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 Qi - тепловая энергия потока воды до взаимодействия с образцом почвогрунта, Дж; Qi - тепловая энергия потока суспензии после взаимодействия с образцом почвогрунта, Дж, ΔQтв, ΔQiC - 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 Аi - кинематическая энергия потока воды до взаимодействия с образцом почвогрунта, Дж; AT - кинетическая энергия потока суспензии после взаимодействия с образцом почвогрунта, Дж; Qi - тепловая энергия потока воды до взаимодействия с образцом почвогрунта, Дж; QT - тепловая энергия потока суспензии после взаимодействия с образцом почвогрунта, Дж; mП - 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 Аi - кинематическая энергия потока воды до взаимодействия с образцом почвогрунта, Дж; АT - кинетическая энергия потока суспензии после взаимодействия с образцом почвогрунта, Дж; Qi - тепловая энергия потока воды до взаимодействия с образцом почвогрунта, Дж; QT - тепловая энергия потока суспензии после взаимодействия с образцом почвогрунта, Дж; mп - масса разрушенной почвы, кг.

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

где ψТ.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 QB=const:

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

Масса воды, прошедшей через лоток за время t:

где γв - 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; Tв1 - температура потока вода в сечении 1-1, К; Tв2 - температура потока воды в сечений 2-2, К; св - 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 Tn (Фиг.2). Тогда изменение кинетической энергии описывается выражением

где mcc·В·h2·Vс·t - масса суспензии, кг; Vс - скорость потока суспензии, м/с; γс - объемная масса суспензии, кг/м3.

Массу суспензии можно выразить

где mп - 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 Тв, 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 Тс при выходе из лотка. Поэтому изменение тепловой энергии потока

cс - 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 и ΔAТП из выражений (6) и (13), получим

Выражение

представляет собой потенциал эрозионной стойкости для талой почвы

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

Учитывая, что ΔAi<ΔАT и hв1≈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 Qi - тепловая энергия потока воды до взаимодействия с образцом почвогрунта, Дж; QT - тепловая энергия потока суспензии после взаимодействия с образцом почвогрунта, Дж.

Учитывая то, что mп=mс-mв=(Qс-Qв)γt, после соответствующих преобразований (18) примет вид

Так как Tв1=Tв, поэтому

При незначительных отклонениях Tв и Tв2, можно записать, что Тв≈Тв2, поэтому

Для определения изменения тепловой энергии и, следовательно, ψот 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 Vв, Vл - соответственно объем воды и льда в дилатометре в момент времени t1; Vв', Vл' - соответственно объем воды и льда в дилатометре в момент времени t2.

Так как

то

где mв, mл - соответственно масса воды и льда в момент времени t1, mв' mл' - соответственно масса воды и льда в момент времени t2.

Имея ввиду, что

получим изменение массы льда Δm

где ρл - плотность льда, кг/м3; ρв - плотность воды, кг/м3.

Количество теплоты, необходимое при плавлении льда, составит

где λ - удельная теплота плавления льда.

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

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

Из полученного выражения видно, что с подбором dтр 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 Qв. Лабораторным путем до начала опытов определялись объемные массы воды γв и почвогрунта γп, температура промораживания Тп и исходная влажность Wп. Замерялись при помощи микрометра с мерной иглой высота потока воды в головной hв1 и выходной hв2 частях лотка и температуры Tв1 и Tв2 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 hв1≈h1, Tв1≈Tв2≈Tв. Поэтому в дальнейших опытах замерялись h2, Qс, Tс, Tв, cc и cв. После окончания опыта полученные данные подставлялись в формулы (17), (21) и (22) и вычислялись ψ и ψОТ. 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 Qв. Открывается зажим Гофмана 13 и при помощи микрометра 4 с мерной иглой 5 замеряется высота потока воды в головной hв1 и выходной hв2 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 γп и исходная влажность Wп, при которых промораживался исследуемый образец почвогрунта до данной температуры Тп. 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 hв1≈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 cc калориметрическим методом, которые также заносятся в журнал наблюдений. Полученные данные подставляются в формулы (17), (21) и (22) и вычисляются значения ψ и ψОТ.

