Способ измерения потенциала эрозионной стойкости для мерзлого почвогрунта

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к способам изучения эрозионных процессов, возникающих на поверхности почвогрунта от стока талых вод, и может быть использовано в почвоведении, мелиорации и гидрологии. Способ включает моделирование процесса эрозии в гидролотке потоком воды, учет расхода энергии на разрушение единицы массы образца путем измерения высоты потока воды до и после взаимодействия с образцом и расхода суспензии. При этом вычисляют интегральную энергию, затраченную на теплофизикохимические процессы при переходе единицы массы образца из мерзлого состояния в талое, как функцию начальной температуры образца по формуле

где Q_i - тепловая энергия потока воды до взаимодействия с образцом почвогрунта, Дж; Q_i - тепловая энергия потока суспензии после взаимодействия с образцом почвогрунта, Дж, ΔQ_тв, ΔQ_iC - изменения тепловой энергии потока воды, Дж. Потенциал эрозионной стойкости мерзлого почвогрунта определяют по сумме полной энергии, затраченной на разрушение единицы массы мерзлого почвогрунта, и интегральной энергии и рассчитывают по следующему выражению где А_i - кинематическая энергия потока воды до взаимодействия с образцом почвогрунта, Дж; A_T - кинетическая энергия потока суспензии после взаимодействия с образцом почвогрунта, Дж; Q_i - тепловая энергия потока воды до взаимодействия с образцом почвогрунта, Дж; Q_T - тепловая энергия потока суспензии после взаимодействия с образцом почвогрунта, Дж; m_П - масса разрушенной почвы, кг. Способ позволяет измерить полный потенциал эрозионной стойкости и потенциал оттаивания для мерзлых почвогрунтов. 2 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к способам для изучения эрозионных процессов, возникающих на поверхности почвогрунта от стока талых 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.

К основным недостаткам известного способа относятся: искажение получаемых результатов размывающих скоростей вследствие взаимодействия потока воды с выступающей частью образца почвогрунта над дном потока; необъективность и трудоемкость определения начала движения разрушенных частиц почвогрунта потоком воды. Кроме того, определение противоэрозионной стойкости на подобных лотках по принятой методике ведут в течение 8 часов, поэтому за это время образец почвогрунта успеет оттаять со всех сторон: как со стороны водного потока, так и со стороны стенок и дна кассеты. Это существенно скажется на достоверности полученных результатов.

Цель изобретения - измерение полного потенциала эрозионной стойкости и потенциала оттаивания для мерзлых почвогрунтов.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе измерения потенциала эрозионной стойкости почвогрунтов, включающем моделирование процесса эрозии в гидролотке потоком воды, учет расхода энергии на разрушение единицы массы образца путем измерения высоты потока воды до и после взаимодействия с образцом и расхода суспензии, согласно изобретению определяют полную энергию на разрушение единицы массы мерзлого почвогрунта и вычисляют интегральную энергию на теплофизикохимические процессы при переходе единицы массы образца из мерзлого состояния в талое. Полный потенциал эрозионной стойкости мерзлого почвогрунта рассчитывают по выражению

где А_i - кинематическая энергия потока воды до взаимодействия с образцом почвогрунта, Дж; А_T - кинетическая энергия потока суспензии после взаимодействия с образцом почвогрунта, Дж; Q_i - тепловая энергия потока воды до взаимодействия с образцом почвогрунта, Дж; Q_T - тепловая энергия потока суспензии после взаимодействия с образцом почвогрунта, Дж; m_п - масса разрушенной почвы, кг.

Вычисление интегральной энергии на теплофизикохимические процессы при переходе единицы массы образца из мерзлого состояния в талое производят по выражению

где ψ_Т.П. - потенциал противоэрозионной стойкости для талой почвы, Дж/кг.

Причем тепловая энергия потока воды W₀ и суспензии W₂ измеряется в тех же точках, что и кинетические энергии потока воды и суспензии, и вычисляется соответственно по значениям удельных теплоемкостей воды и суспензии и их температурам.

Рассмотрим течение воды в лотке без образца почвогрунта (Фиг.1). Расход воды в лотке без почвенного образца в любых сечениях Q_B=const:

где В - ширина лотка, м; V'_i - скорость течения воды на входной и выходной частях лотка, м/с; h_i - высота потока воды на входной и выходной частях лотка, м.

Масса воды, прошедшей через лоток за время t:

где γ_в - объемная масса воды, кг/м³.

Изменение кинетической энергии воды в сечениях 1-1 и 2-2

Полученное выражение (3) с учетом (1) и (2)

Изменение тепловой энергии потока воды в тех же сечениях 1-1 и 2-2

где W₂ - тепловая энергия суспензии, Дж; W₁ - тепловая энергия потока воды, Дж; T_в1 - температура потока вода в сечении 1-1, К; T_в2 - температура потока воды в сечений 2-2, К; с_в - удельная теплоемкость воды, Дж/(кг·К).

