Способ мелиорации земель в зоне многолетней мерзлоты Российский патент 2024 года по МПК E02B13/00 A01G25/00 A01B79/00 

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности, к мелиорации сельскохозяйственных земель криолитозоны (зоны многолетней мерзлоты), и может быть использовано для предотвращения негативных проявлений термокарста на осваиваемых луговых землях 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 при затоплении не производят предварительный расчет толщины слоя воды, необходимой для заданной степени увлажнения деятельного слоя, а также 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. Кроме того, перед затоплением не скашивают траву на участке, что препятствует активному увлажнению деятельного слоя.

Техническим результатом использования способа является снижение глубины оттаивания грунта на мелиорируемом участке (за счет дополнительного увлажнения грунта в пределах деятельного слоя и за счет теплоизолирующего эффекта от скошенной травы на поверхности земли) на заданную глубину 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, включающим увлажнение грунта затоплением поверхности, перед затоплением проводят скашивание и равномерное размещение травы по поверхности участка, которую убирают после наступления отрицательных температур атмосферного воздуха, при этом толщину слоя воды на затапливаемом участке земли определяют из следующего математического выражения:

,

где: Н – толщина слоя воды на затапливаемом участке, м.;

– начальная влажность талого грунта деятельного слоя, д.е.;

h - естественная глубина оттаивания грунта на участке до начала освоения, м.;

n - необходимая степень снижения глубины оттаивания грунтов на участке мелиорации (n ≥1,0), д.е.;

k – коэффициент надежности, характеризующий степень испарения воды на мелиорируемом участке (k ≥1,0), д.е.

Вывод расчетной зависимости, включенной в формулу изобретения. При выводе расчетной математической зависимости примем следующие естественные допущения. Объем воды, которая впитается грунтом и заполнит часть пор может быть определен из выражения

, м³ (1)

Где: h - естественная глубина оттаивания грунта на участке до начала освоения, м.;

S - единичная площадь участка (S=1,0), м²;

p – часть порового пространства грунта, которое необходимо заполнить водой, д.е.

С другой стороны, объем воды, которым необходимо затопить единичную площадь поверхности мелиорируемого участка для заполнения части порового пространства грунта, может быть найден из выражения

, м³ (2)

Где: H - толщина слоя воды на затапливаемом участке, м;

S - единичная площадь участка (S=1,0), м²;

k – коэффициент надежности, характеризующий степень испарения воды на мелиорируемом участке (k ≥1,0), д.е. Коэффициент надежности (коэффициент запаса) может быть определен экспериментальным путем и зависит от многих природных факторов. Обычно, в инженерных расчетах его принимают равным 1,1 – 1,2.

Приравняв выражения (1) и (2) найдем необходимую толщину слоя воды на участке мелиорации

p, м (3)

Неизвестным остается параметр «p», который может быть найден следующим образом. Глубина оттаивания грунтов с естественной влажностью (льдистостью), при вовлечении участка земли в сельскохозяйственный оборот увеличивается, в среднем, в «n» раз. Поскольку у нас стоит задача сохранить или уменьшить глубину оттаивания на участке за счет увеличения средней влажности (льдистости) грунта деятельного слоя, то степень снижения глубины оттаивания тоже должна быть равна «n». Глубина оттаивания в зависимости от влажности (льдистости) грунта может быть найдена по известной формуле Стефана

, м (4)

Где: λ – коэффициент теплопроводности талого грунта, Вт/мК;

τ - длительность периода оттаивания, с;

ρ – средняя плотность грунта, кг/м³;

L – скрытая теплота плавления льда, Дж/кг;

– начальная средняя влажность талого грунта деятельного слоя, д.е.

t - средняя температура воздуха за период оттаивания, °С.

При заполнении части «p» порового пространства грунта водой, глубина оттаивания снизится до величины, которая определяется по формуле, вытекающей из уравнения (4)

, м (5)

Искомую степень снижения глубины оттаивания найдем из выражения

(6)

Откуда, после несложных преобразований, найдем параметр «р», входящий в выражение (3)

(7)

Подставляя данное выражение в уравнение (3), получим расчетную математическую зависимость, включенную в формулу изобретения

, м, (8)

где: Н – толщина слоя воды на затапливаемом участке, м.;

– начальная влажность талого грунта деятельного слоя, д.е.;

h - естественная глубина оттаивания грунта на участке до начала освоения, м.;

n - необходимая степень снижения глубины оттаивания грунтов на участке мелиорации (n ≥1,0), д.е.;

k – коэффициент надежности, характеризующий степень испарения воды на мелиорируемом участке (k ≥1,0), д.е.

