ЛИЗИМЕТР
LYSIMETER

Изобретение относится к приборам, применяемых в сельском хозяйстве при балансовых исследованиях на мелиорируемых землях, в частности для определения инфильтрации поливных, талых и дождевальных вод, а также возможно применение подземного водообмена при переменном уровне грунтовых вод.
Известен лизиметр, содержащий понтон, поплавок, водоподводящую трубу с клапаном и водосборную трубку, при этом в понтоне выполнена сообщающаяся с испарителем камера, в которой размещены трубка с клапаном и поплавком, причем водоподводящая и водосборная трубка жестко укреплены на понтоне (Авторское свидетельство SU №423106, G05D 9/00 от 19.09.1974).
Известное устройство имеет монолит почвы и колодец с регулировочными приспособлениями и измерителем уровня, однако колодец снабжен многочисленными сложными элементами слежения за изменением грунтовых вод. Кроме того, при наполнении водосборного сосуда водой воздух должен выходит из него по шлангу на поверхность, чтобы не образовывать воздушной подушки в водосборном сосуде, при этом необходимо принудительно откачивать воду из водосбросного сосуда на поверхность насосом, т.е. необходимо иметь энергозатраты, что трудно выполнить в полевых условиях из-за необходимости доставки дополнительно электростанции напряжения. Присутствия уровня грунтовых вод и подземный водообмен не обеспечивает достаточную точность определения постоянно добавления заданного количества воды из подпитывающего сосуда в испаритель или откаченной из водосборного сосуда. Другим недостатком является также низкая надежность работы водорегулирующего устройства из-за наличия гибких шлангов в водорегулирующем устройстве, которые при перемещении понтона складываются самопроизвольно и при этом возможно появление воздушных пробок, препятствующих свободному протеканию воды через него, что может привести к нарушению работы лизиметра. Кроме этого, шланг обладает определенной жесткостью. Поэтому необходимы значительные размеры понтона для сохранения его плавучести, что влечет за собой увеличение размеров скважины. Недостатком этого прибора также следует считать отсутствие дистанционности и автоматизации процесса измерений. Здесь измерение долитой воды производится при выкачивании ее из сливного сосуда. Еще одним существенным недостатком является образование зоны нечувствительности (около 2 мм) у сливной трубки, обусловленное влиянием образование мениска.
Известен лизиметр, включающий емкость с монолитом почвы, сообщающуюся с вертикально установленной емкостью, поддон и элементы контроля уровня воды, причем вертикально установленная емкость разделена на измерительную емкость и дренажный колодец 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 сифон закреплен внутри отверстия в щитке, выполнен с возможностью вертикального фиксированного перемещения относительно проема в перегородке, причем вертикально установленная емкость сообщена гидравлически с поддоном емкости с монолитом почвы, при этом лизиметр снабжен дренажной трубкой с регулируемым клапаном, один конец которой герметично пропущен через щиток в нисходящую ветвь сифона и направлен вверх к его колену, а второй - в мерную емкость и расположен ниже восходящей ветви сифона, восходящая ветвь устройства в виде сифона снабжена Г-образным рычагом, в средней части которого шарнирно закреплен двуплечий рычаг, на одном плече которого закреплен запорный орган, а на другом плече - поплавок (Патент RU №2642261, F01N 33/24, G05D 9/00 от 24.01.2018).