Изменение полной энергии потока воды в лотке без образца почвогрунта

Рассмотрим изменение энергии потока воды в тех же сечениях 1-1 и 2-2 с образцом почвогрунта, имеющим начальную температуру T_n (Фиг.2). Тогда изменение кинетической энергии описывается выражением

где m_c=γ_c·В·h₂·V_с·t - масса суспензии, кг; V_с - скорость потока суспензии, м/с; γ_с - объемная масса суспензии, кг/м³.

Массу суспензии можно выразить

где m_п - масса разрушенной почвы, кг.

С учетом выражения (2) последнее примет вид

Тогда с учетом (7) перепишется

Изменение энергии потока воды, входящей в лоток при температуре Т_в, осуществляется за счет увеличения скорости потока, потери тепла через стенки теплоизоляционного лотка и теплофизикохимические процессы (фазовые переходы, теплота смачивания и т.п.) оттаиваемой почвы до температуры Т_с при выходе из лотка. Поэтому изменение тепловой энергии потока

c_с - удельная теплоемкость суспензии, Дж/(кг·К).

Выражение (11) с учетом (9) примет вид

Поэтому изменение полной энергии потока в лотке с образцом почвогрунта

Полный потенциал эрозионной стойкости мерзлой почвы представляет собой энергию, затраченную на перевод единица массы образца из мерзлого состояния в талое и на его разрушение потоком воды.

Поэтому

Подставив в уравнение (14) значения ΔA_iП и ΔA_ТП из выражений (6) и (13), получим

Выражение

представляет собой потенциал эрозионной стойкости для талой почвы

где А_i - кинетическая энергия потока воды до взаимодействия с образцом почвогрунта, Дж; А_T - кинетическая энергия потока суспензии после взаимодействия с образцом почвогрунта, Дж.

Учитывая, что ΔA_i<ΔА_T и h_в1≈р₁, после соответствующих преобразования (16) примет вид

Выражение

входящее в уравнение (15) представляет собой интегральную энергию на теплофизикохимические процессы при переходе единицы образца из мерзлого состояния в талое

где Q_i - тепловая энергия потока воды до взаимодействия с образцом почвогрунта, Дж; Q_T - тепловая энергия потока суспензии после взаимодействия с образцом почвогрунта, Дж.

Учитывая то, что m_п=m_с-m_в=(Q_с-Q_в)γt, после соответствующих преобразований (18) примет вид

Так как T_в1=T_в, поэтому

При незначительных отклонениях T_в и T_в2, можно записать, что Т_в≈Т_в2, поэтому

Для определения изменения тепловой энергии и, следовательно, ψ_от используется дилатометр. Рассмотрим принцип работы дилатометра по фиг.4. Пусть, начиная с некоторого момента времени t, при течении воды в лотке без образца почвогрунта отмечается уровень жидкости в мерной стеклянной трубке. Через некоторое время Δt₁ изменение уровня жидкости в мерной стеклянной трубке дилатометра составит Δh₁. Поэтому изменение объема

где V_в, V_л - соответственно объем воды и льда в дилатометре в момент времени t₁; V_в ^', V_л ^' - соответственно объем воды и льда в дилатометре в момент времени t₂.

Так как

то

где m_в, m_л - соответственно масса воды и льда в момент времени t₁, m_в' m_л' - соответственно масса воды и льда в момент времени t₂.

Имея ввиду, что

получим изменение массы льда Δm

где ρ_л - плотность льда, кг/м³; ρ_в - плотность воды, кг/м³.

Количество теплоты, необходимое при плавлении льда, составит

где λ - удельная теплота плавления льда.

Если внутренний диаметр мерной стеклянной трубки d_тр, а изменение уровня жидкости в трубке Δh₁, тогда

Уравнение (26) с учетом выражений (25) и (27) перепишется

Из полученного выражения видно, что с подбором d_тр можно дилатометр сделать весьма чувствительным.

Так как количество теплоты из потока воды (в случае без образца почвогрунта) воспринимается дилатометром, то очевидно, что

Аналогично при опыте с образцом почвогрунта для суспензий

Поэтому уравнение (21) с учетом (28) и (30) примет вид

Сравнивая выражения (14), (16) и (18) или (15), (17) и (20), имеем, что

Отсюда

Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволило установить соответствие его критерию «новизна». При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены и поэтому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствия критерию "существенные отличия".

