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, МПК G01N 33/24 от 16.03.1971).
2
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. Площадь таких опытных делянок должна составлять не менее 8…10 м, на которых должны быть установлены лизиметры в количестве не 14…16 штук для получения достоверности полученных конечных результатов. Другим недостатком является то, что он сложен в работе, а это приводит к занижению показателей инфильтрации.
Известен также испаритель, включающий лизиметр, связанный через коромысло с устройством для подачи воды в лизиметр, состоящий из доливного бака с поплавком самописца уровня воды и водотранспортирующей трубы с воронкой, сообщающейся с доливным баком посредством игольчатого клапана, устройство для подачи воды в лизиметр снабжено установленным над доливным баком осадкоулавлителем со сливом в доливной бак и с площадью зеркала, равной площади поверхности почвы в лизиметре (Авторское свидетельство SU №530544, G01N 33/24, A01G 25/00 от 20.08.1976).
Недостатком известного устройства, как и вышеописанного аналога, - это слишком сложное для полевых лизиметров для опытных делянок в исследованиях, снижает область применения, необходимы сложные расчетные формулы, чтобы получить их для расчета величины напорности и проверить существующие эмпирические зависимости, смоделировать влияние осадков, поливов и дождевание.
Известен и другой лизиметр, включающий емкость с образцом почвогрунта, дно-фильтр, соединенный канал, емкость долива и слива, в емкости долива установлена с возможностью вертикального перемещения емкость слива, в стенке которой выполнено отверстие (Авторское свидетельство SU №899015, A01G 25/02 от 23.01.1992).
Однако этот лизиметр не обеспечивает оптимальных условий для проведения исследований на опытных делянках, где необходимо быстро отводить излишки (отток) воды из емкости с образцом почвогрунта в герметичную емкость, в которой происходит полив и слив воды, а, следовательно, снижает точность расчета параметров дренажа. Кроме того, 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 водонепроницаемости 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, как следствие, это дает низкую точность определения объема инфильтрационного потока воды. В полевых исследованиях затруднена доставка и заполнение воды для водонапорного бака, а также трудно учитывать соответствующие условия моделирования от естественных осадков, поливов и напорности между дренами, которыми образуется депрессионная кривая. Формула показывает, что ошибка в погрешности измерений будет существенно влиять на достоверность проводимых исследований, а также для получения теоретической формулы. Кроме того, отсутствие на дне лизиметра застилающего слоя, например, геотекстильного материала, недостаточно надежно защищает водораспределительные трубки от их засорения и заохривания почвой, соответственно напорность поступления воды будет замедлено, т.е. отверстия быстро засоряются и выходят из строя.
Известен также лизиметр, включающий емкость с монолитом почвы, связанным через клапан с питающим устройством, имеющим самописец уровня воды с поплавковым приводом, лизиметр 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 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 в поле, т.е. необходимо присутствие высоких уровней грунтовых вод. Однако не все земли имеют высокий уровень грунтовых вод, влияющих на инфильтрацию почвы снизу вверх. Поступление в емкость на контрольном участке грунтовой воды происходит снизу вверх в емкость с монолитом почвогрунта в лизиметре, а, следовательно, это влияет на точность проведения исследований и наблюдений за ростом и развитием растений, определение агрохимических, агрофизических, биологических показателей слоев монолитной почвы. Кроме того, возникают трудности в почвенных образцах слоев монолитной почвы для определения агрохимических показателей почв с достаточной степенью точности, определяемой величиной дозы от поступления полива или дождевания сверху в емкость (бак), и накопление тем самым воды на дне лизиметра, для определения экспериментом оптимальных уровней грунтовых вод и влажности почвы по фазам развития основных сельскохозяйственных культур (многолетние травы, зерновые и т.д.), для того чтобы определить на полевой опытной делянке небольших размеров по площади установки заданного количества лизиметров, а также для того, чтобы поливные, талые и дождевание воды проходили через почвенную толщу на опытных делянках через слои монолитной почвы. При этом излишки должны отводиться из емкости с последующей откачкой воды в отводящие трубы. Этим самым исключается подпор капиллярно-поступающей воды, для того чтобы определить точность учета количества и качества инфильтрационных вод. При этом применение данного устройства в основном связано в работе с близким (высоким) залеганием грунтовым вод, тогда как на землях с глубоким залеганием грунтовых вод требуется полив или дождевание опытных делянок с последующей откачкой излишков воды из емкости для поддержания оптимальных уровней вод и влажности почвы по фазам развития основных сельскохозяйственных культур (например, УГВ: для многолетних трав - 70…90 см; для зерновых - 60…85 см; для картофеля - 75…95 см).