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/пТип почвогрунтаДлительность замораживания t, чТn, град.Температура воды tв, град.ψт, Дж/кгψот, Дж/кгψмп, Дж/кгОшибка, %
123456789
1Песок древнеаллювиальных отложений25,0-18,716,30,1893790,53790,73,30
248,0-18,616,40,1953566,73566,92,79
348,0-18,614,70,1803688,43688,60,52
496,0-18,614,40,1893695,43695,60,71
596,0-18,815,40,1983715,43715,61,26
624,0-18,713,10,1823579,93580,12,44
749,0-18,713,80,1733649,73649,90,54
Среднее0,1823669,43669,6
8Агрегаты серой лесной почвы, просеянные на сите 0,5 мм24,0-14,813,50,25423279,823280,13,55
925,0-14,814,60,21022823,422823,61,53
1096,0-18,614,80,25821838,921839,22,85
1196,0-17,513,50,24021999,822000,12,14-
1248,0-17,513,50,28722462,922463,20,76
1324,0-17,513,00,25421091,621091,96,17
1496,0-17,513,50,24823866,923867,16,16
Среднее0,25022480,522480,7

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 Qi - тепловая энергия потока воды до взаимодействия с образцом почвогрунта, Дж; QT - тепловая энергия потока суспензии после взаимодействия с образцом почвогрунта, Дж;

ΔQтв, ΔQiC - 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 Аi - кинематическая энергия потока воды до взаимодействия с образцом почвогрунта, Дж;

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

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

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

mп - 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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к строительству, а именно к определению механических характеристик грунтовых, торфяных и мерзлых оснований при проектировании фундаментов и насыпей сооружений.
Изобретение относится к области сельского хозяйства и почвоведения. .
Изобретение относится к сельскому хозяйству и почвоведению, а именно к методам определения водопрочности почвенных агрегатов. .

Изобретение относится к области почвоведения, может применяться для определения мощности гумусового горизонта черноземных почв, существовавшей до начала деградации почв, вызванной антропогенным воздействием, и может применяться при составлении прогнозов.

Изобретение относится к горному делу - к неразрушающим методам диагностики и может использоваться при исследовании процесса разрушения твердых тел в виде образцов из чугуна при изгибающей нагрузке.

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к устройствам для изучения склоновой эрозии. .

Изобретение относится к области исследования грунта особыми способами и предназначено для обеспечения непрерывного процесса простого и высокоэффективного выделения йода (прежде всего йода-129) из большого количества грунта и его концентрирования в заданном объеме.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для петрофизической характеристики месторождений. .

Изобретение относится к области исследования плотности квазидисперсных материалов: почв - при проведении предпосевной обработки, грунтов - при дорожном строительстве.
Изобретение относится к области химии почв и может быть использовано в качестве критерия гидроморфизма почв. .

Изобретение относится к области защиты почв от эрозии

Изобретение относится к строительству, а в частности к области строительства новых и эксплуатации старых грунтовых технических систем «дорожное полотно - основание» при воздействии неблагоприятных факторов: техногенных статических, природно-климатических, вибродинамических, собственных колебаний ТС и т.д

Изобретение относится к проведению геохимической разведки перспективных месторождений, например, нефтегазового сырья и может быть использовано для определения газонасыщенности грунта и донных осадков
Изобретение относится к области почвоведения
Изобретение относится к области сельского хозяйства и почвоведения

Изобретение относится к области биотехнологии и может быть использовано для изучения процессов распространения биопатогенов в окружающей среде, исследования проникающей способности веществ белковой природы в элементы водоочистных сооружений и прогнозирования устойчивости белковых загрязнений в водной среде и на поверхностях объектов окружающей среды
Изобретение относится к области сельского хозяйства и почвоведения

Изобретение относится к водной токсикологии и может быть использовано для оценки качества природных вод

Изобретение относится к области экологии

Изобретение относится к области диагностики состояния грунтов оснований технических систем в неблагоприятных природно-климатических и инженерно-геологических условиях при воздействии вибродинамических, техногенных и других факторов, в частности диагностики грунтов транспортных технических систем при их строительстве и эксплуатации в условиях вечной мерзлоты

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

Наверх