Способ определения противоэрозионной стойкости почвогрунтов и устройство для его осуществления

 

Использование: в сельском хозяйстве, мелиорации, гидрологии. Сущность изобретения: моделируют процесс эрозии и определяют энергию, затраченную на разрушение образца почвогрунта. Оценку стойкости производят по потенциалу эрозионной стойкости, равному расходу энергии на разрушение единицы массы образца. Расход энергии на разрушение почвогрунта определяют путем сравнения кинетической энергии потоков жидкости при проведении опытов без образца почвогрунта и с ним. Устройство содержит наклонный лоток, питатель, успокоитель, камеру для образца почвогрунта, размещенную в рабочей части лотка, регулятор расхода воды и устройство для учета смываемой почвы. В головной и выходной частях лотка, вдоль продольной его оси, размещены микрометры с микрометрическими винтами, прикрепленные к стенке лотка. На конце микрометрического винта микрометра по его центру посредством стопорного винта закреплена мерная игла. Успокоитель, установленный в головной части лотка, выполнен в виде двухкамерной емкости с перфорированным днищем на выходной части и гасителем потока на входной части. Гаситель потока расположен под расходным трубопроводом системы питания постоянного потока. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к способам и устройствам для изучения эрозионных процессов, возникающих на поверхности почвогрунтов от стока талых, дождевых вод и может быть использовано в почвоведении, мелиорации и гидрологии.

Известны способы определения противоэрозионной стойкости почвогрунтов, заключающиеся в определении размывающей скорости потоком воды образца почвогрунта, помещенного в камеру гидролотка и расположенного в ней своей дневной поверхностью выше дна лотка на 1..2 мм.

Известно устройство для определения противоэрозионной стойкости почвогрунта, включающее наклонный лоток, питатель, успокоитель, камеру для образца почвогрунта, помещенную в рабочей части лотка, регулятор расхода воды и устройство для учета смываемой почвы.

К основным недостаткам известного способа и устройства относятся: искажение полученных результатов размывающих скоростей вследствие взаимодействия потока воды с выступающей частью образца почвогрунта над дном лотка; необъективность и трудоемкость определения начала движения разрушенных частиц почвогрунта потоком воды; определяемая размывающая скорость потока воды имеет размерность м/с и не выражает физическую сущность и величину потенциала противоэрозионной стойкости почвогрунтов: устройством нельзя определять действительную размывающую скорость потока воды, так как эта величина переменная и зависит от многих параметров: расхода воды, плотности воды и почвогрунта, высоты потока воды на входной и выходной частях лотка, гидравлических размеров лотка.

Цель изобретения - упрощение способа и повышение точности определения потенциала противоэрозионной стойкости почвогрунтов.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения стойкости почвогрунтов, включающем моделирование процесса эрозии, учет разрушенной массы образца, согласно изобретению определяют энергию, затраченную на разрушение почвы, а оценку противоэрозионной стойкости производят по потенциалу эрозионной стойкости, равному расходу энергии на разрушение единицы массы образца. Потенциал эрозионной стойкости почвы определяют по формуле: = = + _ Расход суспензии Q_c определяют пикнометрическим способом через равные промежутки времени путем отбора суспензии на выходной части гидролотка с помощью делителя-отбирателя потока. Высоту потока воды определяют до взаимодействия с образцом почвогрунта в головной части лотка на расстоянии не менее 8...10-кратной ширине лотка от образца, а высоту потока суспензии после взаимодействия потока воды с образцом почвогрунта в выходной части лотка на расстоянии 8...10-кратной ширине лотка от образца. В устройстве для определения противоэрозионной стойкости почвогрунта, содержащем наклонный лоток, питатель, успокоитель, камеру для образца почвогрунта, помещенную в рабочей части лотка, регулятор расхода воды и устройство для учета смываемой почвы, в головной и выходной частях лотка вдоль продольной его оси размещены микрометры с микрометрическими винтами, прикрепленные к стенкам лотка. На концах микрометрического винта по его центру посредством стопорного винта закреплена мерная игла. Успокоитель выполнен в виде двухкамерной емкости с перфорированным днищем на выходной части, а на входной части снабжен гасителем потока, расположенным под расходным трубопроводом системы питания постоянного напора. На выходной части лотка установлен делитель-отбиратель потока с контактным датчиком времени.