Технической задачей является снижение трудоемкости контроля путем сокращения элементов контроля уровня воды при поливе или дождевании для низконапорного грунтового питания и расширение области применения.
Поставленная задача в конструкции лизиметра, включающий емкость (1) с монолитом почвы, сообщающуюся с вертикально установленной емкостью (6), 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, перекрываемого 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 (16), при этом колено сифона (15) закреплено внутри отверстия (11) в щитке (12), выполненном с возможностью вертикального фиксированного перемещения относительно проема (11) в перегородке (8), причем емкость (6) сообщена гидравлически с поддоном емкости (1) монолита почвы.
Кроме того, емкость (1) с почвогрунтовым монолитом заполнена двумя различными по водопроницаемости слоями фильтра - монолит исследуемой почвы (2) и нижний слой, выполненный из геотекстильного материала (3), уложенного на сетку (4) сверху поддона (5).
Кроме того, между слоями фильтра геотекстиля (3) и поверхностью почвы (2) расположен датчик влажности (7).
Таким образом, исключается подпор выпавшего естественного осадка, полива или дождевания для капиллярного поднятия выше расчетного слоя почвы (депрессионная кривая) и соответствующий условиям, максимально приближенным условиям капиллярного поднятия в почве, а, следовательно, получается более простое получение достоверного количественного и качественного состава депрессионной кривой в расчетном слое почвы.
Наличие щитка, размещенного в направляющих рамки, закрепленной на перегородке, в щитке, с отверстием которого закреплено колено сифона, дает возможность размещать сифон по высоте вместе со щитком, прямоугольной формы исполнения, в период отвода излишков воды, при достижении критического уровня, и обеспечить работу сифона полным сечением на сброс воды из емкости до установления расчетного уровня в емкости с монолитом почвы. Вследствие этого не требуется сложных сопрягающихся переходных участков и элементов в лизиметре, причем щиток с сифоном достаточно будет, например, с помощью ручной настройки винтового подъемника и их подвижности по отношению неподвижной перегородки в направляющих установить заданную высоту подъема над
2
уровнем воды в емкости (на УГВ) от поверхности почвы и фиксации их при помощи механизма подъема на определенную культуру севооборота с последующим учетом их фазы развития на опытной делянке до заданного значения, состоящей не менее чем из 14…16 штук лизиметров на исследуемой площади зеркала 8…10 м. Это в свою очередь повышает возможность получить более достоверный результат с малой ошибкой погрешностью измерений. Уплотнение щитка между направляющими, выполненными из уголков на перегородке, обеспечивает отсутствие утечек воды как выше колена сифона, так и ниже его. Таким образом, после настройки конец нисходящей ветви сифона в дренажном колодце расположен ниже уровня воды в емкости перед перегородкой в регулирующей емкости. При этом емкость может также иметь дистанционное управление для автоматического действия. Кроме того, при наличии закругленного дна в емкости и дренажного колодца сброс воды вместе с взвешенными фракциями почвы будет периодически их промывать в отводящий коллектор, что позволяет обеспечить надежность работы лизиметра. После сброса инфильтрата в емкости происходит новый цикл дискретного наполнения водой. Таким образом, под критической глубиной депрессионной кривой понимается такое ее положение, при котором не происходит превышение воды в емкости почвогрунта в зоне аэрации и обеспечивается поступление воды в корнеобитаемую зону по площади зеркала почвы. Такой подход к конструкции лизиметра на опытном участке также позволяет уменьшить материалоемкость устройства.
Оригинальность и простота указанного устройства обеспечивает защиту от отложения взвешенных частиц грунта на дно емкости с достаточной точностью измерения исследуемых результатов опыта.
Исходя из вышесказанного, авторы считают возможным утверждать, что предлагаемое техническое решение отвечает критерию «существенные отличия».
На фиг. 1 показан опытный участок с лизиметрами, план; на фиг. 2 показана схема лизиметра, поперечный разрез.
