Способ мелиорации земель в криолитозоне Российский патент 2024 года по МПК E02B13/00 A01B79/00 

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, 166с.- с. 25.), включающий орошение поверхности земли с помощью дождевания. Недостаток данного способа заключается в том, что он не позволяет успешно и полностью провести мелиорацию нарушенных термокарстом земель в криолитозоне, так как не приводит к нивелированию поверхности, нарушенной просадочными кратерами термоэрозии.

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. 57с.-13с.), включающий обустройство ограждающих валов по краям участка и затопление участка сточными, дождевыми или другими водами.

Недостатком данного изобретения является то, что затопление не приводит к нивелированию поверхности и существующие просадочные кратеры термоэрозии продолжают являются очагами для последующего каверно- и оврагообразования.

Известен способ зимней мелиорации земель криолитозоны (Жирков А.Ф., Сивцев М.А. Оценка возможности восстановления защитного слоя в условиях Центральной Якутии // В сборнике: Мониторинг в криолитозоне. Сборник докладов Шестой конференции геокриологов России с участием российских и зарубежных ученых, инженеров и специалистов. - М.: «КДУ», «Добросвет», 2022. - 444-450 с.) (прототип), включающий утрамбовку (уплотнение) снега в зимний период для понижения температуры грунта в зоне теплового влияния поверхности, за счет чего достигается снижение глубины деятельного слоя грунта на мелиорируемом участке.

Недостатком данного способа является то, что после его использования остаются кратеры термоэрозии, наличие которых снижает эффект мелиорации и может привести к прогрессирующему негативному эффекту, вызывая углубление и смыкание кратеров с образованием крупных каверн и оврагов. Кроме того, уплотнение снега происходит, ввиду наличия кратеров, неравномерно по всей поверхности мелиорируемого участка. Это затрудняет борьбу с термоэрозией земли именно на наиболее опасных участках - поверхности внутри кратеров.

Техническим результатом использования способа является выравнивание поверхности и снижение глубины оттаивания грунта на мелиорируемом участке (за счет его промерзания и увлажнения в пределах деятельного слоя) и понижение температуры мерзлого грунта в зоне теплового влияния поверхности. Причем, на наиболее опасных участках земли, на поверхности кратеров термоэрозии, этот эффект будет более значителен, чем на остальной поверхности мелиорируемого участка. В совокупности, предлагаемые данным способом действия способствуют 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 уплотнение снежного покрова по всей поверхности участка в зимний период года, в весенний период года, после схода снежного покрова, производят заполнение просадочных термокарстовых кратеров, образовавшихся на поверхности мелиорируемого участка земли, гидрофильным, предварительно увлажненным, органическим материалом с образованием на мелиорируемом участке ровной поверхности, после чего в летний период проводят дополнительное увлажнение грунта путем орошения всей поверхности мелиорируемого участка земли, причем заполнение просадочных термокарстовых кратеров проводят одноразово в первый год мелиорации, а уплотнение снега и увлажнение грунта ежегодно, до достижения глубины деятельного слоя грунта на мелиорируемом участке земли меньше глубины залегания ледяных линз и льдогрунтов на участке.

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.

Участок покрыт кратерами термоэрозии различной глубины от 0,1 до 0,3 м, диаметр которых изменяется в диапазоне от 1,0 до 5,0 м. Проявления термоэрозии с образованием кратеров 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 1,8 м и более при естественной влажности грунта равной 14%-23%. Причем минимальная влажность (льдистость) грунта наблюдается на участках, приуроченных к поверхности кратеров. Для снижения прогрессирующей термоэрозии необходимо, чтобы глубина деятельного слоя грунта (глубина оттаивания) на участке была гарантировано меньше глубины залегания ледяных линз и льдогрунтов, в особенности под днищами уже имеющихся кратеров. Известно, что снижение деятельного слоя грунта может быть достигнуто за счет увеличения льдистости грунта и понижения температуры грунта в зоне теплового влияния поверхности. Например, за счет изменения условий теплообмена поверхности с подстилающим грунтом. В частности, изменением термического сопротивления снежного покрова путем трамбования или уборки снега. Снижение глубины оттаивания может быть также достигнуто за счет дополнительной теплоизоляции поверхности в теплый период года.

Для снижения глубины оттаивания грунтов воспользуемся предлагаемым способом, который позволяет комплексно использовать все теплофизические эффекты для снижения глубины деятельного слоя на мелиорируемом участке земли. После схода снежного покрова на мелиорируемом участке произведем выравнивание поверхности с помощью предварительно увлажненного органического гидрофильного материала. В качестве которого могут быть использованы, например древесные опилки, древесная кора, мелко рубленное сено, рубленная солома, навоз и т.д. А, также их смеси в любой пропорции. Кстати, смеси на основе навоза будут выполнять еще и роль удобрения, способствующего росту растительности на мелиорируемом участке. В данном примере (для удобства тепловых расчетов термического сопротивления слоя из гидрофильного материала) воспользуемся для выравнивания поверхности смесью опилок и древесной коры в соотношении два к одному. После предварительного увлажнения исходных материалов смеси, засыпается влажной смесью вся поверхность кратеров на полную глубину. Так, чтобы на мелиорируемом участке образовалось приблизительно ровная поверхность. Причем, вне кратеров нанесение гидрофильного материала не проводится. Затем, для увлажнения грунтов деятельного слоя, в течение летнего периода проводится периодическое увлажнение всей поверхности участка, например орошением. При этом, увлажнение поверхности кратеров термоэрозии проводим более интенсивно, для компенсации потери влаги при испарительных процессах. С целью экономии воды орошение можно проводить выборочно, только на поверхности кратеров, покрытых гидрофильным материалом. В осенне-зимний период, после установления устойчивого снежного покрова, проводим периодическое трамбование снега, например, обычным строительным катком, прикрепленным к трактору. Далее, в последующие годы, проводим мероприятия по увлажнению грунтов на участке и утрамбовку снега ежегодно, пока глубина деятельного слоя не уменьшится до требуемой величины, исключающей растепление подземных льдов и льдогрунтов на участке.