На фиг. 1 показано устройство для определения потенциала противоэрозионной стойкости почвогрунтов; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - схема работы делителя-отбирателя потока.

Устройство состоит из наклонного лотка 1, в рабочей части которого установлена съемная камера 2 для образца почвогрунта. От камеры 2 на расстояниях 8..10-кратной ширине лотка в головной и выходной частях лотка вдоль его продольной оси на стенках лотка 1 закреплены микрометры 3 с помощью болтов 4. На концах микрометрического винта по его центру с помощью головки 5 и стопорного винта 6 установлена мерная игла 7. Успокоитель 8 выполнен в виде двухкамерной емкости с перфорированным днищем 9 на выходной его части и установлен в головной части лотка 1. На входной части успокоителя 8 под расходным трубопроводом 10 установлен гаситель потока 11. Постоянный заданный расход воды Q_b обеспечивается системой питания постоянного напора, состоящей из мерной емкости 12 подающего 13, водосливного 14 и расходного 10 трубопроводов. Подача или прекращение подачи воды в успокоитель 8 осуществляются с помощью зажима Гофмана 15, установленного на расходном трубопроводе 10. Изменение расхода воды Q_b достигается путем перемещения мерной емкости 12 по направляющим 16 и фиксируется стопором 17. Ориентация установки емкости 12 на заданный расход Q_b осуществляется по шкале 18. Для гашения возмущений, возникающих в емкости 12, под подающим трубопроводом 13 установлен гаситель потока 19. На выходной части лотка 1 установлен делитель-отбиратель потока 20, состоящий из клапана 21 и оси 22. Торцовая часть оси 22 соединена с тягой 23 контактного датчика времени 24.

Способ и устройство реализованы следующим образом. Предварительно перед началом опытов взамен съемной камеры 2 в лоток 1 устанавливается прецизионно изготовленная крышка (не показана), которая по линии стыка с дном с нижней стороны гидроизолируется. Затем с помощью системы питания постоянного напора устанавливается заданный расход воды Q_b. Для этого в мерную емкость 12 подается вода (с известным _b ) при помощи насоса из расходного резервуара. При установившемся течении воды из водосливного трубопровода 14 открывается зажим Гофмана 15. При помощи микрометра 3 с мерной иглой 7 замеряется высота потока воды в головной h_b1 и выходной h_b2 частях лотка. Полученные результаты заносятся в журнал наблюдений. Определяется плотность исследуемого образца почвогрунта. Затем взамен крышки в лоток 1 устанавливается камера 2 с исследуемым образцом почвогрунта. Места стыка съемной камеры 2 и дна лотка 1 гидроизолируется с нижней стороны. Открывается зажим Гофмана 15 и через равные промежутки времени при помощи микрометров 3 с мерной иглой 7 определяются и записываются в журнал наблюдений высота потока воды h₁ в головной (в результате исследований было установлено, что h_b1 = h₁ поэтому h₁ не замеряется) и высота потока суспензии h₂ в выходной частях лотка 1. Одновременно отбирается проба суспензии для пикнометрического анализа при помощи делителя-отбирателя потока 20. Время отбора пробы суспензии фиксируется контактным датчиком 24 времени, соединенным тягой 23 с осью 22 клапана 21. Полученные данные Q_с, h₂, h₁=h_b1, _b , h_b2,_n и Q_b подставляются в формулу = = + _ , где - потенциал эрозионной стойкости, дж/кг; А_i - кинетическая энергия потока воды до взаимодействия с образцом почвогрунта, кгм²/с²; А_т - кинетическая энергия потока суспензии после взаимодействия с образцом почвогрунта, кгм²/с²; m_n - масса разрушенной почвы, кг; Q_с - расход суспензии, стекающей с лотка, м³/с; Q_b - расход воды, подаваемой на лоток, м³/с; В - ширина лотка, м; _b - плотность воды, кг/м³;
_n - плотность почвы, кг/м³;
h₂ - толщина слоя суспензии в нижней части лотка в опыте с образцом, м;
h_b2 - высота слоя воды в нижней части лотка в опыте без образца, м.

Примеры реализации способа приведены в таблице.

