СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ФИЛЬТРАЦИИ ОСУШАЕМЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ ПОЧВОГРУНТОВ НА ОБРАЗЦАХ НЕНАРУШЕННОГО (ПРИРОДНОГО) СЛОЖЕНИЯ
METHOD OF DETERMINING FILTRATION COEFFICIENT OF DRIED MINERAL SOIL ON SAMPLES OF UNDISTURBED (NATURAL) STRUCTURE

Изобретение относится к осушению земель сельскохозяйственного назначения в Нечерноземной зоне и их использованию.
Коэффициент фильтрации положен в основу осушения сельскохозяйственных земель. И это не случайно. Его величина характеризует водопропускную способность почвогрунтов, комплексно отражая почти все их структурные, физические и химические свойства.
Известно, что коэффициент фильтрации изменяется во времени (Костяков А.Н. Избранные труды. - М.: Сельхозгиз, 1961. - С.249). Поэтому расчетное значение коэффициента фильтрации фиксируют на определенный момент времени.
Известен способ определения коэффициента фильтрации грунтов (Булычев В.Г. Механика дисперсных грунтов. - М.: Недра, 1974. - С.63), заключающийся в том, что образец грунта подвергается действию падающего напора (за счет приложения гидростатического давления сверху образца), который вызывает процесс фильтрации жидкости через образец. Отфильтрованная вода отводится в мерный сосуд. На момент начала установившегося процесса фильтрации, т.е. после достижения стабилизации скорости фильтрации, по величине действующего напора и расхода воды, высоте и площади поперечного сечения образца определяют величину коэффициента фильтрации.
Известен способ определения коэффициента фильтрации грунта также с приложением гидростатического давления, но при поддержании на образце постоянного перепада давления. После достижения стабилизации скорости фильтрации измеряют расход жидкости, на основании которого рассчитывают величину коэффициента фильтрации (Чаповский Е.Г. Лабораторные работы по грунтоведению и механике грунтов. - М.: Недра, 1975. - С.135, 137).
По ГОСТу (ГОСТ 23 278 - 78: Методы полевых испытаний проницаемости. - М.: Изд-во стандартов, 1981. - 62 с.) определение коэффициента фильтрации проводят до тех пор, пока в течение последних шести часов не наблюдается уменьшения или отклонения его значений более ±10% от средней величины.
Нужно отметить, что рассмотренные способы относятся к определению коэффициента фильтрации грунтов, а при осушении земель сельскохозяйственного назначения имеем дело с почвогрунтами.
Известен способ определения коэффициента фильтрации на образцах ненарушенного (природного) сложения с целью осушения минеральных почвогрунтов, включающий фильтрацию воды через образец, отобранный из генетического горизонта почвенного профиля, измерение расхода воды, на основании которого определяют значение коэффициента фильтрации (Изучение физических свойств почв на объектах осушения: Пособие к ВСН - 33 - 2.1.02 - 85 «Почвенные изыскания для мелиоративного строительства» / Кафедра физики почв и мелиорации МГУ им. М.В.Ломоносова; Ф.Р.Зайдельман. - М.: Главнечерноземводстрой - Ленгипроводхоз, 1988. - С.56…61).
Общим недостатком известных способов определения коэффициента фильтрации грунтов и почвогрунтов является установление его значения на момент стабилизации процесса фильтрации, в то время как на землях сельскохозяйственного назначения регулирующая осушительная сеть всегда работает в неустановившемся режиме, а установившийся режим есть частный случай. Поэтому значение коэффициента фильтрации, установленное согласно известным способам его определения и применяемое в настоящее время в практике осушения земель сельскохозяйственного назначения (Сельскохозяйственные гидротехнические мелиорации / А.А.Богушевский, А.И.Голованов, В.А.Кутергин и др.; Под ред. Е.С.Маркова. - М.: Колос, 1981. - С.259), позволяет весьма приближенно сделать правильный выбор методов и способов осушения земель и рассчитать параметры регулирующей осушительной сети, что не создает условий для проектирования, строительства и эксплуатации осушительных систем на минеральных почвах на должном технико-экономическом уровне.
