УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ВОДНОЙ ЭРОЗИИ ПОЧВОГРУНТОВ
DEVICE FOR STUDY OF PROCESSES OF WATER EROSION OF SOILS

Изобретение относится к устройству для моделирования процессов водной эрозии почвогрунтов в лабораторных условиях и может быть использовано в мелиорации, почвоведении и гидрологии.
Уровень техники
Известно устройство для исследования эрозионных процессов, представляющее собою лоток, имеющий рабочую часть, в которой размещены образец почвогрунта и съемная рабочая камера с устройством для учета инфильтрации, выполненным в виде съемного водопоглощающего элемента, состоящего из отдельных пористых блоков с гидрофизическими показателями соответствующими показателям образца почвогрунта. Для обеспечения работы схемы в нее включен успокоитель, гидравлически сообщенный с питателем через регулятор расхода воды, установленный в головной части лотка, и устройство для учета смыва почвы на выходной части лотка [1].
Недостатком этого устройства является необходимость в подборе пористого водопоглощающего материала, имеющего гидрофизические показатели, равные соответствующим показателям образца почвогрунта. Помимо этого использование пористого материала позволяет определять только количество инфильтрационной воды, не давая представления о ее качественном составе, при этом прочность приведенного пористого водопоглатителя, такого как гипс, падает в зависимости от водонасыщения, что может затруднять его повторное использование в опытной установке и требует его утилизации после использования.
Известно устройство для исследования эрозионных процессов, которое содержит гидролоток, состоящий из двух продольных секций, шарнирно соединенных между собой и снабженных гидромеханизмами для установки их под различными углами, что осуществляется за счет обустройства дна лотка в виде каркаса с полыми эластичными элементами, которые соединены с нагнетателем газа или жидкости [2].
Недостатком этого устройства является отсутствие возможности сбора инфильтрата.
Известно устройство оценки эрозионной стойкости масс грунта при ветровой, водной и деформационной эрозий, включающий горизонтально расположенное основание, на котором расположен ящик для образцов почвы с устроенным на одном конце впуском для поступления воздуха из воздуходува или для впуска воды из водоподающего источника, на другом конце с выходом, снабженным датчиком, соединенным с системой сбора и обработки информации [3].
Недостатком этого устройства является невозможность сбора инфильтрата и оценки выноса химических веществ.
Наиболее близким техническим решением является испытательное устройство для эрозии почв, предназначенное для моделирования почвенной эрозии, генерируемой атмосферными осадками, состоящее из конструкции с размещенными на ней подвижной и регулируемой дождевой установкой и лотками для исследуемого почвогрунта, снабженными резервуаром для переливной воды и поддоном для ее отвода [4J.
Недостатком этого устройства является отсутствие возможности изучения состава инфильтрата.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является повышение точности учета инфильтрации воды в почву и выноса биогенов и взвешенных веществ с различных видов почвогрунтов (с вариативностью различных жизненных циклов травянистой растительности) посредством моделирования поверхностного стока.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является:
- возможность определения интенсивности выноса почвы и химических веществ с различных видов почвогрунтов, в том числе, при наличии травянистой растительности,
- возможность моделирования интенсивности подачи воды и ее химического состава для оценки последствий орошения и атмосферных осадков на развитие поверхностной эрозии почв,
- получение данных о выносе химических веществ с инфильтрационным стоком из ризосферы сельскохозяйственных травенистых растений,
- возможность апробации способов предотвращения эрозии почв.
