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 почвогрунта. Дно-фильтр, соединительный канал, емкость долива и слива, в стенке которой выполнено отверстие (Авторское свидетельство SU №899015, A01G 25/02 от 23.01.1998).
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, при установке 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 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 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 затруднена доставка и заполнение водой водонапорного бака, кроме того, достаточно трудно учитывать соответствующим условиям моделирования от естественных осадков в природе, поливов напорности между дренами, которыми образуется депрессионная кивая. 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 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 вод 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, 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 верх, 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 возникает в связи с этим трудности наблюдение 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. Пример, на землях, при глубоком залегании грунтовых вод требуется полив ил 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, перекрывающего 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 оно требует определения сложных гидравлических расчетов при критическом поднятии уровня выше колена (горловина) сифона, закрепленного жестко к щитку, выполненным с возможностью вертикального перемещения относительно проема в перегородке. Кроме того, работа сифона зависит от впуска атмосферного воздуха в колено сифона, а это означает, что точность управления работой сифона низка на сброс излишков воды из измерительной емкости при пропуске, когда необходимо сбросить излишки воды через сифон плавно, т.е. возникают скачки забора воды сифоном, а значит большие и резкие колебания уровня по высоте наполнения емкости, которая гидравлически связана с уровнем воды почвогрунта монолита в емкости, в конечном итоге это влияет на составляющие водобаланса и погрешность дозирования на сброс воды.
Задача предлагаемого изобретения заключается в повышение эффективности за счет обеспечения плавного впуска нужного объема воздуха в горловину сифона.
Технический результат от использования изобретения заключается в автоматическом переключении и поддержании работы сифона на сброс воды при повышении уровня в емкости и возможность повышения точности лизиметра по заданной программе, а также в разобщении полости сифона с атмосферой при помощи воздушного патрубка и его разряжения в работе.
Технический результат достигается тем, что лизиметр, включающий емкость (1) с монолитом почвы, сообщающуюся с вертикально установленной емкостью (6), поддон (5) и элементы контроля уровня воды, установленная емкость (6) разделена на измерительную емкость (9) и дренажный колодец (10) перегородкой (8), в средней части которой выполнено отверстие (11) в виде проема, перерываемого подвижным щитком (12) снабженным устройством для сброса воды в виде сифона (15), нисходящая ветвь которого выведена в дренажный колодец (10) в сторону оголовка отводящего закрытого коллектора (29), при этом колено сифона (15) закреплено внутри отверстия (11) в щитке (12), выполненном с возможностью вертикального перемещения относительно проема (11) в перегородке (8), причем емкость (6) сообщена гидравлически с поддоном емкости (1) монолита почвы, колено сифона (15) дополнительно снабжено в размещенной измерительной емкости (9) неподвижно размещенным корпусом (17) с воздушным патрубком (16) и двухклапанный запорный орган выполнен в виде контактно связанных между собой стержнем (21) двух конусов (18, 19), которые установлены соосно друг другу конусами вниз, причем один из конусов (18) размещен в верхней части корпуса (17) и снабжен штоком (20), связанным с двуплечим рычагом (22) с поплавком (23), последний который перемещается между ограничительными кольцами (25, 26).
Кроме того, нижнее ограничительное кольцо (26) ниже поплавка (23) установлено на уровне гребня колена сифона (15) при поднятом вверх запорного клапана (19), размещенного внутри неподвижного корпуса (17), крышка последнего которого является ограничителем перемещения вниз посредством двуплечего рычага с поплавком (23).
Кроме того, верхний ограничитель (25) выше положения поплавка (23) на штоке (24) содержит регулировочное приспособление в виде винта-гайки.
Кроме того, опорный рычаг (28) двуплечего рычага (22) с шарниром (27) соединен с корпусом (17).
Такая конструкция лизиметра в условиях эксплуатации позволяет настраивать лизиметр с помощью сифона и его элементов в виде неподвижно закрепленного корпуса с воздушным патрубком и двухклапанным запорным органом. При этом это дает возможность при настройке на определенную культуру полива, подержание оптимального уровня через сифон без скачков и производит плавно сброс излишек воды, соответственно, поддержание уровня в монолите почвы в зависимости от проведения опытов на делянке с различными культурами выращивания по фазам их роста. Данная связь, которая связана с переходными процессами работы сифона и его элементов в режиме срабатывания двухклапанного запорного органа и связанных с двуплечим рычагом с поплавком, размещенным на штоке между двумя ограничительными кольцами.
Таким образом, при сообщении полости сифона с атмосферой сифон может разряжаться плавно без скачков, и, наоборот, при разобщении полости сифона с атмосферой, заряжаться в полном объеме. Засчет поплавкового шарнирно-рычажного привода не требуется определять максимальную отметку колена сифона, только исходя из критической глубины наполнения воды в почвогрунте емкости (монолита почвы), так как сброс будет происходить плавно и постоянно засчет автоматического управления поплавкового шарнирно-рычажного привода с двумя конусными клапанами разной конфигурации, перекрывающими воздуховпускные отверстия в корпусе, связанном через патрубок с горловиной сифона. Размещение градуированной стойки с вертикальной стойкой в виде винта с указательной стрелкой в заданном диапазоне уровней, определяет искомую величину наполнения воды в измерительной емкости.
В таких условиях можно проводит экспресс-информацию для визуального замера уровня воды в емкости по водомерной шкале более точно, т.е. разноцветные полосы шкалы системы индикации позволяют дополнительно допускать заданную погрешность приборов контроля ±1,0 см и вычислять расход, сбрасываемый в дренажный колодец посредством сифона с его новыми элементами, далее в сбросную отводящую трубу. Таким образом, можно изменить программу выдачи сброса и параметры работы сифона, а значит лизиметра.