Задача, решаемая данным изобретением, заключается в повышении достоверности определения коэффициента фильтрации осушаемых минеральных почвогрунтов на образцах ненарушенного (природного) сложения.
Технический результат от решения поставленной задачи заключается в повышении технико-экономической эффективности осушения минеральных земель, обусловленной более обоснованным выбором методов и способов осушения земель и расчетом параметров осушительной регулирующей сети, сокращающим капитальные вложения на их устройство и текущие затраты на их эксплуатацию.
ф
С
Поставленная в изобретении задача решена тем, что в способе определения коэффициента фильтрации осушаемых минеральных почвогрунтов на образцах ненарушенного (природного) сложения, заключающемся в подаче воды, создании ее фильтрационного потока через образец, отобранный из генетического горизонта почвенного профиля, измерении расхода воды, на основании которого рассчитывают величину коэффициента фильтрации, значение коэффициента фильтрации принимают динамическим, соответствующим кривой его изменения в течение продолжительности фильтрации Т, равной допускаемой продолжительности отвода гравитационной воды [Т] из почвогрунта генетического горизонта, из которого отобран образец, с учетом глубины отбора образца, выращиваемых культур, севооборотов и соответствующей им нормы осушения, но не более продолжительности фильтрации на момент начала стабилизации процесса фильтрации Т, а среднее его значение за период [Т] определяют по формуле:
где Т и К - текущие значения соответственно времени и коэффициента фильтрации в течение периода продолжительностью [Т].
В основе заявленного способа определения коэффициента фильтрации лежит область и цель его применения: сельскохозяйственное использование мелиорированных земель, выбор методов и способов их осушения и расчет параметров регулирующей осушительной сети.
Поскольку регулирующая сеть всегда работает в неустановившемся режиме, время фильтрации воды через образец ограничивают временем отвода гравитационной воды из почвогрунта генетического горизонта, из которого отобран образец, с учетом глубины отбора образца, выращиваемых культур, севооборотов и соответствующей им нормы осушения до наступления установившегося процесса фильтрации, а значение коэффициента фильтрации принимают динамическим, соответствующим кривой его изменения в течение продолжительности фильтрации, равной допускаемой продолжительности отвода гравитационной воды из почвогрунта генетического горизонта, из которого отобран образец, с учетом глубины отбора образца, выращиваемых культур, севооборотов и соответствующей им нормы осушения до наступления установившегося процесса фильтрации. Сроки отвода гравитационной воды известны. Их можно установить, например, по данным, приведенным в Справочнике по осушению земель (Мелиорация и водное хозяйство. Осушение: Справочник / Сост. Е.И. Кормыш; Под ред. Б.С.Маслова. - М.: Ассоциация «Экост», 2001. - С.73). В случае, когда допускаемая продолжительность отвода гравитационной воды из почвогрунта превышает время начала стабилизации процесса фильтрации, в интервале времени от начала стабилизации до окончания процесса отвода гравитационной воды значение коэффициента фильтрации принимают постоянным, минимальным, соответствующим значению коэффициента фильтрации на момент начала стабилизации скорости фильтрации, а продолжительность фильтрации ограничивают временем начала стабилизации скорости фильтрации.
Такой системный подход к определению коэффициента фильтрации почвогрунтов позволяет увязать его определение с планируемым использованием земель и действием осушительной регулирующей сети и при этом - сократить продолжительность фильтрации и затраты не ее проведение; кроме того, - провести более обоснованно выбор методов и способов осушения земель и расчет параметров осушительной регулирующей сети, проектировать, строить и эксплуатировать осушительные системы на минеральных почвах на более высоком технико-экономическом уровне, что, в конечном итоге, повысит технико-экономическую эффективность использования и осушения минеральных земель.
