разноцветные светящиеся отсчетные полосы, соответствующие расчетному расходу воды могут быть, например, белыми, а разделительная полоса черная, что соответствует перемещению зафиксированного положения вертикального винта 13, вместе с которыми перемещается сифон 15 с патрубком 17 с отверстием 18, перекрытого клапаном 19 с грузом 20, и окно 21 со шкалой.
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 различными 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: мерную емкость 9 и дренажный колодец 10, вертикальной перегородкой 8. В перегородке 8 в средней части выполнено отверстие 11. Проем перекрывается подвижным щитком 12 с сифоном 15 со связанными между собой элементами. Это разделяет мерную емкость 9 и дренажный колодец 10 между собой при отсутствии работы сифона на момент заполнения водой поливом или дождеванием емкости 1 с монолитом почвы и накопления воды в мерной емкости 9, где затем происходит выравнивание уровней между собой. Во избежание затопления лизиметр не рекомендуется устанавливать в микропонижениях и западинах. Таким образом, имеет место перепад перед отводящим оголовком отводящей трубы 22.
Фильтрующая из почвогрунта вода через геотекстильный материал 3 поступает в поддон 5, далее заполняет мерную емкость 9. В исходном положении клапан 19 перекрывает воздуховпускное отверстие 18 воздушного патрубка 17. При перетекании воды из мерной емкости 9 в дренажный колодец 10 вначале заполняется водой изогнутое колено 16 вверх нисходящей ветви сифона 15, создается вакуум, за счет которого в полости сифона 15 создается разряжение. От возникновения вакуума в сифоне 15 уровень воды во входной части сифона увеличивается, достигает колена (гребня) и вода переливается большим потоком в нисходящую ветвь сифона, еще больше увеличивая вакуум захватом выноса воздуха из полости сифона. Как только давление понизится до определенной величины, атмосферное давление приподнимает клапан 19 с определенной заданной массой и воздух начнет поступать в полость сифона. Слой перелива при этом понизится, давление повысится и под действием массы клапан 19 перекроет отверстие 18. Конкретная масса клапана 19 будет соответствовать поддержанию определенного слоя перелива и, следовательно, сбрасываемого излишнего расхода.
Предлагаемый лизиметр обладает простой конструкцией. При всех прочих равных условиях воздуховпускное устройство состоит из двух частей: патрубка и клапана с изменяемой массой груза, что, в свою очередь, повышает надежность лизиметра в работе.
Предлагаемый лизиметр обладает большой способностью быстродействия, а воздуховпускное отверстие не вносит постоянных искусственных возмущений в стабилизацию сбрасываемого расхода, а использует только при возмущениях в мерной емкости, вызвавших возмущениях от полива или дождевания увеличением расхода от заданного для корнеобитаемого растения в испытываемом образце почвы. Экономическую эффективность лизиметра составляет экономия от надежности конструкции, экономия воды от повышения точности стабилизации заданного расхода (уровня) в почвогрунте, осуществляемой уменьшением времени переходных процессов из-за полного использования источника вакуума, что позволяет быстрее восстановить слой перелива, следовательно, и сброс излишков расхода до заданного и восстановления уровня в монолите почвы испытываемого образца почвы. Причем восстановление переливного слоя (расхода) до заданного при его отклонении в сторону увеличения достигается впуском воздуха быстрее, чем при отклонении в сторону уменьшения и восстанавливаемого до заданного вакуумом. Это предотвращает перерасход воды при сбросе ее из мерной емкости, а значит, более точный уровень поддерживается в емкости, заполняемой монолитом почвы. Непосредственно при визуальном контроле можно проследить за высотой переливного слоя в случае, если это требует установить более точно изменение массы клапана и настроить лизиметр на необходимый сбросной расход, что упрощает его эксплуатацию в целом для каждой культуры и фазам ее развития.
Таким образом, работа сифона происходит плавно без скачков.
Такая компоновка лизиметра обеспечивает более точное поддержание уровня в корнеобитаемом слое почвогрунта емкости при отводе фильтрационного тока воды из почвы во времени. Далее цикл повторяется до тех пор, пока вода будет поступать из монолита почвы емкости.
Влажность почвы измеряют датчиком влажности 7, а положение уровня в емкости 1 определяют наличием емкости 6 с элементами контроля, устанавливаемыми 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, винт 13 щитка 12, сифон 15, патрубок 17 с клапаном 18 и с изменяемым грузом 20 связывают с указателем стрелки 25 и фиксации винта-гайки стержня в виде винта 13 над крышкой 23. Таким образом, наличие винта 13 позволяет задавать поднятие или опускание компактно в одном узле устройства в целом.
Такая компоновка лизиметра обеспечивает надежное и более точное увлажнение корнеобитаемого слоя испытываемой почвы в емкости вблизи естественного поля, определяемого поливов или дождеванием, что повышает точность расчета режима орошения. Расширяется область применения лизиметра, исследования и взаимосвязь с работой сифона, составляющие баланс для полива и напорности на модуль стока, а, следовательно, повышаются точность расчетов параметров дренажа на опытной делянке и возможность решить другие исследовательские вопросы на составляющие водного баланса в целом.