Технический результат достигается за счет выполнения гидравлического лотка (гидролотка) особой формы из акрилового пластика (полиметилметакрилат - ПММА) или иного подходящего материала (стеклопластика, металла) со съемной перегородкой для размещения почвогрунта и днищем в виде пирамиды, а так же установки его на специальной конструкции, позволяющей регулировать угол наклона лотка и размещать необходимый для лабораторных исследований технический инвентарь. В нижней части гидравлического лотка устраивается дно в виде конуса с устройством для отвода инфильтрата. Для предотвращения вымывания почвы в инфильтрационный сток, почвогрунт укладывается на дренирующую подложку, уложенную на перфорированную перегородку, состоящую из слоя гравия с размером фракций 20-25 мм, толщина слоя ~5 см, слоя песка (~5 см) и иглопробивного нетканого геотекстиля, уложенного на нижнюю перегородку. С трех сторон по периметру гидравлического лотка размещаются лотковые водоотводы, выполненные из металла или иного пластичного материала, предназначенные для отвода воды, попавшей за пределы конструкции гидравлического лотка. Со стороны забора проб устраивается треугольный отвод для поверхностного стока, расположенный под углом в ~30° вниз, и, снабженный водонаправляющими стенками.
Гидравлический лоток устанавливается на специальную металлическую конструкцию в виде стола (без столешницы) с горизонтальной металлической рамкой, соответствующей размеру гидролотка, опирающуюся на четыре опоры (ножки), с кронштейном для размещения дождевальной установки и воздуходува для имитации ветра. С одной стороны конструкции в обе ножки вмонтированы гидравлические домкраты, с другой стороны верхние части обеих ножек соединены цилиндрическим шарниром, позволяющим изменять угол наклона гидролотка.
Технический результат заявленного изобретения достигается тем, что часть воды, поступившей на поверхность почвогрунта 1, стекает в виде поверхностного стока и отводится через треугольный водосток с водонаправляющими стенками 2 для отбора проб. Вода, попавшая за пределы периметра лотка 3 в процессе его дождевания, отводится посредством системы лоткового водостока 4 через оголовок, снабженный съемным сетчатым фильтром 5 в водоотводящую трубу. Воды, профильтровавшаяся через слой почвогрунта 1, попадает в дренажный слой из гравия 6 с размером фракций 20-25 мм толщиной ~5 см, крупнофракционного песка 7 (слоем ~5 см) и иглопробивного нетканого геотекстиля 8. Почвогрунт и дренажный слой расположены на перфорированной или сетчатой перегородке 9 выше днища гидролотка, выполненной в виде пластиковой или металлической решетки с размером отверстий до 5 мм. Сетчатая перегородка 9 опирается на продольные планки 10, прикрепленные к стенкам лотка. Дно лотка 1, выполненное в виде пирамиды внизу снабжено отверстием 11 для отвода инфильтрата в пробоотборник 12, выполненный в виде измерительной воронки со съемным сетчатым фильтром 13. Дно измерительной воронки 12 сопряжено с водоотводящей трубой 14 посредством крана 15.
Гидролоток устанавливается на специальную конструкцию, выполненную в виде стола без столешницы, где по периметру с трех сторон удерживается уголками 16 и четырьмя опорами - ножками 17. В двух опорах вмонтирован гидравлический домкрат 18, а верх противоположных двух опор соединен между собой поворотной конструкцией в виде цилиндрического шарнира 19. За счет изменения длины двух опор посредством гидравлических домкратов 18 и поворота конструкции вокруг цилиндрического шарнира 19 производится варьирование угла наклона гидролотка в соответствии с углом уклона изучаемой местности. На противоположной от цилиндрического шарнира стороне расположен кронштейн 20, предназначенный для прикрепления дождевальной установки с системой дождевальных насадок 21 с подводящей трубой 22. Водоподводящая труба 23 снабжена расходомером 24. Далее по системе устанавливается инжектор 25, в который по трубе 26 подается раствор из бака 27. Бак 27 снабжен воронкой для подачи раствора 28. После инжектора 25 далее по системе расположен насос 29 и водопроводящий шланг 30. На кронштейн дополнительно крепится воздуходув 31 с поворотным устройством.