Способ определения коэффициента фильтрации осушаемых минеральных почвогрунтов на образцах ненарушенного (природного) сложения включает следующие операции:
- установление планируемого использования намеченных к осушению земель, нормы осушения и допускаемой продолжительности отвода гравитационной воды [Т] по генетическим горизонтам и их слоям;
- отбор образцов ненарушенного (природного) сложения по генетическим горизонтам почвенного профиля;
Ф
С
- проведение фильтрационных работ на отобранных по генетическим горизонтам образцах, заключающихся в подаче воды, создании ее фильтрационного потока через образец, принимая продолжительность фильтрации Т, равной допускаемой продолжительности отвода гравитационной воды [Т] из почвогрунта генетического горизонта, из которого отобран образец, с учетом глубины отбора образца, выращиваемых культур, севооборотов и соответствующей им нормы осушения, но не более продолжительности фильтрации на момент начала стабилизации процесса фильтрации Т;
С
- вычисление значений коэффициента фильтрации в течение периода продолжительностью [Т] и построение кривой его изменения в течение [Т], при этом при [Т]>Т значение коэффициента фильтрации принимают постоянным, минимальным, соответствующим моменту начала стабилизации скорости фильтрации;
- определение среднего значения коэффициента фильтрации за период продолжительностью [Т] по формуле (1).
Пример применения заявленного способа. Проводилось определение коэффициента фильтрации пахотного слоя тяжелосуглинистой на морене хорошо окультуренной почвы, осушаемой для использования под овощной севооборот.
Из пахотного слоя с помощью металлического цилиндра отобран насыщенный водой образец почвы ненарушенной структуры диаметром 200 мм и высотой 160 мм. Образец доставлен в лабораторию, где через почву образца фильтровали воду, также доставленную в лабораторию с места отбора образца. Отфильтрованная вода отводилась в мерный сосуд. По величине действующего напора, расходу воды, высоте и площади поперечного сечения образца определяли величину коэффициента фильтрации почвы. Результаты определения коэффициента фильтрации представлены на чертеже.
0
ф
о
ф
о
Ф
С
о
ср
По заявленному способу при осушении земель под овощной севооборот, при допускаемой продолжительности нахождения гравитационной воды в пахотном слое, равной [Т]=36 ч (см. упомянутый выше Справочник по осушению земель), и этой же продолжительности фильтрации воды через образец почвы, т.е. и при Т=36 ч, коэффициент фильтрации К пахотного слоя (гумусового горизонта) изменяется в интервале 4,5…0,7 м/сут. Среднее значение коэффициента фильтрации за Т=36 ч (при [Т]=Т<Т) оказалось равным (К)=1,65 м/сут. Его величина установлена по формуле (1).
Полученная величина коэффициента фильтрации дает основание сделать вывод, что рассматриваемую тяжелосуглинистую на морене почву целесообразно осушать под овощной севооборот методом ускорения стока по пахотному слою.
с
с
с
с
п
С целью сравнения величин коэффициента фильтрации, полученных по прототипу и заявленному способу, продолжительность фильтрации ограничивалась временем стабилизации скорости фильтрации. На момент начала установившегося процесса фильтрации, т.е. по достижении стабилизации скорости фильтрации, Т=73 ч, а значение коэффициента фильтрации К=0,43 м/сут. При этом значение К соответствует прототипу, т.е. К=K=0,43 м/сут.
Формулы для определения расстояния между дренами Е можно привести к виду
где α - коэффициент пропорциональности.
п
о
ср
Коэффициент фильтрации по прототипу K=0,43 м/сут, а по заявленному способу его значение изменяется в интервале 4,5…0,7 м/сут при среднем значении (К)=1,65 м/сут. Расстояние между дренами Е в соответствии с приведенной выше формулой может быть, как минимум, увеличено в 1,96 раза: .
Таким образом, при применении заявленного способа продолжительность фильтрации сократилась с 73 ч по прототипу до 36 ч, затраты на проведение фильтрационных работ снизились более чем в 2,0 раза, расстояние между дренами возрастает не менее чем в 1,96 раза, а капитальные вложения на устройство закрытых дрен снижаются в это число раз.
Заявленный способ применен при осушении земель Тверской области на площади более 20000 га.