ЛИЗИМЕТР
LYSIMETER

Изобретение относится к приборам, применяемым в сельском хозяйстве при балансовых исследованиях на мелиорируемых землях, в частности 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, то, что он сложен в работе, а это приводит к занижению показателей инфильтрации.
Известен лизиметр, включающий емкость с образцом почво-грунт. 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 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 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, 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 дренам, между которыми образуется депрессионная кривая. 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 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 дождевые 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 лизиметр 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).
Недостатком 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 резкий сброс излишков воды на составляющие водобаланса и погрешность дозирования на сброс воды.
Технический результат от использования заявленного изобретения заключается в повышении точности лизиметра и исключения погрешности экспериментальных данных и расширение области применения по заданной программе.
Поставленная задача в конструкции лизиметра включающего емкость (1) с монолитом почвы, сообщающуюся с вертикально установленной емкостью (6), поддон (5) и элементы контроля уровня воды, емкость (6) разделена на измерительную (8) емкость и дренажный колодец (9) с перегородкой (10), в которой выполнено отверстие с устройством для сброса воды, измерительная емкость выполнена в виде поплавковой камеры (8) в которой размещен плавающий приемник (11), соединенный с верхним концом гибкого шланга (12) с возможностью его вертикального перемещения, при этом второй конец гибкого шланга (12) соединен с выпускным отверстием (13) в нижней части вертикальной перегородке (10), разделяющей поплавковую камеру (8) и дренажный колодец (9) с водоотвода щей полостью, причем шток (14) с плавающим приемником (11) свободно установлен в направляющих (15), которые жестко соединены рычагом (17) с механизмом изменения положения поплавкового привода (16), который выполнен в виде стержня (18) с винтовой парой (21), закрепленным на крышке (20), и размещенной над ней стрелкой (19) жестко закрепленной к механизму изменения положения поплавкового привода.
Кроме того, боковая стенка емкости (6) выше крышки (20) снабжена градуированной стойкой (22) в виде шкалы напротив указательной стрелки (19), причем шкала состоит из светящихся отсчетных и разделительных полос.
Такая конструкция лизиметра в условиях эксплуатации позволяет дифференцировано менять уровень воды в емкости, которая связана гидравлически с монолитом почвы за счет поплавкового привода связанного с приемником, последний который соединен с верхним концом гибкого шланга, второй конец которого соединен с выпускным отверстием в нижней части вертикальной перегородки, разделяющей поплавковую камеру и дренажный колодец. При этом в предложенном лизиметре в каждом конкретном случае, зависящим от фазы развития сельскохозяйственной культуры дает возможность перемещать поплавковый привод рычагом с механизмом изменения положения поплавкового привода и фиксировать его положение с указательной стрелкой напротив шкалы механизмом изменения в виде стержня с винт-гайкой, т.е. проведение опытов на делянке с данной выращиваемой культурой и ее фазой развития растений, поддерживается в автоматическом режиме заданного уровня в измерительной емкости (поплавковой камере) и фиксировать этот уровень, а это в свою очередь, определяет искомую величину наполнения воды в измерительной емкости и монолита почвы.
Таким образом, из всего вышеописанного следует:
- позволяет организовать и проводить систематический учет сбрасываемых расходов воды по уровню в емкости через приемник с гибким шлангом перед вертикальной перегородкой в зависимости от объема воды с монолитом почвы, связанных между собой перетекающей трубой;
- обеспечение требуемой точности определения расходов, связанных с наполнением поплавковой камеры (части емкости) и его сброса в дренажный колодец - водоотводящую трубу;
- позволяет варьировать величиной диапазона измеряемого (контролируемого) параметра высоты уровня данного вида выращиваемой культуры на опытном участке;
- не требуется конструктивных изменений для применения передвижного устройства в направляющих вертикальной стенки, вызывающих сложность конструкции.
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 показан лизиметр, общий вид в разрезе.
Лизиметр содержит металлический корпус емкости 1 с монолитом почвы, причем емкость 1 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. Емкость 6 разделена на две неравные части 8 и 9 вертикальной перегородкой 10. Первая часть 8 емкости 6 выполнена в виде поплавковой камеры 8, в которой размещен плавающий приемник 11 в виде впускного патрубка, соединенный с верхним концом гибкого шланга 12, а второй конец шланга 12 соединен с выпускным отверстием 13 в вертикальной перегородке 10. Плавающий приемник 11 соединен со штоком 14, свободно пропущен через направляющие 15 и к которому жестко присоединен поплавок 16. Шток 14 связан с рычагом 17 с вертикальным стержнем 18 с указательной стрелкой 19 в верхней части стержня 18 над крышкой 20 емкости 6. Вертикальный стержень 18 имеет возможность его перемещения и фиксации винт-гайкой 21. Для измерения поступившей фильтрующей воды в поплавковую камеру 8 (в первую часть) емкости 6 с крышкой 20, на боковой стенке емкости 6 закреплена градуированная стойка 22 с возможностью размещения на ней системы индикации в виде шкалы из разноцветных светящихся отсчетных и разделительных полос. Имеется возможность экспресс-контроля значений уровня воды в первой части 8 (поплавковой камеры) емкости 6 до ± 5% интервала изменения расхода. Разноцветные светящиеся отсчетные полосы, соответствующие расчетному расходу воды, могут быть, например, белыми, а разделительная полоса - черная, что соответствует перемещению вверх или вниз поплавка 16, соединенного со штоком 14 и с плавающим приемником 11 от минимального до максимального приращения уровня воды в поплавковой камере 8 емкости 6, а также светящейся краской указательной стрелки 19 на вертикальном стержне 18.
