СПОСОБ УЧЕТА ВОДНОЙ ЭРОЗИИ ПОЧВЫ
METHOD TO REGISTER WATER EROSION OF SOIL

Изобретение относится к сельскому хозяйству и предназначено для учета водного стока и смыва почвы с опытного участка, например, для оценки эффективности противоэрозионных мероприятий. Для этого участок обваловывают, а в месте концентрации потока периодически определяют его интенсивность и отбирают пробы воды. Пробы фильтруют, на фильтрах собирается осадок, который сушится и взвешивается. Затем строят графики интенсивности стока и выноса твердой фазы почвы (1). Ливневые стоки отличаются внезапностью, интенсивностью и динамичностью. Это затрудняет работу наблюдателя и снижает надежность результатов. При быстрой динамике процесса его дискретное представление может быть неадекватным, кроме того, при ручном отборе проб не учитывается неоднородность потока. Крупные частицы движутся ближе ко дну, и необходимо отбирать средневзвешенную пробу из всего сечения русла. Также нужно отметить трудоемкость анализа многочисленных проб.
Указанные недостатки частично снимаются автоматизацией эксперимента. При этом учет стока и отбор проб не требуют присутствия наблюдателя. Например, при применении устройства по А.С. №922517, G01F 11/22, учет водного стока происходит порциями с помощью одноковшовой качалки (2). Выплеск из ковша качалки попадает на водоотделитель, который представляет собой щель между двумя параллельными пластинами. Коэффициент водоотделения пропорционален ширине щели. Достоинством качалки с водоотделителем является сохранение фракционного состава и процентного содержания осадка в ходе водоотделения независимо от интенсивности стока. Способ учета эрозии почвы с помощью этого устройства можно взять за прототип.
Недостатком применения указанного устройства является дискретный характер взятия проб в определенные моменты времени, что снижает точность определения смыва почвы. Велики трудозатраты на обработку и анализ собранных проб.
Целью предлагаемого изобретения является повышение точности и упрощение учета смыва почвы.
1
н
кn
ос
1
2
ос
1
2
1
Сущность изобретения заключается в том, что сток, отобранный водоотделителем, с коэффициентом деления K непрерывно подают в накопительную емкость достаточно большого объема. По окончании стока измеряют накопленный объем V и устанавливают коэффициент водоотделения , заменяют накопительную емкость емкостью для взятия окончательной пробы, воду с осадком в накопительной емкости взмучивают и повторно пропускают через качалку с водоотделителем. Измеряют объем полученной окончательной пробы V, фильтруют ее и определяют вес сухого осадка на фильтре Р. Окончательная проба является средней, отражающей в миниатюре весь произошедший сток. Объем окончательной пробы делят на произведение K·К и получают величину полного объема стока. Вес осадка Р также делят на произведение K·К и получают вес смытой с участка почвы. Перед началом работ по предложенному способу необходимо определить зависимость коэффициента водоотделения от ширины щели в водоотделителе. Для этого наполняют ковш отмеренным объемом воды, опрокидывают его и собирают сток из водоотделителя. Делят объем полученного стока на объем воды в ковше и получают коэффициент водоотделения для данного размера щели. Затем меняют размеры щелей и повторяют эти операции. По полученным данным строят график указанной зависимости, который позволяет находить размер щели для требуемой величины коэффициента водоотделения. Прогнозируют возможный объем стока, учитывая метеоданные, размер стоковой площадки, свойства почвы и состояние пахотного слоя. Используют также предыдущий опыт. Выбирают первоначальную величину коэффициента K и устанавливают размер щели в водоотделителе. С запасом выбирают объем накопительной емкости. Устройство устанавливают в приемной части стоковой площадки.
Работа по предлагаемому способу иллюстрируется фиг.1.