Недостатком известного устройства является объем сброса воды через сифон, когда происходит небольшая часть потока жидкости и затем поток поступает в мерную емкость, это удлиняет процесс быстрого отвода воды из мерной емкости и ведет к недостаточной точности регулирования сбросного расхода, а это также важно и для необходимости учитывать физиологическое состояние растений, составление водобаланса и погрешность дозирования на сброс воды. Кроме того, на момент зарядки работы полным сечением сифон через гребень, несколько удлиняет время его работы, а значит, имеет место запаздывания процесса сброса излишков жидкости в дренажный колодец; происходит захват воздуха, поступающего вместе с жидкостью, следствием чего пропускная способность несколько уменьшается по происшествию замедленного начала действия сифона, в целом конструкция сифона имеет усложнение дополнительными элементами для стабилизации заданного расхода при сифоном выполнении всасывающей ветви (восходящей ветви) сифона.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является лизиметр, включающий емкость с монолитом почвы, сообщающуюся с вертикально установленная емкость разделена на измерительную емкость и дренажный колодец 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 отводящей трубы, при этом сифон закреплен внутри отверстия в щитке, выполнен с возможностью вертикального фиксированного перемещения относительно проема в перегородке, причем вертикально установленная емкость сообщена гидравлически с поддоном емкости с монолитом почвы, крышку с градуированной стойкой в виде шкалы и регулировочное приспособление в виде винта, при этом нисходящая ветвь сифона в дренажном колодце снабжена внутри телескопическим сбросным патрубком, который имеет выходное колено, выходное отверстие которого направлено вверх, колено расположено в дренажном колодце ниже выпускного отверстия отводящей трубы, при этом нисходящая ветвь в верхней части сифона имеет механизм запуска сифона, выполненный в виде соединенных между собой трубки-датчика уровня жидкости и эжектора, причем трубка-датчик сообщена с одной стороны - с находящейся в измерительной емкости восходящей ветвью сифона через отверстие, выполненное в боковой перегородке щитка, а с другой стороны - с полостью дренажного колодца посредством эжектора выше конца телескопического сбросного патрубка, который имеет выходное колено, телескопический патрубок жестко зафиксирован к боковой стенке дренажного колодца, а нисходящая ветвь сифона имеет возможность фиксированного перемещения посредством винта относительно закрепленного к стенке дренажного колодца телескопического сбросного патрубка (Патент RU №2686691, G01N 33/24, G05D 9/00, A01G 25/16).
Недостатком устройства наиболее близкого по технической сущности к предлагаемому лизиметру, заключается в том, что обеспечивает объем сброса воды, забираемый сифоном не достаточно учитывая точность обеспечения работы регулирования пускового устройства эжектора всасывающий воздух из полости сифона в атмосферу через трубку-датчика, расположенную в дренажном колодце и качество регулирования для обеспечения высокой пропускной способности, что должно обеспечить отказаться от дополнительного усложнения при эксплуатации, чтобы затем возвращать лизиметр при избыточном воздухе в измерительной емкости в работу сбросного сифона и исключать избыточный подъем воды в монолите почвы.
Технической задачей является выполнение возможности при изменении рабочего положения сбросного сифона и изменения этим путем величины повышения зарядки сифона, когда уровень жидкости повышается и резко возрастает пропускная способность, затем при снижения уровня в измерительной емкости увеличить поступление воздуха в горловину сифона, что приводит к срыву вакуума в сифоне, обеспечивая стабильность в монолите почвы жидкости, учитывая физиологическое состояние растений и условий роста и развития растения, т.е. избежать неоправданных сбросов жидкости, обеспечивая тем самым оптимальный водный режим монолита почвы, а значит, повышение надежности и точности лизиметра в соответствии с заданием уровня воды в емкости для определенной культуры севооборота с последующим учетом их фазы развития на опытной делянке до заданного значения, и получить более достоверный результат с малой ошибкой погрешностью измерений.