Осуществление изобретения
Устройство для моделирования диффузного стока работает следующим образом. Исследуемый почвогрунт 1 уложен и утрамбован в соответствии с его природной (полевой) плотностью. Для приближения к полевым исследованиям в различных вариациях на него может быть предварительно высажена растительность, что позволяет производить исследование последствий диффузного стока в разные стадии ее развития. Толщина почвогрунта в лабораторной установке должна соответствовать глубине природной ризосферы сельскохозяйственных растений (~30 см). На него посредством дождевания подается вода, часть которой стекает по поверхности грунта и через водосток 2 отбирается в пробоотборный сосуд для проведения дальнейших лабораторных исследований. Часть воды, попавшей за пределы периметра лотка 3 в процессе его дождевания отводится посредством системы лоткового водостока 4 через оголовок, снабженный съемным сетчатым фильтром 5 в водоотводящую трубу (фиг. 1). Часть воды, попавшей на поверхность почвогрунта фильтруется через его слой и через дренажный слой гравия 6 с размером фракций 20-25 мм толщиной ~5 см (в результате чего задерживаются почвенные частицы, вынесенные инфильтратом), далее фильтруется через слой крупнофракционного песка 7 (~5 см) и иглопробивной нетканый геотекстиль 8, расположенный на сетчатой перегородке 9 выше дна гидролотка. Крупнофракционный песок будет доочищать инфильтрат от мелких взвешенных веществ и защищать геотекститль от кольматации (фиг. 2).
Почвогрунт и дренажный слой расположены на сетчатой перегородке 9 выше дна гидролотка. Сетчатая перегородка 9 опирается на продольные планки 10, прикрепленные к стенкам лотка. Далее инфильтрат попадает на наклонные стенки дна лотка 1 и отводится через отверстие 11 в пробоотборник 12, выполненный в виде измерительной воронки через съемный сетчатый фильтр 13 для задержки остаточного количества взвешенных веществ, попавших в инфильтрат. Откуда инфильтрат может забираться для лабораторных исследований, а избыток будет отводиться в водоотводящую трубу 14 посредством открытия крана 15 (фиг. 3). Дно гидролотка 3, выполненное в виде пирамиды с отводящим отверстием 11 позволяет осуществлять забор инфильтрата при имитации даже малых уклонов местности.
Для размещения гидролотка предусмотрена специальная металлическая конструкция (фиг. 4) с удерживающими уголками 16. С помощью представленной конструкции гидролотку в процессе исследований можно придавать любой уклон регулируя высоту ножек 17 посредством гидравлических домкратов 18 и поворотного механизма в виде цилиндрического шарнира 19. Дождевальная установка, через которую будет осуществляться разбрызгивание воды или водного раствора на поверхность почвогрунта 1, закрепляется на кронштейне 20. На систему дождевальных насадков 21, представляющих собой дождевальную установку, через трубу 22 подается вода или раствор для дождевания гидролотка. Регулирование рабочей площади системы дождевальных насадок производится посредством кранов 15. Через водоподводящую трубу 23 с известным расходом, который замеряется расходомером 24, вода поступает в инжектор 25, где смешивается с раствором заданной концентрации, поданным по трубе 26 из бака 27. Для подачи раствора в бак 27 предусмотрена воронка 28. Раствор изготавливается определенной концентрации соответствующих химических веществ для имитации состава осадков или поливной воды. Через инжектор 25 имитационный водный раствор через насос 29 и водопроводящий шланг 30 поступает в трубу 22 и на систему дождевальных насадков 21 через которую осуществляется дождевание исследуемого почвогрунта 1. Для имитации взаимодействия факторов дождя и ветра на кронштейн крепится воздуходув 31 с поворотным устройством.
Список использованных источников
1. RU №2013941, C1 A01G 27/00 от 15.06.1994. Сироткин, В.М., Максимов, И.И. Устройство для исследования эрозионных процессов.
2. RU №2093809, C1 G01M 10/00 от 20.10.1997. Зыков И.Г., Аверьянов О.А., Помещиков С.П. Устройство для исследования эрозионных процессов.
3. CN 104502259 от 15.12.2017.
4. KR 1020160085990 от 19.07.2016.