1
2
Сток по желобу 1 подают в ковш качалки 2. Ковш, наполняясь, опрокидывается, отклоняясь на угол 90°, и сливает порцию воды на водоотделитель 3. Часть выплеска попадает в щель между стенками водоотделителя и ее направляют в накопительную емкость 4. С завершением стока измеряют объем воды в емкости 4 и изменяют коэффициент водоотделения, чтобы при пропуске накопленного объема получить объем окончательной пробы около 1 л. Указанная величина не требует строгого соблюдения, она лишь подходит для фильтровального оборудования. Емкость 4 заменяют на емкость 5. Затем воду с осадком в емкости 4 взмучивают и вручную выливают в желоб 1. Полученную пробу анализируют обычным образом, определяют ее объем и вес осадка. Для расчета общего объема стока и массы смытой почвы результаты, полученные от анализа пробы, делят на произведение коэффициентов водоотделения K и К в обеих операциях.
Пример - опыт с моделированием ливневого стока на большом гидрологическом лотке факультета Почвоведения МГУ. Лоток позволяет регулировать расход водного потока и дозировано вносить в него взвесь измельченной почвы, имитируя таким образом смыв в результате водной эрозии. Ливневые стоки носят быстротечный характер, длятся обычно не более часа-двух. Интенсивность смыва почвы зависит от предварительного увлажнения ее осадками и может достигать очень больших величин. После окончания ливня сила потока и смыв почвы постепенно уменьшаются. В модельном опыте максимальная интенсивность потока составляла 10 л/мин, мутность доходила до 7 г в литре воды.
Предварительно перед началом работы необходимо установить зависимость между коэффициентом водоотделения и шириной щели между стенками водоотделителя. Стенки выполнены из листового оцинкованного железа и стягиваются винтами, на которые надеты втулки, расположенные между стенками. Для практических целей удобнее знать зависимость коэффициента водоотделения от размера втулок. Были изготовлены наборы втулок разного размера и для каждого определен коэффициент водоотделения. Для этого ковш качалки наполнялся 5-ю литрами воды и опрокидывался. Собирался и измерялся сток после водоотделителя. Так повторялось три раза и определялась средняя величина коэффициента водоотделения для каждого типоразмера втулок. Результаты приведены в таблице.
Длина втулок, мм
28,2
20
14,1
10
7,5
5
3,5
Коэффициет водоотделения
0,13
0,093
0,066
0,047
0,037
0,021
0,015
1
1
кn
ос
1
2
1
2
1
2
-3
График зависимости коэффициента водоотделения от длины втулок представляет собой прямую линию в логарифмическом масштабе. В дальнейшем графиком можно воспользоваться для того, чтобы определить размер втулок, соответствующий требуемому коэффициенту водоотделения. Перед началом работы оценивают возможный объем стока со стоковой площадки, устанавливают коэффициент водоотделения K и с запасом выбирают объем накопительной емкости. В опыте прогнозировался сток максимум в 300 л. Установлен коэффициент К=0,047 (втулки 10 мм) и объем накопительной емкости 20 л. Опыт длился 1 ч 10 мин с переменной интенсивностью потока и изменением мутности подобно естественному ливневому стоку. За время опыта в накопительной емкости было собрано 12,76 л воды с осадком. Для получения окончательной пробы в 1 л требуется установить . Для этого по графику фиг.2 необходимы втулки размером 16,6 мм. Были составлены втулки из типоразмеров 10 и 5 мм и воспользовались шайбами толщиной 1,5 мм, в сумме 16,5 мм. Увеличили ширину щели в водоотделителе, взмутили объем воды в накопительной емкости и вылили ее в ковш качалки. После 3-х опрокидываний ковша собран объем окончательной пробы V=0,99 л. Фильтрация пробы показала вес сухого остатка почвы Р=2,65 г. Произведение коэффициентов водоотделения К·К=0,047·0,078=3,66·10. Деление объема окончательной пробы на произведение коэффициентов K и К дает общий объем стока . Деление веса осадка на произведение K и К дает вес смытой почвы: .
Данные с гидролотка:
Объем стока по водосчетчику составил 274 л.
Вес израсходованной почвы за опыт 795 г.
Объем стока по предложенному методу определен с ошибкой 1,5%.
Вес смытой почвы определен с ошибкой 9%, что является допустимым при полевых исследованиях.
ЛИТЕРАТУРА
1. Методические рекомендации по учету поверхностного стока и смыва почвы. Л.: Гидрометеоиздат, 1975 г.
2. Устройство для учета водного стока. Авт. свидетельство СССР №922517, G01F/11/22, 1982 г. Бюллетень изобретений №15.