Технический результат достигается тем, что лизиметр, включающий емкость с монолитом почвы, сообщающуюся с вертикально установленной емкостью, поддон и элементы контроля уровня воды, причем вертикально установленная емкость разделена на измерительную емкость и дренажный колодец 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 отводящей трубы, при этом сифон закреплен внутри отверстия в щитке, выполнен с возможностью вертикального фиксированного перемещения относительно проема в перегородке, причем вертикально установленная емкость сообщена гидравлически с поддоном емкости с монолитом почвы, крышку с градуированной стойкой в виде шкалы и регулировочное приспособление в виде винта, телескопический сбросной патрубок с нижним концом, выходное отверстие которого расположено в дренажном колодце ниже выпускного отверстия отводящей трубы, при этом имеет механизм запуска сифона, телескопический патрубок жестко зафиксирован в боковой стенке дренажного колодца, а нисходящая ветвь сифона имеет возможность фиксированного перемещения посредством винта относительно дренажного колодца телескопического сбросного патрубка, согласно изобретения он снабжен подвижной вертикальной трубой с мембранным клапаном с регулирующей аэрационной трубкой и сифоном, горловина которого соединена посредством соединительной трубки с измерительной емкостью, при этом подвижная вертикальная труба жестко соединена с подвижным щитком, размещенным в перегородке с регулировочным приспособлением в виде винта, который снабжен указательной стрелкой напротив отградуированной в соответствии со сроком полива путем учета биологической характеристики культур монолита почвы, снабжено установленной на крышке градуированной стойкой в виде шкалы, состоящей из разноцветных светящихся отсчетных и разделительных полос.
Кроме того, аэрационная трубка снабжена поплавком, а надмембранная полость клапана выполнена в виде емкости осадкомера.
Кроме того, мембранный клапан с регулируемой аэрационной трубкой и поплавком закреплены в виде одного цельного устройства съемно к перемещающейся вертикальной трубе (18).
Кроме того, конец соединительной трубки горловины сифона соединен посредством отверстия с вертикально подвижным щитком.
Такая конструкция лизиметра в условиях эксплуатации позволяет настраивать лизиметр с помощью сифона и его элементов в виде неподвижно закрепленной сообщающейся соединительной трубкой с горловиной сифона, который фиксируется механизмом управления в виде винта в заданном положении за счет подвижного щитка. При этом это дает возможность при настройке на определенную культуру полива поддержание определенного уровня через сифон без скачков и производит плавно повысить пропускную способность сифона со сбросом излишков воды, соответственно, поддержание уровня воды в монолите почвы в зависимости от проведения опытов на делянке с различными культурами выращивания по фазам их роста. А это возможно только при дополнительном оснащении крышки емкости использовать процесс работы регулируемой аэрационной трубки с мембранным клапаном и поплавком, закрепленным на вертикальной подвижной трубе и размещенным надмембранной полости клапана, последний выполнен в виде емкости осадкомера. Размещение отградуированной стойки с вертикальной стойкой в виде винта с указательной стрелкой в заданном диапазоне уровней, и когда градуированная стойка выполнена в виде шкалы, состоящей из разноцветных светящихся отсчетных и разделительных полос, надежно определяет искомую величину наполнения воды в измерительной емкости, а работа сифона указывает снижение этого уровня от отметки, соответствующей поддержанию уровня в монолите почвы, т.е. критическому влагосодержанию в почве. Работа клапана с регулирующей аэрационной трубкой, закрепленными съемно к вертикальной трубе перемещения со щитком и сифона, горловина которого соединена со щитком посредством соединительной трубки, служат сигналом для прекращения излишков слива жидкости в дренажный колодец. Атмосферные выпавшие осадки, благодаря наличию мембранного клапана, образуют емкость осадкомера, мембранный клапан, приподнимаясь за счет избыточного давления в емкости, опорожняется от жидкости (воды) и тем самым возвращает регулятор в исходное положение. Таким образом, при снижении уровня в емкости ниже кромки аэрационной трубки воздух не поступает в горловину сифона и сифон работает на сброс до заданного уровня опорожнения емкости, что исключает отток жидкости из монолита почвы. Следует отметить, что при включении в работу сифона уровень в емкости перед входом в сифон снижается, вследствие чего давление под клапаном становится меньше атмосферного и клапан перекрывает отверстие передвижной вертикальной трубы в крышке, герметизируя емкость. При снижении уровня ниже отметки аэрационной трубки и через соединительную трубку воздух поступает в горловину сифона, что приводит к срыву вакуума в сифоне. Так как при этом отметка уровня в емкости ниже горловины сифона, то сток жидкости прекращается. При заполнении емкости нижняя кромка аэрационной трубки погружается в жидкость, а вытесняемый воздух, приподнимая мембрану, выходит в атмосферу, и только при повышении уровня в емкости до отметки горловины сифона происходит слив жидкости через сифон и телескопический сбросной патрубок расположенный затопленным в дренажном колодце, и тем самым упрощает конструкцию лизиметра, что позволяет медленно накапливать жидкость в измерительной емкости и резко запускать сифон с повышенной пропускной способностью, а это связано гидравлически через поддон с емкостью монолита почвы, в случае ее перенаполнения от полива или дождевых осадков, и исключает избыточный подъем жидкости и переувлажнения монолита почвы.