Регулируемая длина гибкого шланга 12 зависит от требуемого уровня заполнения поплавковой камеры 8 (первой части) емкости 6 и с помощью стержня 18 регулируется расположение плавающего приемника 11 с поплавком 16 по высоте в поплавковой камере 8 емкости 6.
Поскольку состояние УГВ от поверхности почв и влажности почвы зависит как от периодов проведения работ, так и от сельскохозяйственных культур и их фаз развития, в результате чего с помощью стержня 18 с винтом-гайкой 21 перемещают через рычаг 17 поплавок 16, плавающий приемник 11 и гибкий шланг 12 вверх или вниз на данный период роста растений для сброса излишек воды в дренажный коллектор 9, который соединен с отводящей трубой 23. Уровень воды наполнения поплавковой камеры 8 емкости 6 превысит допустимый заданный предел в емкости 1 с монолитом почвы, следовательно, излишки воды сбрасываются автоматически и уровень в поплавковой камере 8 восстанавливается.
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 водопроницаемыми слоями фильтра, т.е. верхний слой монолит почвы 2 и герметичный 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 8 и 9, одна из которых часть 8 выполнена в виде поплавковой камеры, вертикальной перегородкой 10. Таким образом, имеется перепад перед отводящей трубой 23. При высоком стоянии воды в емкости 1 она через поддон 5 заполняет поплавковую камеру 8 емкости 6, далее избыточная вода доходит до поплавка 16 соединенного штоком 13 с плавающим приемником 11, которые зафиксированы положением рычага 11, а, следовательно, гибкого шланга 12 с помощью вертикального стержня 18, регулируемого винтом-гайкой 21, тем самым определяется задание, поддержания уровня на требуемой высоте на данный период роста растений, излишки воды удаляются в дренажный колодец 9, далее вода поступает в отводящую трубу 23 за пределы емкости 6. Величина жидкости (воды) слитой из поплавковой камеры 8 во вторую часть 9 (дренажный колодец) емкости 6 характеризует как бы инфильтрационное питание монолитного почвогрунта в емкости 1. Градуированная стойка 22 фиксирует только с системой индикации в виде шкалы из разноцветных светящихся отсчетных и разделительных полос установившейся заданный уровень воды относительно уровня воды в монолитном почвогрунте емкости 1. Влажность почвы измеряют датчиком влажности 7, а положение воды в емкости 1 определяют наличием емкости 6 с элементами контроля и сброса излишек воды, 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, стержень 18, поплавок 16 с плавающим приемником 11, с гибким шлангом 12, указатель стрелки 19 должны иметь возможность перемещения и фиксации стержня 18 с винтом-гайкой 21. При этом высота подъема поплавка 16 ограничивается высотой штока 14, пропущенного свободно через направляющие 15, связанным посредством рычага 17 со стержнем 18, ограничивая подъем поплавка 16 и сброс (отток) воды плавающим приемником 11 выполненного в виде выпускного патрубка с гибким шлангом 12, отрегулированным заранее для заданного поддержания уровня в монолитном слое почвы. Таким образом, можно изменять программу выдачи сброса, а значит лизиметра.
Эффективность лизиметра позволит облегчить долговременную эксплуатацию его и улучшению условий труда обслуживающего персонала, а также является независимость процесса задания и поддержания уровня от полива или дождевания монолита почвы исследуемого образца с естественным вблизи полем, рационально использовать поплавковую камеру для слива посредством плавающего приемника в автоматическом режиме сброса воды и управлении процессами фаз развития культуры на опытной делянке. Точность в целом также поддерживается совместной работы всего пакета (количества) заданных лизиметров на определенной исследуемой делянке с датчиками влажности почвы, следовательно, повышается достоверность его количественного состава исследуемого почвогрунта. Таким образом, наличие стержня с винтом-гайкой позволяет задавать поднятие всего устройства или опускание в целом. Устройство лизиметра позволяет существенно упростить сброс воды за счет кинематической связи всех элементов одним приводом в условиях опытных делянок вблизи естественного поля.