ЛИЗИМЕТР
LYSIMETER

Изобретение относится к приборам, применяемым в сельском хозяйстве при балансовых исследованиях на мелиорируемых землях, в частности для определения инфильтрации поливных, талых 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 не обеспечивает измерения искомых параметров при переменном уровне в емкости синхронно с изменяющимся 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 почво-грун, дно-фильтр, соединительный канал, емкость долива и слива, в стенке которой выполнено отверстие (Авторское свидетельство SU №899015 A01G 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 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 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 исследования затруднена доставка и заполнение водой водонапорного бака, кроме того, достаточно трудно учитывать соответствующим условиям моделирования от естественных осадков в природе, поливов и напорности между дренами, между которыми образуется депрессионная кривая. Сама формула уже показывает, что ошибка в погрешности измерений будет существенно влиять на достоверность проводимых исследований и тем самым на получение теоретической формулы. Кроме того, недостатком является неудобство в обслуживании, т.е. обслуживание мерных емкостей достаточно затруднено, необходимо открывать 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 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 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; определения 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 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. Пример, на землях при глубоком залегании грунтовых вод требуется полив или дождевания опытных делянок с последующей возможностью отвода излишек 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, перекрываемого 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 вертикального фиксированного перемещения относительно проема в перегородке, причем емкость сообщена гидравлически с поддоном емкости монолита почвы (Патент RU №2593332, G01N 33/24, G05D 9/00 от 10.08.2016).
Недостаток устройства, наиболее близкого по технической сущности к предлагаемому лизиметру, заключается в том, что он обеспечивает объем сброса воды, забираемый сифоном с недостаточной точностью дозирования, т.е. перетекание воды через сифон недостаточно повышает точность расчета параметров измерительной емкости, когда происходит резкий сброс излишков воды на составляющие водобаланса и погрешность дозирования на сброс воды.
Технический результат от использования заявленного изобретения заключается в повышении точности лизиметра, исключении погрешности экспериментальных данных и расширении области применения по заданной программе.
Поставленная задача в конструкции лизиметра, включающего емкость (1) с монолитом почвы, сообщающуюся с вертикально установленной емкостью (6), поддон (5), емкость (6) разделена на измерительную емкость (8) и дренажный колодец (9) с перегородкой (10), в которой выполнено отверстие (11) с устройством для сброса воды, последнее расположено в дренажном колодце (9) и выполнено в виде выпускной камеры(12), в которой размещен клапан (13), соединенный жестко верхним концом со штоком 15 шарнирно-рычажного привода, при этом второй конец рычага (18) с горизонтальной осью (19) вращения размещен в измерительной емкости (8) с поплавковым приводом, шток (22) поплавка (20) которого верхним концом соединен через шарнир (23) с рычагом (18), причем поплавковый привод закреплен в направляющих (21), жестко закрепленных верхним концом к механизму изменения положения поплавкового привода в виде винтовой гайки (24) с фиксатором (25).
Такая конструкция лизиметра в условиях эксплуатации позволяет поддерживать постоянно уровень воды в измерительной емкости, которая связана гидравлически с монолитом почвы за счет выпускной камеры, которая снабжена клапаном со штоком, соединенным с шарнирно-рычажным приводом, который связан также через шарнир с поплавковым приводом и с механизмом положения его в измерительной емкости, разделенной вертикальной перегородкой. В каждом конкретном случае, зависящем от фазы развития культуры, за счет закрепленного поплавка к направляющим на штоке с возможностью перемещения и фиксации их, дает возможность фиксировать поплавок в положении для заданной культуры и ее фазы развития - уровень воды поддерживается в автоматическом режиме, после настройки поплавка с направляющими с механизмом изменения в виде винтовой гайки с фиксатором. В связи с этим работа поплавкового привода связана с работой выпускной камеры через шарнирно-рычажный привод, а это означает, что, в конечном итоге, искомая величина определяется наполнением воды в измерительной емкости и монолита почвы.
В результате установления заданного уровня воды в измерительной емкости происходит систематический сброс излишек воды через выпускную камеру, размещенную в дренажном колодце, и поддержание уровня (контролируемого) в исследуемом образце почвы вблизи естественного поля.
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.
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 б. В хорошо проницаемом 2 образце почвы размещен датчик влажности 7. Емкость 6 разделена на две неравные части 8 и 9 вертикальной перегородкой 10. Отверстие 11 перегородки 10 соединено с устройством для сброса воды в виде выпускной камеры 12. В выпускной камере 12, установленной в дренажном колодце 9, помещен клапан 13, перекрывающий сбросное отверстие 14 и соединенный жестко верхним концом со штоком 15, кинематически связанный через шток 1, свободно пропущенный через направляющие 16, закрепленные жестко стержнями 17 к стенке дренажного колодца 9, с рычагом 18, который с горизонтальной осью вращения 19 закреплен к стенке измерительной емкости 8. Измерительная емкость 8 снабжена поплавковым приводом, выполненным поплавком 20, прикрепленным жестко к направляющим 21 со штоком 22, верхний конец штока 22 которого посредством шарнира 23 соединен с рычагом 18. Шток 22 пропущен свободно через поплавок 20 и направляющие 21, которые связаны посредством винтовой гайки 24 с фиксатором 25, обеспечивающие соответствующему расчетному установленному уровню в измерительной емкости 8 и поддержание уровня инфильтрации в водопроницаемом 2 исследуемом образце почвы через гидравлическую связь поддона 5. Емкость 6 закрыта сверху крышкой 26, имеющей отверстие с люком для эксплуатационной настройки поплавкового привода на штоке 22 с винтовой гайкой 24 с фиксатором 25.