Наличие разноцветной полосы шкалы системы индикации позволяет дополнительно допускать заданную погрешность приборов контроля ±1,0 см, и вычислять расход, сбрасываемый в дренажный колодец посредством сифона связанного размещенных в крышке вертикальной подвижной трубы с закрепленным регулятором в виде мембранного клапана с регулирующей аэрационной трубкой и сифона, горловина которого связана посредством соединяющей трубки со щитком и механизма его перемещения. Точность замера расхода жидкости повышается в разы по описываемой схеме. Таким образом, можно изменить программу выдачи сброса и параметры работы сифона, а значит лизиметра.
Этти конструктивные отличия от прототипа позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого лизиметра критерию изобретения «новизна».
На чертеже показана схема лизиметра, общий вид в разрезе.
Лизиметр содержит корпус емкости 1, заполненный монолитом почвогрунта, причем емкость 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 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 перегородкой 8 на две неравные части: на мерную емкость 9, а вторая часть выполнена в виде дренажного колодца 10, в средней части перегородки выполнено отверстие 11 в виде проема. Отверстие перекрывается подвижным 12 с механизмом подъема в виде винта 13, размещенного в направляющих 14, закрепленных в перегородке 8. В средней части перекрываемого щитка 12 выполнено отверстие, к которому прикреплен сифон 15 подвижного щитка 12. Колено сифона выполнено в виде горловины сифона, нисходящая ветвь которого установлена с возможностью пер5емещения относительно неподвижного телескопического патрубка 16, нижний конец которого имеет отверстие в дренажном колодце 10 ниже выпускного отверстия отводящей трубы 17 (закрытый дренаж). Лизиметр содержит также механизм запуска сифона 15, который размещен в измерительной емкости 9 в виде подвижной вертикальной трубы 18 в отверстие крышки 19, в выходном сечении вертикальной трубы 18 установлен мембранный клапан 20 с регулирующей аэрационной трубкой 21 и поплавком 22, при этом горловина сифона 15 расположена в полости дренажного колодца 10 с сообщающейся соединительной трубкой 23 с горловиной сифона 15, впускное отверстие трубки 23 прикреплено к подвижному щитку 12 выше горловины сифона 15 и связано также с измерительной емкостью 9 с возможностью одновременно вертикального перемещения вместе с сифоном 15 вверх или вниз относительно телескопического сбросного патрубка 16 с затапливаемым нижним концом в дренажном колодце 10, который установлен ниже уровня оголовка дна отводящей трубы 17. В комплект лизиметра с мерной емкостью 9 входит отверстие в трубе 18 перекрываемое съемным мембранным клапаном 20 с регулирующей аэрационной трубкой 21 и поплавком 22, влияющих на работу сообщающей соединительной трубкой 21 с горловиной сифона 15.