Примеры конкретного выполнения

В лабораторных условиях был измерен потенциал эрозионной стойкости для мерзлых почвогрунтов. Для чего перед началом опытов взамен съемной камеры для почвогрунта в теплоизоляционный лоток устанавливалась прецизионно изготовленная крышка и гидроизолировалась с нижней стороны. Затем с помощью системы питания постоянного напора устанавливался за данный расход воды Q_в. Лабораторным путем до начала опытов определялись объемные массы воды γ_в и почвогрунта γ_п, температура промораживания Т_п и исходная влажность W_п. Замерялись при помощи микрометра с мерной иглой высота потока воды в головной h_в1 и выходной h_в2 частях лотка и температуры T_в1 и T_в2 в тех же сечениях потока при помощи датчиков температуры. Затем взамен крышки в теплоизоляционной лоток устанавливалась съемная теплоизоляционная камера с исследуемым образцом мерзлого почвогрунта. При помощи зажима Гофмана открывалась подача воды в успокоитель. Через равные промежутки времени при помощи микрометров с мерной иглой определялась высота потока воды h₁ в головной и высота потока суспензии h₂ в выходной частях лотка, а при помощи дилатометра одновременно отмечается уровень жидкости Δh₁ за время Δt₁ в мерной стеклянной трубке в тех же течениях потока. Одновременно отбиралась проба суспензии для пикнометрического и килориметрического анализов. Время отбора проб фиксировалось контактным датчиком времени. Исследования показали, что h_в1≈h₁, T_в1≈T_в2≈T_в. Поэтому в дальнейших опытах замерялись h₂, Q_с, T_с, T_в, c_c и c_в. После окончания опыта полученные данные подставлялись в формулы (17), (21) и (22) и вычислялись ψ и ψ_ОТ. Примеры реализации описанного способа приведены в таблице.

Заявляемый способ измерения потенциала эрозионной стойкости для мерзлого почвогрунта схематически изображен на фиг.3 и на фиг.4 - разрез А-А.

На схеме осуществления способа обозначены наклонный теплоизоляционный лоток 1, съемная теплоизоляционная камера 2 для образца мерзлого почвогрунта, установленная в рабочей части лотка 1, криостат 3, микрометры 4 с мерными иглами 5, установленные в головной и выходной частях лотка вдоль его продольной оси, дилатометр 6, представляющий собой цилиндр с теплоизоляционной стенкой, верхнее основание цилиндра 7, соприкасающееся с потоком суспензии в лотке 1 и одновременно служащее дном при установке дилатометра в лоток, выполнено из тонкой красной меди, нижнее основание цилиндра - теплоизоляционная крышка 8, на стенках теплоизоляционного цилиндра 9 с двух противоположных сторон установлены два штуцера 10, также выполненные из теплоизоляционного материала, теплоизоляционные эластичные трубки 11, одна из которых перекрыта при помощи зажима 12, а на другую установлена стеклянная мерная трубка 13, колотый лед 14 и неполярная жидкость 15 (например, керосин) с целью исключения возникновения воздушных пузырьков заправлены в герметичную полость дилатометра, имеется система питания постоянного напора 16, успокоитель 17 и зажим Гофмана 18.

Тепло к внутренней части дилатометра может притекать лишь от потока суспензии, контактирующего с верхним основанием дилатометра 6. Это тепло идет на таяние льда 14, который в течение всего опыта вместе с жидкостью 15, с которой он смешан, сохраняет температуру 0°С.

Способ реализован следующим образом. Перед началом опытов взамен съемной камеры 2 в теплоизоляционный лоток 1 устанавливается прецизионно изготовленная крышка (не показана) и фиксируется со специальным приспособлением так, что обеспечивается надежная герметизация от камеры криостата 3. Затем с помощью системы постоянного напора 11 устанавливается заданный расход воды Q_в. Открывается зажим Гофмана 13 и при помощи микрометра 4 с мерной иглой 5 замеряется высота потока воды в головной h_в1 и выходной h_в2 частях лотка. Одновременно отмечается уровень жидкости Δh₁ за время Δt₁ в мерной стеклянной трубке дилатометра 6. Полученные результаты заносятся в журнал наблюдений. Определяются объемная масса γ_п и исходная влажность W_п, при которых промораживался исследуемый образец почвогрунта до данной температуры Т_п. Затем взамен крышки в теплоизоляционный лоток 1 устанавливается теплоизоляционная камера 2 с исследуемым образцом мерзлого почвогрунта. В криостат 3 из теплоизоляционного сосуда подается охладительная смесь, обеспечивающая заданный температурный режим образцу мерзлого почвогрунта. Открывается зажим Гофмана 13 и через равные промежутки времени при помощи микрометров 4 с мерными иглами 5 измеряется и записывается в журнал наблюдений высота потока воды h₁ в головной (так как h_в1≈h₁, то h₁ - не замеряется) и высота потока суспензии h₂ в выходной части лотка 1. Отмечается также уровень жидкости Δh₂ за время Δt₂ в мерной стеклянной трубке дилатометра 6. Одновременно отбираются пробы суспензии для пикнометрического анализа и для определения ее удельной теплоемкости c_c калориметрическим методом, которые также заносятся в журнал наблюдений. Полученные данные подставляются в формулы (17), (21) и (22) и вычисляются значения ψ и ψ_ОТ.