Технико-экономическое преимущество предложенного способа и устройства заключается в упрощении способа и повышении точности исследований. В качестве величины, характеризующей противоэрозионную стойкость почвогрунтов, используется отношение энергии, затраченной на разрушение образца, к его массе - величина размерная и являющаяся по своей физической сущности потенциалом эрозионной стойкости. Такая постановка задачи позволяет для описания процесса эрозии пользоваться методами термодинамики, освобождает от необходимости детального исследования конкретных механизмов разрушения почвогрунтов, позволяет сравнивать противоэрозионную стойкость почвогрунтов с использованием объективного критерия .

Способ и устройство могут быть использованы научно-исследовательскими и производственными организациями, проектирующими противоэрозионные мероприятия в районах распространения эрозии.

Формула изобретения

1. Способ определения противоэрозионной стойкости почвогрунтов, включающий моделирование процесса эрозии, учет разрушенной массы образца, отличающийся тем, что, с целью упрощения способа, определяют энергию, пошедшую на разрушение почвогрунта, а оценку противоэрозионной стойкости производят по потенциалу эрозионной стойкости, равному расходу энергии на разрушение единицы массы образца.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что определение расхода энергии на разрушение почвогрунта определяют путем сравнения кинетической энергии потоков жидкости при проведении опытов без образца и с образцом почвогрунта, а массу разрушенного почвогрунта учитывают по объему полученной суспензии при проведении опыта с образцом почвогрунта, при этом определяют высоту слоя воды в нижней части лотка в холостом опыте, расход воды и ее плотность - в условиях проведения опыта, замеряют ширину лотка, а опыт с образцом осуществляют в том же лотке при тех же условиях, определяют толщину слоя суспензии в нижней части лотка, расход вытекающей из лотка суспензии и плотность разрушенного потоком воды почвогрунта, при этом потенциал эрозионной стойкости почвогрунта определяют по формуле
= = + - ,
где - потенциал эрозионной стойкости, Дж/кг;
A_i - кинетическая энергия потока воды до взаимодействия с образцом почвогрунта, кг м²/с²;
A_т - кинетическая энергия потока суспензии после взаимодействия с образцом почвогрунта, кг м²/с²;
m_п - масса разрушенной почвы, кг;
_c - расход суспензии, стекающей с лотка, м³/с;
_в - расход воды, подаваемой на лоток, м³/с;
B - ширина лотка, м;
_в - плотность воды, кг/м³;
_п - плотность почвы, кг/м³;
h₂ - толщина слоя суспензии в нижней части лотка в опыте с образцом, м;
h_в2 - высота слоя воды в нижней части лотка в опыте без образца, м.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что расход суспензии определяют пикнометрическим методом через равные промежутки времени путем отбора суспензии с помощью делителя-отбирателя потока на выходной части лотка.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что высоту слоя воды определяют до взаимодействия с образцом почвогрунта в верхней части лотка на расстоянии от образца не менее 8 - 10-кратной ширины лотка, а толщину слоя суспензии - после взаимодействия потока воды с образцом почвогрунта в нижней части лотка на расстоянии от образца, превышающем в 8 - 10 раз ширину лотка.

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что высоту слоя воды в нижней части лотка определяют перед проведением опыта без образца почвогрунта при заданном расходе воды и предварительно установленной в лотке прецизионно изготовленной крышке.

6. Устройство для определения противоэрозионной стойкости почвогрунтов, содержащее наклонный лоток, питатель, успокоитель, камеру для образца почвогрунта, помещенную в рабочей части лотка, регулятор расхода воды и устройство для учета смываемой почвы, отличающееся тем, что, с целью повышения точности определения потенциала противоэрозионной стойкости почвогрунтов, в головной и выходной частях лотка вдоль продольной его оси размещены микрометры с микрометрическими винтами, прикрепленные к стенкам лотка.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что на конце микрометрического винта микрометра по его центру посредством стопорного винта закреплена мерная игла.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что успокоитель, установленный в головной части лотка, выполнен в виде двухмерной емкости с перфорированным днищем на выходной части и гасителем потока на входной части, при этом гаситель потока расположен под расходным трубопроводом системы питания постоянного напора.

9. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что на выходной части лотка установлен делитель-отбиратель потока с контактным датчиком времени.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4