Мерная емкость 9 является основной деталью лизиметра. Она объединяет в себя все элементы управления ее работой и служит для обеспечения стабилизации поддержания уровня жидкости через гидравлическую связь поддона 5 в емкости 1 заполненной монолитом почвогрунта в заданных пределах, а излишки воды (жидкости) поступают в дренажный колодец 10 с телескопическим сбросным патрубком 16 и сбросной отводящей трубой 17. В дренажный колодец 10 поступает сброс воды, выданный за один период работы лизиметра для данной конкретной сельскохозяйственной культуры.
Наличие регулятора сверху на крышке 19 в виде подвижной вертикальной трубы 18 с мембранным клапаном 20 с регулирующей аэрационной трубкой 21 с поплавком 22 закрывают отверстие в крышке 19 емкости 9, в то же время являются для разрыва сплошности потока в сифоне 15 за счет наличия связи соединительной трубки 23 с горловиной сифона 15, вынесенного в полость дренажного колодца 10, т.е. в момент его выключения или наоборот включения - все это связано с перемещением мембранного клапана с остальными элементами (изменение уставки может быть дополнительно связано также с задающей рукояткой вращения относительно верхней кромки вертикальной трубы и жестко связано с ней - не показано для упрощения).
Для измерения поступившей воды (жидкости) в мерную емкость 9 над крышкой 24 дренажного колодца 10 закреплена отградуированная стойка 25 с возможностью размещения на ней шкалы, состоящей из разноцветных светящихся отсчетных и разделительных полос. Имеется возможность экспресс-контроля значений уровня в мерной емкости 9 в заданных интервалах изменений расхода. Разноцветные светящиеся отсчетные полосы, соответствующие расчетному расходу воды, могут быть, например, белыми, а разделительная полоса - черной, что соответствует перемещением зафиксированного положения вертикального винта 13 вместе с которыми, перемещается сифон 15 сообщающийся через горловину с соединительной трубкой 18, отверстие конца которой связано через отверстие в щитке 12 с мерной емкостью 9 в сторону размещения регулятора, закрепленного съемно на крышке 19, а также светящиеся краской указательной стрелки 26 на винте 13.
Таким образом, состояние УГВ от поверхности почв и влажности почвы зависит как по периодам проведения работ, так и по культурам и их фазам развития сельскохозяйственных культур, т.е. на данный период роста растений. Все это позволяет более полно учесть факторы, определяющие влагозапасы в почве и условия роста и развития растений, избежать неоправданных расходов поливной воды, а также обеспечить оптимальный водный режим почвы на заданной фазе развития растения и автоматизировать сброс излишков слива воды в дренажный колодец, а значит повысить производительность труда на опытных делянках, на исследуемом поле.
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 емкость 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 соединительной трубки 23 через горловину сифона. Это разделяет измерительную часть емкости 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 измерительной емкости 9, где затем происходит выравнивание уровней воды между собой. Во избежание затопления лизиметр не рекомендуется устанавливать в микропонижениях и западинах. Таким образом, имеет место переход перед отводящим оголовком отводящей трубы 17.
Фильтрующая из почвогрунта вода поступает через геотекстильный материал 3, поступает в поддон 5, далее заполняет измерительную емкость 9. При заполнении водой измерительной емкости 9 нижняя кромка аэрационной трубки 21 погружается ы воду, и вытесняемый воздух, приподнимая мембранный клапан 20, выходит в атмосферу.