Поскольку состояние УГВ от поверхности почвы зависит как от периодов проведения работ, так и от сельскохозяйственных культур и их фаз развития, в результате чего винтовую гайку 24 с фиксатором 25 перемещают вместе с направляющими 21 и с поплавком 20 по штоку 22 вверх или вниз (шток 222 может быть, например, выполнен с нанесением на нем делений в виде шкалы - измерительной линейки), соответственно уровень воды задается перемещением поплавка 20 в измерительной емкости 8, погрешность которого не превышает ±2% расхода на сброс через выпускную камеру 12 в дренажный колодец 9, соединенный с отводящей трубой 27, т.е. излишки воды сбрасываются автоматически и уровень в измерительной емкости 8 плавно восстанавливается.
Лизиметр работает следующим образом.
На опытной делянке, на исследуемом поле, открывается траншея, в которой на заданной глубине 1,0…1,8 м устанавливается металлическая емкость 1 и заполняется исследуемым почвогрунтом с двумя водопроницаемым слоями фильтра, т.е. верхний слой - монолит почвы 2 и слабо водопроницаемый материал 3, уложенные на сетке 4, последние закреплены на поддоне 5. Поддон 5 емкости 1 соединен гидравлически с вертикально установленной емкостью 6, разделенной перегородкой 10 на две неравные части, одна из которых выполнена измерительной емкостью 8, а другая - дренажным колодцем 9. Таким образом, имеется перепад отводящей трубы 27. При высоком стоянии воды в емкости 1 она через поддон 5 заполняет измерительную емкость 8 с настроенным на заданный уровень поплавком 20, который зафиксирован направляющими 21 на штоке 22 (с делениями - не показано) с помощью винтовой гайки 24 с фиксатором 25, тем самым определяется задание, поддержание уровня на требуемой высоте на данный период роста растений, излишки воды удаляются через выпускную камеру 12, открывая выпускное отверстие 14 клапаном 13 в дренажный колодец 9, вода поступает в отводящую трубу 27 за пределы емкости 6.
Величина воды, слитой из измерительной емкости 8, характеризует как бы инфильтрационное питание монолита почвогрунта в емкости 1. Влажность почвы измеряют датчиком влажности 7, а положение уровня воды в емкости 1 определяют наличием емкости 6 с элементами контроля и сброса излишек воды, установленными в ней.
Таким образом, культура, выращиваемая на опытной делянке с испытуемым полем, имеет возможность ее развития за счет установки емкости 6, которая разделена перегородкой 10 на измерительную емкость 8, в которой размещен поплавковый привод, связанный с шарнирно-рычажным приводом, и дренажный колодец 9, в котором размещена выпускная камера 12 с клапаном 13, со штоком 15, соединенным с шарнирно-рычажным приводом в виде рычага 18. При этом высота подъема или опускания поплавка 20 связана с закреплением направляющих 21 к винтовой гайке 24 с фиксатором 25 на штоке 22 (деление со шкалой не показано).
Если уровень начнет в измерительной емкости 8 повышаться, то подъем поплавка 20 вверх через шток 22 и рычаг 18 откроет отверстие 14 клапаном 13 с помощью штока 15, размещенным в направляющих 15, жестко закрепленных стержнями 17 к стенке дренажного колодца 9, что делает управление клапана вертикально верх или вниз устойчиво. Сброс воды происходит плавно без скачков и уровень воды испытываемого слоя почвы остается на одном уровне в измерительной емкости 8. Таким образом, выдача сброса (оттока) определяет надежную работу лизиметра при превышении уровня в измерительной емкости.
Эффективность лизиметра позволит облегчить долговременную эксплуатацию его и улучшение условий труда обслуживающего персонала и подержание уровня от полива или дождевания монолита почвы исследуемого образца с естественным вблизи полем; рационально использовать выпускную камеру в дренажном колодце с ее элементами регулирования, работающими совместно с элементами управления через шарнирно-рычажный привод с измерительной емкостью, в которой размещен поплавковый привод с механизмом управления с размещением поплавка на штоке вверх или вниз, т.е. в управлении процессами фаз развития культуры на опытной делянке. Точность работы лизиметра достаточна, которая поддерживается всеми элементами устройства, выполненными простыми, а определение влажности фиксируют датчиком влажности почвы, поэтому повышается достоверность количественного состава исследуемого почвогрунта. Устройство лизиметра позволяет существенно упростить сброс излишек воды за счет кинематической связи всех элементов одним шарнирно-рычажным приводом в разделенной емкости перегородкой на две неравные части и уменьшает металлоемкость в условиях опытных делянок вблизи естественного поля.