Способ мелиорации нарушенных термокарстом земель Российский патент 2024 года по МПК A01B79/02 A01B13/16 

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности, к мелиорации сельскохозяйственных земель криолитозоны, и может быть использовано для восстановления нарушенных термокарстом земель при наличии в зоне теплового влияния поверхности земли ледяных включений или льдогрунтов.

Известен способ мелиорации (Л.И. Виноградова, Г.Н. Долматов. Основы мелиорации земель. Красноярск: КрГАУ, 2021, 166 с.- с. 25.), включающий орошение поверхности земли с помощью дождевания. Недостаток данного способа заключается в необходимости устройства специальной дождевальной системы орошения или использование специальной техники, что затрудняет применение способа при проведении мелиорации лугов криолитозоны, подверженных термокарсту.

Известен способ мелиорации земель, включающий затопление водой мелиорируемого участка с целью увлажнения плодородного слоя (Е.П. Денисов, К.Е. Денисов, Н.П. Молчанова. Мелиорация, рекультивация и охрана земель. Саратов: ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ». 2014. 57 с. - 13 с.) (прототип), включающий обустройство ограждающих валов по краям участка и затопление участка сточными, дождевыми или другими водами.

Недостатком данного изобретения является то, что затопление производят в теплый период года, при этом количество воды на мелиорируемом участке не увязывают с глубиной оттаивания грунта. Способ напрямую не применим в районах распространения многолетней мерзлоты на участках подверженных термоэрозии. Так как недостаточное количество воды не приведет к требуемому увлажнению грунта деятельного слоя (слоя оттаивания-промерзания грунта) и необходимой степени уменьшения глубины оттаивания грунта на мелиорируемом участке. Избыточное же количество воды затопления может привести к заболачиваемости участка, так как поглощающая способность грунта в криолитозоне ограничена глубиной деятельного слоя. Поскольку мерзлые грунты являются естественным водоупором.

Техническим результатом использования способа является снижение глубины оттаивания грунта на мелиорируемом участке (за счет его увлажнения в пределах деятельного слоя) и понижение температуры мерзлого грунта в зоне теплового влияния поверхности. В совокупности это способствует предотвращению развития процессов термокарста на мелиорируемой территории, так как подземные льды и льдогрунты будут находиться ниже деятельного слоя.

Технический результат достигается тем, что в известном техническом решении, включающем увлажнение грунта затоплением поверхности, затопление поверхности участка земли водой осуществляют после достижения среднесуточных значений температуры атмосферного воздуха, ниже значений температуры замерзания воды, а глубину слоя воды затопления на мелиорируемом участке земли определяют из математического выражения:

, м,

где: Н - глубина слоя воды на затапливаемом участке,м; р - пористость талого грунта деятельного слоя, д.е.; h - максимальная глубина оттаивания грунта на участке до начала мелиорации, м; v - скорость фильтрации талого грунта, м/час; t - средняя температура воздуха в период промерзания воды, °С.

Вывод расчетной зависимости, включенной в формулу изобретения. При выводе расчетной математической зависимости примем следующие естественные допущения. Заполнение пор талого грунта происходит со скоростью, равной скорости фильтрации талого грунта. Поскольку температура воздуха ниже температуры замерзания воды, то часть воды замерзнет, а часть «впитается» грунтом. Следовательно общая глубина слоя воды (Н) должна быть больше или равна суммарной толщине льда (, образованного за период полного увлажнения талого грунта, и толщины слоя воды (, которая «впитается» грунтом до его полного увлажнения, то есть заполнения водой свободного порового пространства грунта. В математическом плане, можно записать следующее неравенство

, м (1)

Входящие в формулу (1) слагаемые могут быть найдены по следующим формулам. Толщину слоя льда, определим по известной формуле Стефана

, м (2)

Где: λ - коэффициент теплопроводности льда, Вт/мК; τ - длительность периода промерзания слоя воды, с; ρ - плотность льда, кг/м³; L - скрытая теплота плавления (замерзания) льда, Дж/кг; t - средняя температура воздуха за период замерзания воды, °С.

Длительность периода замерзания воды определим из условия, что он должен быть не меньше периода насыщения водой деятельного слоя грунта по всей глубине оттаивания, то есть

, c (3)

Где: h - глубина оттаивания грунта на участке мелиорации, м; v - скорость фильтрации талого грунта, м/с.

Толщина слоя воды, которая «впитается» грунтом (до его полного насыщения), может быть определена по простой формуле

, м (4)

Где: р - пористость талого грунта ( объем открытых пор, которые могут быть заполнены водой), д.е.

Подставляя известные константы для льда в уравнение (2) и преобразовывая размерности отдельных величин в удобные для инженерных расчетов (секунды в часы), после подстановки (2), (3) и (4) в уравнение (1) и несложных преобразований получим расчетную математическую зависимость, включенную в формулу изобретения

,м, (5)

где: Н - глубина слоя воды на затапливаемом участке мелиорации,м; р - пористость талого грунта деятельного слоя, д.е.; h - максимальная глубина оттаивания грунта на участке, м; v - скорость фильтрации талого грунта, м/час; t - средняя температура воздуха за период промерзания воды, °С.