р
р
р
2
При повышении уровня в емкости 9 до отметки горловины сифона 15 происходит слив воды через сифон и телескопический сбросной патрубок 16 в дренажный колодец 10. Если при этом поступление воды из корпуса емкости 1 больше, чем ее отток через сифон 15, то уровень в емкости 9 продолжает повышаться, сифон 15 заряжается и пропускная способность резко возрастает. После включения в работу сифона 15 уровень в емкости 9 перед входом в сифон снижается, вследствие чего давление под клапаном 20 становится меньше атмосферного, и клапан прижимается к отверстию в вертикальной трубе 18, герметизируя и емкость 9. При снижении уровня отметки аэрационной трубки 21 воздух через аэрационную трубку 21 и соединительную трубку 23 поступает в горловину сифона 15, что приводит к срыву вакуума в сифоне 15. Так как при этом отметка уровня в емкости 9 ниже горловины сифона 15, то отток воды на сброс прекращается. А затопление отверстия конца телескопического сбросного патрубка 16 приводит к исключению доступа атмосферного воздуха снизу, так как оно погружено ниже уровня в дренажном колодце при выходе в отводящую трубу 17, имеющей положительный уклон дна в сторону движения воды, в которой давление ниже, чем в работающем сифоне, на величину: Δ=С ρ V/2, где С - коэффициент понижения давления, зависящий от формы и размеров выходного конца телескопического сбросного патрубка 16; ρ - плотность жидкости; V - средняя скорость движения жидкости в телескопическом сбросном патрубке 16. Воздух из дренажного колодца 10 через отверстие в крышке 24 поступает в атмосферу, а также часть его поступает в придонные слои, далее в отводящую трубу 17, что исключает напорный режим в отводящей трубе 17 и гидравлический удар.
При повторном повышении уровня в емкости 9 процесс повторяется. Устройство, закрепленное над отверстием вертикальной трубы 18, включается при достижении уровня в емкости 9 отметки горловины сифона 15 и отключается при его снижении ниже отметки кромки аэрационной трубки 21, обеспечивая постоянный уровень (стабилизацию) от полива или дождевания, в монолите почвы емкости 1 во всем диапазоне от минимального до максимального для каждой выращиваемой культуры и фазы ее развития. Таким образом, при соблюдении связи горловины сифона с атмосферой сифон может разряжаться плавно или наоборот заряжаться в работе. При выпадении осадков надмембранная полость клапана 20 заполняется водой, и поплавок 22 всплывает, перекрывая аэрационную трубку 21. При снижении уровня в емкости 9 ниже кромки аэрационной трубки 21 воздух не поступает в горловину сифона 15 и, в случае поднятия уровня воды в емкости 9 вновь в работу вступает сифон 15, что также стабилизирует уровень в монолите почвы емкости 1. В этом случае при заполнении емкости 9 больше расчетного расхода воды, избыточный воздух, приподнимая мембранный клапан 20, опорожняет надмембранную полость от воды и тем самым возвращает устройство в исходное положение (изменение может предусматривать уставки мембранного клапана устройством задающей рукоятки вращения, жестко связанной с кромкой вертикальной трубы - не показано для упрощения).
Такая компоновка лизиметра обеспечивает упрощение его конструкции и более точное поддержание уровня в корнеобитаемом слое почвогрунта емкости при отводе фильтрационного тока воды из почвы. Далее цикл повторяется до тех пор, пока вода будет поступать из монолита почвы емкости.
В зависимости оттого, 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 с горловиной, который имеет сообщающуюся соединительную трубку 23 и которая связана с полостью измерительной емкости 9, как и сам сифон 15, а также нисходящая ветвь сифона 15 может перемещаться по телескопическому сбросному патрубку 16, закрепленного к боковой стенке дренажного колодца 10, указатель стрелки 26, должны иметь возможность перемещения и фиксации с винтом 13 над крышкой 24 дренажного колодца 10. Это в целом позволяет задавать изменения поднятия или опускания устройства сифона с его элементами в целом.
Такая компоновка предложенного лизиметра позволяет автоматизировать процесс измерения элементов водного баланса почвогрунтов, повысить точность измерения, кроме того, появляется возможность изучать водный баланс почвогрунтов путем моделирования уровня воды в монолите почвы или работы его в режиме с постоянным уровнем подержания в измерительной емкости в зависимости от уровня монолита почвы, а значить, иметь возможность решить научно-исследовательские вопросы на составляющие баланса в целом.