Технико-экономическое преимущество предложенного способа заключается в определении полного потенциала эрозионной стойкости и потенциала оттаивания для мерзлых почвогрунтов, необходимых для проектирований противоэрозионных мероприятий в районах распространения эрозии.

Способ может быть использован научно-исследовательскими и производственными организациями, выполняющими проектирование противоэрозионных мероприятий в районах распространения водной эрозии.

Источники информации

1. Кузнецов М.С. Противоэрозионная стойкость почв. - М.: Изд. МГУ, 1981, с.14...22.

2. Мирцхулава Ц.Е. Инженерные методы расчета и прогноза водной эрозии. - М.: Колос.1970, с.38...41. (прототип)

Способ измерения потенциала эрозионной стойкости для мерзлого почвогрунта
Примеры реализации описанного способа
№ п/п	Тип почвогрунта	Длительность замораживания t, ч	Тn, град.	Температура воды tв, град.	ψт, Дж/кг	ψот, Дж/кг	ψмп, Дж/кг	Ошибка, %
1	2	3	4	5	6	7	8	9
1	Песок древнеаллювиальных отложений	25,0	-18,7	16,3	0,189	3790,5	3790,7	3,30
2		48,0	-18,6	16,4	0,195	3566,7	3566,9	2,79
3		48,0	-18,6	14,7	0,180	3688,4	3688,6	0,52
4		96,0	-18,6	14,4	0,189	3695,4	3695,6	0,71
5		96,0	-18,8	15,4	0,198	3715,4	3715,6	1,26
6		24,0	-18,7	13,1	0,182	3579,9	3580,1	2,44
7		49,0	-18,7	13,8	0,173	3649,7	3649,9	0,54
Среднее		0,182	3669,4	3669,6
8	Агрегаты серой лесной почвы, просеянные на сите 0,5 мм	24,0	-14,8	13,5	0,254	23279,8	23280,1	3,55
9		25,0	-14,8	14,6	0,210	22823,4	22823,6	1,53
10		96,0	-18,6	14,8	0,258	21838,9	21839,2	2,85
11		96,0	-17,5	13,5	0,240	21999,8	22000,1	2,14-
12		48,0	-17,5	13,5	0,287	22462,9	22463,2	0,76
13		24,0	-17,5	13,0	0,254	21091,6	21091,9	6,17
14		96,0	-17,5	13,5	0,248	23866,9	23867,1	6,16
Среднее		0,250	22480,5	22480,7

1. Способ измерения потенциала эрозионной стойкости мерзлого почвогрунта, включающий моделирование процесса эрозии в гидролотке потоком воды, учет расхода энергии на разрушение единицы массы образца путем измерения высоты потока воды до и после взаимодействия с образцом и расхода суспензии, при этом вычисляют интегральную энергию, затраченную на теплофизикохимические процессы при переходе единицы массы образца из мерзлого состояния в талое, как функцию начальной температуры образца по формуле

где Q_i - тепловая энергия потока воды до взаимодействия с образцом почвогрунта, Дж; Q_T - тепловая энергия потока суспензии после взаимодействия с образцом почвогрунта, Дж;

ΔQ_тв, ΔQ_iC - изменения тепловой энергии потока воды, Дж,

а потенциал эрозионной стойкости мерзлого почвогрунта определяют по сумме полной энергии, затраченной на разрушение единицы массы мерзлого почвогрунта, и интегральной энергии и рассчитывают по следующему выражению

где А_i - кинематическая энергия потока воды до взаимодействия с образцом почвогрунта, Дж;

A_t - кинетическая энергия потока суспензии после взаимодействия с образцом почвогрунта, Дж;

Q_i - тепловая энергия потока воды до взаимодействия с образцом почвогрунта, Дж;

Q_t - тепловая энергия потока суспензии после взаимодействия с образцом почвогрунта, Дж;

m_п - масса разрушенной почвы, кг.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что тепловую энергию потока воды и суспензии измеряют в тех же точках, что и кинетические энергии потока воды и суспензии.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что тепловую энергию потока вычисляют по значениям удельных теплоемкостей воды и суспензии и их температурам.