ЛИЗИМЕТР
LIZIMETER

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, 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-грунта. 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, 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 мене 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 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 и напорности между дренами, которыми образуется депрессионная кривая. Сама формула уже показывает, ошибка в погрешности измерения будет существенно влиять на достоверность проводимых исследований и тем самым 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).
Недостаток 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 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 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 сброс излишков воды на составляющие водобаланса и погрешность дозирования на сброс воды.
Технической задачей является выполнение возможности повышения точности лизиметра и исключения погрешности экспериментальных данных и, одновременно, расширение области применения по заданной программе.
Поставленная задача в конструкции лизиметра, включающая 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 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, 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.
Кроме того, конец дренажной трубки, расположенный в мерной емкости, направлен к дну последней.
Кроме того, крышка емкости снабжена градуированной стойкой в виде шкалы напротив указательной стрелки, причем шкала состоит из разноцветных светящихся отсчетных и разделительных полос.
Кроме того, фиксатор положения сифона на механизме подъема выше крышки емкости содержит регулировочное приспособление в виде винта.
Такая конструкция лизиметра в условиях эксплуатации позволяет настраивать лизиметр с помощью настройки фиксатора положения с винтом в виде вертикального стержня щитка, размещенного в направляющих рамки, закрепленной в перегородке в щитке, с отверстием, в котором закреплено колено сифона, и 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. При этом это дает возможность вертикально и свободного перемещения вертикального фиксатора положения винта и настройки на поддержание оптимального уровня через сифон в емкости монолита почвы в зависимости от проведения опытов на делянке и с применением культуры выращивания на ней, т.е. многолетние травы, зерновые, картофель и т.д. Данная связь, которая связана с переходными процессами самого сифона и его элементов в режиме срабатывания, дренажной трубки и поплавкового привода с запорным органом в диапазоне различных уровней емкости монолита почвы, позволяет поддерживать автоматический режим и фиксировать положение сифона с его элементами, создавая перемещением фиксатора при помощи винта, вместе с которым перемещается сифон, дренажная трубка, поплавок и клапан, и тем самым удобство, а также регулирования дискретного сброса излишков воды. Размещение градуированной стойки в виде шкалы вертикального винта с указательной стрелкой в заданном диапазоне уровней, определяет искомую величину наполнения воды в измерительной емкости.
В таких условиях можно проводить 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 отводящую трубу.
Таким образом, после достижения определенного уровня свободной поверхности жидкости в мерной емкости, совпадающей с торцом восходящего участка дренажной трубки, жидкость по дренажной трубке и сифону перетекает из мерной емкости во вторую часть емкости (дренажный колодец) с отводящей трубой. Поплавок в это время поднимается, поворачивает двуплечий рычаг по часовой стрелке. Запорный орган открывает впускное отверстие дренажной трубки. Однако отток через дренажную трубку мал, поэтому уровень свободной жидкости в мерной емкости продолжает подниматься. Как только уровень свободной поверхности жидкости в мерной емкости достигнет изгиба сифона, последний включается в действие, т.е. по нему начинает сбрасываться (течь) жидкость, при заполнении ею всего сечения нисходящей ветви (участка) сифона. При этом небольшая часть потока жидкости, набегающая на конец дренажной трубки, расположенной внутри сифона, поступает в мерную емкость. Таким образом, мерная емкость наполняется за счет двух потоков жидкости, т.е. также из монолита почвы, так как здесь играет роль сумма расходов жидкости, втекающей в мерную емкость.
Изменяя степень открытия клапана, можно изменить расход потока, проходящего по дренажной трубке. Таким образом, можно изменять 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».
Все это в целом улучшает качество и точность регулирования уровня в монолите почвы на опытном участке для проведения экспериментальных исследований в естественных условиях, а в целом происходит плавное поступление и сброс нижнего объема жидкости через изгиб (колено) сифона, и может соответствовать для поддержания оптимальных уровней вод и влажности почвы по фазам развития основных сельскохозяйственных культур (например, для многолетних трав, для зерновых, для картофеля).
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 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 6. В хорошо проницаемом 2 образце почвы размещен датчик влажности 7. Вертикально установленная емкость 6 разделена на измерительную емкость 9 и дренажный колодец 10 перегородкой 8, в средней части которой 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.
Устройство содержит также дренажную трубку 16, запорного органа 17, регулируемый клапан 18, горизонтального двуплечего рычага 19, поплавка 20 со штоком 21 и Г-образного рычага 22, связанного с восходящей ветвью 23 сифона 15.