Лизиметр содержит металлический корпус емкости 1, заполненный монолитом почвогрунта, причем емкость заполняется двумя различными водопроницаемыми слоями фильтра, исследуемого образца почвы 2 и дна-фильтра, выполненного из геотекстильного материала 3, уложенного на сетку 4, перекрывающих поддон 5, соединенный гидравлически с металлической вертикально установленной емкостью 6. Ниже поверхности почвы расположен датчик влажности 7. Емкость 6 разделена перегородкой 8 на две части: одна часть является измерительной емкостью 9, а вторая часть выполнена в виде дренажного колодца 10, в средней части перегородки 8 выполнено отверстие 11 в виде
проема. Отверстие 11 перекрывается подвижным щитком 12 с механизмом подъема 13, размещенного в направляющих 14, изготовленных из уголков, закрепленных к перегородке 8. В средней части перекрываемого щитка 12 выполнено отверстие, через которое пропущено устройство для сброса воды в виде сифона 15, закрепленного к подвижному щитку 12 (элементы могут быть изготовлены съемными из различных недорогих материалов облегченного типа, например, из полиэтилена и т.п.), нисходящая ветвь сифона 15 выведена в дренажный колодец 10. Колено сифона 15 закреплено внутри отверстия 11 в щитке 12, выполненном с возможностью вертикального фиксированного перемещения относительно отверстия 11 в перегородке 8.
Поскольку состояние расположения УГВ от поверхности почв и влажности почвы зависят как по периодам проведения работ, так и по культурам и их фазам развития сельскохозяйственных культур, вследствие чего с помощью винтового подъемника 13 перемещают щиток 12 с сифоном 15 вверх или вниз на данный период роста растений, соосно отверстию 11 в перегородке 8.
Нисходящая ветвь сифона 15 выведена в дренажный колодец 10 в сторону оголовка отводящего коллектора 16. Подвижный щиток 12 установлен со стороны дренажного колодца 10. Все элементы выполнены съемными и взаимозаменяемыми при настройке.
Лизиметр работает следующим образом.
На опытной делянке, на исследуемом поле, роется траншея, в которой на заданной глубине 1,0…1,8 м устанавливается вертикальная металлическая емкость 1, заполненная исследуемым почвогрунтом, разделенная в нижней части двумя водопроницаемыми слоями фильтра - монолит исследуемой почвы и нижний слой, выполненный из геотекстильного материала 3, уложенного на сетку 4 сверху поддона 5. Поддон 5 емкости 1 соединяется посредством трубы с вертикально установленной емкостью 6, разделенной перегородкой 8 на измерительную емкость 9 и дренажный колодец 10. В перегородке 8, в средней ее части выполнено отверстие 11. Проем 11 перекрывается подвижным щитком 12 с сифоном 15. Это разделяет измерительную часть емкости 9 и дренажный колодец 10 между собой при отсутствии работы сифона 15 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 лизиметры не рекомендуется устанавливать в микропонижениях и западинах. Таким образом, имеется перепад перед отводящим оголовком коллектора 16. В этом случае к винтовому подъемнику 13 крепится шкала (не показано) величины поднятия щитка 12 с тонкой стенкой со сбросным сифоном 15, которые перемещаются совместно в направляющих 14 (рамки), так как направляющие выполнены из уголков, прикрепленных к боковой стенке перегородки 8 вертикально установленной емкости 6. В результате этого, при наличии закругленного дна в измерительной емкости 9 и дренажного колодца 10, сброс инфильтрата вместе с взвешенными частицами почвы будет постоянно промывать  дренажный  коллектор 16.
Зависимость поднятия или опускания щитка 12 с сифоном 15 определяется до проектных отметок под определенную культуру севооборота и их фазам развития представлены в таблице.
Таким образом, в течение всего периода работы лизиметра, соответствующего фазам развития культуры, устанавливается передвижной щиток 12 с сифоном 15, определяемым поливом или дождеванием опытного участка (делянки).
Лизиметр позволяет реализовать дискретный сброс излишков воды (здесь легко можно осуществить телеметрию исследований). Поскольку поступление в емкость с монолитом почвогрунта поступает вода поливом или дождеванием, то это учитывается известными
приборами учета, а слив из измерительной емкости в дренажный колодец учитывает объем воды, забираемый сифоном, следовательно, и точность экспериментальных данных возрастает при наборе заданного количество лизиметром на исследуемой делянке, которая оснащается лизиметрами не менее 14…16 штук.
Применение изобретения позволит снизить трудоемкость и материалоемкость, а также благодаря прочности фильтра из геотекстиля (геотекстильный фильтрационный материал) предотвратит большое поступление взвешенных фракций почвы на работу сифона и позволит достичь необходимого технического результата вследствие взаимной гидравлической связи емкости монолита, мерной емкости со щитком с сифоном и дренажного колодца, связанного с коллектором, когда происходит сброс излишков воды.