Способ реализуется следующим образом. Рассмотрим конкретный пример. Имеется участок луговой земли в Центральной Якутии с нарушенной термокарстом поверхностью, подлежащий мелиорации с целью снижения прогрессирующей термоэрозии почвы. Проявления которой наблюдаются из-за того, что на участке на глубине 1,6 м имеются ледяные линзы и частично залегают льдогрунты. Максимальная же глубина оттаивания, наблюдаемая в осенний период (конец октября месяца) составляет 1,7 м при влажности грунта 0,16 (16%). Коэффициент фильтрации талого грунта составляет 0,02 м/час. Пористость грунта 0,18 (18%). Средняя температура воздуха в первой декаде октября, когда наблюдается устойчивые отрицательные среднесуточные значения температуры воздуха составляет минус 4,0°С. Для снижения прогрессирующей термоэрозии необходимо, чтобы глубина деятельного слоя грунта (глубина оттаивания) на участке была гарантировано меньше глубины залегания ледяных линз и льдогрунтов. Для снижения глубины оттаивания грунтов воспользуемся способом их увлажнения путем затапливания поверхности мелиорируемого участка земли.

Рассчитаем объем воды (V) для затопления одного метра квадратного (S) участка: V=HS, м³. Параметр Н ( глубину слоя воды затопления) найдем по формуле (5).

=1,7×0,18+0,002(1,7×4/0,02)^0,5=0,31+0,04 =0,35 м.

Получаем, что для полного увлажнения талого грунта в пределах деятельного слоя участок должен быть затоплен водой не менее чем на 35 см по высоте. То есть на один квадратный метр поверхности необходимо подать 0,35 м³ воды. Это даст возможность увлажнить грунты деятельного слоя на всю глубину до степени полного насыщения. Дополнительное увлажнение, если не будет полного насыщения в осенний период (из-за изменения коэффициента фильтрации, например), произойдет при оттаивании льда в весенне-летний периоды. Таким образом, можно считать гарантированной полное насыщение водой деятельного слоя грунта. Результаты математического моделирования процессов «оттаивания-промерзания» насыщенного влагой грунта показывают, что это позволит уже на следующий год эксплуатации участка снизить глубину оттаивания с 1,7 м до 1,2 м, то есть более, чем на 40%. Более того, это значение в последующие годы эксплуатации участка будет постепенно увеличиваться, за счет понижения температуры грунта в зоне теплового влияния поверхности. Таким образом, после увлажнения, резко снижается зона теплового влияния поверхности земли и угроза оттаивания подземных льдов и льдогрунтов с последующей прогрессирующей эрозией почвы с образованием каверн и оврагов.

Преимуществом предлагаемого способа, определяющим его существенное отличие от известных является.

1. Увлажнение деятельного слоя производится после перехода среднесуточной температуры воздуха через 0°С. Т.е. при устойчивых среднесуточных отрицательных значениях температуры атмосферного воздуха. Это позволяет увлажнить грунт при максимальном значении глубины оттаивания. Кроме того, это позволяет снизить объем воды, необходимый для увлажнения грунта, за счет снижения испарительных процессов, которые активно протекают в теплый период года. Особенно в условиях резко-континентального климата, характерного для криолитозоны Крайнего Севера.

2. Наличие льда на поверхности земли после увлажнения позволяет повысить надежность результатов первого этапа рекультивации, за счет дополнительного увлажнения деятельного слоя при оттаивании льда и грунта в теплый период следующего года.

3. Глубина слоя воды для затопления участка мелиорации определяется из специального математического выражения, которое обеспечивает необходимую надежность способа и достижение технического результата. Т.е. обеспечивает максимальное увлажнения деятельного слоя грунта.

Настоящие отличия являются существенными, так как только с их помощью можно достичь заявленного технического результата.

Сопоставительный анализ признаков заявленного технического решения с признаками ближайших аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критериям «новизна» и «существенные отличия».

Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности, к мелиорации сельскохозяйственных земель криолитозоны, и может быть использовано для восстановления нарушенных термокарстом земель при наличии в зоне теплового влияния поверхности ледяных включений или льдогрунтов. Способ включает увлажнение грунта затоплением поверхности участка земли водой, которое осуществляют после достижения среднесуточных значений температуры атмосферного воздуха, ниже значений температуры замерзания воды. Глубину слоя затопления воды на мелиорируемом участке земли определяют из математического выражения: , м, где: Н - глубина слоя воды на затапливаемом участке, м; р - пористость талого грунта деятельного слоя, д.е.; h - максимальная глубина оттаивания грунта на участке до начала мелиорации, м; v - скорость фильтрации талого грунта, м/час; t - средняя температура воздуха в период промерзания воды, °С. Способ обеспечивает снижение глубины оттаивания грунта на мелиорируемом участке за счет его увлажнения в пределах деятельного слоя и понижение температуры мерзлого грунта в зоне теплового влияния поверхности, способствует предотвращению развития процессов термокарста на мелиорируемой территории.

Способ мелиорации нарушенного термокарстом участка земли криолитозоны, включающий увлажнение грунта затоплением поверхности, отличающийся тем, что затопление поверхности участка земли водой осуществляют после достижения среднесуточных значений температуры атмосферного воздуха, ниже значений температуры замерзания воды, а глубину слоя затопления воды на мелиорируемом участке земли определяют из математического выражения:

, м,

где: Н - глубина слоя воды на затапливаемом участке, м;

р - пористость талого грунта деятельного слоя, д.е.;

h - максимальная глубина оттаивания грунта на участке до начала мелиорации, м;

v - скорость фильтрации талого грунта, м/час;

t - средняя температура воздуха в период промерзания воды, °С.