Мерная емкость 9 является основной деталью лизиметра. Она объединяет все остальные детали и служит для сброса излишков воды в дренажный колодец с отводящей трубой 24. Клапан 18 служит для регулирования расхода воды, движущейся по сифону 15 и дренажной трубки 16. Клапан 18 изменяет программу выдачи сброса дозы и регулирования параметров работы лизиметра. По сифону 15 вода переливается в дренажный колодец 10. Дренажная трубка 16 с клапаном 18 перепускает различное количество воды из сифона 15 в мерную емкость 9 и изменяет программу выдачи дозы на сброс воды сифоном 15 и параметры лизиметра в целом. В дренажный колодец 10 поступает сброс воды, выданный за один период работы лизиметра для данной конкретной сельскохозяйственной культуры.
н
Запорный орган 17 закрывает дренажную трубку 16, в результате чего разрыв сплошности потока в сифоне 15 в момент его выключения осуществляется только при расходе Q, т.е. отвод воды за счет запорного органа 17 из дренажной трубки 16 в момент выключения сифона 15 отсутствует. Это, в свою очередь, облегчает разрыв сплошности потока в момент его выключения.
Поплавковый привод, состоящий из деталей 19, 20, 21 и 22, предназначен для открывания и закрывания нижнего отверстия дренажной трубки с помощью запорного органа 17. Клапан 18 расположен на горизонтальной части дренажной трубки 16.
Восходящая ветвь 23 сифона 15 размещена внутри емкости 9, а нисходящая ветвь сифона 15 расположена в дренажном колодце 10.
Один конец трубки 16 герметично пропущен через щиток 12 и расположен в нисходящей ветви сифона 15 и направлен вверх к его колену, а второй - в мерной емкости 9. Конец дренажной трубки 16, расположенный в мерной емкости 9, направлен к дну последней. Дренажный колодец 10 соединен с отводящей трубой 24.
Клапан 18 выполнен регулируемым и размещен между мерной емкостью 9 и нисходящей ветвью сифона 15. Восходящая ветвь 23 устройства в виде сифона 15, в средней части которого шарнирно закреплен двуплечий рычаг 19 на одном плече, которого закреплен запорный орган 17, а на другом плече - поплавок 20.
Для измерения поступившей фильтрующей воды (жидкости) в мерную емкость 9 над крышкой 25 емкости 6 закреплена градуированная стойка 26 с возможностью размещения на ней системой индикации в виде шкалы из разноцветных светящихся отсчетных и разделительных полос. Имеется возможность экспресс-контроля значений уровней в мерной емкости 9 в заданных интервалах изменений расхода. Разноцветные светящиеся отчетные полосы, соответствующие расчетному расходу воды, могут быть, например, белыми, а разделительная полоса черная, что соответствует перемещением зафиксированного положения вертикального винта 13, вместе с которым перемещается щиток 12, сифон 15 и все другие его связанные между собой элементы в целом для сброса воды, а также светящиеся краской указательной стрелки 27 на винте 13.
Таким образом, состояние УГВ от поверхности почв и влажности почвы зависят как по периодам проведения работ, так и по культурам и их фазам развития сельскохозяйственных культур, т.е. на данный период роста растений. Все элементы выполнены съемными и взаимозаменяемыми при настройке.
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 его 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 лизиметра не рекомендуется устанавливать в микропонижениях и западинах. Таким образом, имеется перепад перед отводящим оголовком отводящей трубы 24.
После достижения определенного уровня свободной поверхности воды (жидкости) по дренажной трубке 16 и сифону 15 перетекает из мерной емкости 9 в дренажный колодец 10. Поплавок 20 в это время поднимается, поворачивает рычаг 19 по часовой стрелке. Запорный орган 17, выполненный также в виде клапана, отрывает выпускное отверстие дренажной трубки 16.
Расход воды, движущейся по дренажной трубке 16, меньше, чем расход воды, поступающей по перетекающей трубе из емкости 1 в мерную емкость 9. Поэтому уровень свободной поверхности воды в мерной емкости 9 продолжает подниматься. Как только уровень свободной поверхности воды в мерной емкости 9 достигнет колена, сифон 15 включается в действие, т.е. по нему начинает течь вода (переливаться), при заполнении ею всего сечения нисходящей ветви сифона 15.
Обычно максимальный уровень находится выше, колена (гребня) сифона 15 на величину Δh, где Δh - гидравлическое сопротивление сифона 15 для сброса воды. Величина Δh никогда не превышает 1,5…3,0 диаметра сифона 15.
За счет гидродинамического давления потока, набегающего на конец дренажной трубки 16, расположенной в сифоне 15, часть воды перетекает через дренажную трубку 16 и поступает в мерную емкость 9.