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 показана схема лизиметра, общий вид в разрезе.
Лизиметр содержит корпус емкости 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, а вторая часть выполнена 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. Колено сифона 15 закреплено внутри отверстия 11 в щитке 12, выполненное с возможностью фиксированного перемещения относительно отверстия 11 в перегородке 8.
Сифон 15, воздушный патрубок 16 с корпусом 17, в котором размещен двухклапанный запорный орган. Корпус 17 расположен в мерной емкости 9. Запорный орган выполнен в виде конусов 18 и 19, размещенных соответственно в нижней и верхней частях корпуса 17. Конус 18 размещен на штоке 20 и соединен посредством стержня 21 с конусом 19. Шток 20 соединен через шарнир с двуплечим шарнирно-рычажным приводом, выполненным из рычага 22 с поплавком 23, перемещающимся на штоке 24 между ограничительными кольцами 25 и 26. Верхнее ограничительное кольцо 25 размещено на штоке 24 с возможностью относительного перемещения. Причем рычаг 22 посредством шарнира 27 соединен дополнительно опорным рычагом 28.
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 29.
Для измерения поступившей фильтрующей воды (жидкости) в мерную емкость 9 над крышкой 30 емкости 6 закреплена градуированная стойка 31 с возможностью размещения на ней системой индикации в виде шкалы из разноцветных светящихся отсчетных и разделительных полос, а также светящейся указательной стрелки 32. Разноцветные светящиеся отсчетные полосы, соответствующие расчетному расходу воды, могут быть, например, белыми, а разделительная полоса - черной, что соответствует перемещениям зафиксированного положения вертикального винта 13, вместе с которыми перемещается патрубок 16 с корпусом 17, двуплечий шарнирно-рычажный привод и поплавок 23, связанные в единое целое устройство между собой для сброса излишков воды.
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 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 перепад перед отводящим оголовком отводящей трубы 29.
Фильтрующая из почвогрунта вода через геотекстильный материал 3 поступает в поддон 5, далее заполняет измерительную емкость 9. Поплавок 23 в это время опущен вниз, поворачивает двуплечий рычаг 22 с запорным органом корпуса 17.
При достижении в емкости 9 уровня воды, соответствующего уровню в почвогрунте емкости 1, поплавок 23, перемещаясь на штоке 24 вверх к верхнему ограничителю кольца 25, на заданной отметке уровня колена сифона 15 за счет движения поднимается, перемещая рычаг 22 со штоком 20 по часовой стрелке. Запорный орган в виде конусов 18 и 19 закрывается, и сифон 15 начинает срабатывать и сбрасывать излишки воды до заданной отметке. Но так как уровень воды в емкости начинает при этом понижаться, то поплавок 23, опускаясь вниз, приподнимает оба конуса 18 и 19 и приоткрывает нижнее и верхнее воздуховыпускные отверстия в корпусе 17 (площадь открытия отверстий зависит от формы конструкции конусов), доступ воздуха в горловину (колено) сифона 15 увеличивается и поэтому производительность сифона 15 остается прежней. Таким образом, переходной процесс протекает плавно без скачков.
При снижении уровня воды в измерительной емкости 9, соответственно, и в почвогрунте емкости 1, увеличивается сначала суммарная площадь обоих воздуховпускных отверстий в корпусе 17, а при дальнейшем снижении площадь только нижнего воздуховпускного увеличивается больше, тем самым производительность сифона 15 остается прежней, несмотря на уменьшение гидравлического перепада в измерительной емкости 9. Это связано с тем, что выполнение конуса 19 в виде острого в вершине конуса, а конуса 18, наоборот, в виде тупого в вершине, способствует обеспечению плавного впуска нужного объема воздуха в горловину сифона 15, что необходимо для поддержания расчетного расхода на сброс постоянным в условиях колебания уровня 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 сообщении полости сифона с атмосферой сифон может разряжаться плавно или наоборот заряжаться в работе.
Засчет поплавкового шарнирно-рычажного привода не требуется определять максимальную отметку расчетом расположения колена сифона 15, только исходя из критической глубины в почвогрунте емкости, так как сброс будет происходить постоянно плавно без скачков за счет автоматического управления поплавкового шарнирно-рычажного привода с двумя конусными клапанами разной конфигурации, перекрывающими воздуховпускные отверстия в корпусе, связанные через патрубок с горловиной сифона.
Такая компоновка лизиметра обеспечивает 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.
Влажность почвы измеряют датчиком влажности 7, а положение уровня 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, винт 13 щитка 12, сифон 15, корпус 17 с его запорным органом и двуплечим рычагом 22 с поплавком 23, связывают с указателем стрелки 32 и фиксации винта-гайки стержня в виде винта 13 над крышкой 30. Таким образом, наличие винта 13 позволяет задавать понятие или опускание компактно в одном узле устройства в целом.
Такая компоновка лизиметра обеспечивает возможность надежного и точного увлажнения корнеобитаемого слоя испытываемой почвы в емкости вблизи естественного поля, определяемого поливом или дождеванием, что повышает точность расчета режима орошения. Пи этом расширяется область применения лизиметра, исследования и взаимосвязь с работой сифона, составляющих водного баланса для поливов и напорности на модуль стока, а, следовательно, повысить точность расчетов параметров дренажа на опытной делянке, и возможность решить другие исследовательские вопросы на составляющие водного баланса в целом.