Результаты математического моделирования процессов «оттаивания-промерзания» грунта внутри кратеров, показывают, что предлагаемые комплексные мероприятия позволят уже на второй год эксплуатации участка снизить глубину оттаивания с 1,8 м до 1,3 м, то есть, почти на 40%. Более того, это значение в последующие годы эксплуатации участка будет постепенно увеличиваться, за счет понижения температуры грунта в зоне теплового влияния поверхности. В частности, за счет более эффективной проморозки грунта после трамбования снега и снижения глубины оттаивания грунтов внутри кратеров, за счет дополнительного термического сопротивления гидрофильного заполнителя. Таким образом, после увлажнения грунта и утрамбовки снега, а также при наличии дополнительного термического сопротивления на поверхности земли внутри кратеров термоэрозии, в виде гидрофильной органической смеси, снижается глубина деятельного слоя и зона теплового влияния поверхности земли. Соответственно, снижается и угроза оттаивания подземных льдов и льдогрунтов с последующей прогрессирующей эрозией почвы с образованием глубоких каверн и оврагов.

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

1. Выравнивание поверхности проводится с помощью заполнения кратеров термоэрозии на всю глубину предварительно увлажненным гидрофильным органическим материалом в весенний период года, после схода снежного покрова. Это позволяет обеспечить максимальное термическое сопротивление на участке мелиорации в кратерах и снизить глубину оттаивания грунтов.

2. Последующее периодическое увлажнение гидрофильного материала в теплый период года позволяет, как увлажнить грунт деятельного слоя, так и обеспечить низкое термическое сопротивление наполнителя в зимний период года. Что, наряду с трамбованием снежного покрова, позволяет обеспечит максимальную интенсивность промерзания грунтов деятельного слоя. Кроме того, это позволяет снизить объем воды, необходимый для увлажнения грунта, за счет снижения испарительных процессов, которые активно протекают в теплый период года.

3. Последовательность предлагаемых мероприятий (выравнивание, увлажнение, трамбование) изменяется с течением времени. Выравнивание проводится только в первый год, а увлажнение и трамбование снега ежегодно, до достижения технического результата.

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».

Способ мелиорации нарушенных термокарстом земель в криолитозоне предполагает уменьшение деятельного слоя грунта (слоя промерзания-оттаивания грунта). Для этого в весенний период года, после схода снежного покрова, производят выравнивание поверхности земли путем заполнения просадочных термокарстовых кратеров предварительно увлажненным гидрофильным органическим материалом, а в зимний период производят уплотнение снежного покрова. Дополнительно, после выравнивания, производят увлажнение поверхности земли на участке мелиорации. В качестве гидрофильного органического материала могут быть использованы как собственно природные гидрофильные материалы (измельченная кора деревьев, опилки, солома, навоз и т.п.), так и их смеси (смеси опилок и соломы, навоза и соломы, коры и опилок и т.д.). Совокупность данных мероприятий позволяет обеспечить эффективную проморозку грунтов деятельного слоя в зимний период, и снизить глубину оттаивания грунтов в летний период года. Причем, выравнивание поверхности проводят в первый год мелиорации, а увлажнение и уплотнение снега ежегодно, до достижения необходимого уровня глубины оттаивания, исключающего негативное тепловое влияние поверхности на ледяные включения и льдогрунты на мелиорируемом участке земли. Результаты математического моделирования процессов «оттаивания-промерзания» грунта внутри кратеров показывают, что уже на следующий год после мелиоративных мероприятий глубина оттаивания грунта снижается. С каждым последующим годом этот процесс продолжается до выхода тепловых процессов на квазистационарный уровень. Предлагаемые мероприятия позволяют минимизировать глубину оттаивания грунтов на мелиорируемом участке и избежать прогрессирующей эрозии почвы на участках залегания подземных льдов и льдогрунтов в зоне теплового влияния поверхности земли.

Способ мелиорации нарушенного термокарстом участка земли криолитозоны, включающий уплотнение снежного покрова по всей поверхности участка в зимний период, отличающийся тем, что в весенний период года, после схода снежного покрова, производят заполнение просадочных термокарстовых кратеров, образовавшихся на поверхности мелиорируемого участка земли, гидрофильным, предварительно увлажненным, органическим материалом с образованием на мелиорируемом участке ровной поверхности, после чего в летний период проводят дополнительное увлажнение грунта путем орошения всей поверхности мелиорируемого участка земли, причем заполнение просадочных термокарстовых кратеров проводят одноразово в первый год мелиорации, а уплотнение снега и увлажнение грунта ежегодно, до достижения глубины деятельного слоя грунта на мелиорируемом участке земли меньше глубины залегания ледяных линз и льдогрунтов на участке.