с
Таким образом, мерная емкость 9 наполняется за счет двух потоков воды, движущейся по дренажной трубке 16 с расходом Q.
н
с.макс.
с
Обязательным условием нормальной работы лизиметра является то, чтобы сумма расходов воды, втекающей в мерную емкость 9, была меньше расхода воды, вытекающей из мерной емкости 9 через сифон 15, в момент включения сифона, т.е. , где О - расход воды, поступающей в мерную емкость 9 из почвогрунта емкости 1; Q - расход воды, поступающей в мерную емкость 9 по дренажной трубке 16 в момент, когда уровень свободной поверхности воды выше колена сифона 15; Q - расход воды, протекающий по сифону 15 и поступающий в дренажный колодец 10 при полностью открытом клапане 8 на дренажной трубке 16 и максимальном напоре Н, т.е. от дна дренажного колодца 10 до впускного конца восходящей ветви 23 сифона 15.
При выполнении условия, вышеописанного формулой (1), уровень свободной поверхности воды в мерной емкости 9 опускается. При этом поплавок 20 опускается и поворачивается против часовой стрелки рычаг 19 и закроет нижнее отверстие дренажной трубки 16 с помощью запорного органа 17.
При совпадении уровня свободной поверхности воды в мерной емкости 9 нижнего конца восходящей ветви 23 воздух из атмосферы поступает в сифон 15, происходит разрыв потока воды, и он выключается из работы. Далее цикл повторяется до тех пор, пока вода будет поступать из монолита почвы емкости 1.
с.макс.
Изменяя степень открытия клапан 18, можно изменить расход потока, проходящего по дренажной трубе 16. Таким образом, можно изменять программу сброса воды и параметры работы лизиметра. При любом промежуточном положении клапана 18 расход воды, протекающей по дренажной трубке 16 из сифона 15 в мерную емкость 9, находится в пределах от 0 до Q
c
макс.
кол
кл
вых
вых
мин
Расход воды, протекающей по дренажной трубке 16, находят по формуле , где w - площадь поперечного сечения дренажной трубки 16; g - ускорение земного тяготения; Н - максимальный напор, вызывающий истечение воды через сифон 15; Δh - гидравлические сопротивления потока воды, движущейся по дренажной трубке 16, причем , где - коэффициент гидравлических сопротивлений при входе; ξ - коэффициент гидравлических сопротивлений колена, ξ=0,7; ξ - коэффициент гидравлического сопротивления клапана 18 при его полном открытии; ξ - коэффициент гидравлического сопротивления из дренажной трубки 16 в мерную емкость 9, его можно определить по графикам гидравлического Справочника. Коэффициент ξ гидравлического сопротивления можно ориентировочно принять равным 1; λ - коэффициент гидравлического сопротивления по длине дренажной трубки 16. Этот коэффициент определяется по графикам Никурадзе (по гидравлическому Справочнику) в зависимости от числа Рейнольдса и относительной шероховатости внутренней поверхности дренажной трубки 16. Ориентировочно его можно принять равным 0,02…0,03;  - длина дренажной трубки 16; d - диаметр дренажной трубки 16; V - скорость движения воды в дренажной трубке 16 в момент включения сифона 15.
Влажность почвы измеряют датчиком влажности 7, а положение 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, поплавок 20 со штоком 21, закрепленные к Г-образному рычагу 22, жестко связанные с восходящей ветвью 23 сифона 15, дренажная трубка 16, запорный орган 17, указатель стрелки 27, должны иметь возможность перемещения и фиксации с винт-гайкой над крышкой 25. Таким образом, наличие винта 13 позволяет задавать поднятие всего устройства или его опускание в целом.
Преимущество предлагаемого лизиметра - удобство и бесступенчатость регулирования параметров работы лизиметра для каждой отдельно взятой сельскохозяйственной культуры и программы сброса воды в дренажный колодец, а это, в свою очередь, позволяет по сравнению с известными повысить точность измерения сброса расходов воды, соответствующих фазам развития культуры, которое устанавливается всем устройством, определяемым поливом или дождеванием, и тем самым повысить точность расчета режима орошения. Одновременно расширяется область применения лизиметра, при этом появляется возможность уточнить формулу для расчета дренажной трубки, исследовать взаимосвязь с работой сифона, составляющих водного баланса, получить теоретическую формулу и проверить существующие формулы для поливов и напорности на модуль дренажного стока, а следовательно, повысить точность расчетов параметров дренажа на опытном участке, а также другие исследовательские вопросы на составляющие водного баланса, когда измерительная емкость служит для поддержания воды в монолите почвы на заданном уровне предложенным устройством в целом.