Способ реализуется следующим образом. Рассмотрим конкретный пример. Имеется участок луговой земли в Центральной Якутии с не нарушенной термокарстом поверхностью, подлежащий мелиорации с целью снижения вероятности проявления термокарста и прогрессирующей термоэрозии почвы за счет вовлечения в сельхозоборот и регулярного ежегодного кошения травы при сенозаготовках. Скос и уборка травы приводят к нарушению теплового баланса почвы и постепенного, от года к году, увеличению глубины оттаивания грунта и глубины зоны теплового влияния поверхности. При наличии в пределах деятельного слоя ледяных включений или льдогрунтов это может привести к их оттаиванию, что приводит к термокарсту (образованию термокарстовых кратеров на поверхности) и последующей прогрессирующей термоэрозии поверхности земли. Подобные негативные процессы, со временем, выводят луговые земли из сельхозоборота. Для снижения вероятности возникновения термоэрозии необходимо компенсировать увеличение глубины оттаивания грунта при вовлечении участка в сельхозоборот. Это может быть достигнуто за счет повышения влажности (льдистости) грунтов деятельного слоя. В рассматриваемом примере,

проявления термоэрозии могут возникнуть из-за того, что на участке на глубине 1,8 м имеются ледяные линзы и частично залегают льдогрунты. Максимальная же глубина оттаивания, наблюдаемая в осенний период (конец октября месяца) составляет 1,5 м при средней влажности(льдистости) грунта 0,23 (23%). Открытая пористость грунта 0,37 (37%). Поскольку при сельскохозяйственном освоении земли глубина оттаивания постоянно увеличивается, глубина деятельного слоя может достигнуть глубины залегания льдогрунтов и ледяных включений. Это вызовет появление термокарстовых повреждений поверхности. 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 предлагаемым способом их увлажнения путем затопления поверхности мелиорируемого участка земли. Поскольку до вовлечения в сельхозоборот проявлений термокарста не наблюдалось, будет логичным обеспечить именно этот природный уровень оттаивания и в период эксплуатации участка. То есть, в данном случае степень снижения «n» глубины оттаивания может быть определена как отношение средней глубины залегания ледяных включений и льдогрунтов к естественной глубине оттаивания грунтов на участке до его освоения. В нашем примере

n=1,8/1,5=1,2

Параметр Н (толщину слоя воды затопления) найдем по формуле (8).

=1,1=0,17 м.

Получаем, что для достижения технического результата участок должен быть затоплен водой не менее чем на 17 см по высоте. То есть, на один квадратный метр поверхности необходимо подать 0,17 м³ воды. Это даст возможность увлажнить грунты деятельного слоя и обеспечить их последующее оттаивание на глубину, не превышающую естественную глубину оттаивания, которая наблюдалась на участке до ввода земли в сельхозоборот. Дополнительно, перед затоплением участка, проводим кошение травы и равномерное размещение ее по поверхности. Скос травы производим в обычные месяцы сенокоса (июнь-июль), после достижения необходимого роста травы. При затоплении участка трава всплывет, что снизит испарительные процессы и позволит основному количеству воды впитаться грунтом. После впитывания воды грунтом, трава осядет снова на поверхность земли, высохнет, и будет выполнять роль теплоизоляции, препятствующей оттаиванию грунта в теплый период года. После наступления отрицательных температур воздуха сухая трава (сено) убирается. Это будет способствовать усилению процесса промерзания и охлаждению грунтов деятельного слоя.

Результаты математического моделирования процессов «оттаивания-промерзания» насыщенного влагой грунта при наличии переменного термического сопротивления на поверхности показывают, что это позволит уже на следующий год эксплуатации участка снизить глубину оттаивания. 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 и размещения временного дополнительного термического сопротивления снижается зона теплового влияния поверхности земли и угроза оттаивания подземных льдов и льдогрунтов с последующей прогрессирующей эрозией почвы с образованием каверн и оврагов.

Преимуществами предлагаемого способа, определяющими его существенные отличия от известных, являются.

1. Перед затоплением поверхности мелиорируемого участка проводят скос травы и равномерное ее размещение по поверхности участка. 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. А, с другой стороны, после впитывания воды грунтом, это позволяет увеличить термическое сопротивление на поверхности земли, снизив уровень теплообмена между воздухом и грунтом. И, соответственно глубину оттаивания пород.

2. Уборка сухой травы проводится после достижения среднесуточной температуры воздуха отрицательных значений. Это позволяет снизить термическое сопротивление на поверхности земли и обеспечить более интенсивное охлаждение грунтов деятельного слоя в зимний период года.

3. Толщина слоя воды для затопления участка мелиорации определяется из специального математического выражения, которое обеспечивает необходимую надежность способа и достижение технического результата. Т.е. обеспечивает необходимую степень увлажнения деятельного слоя грунта для заданной степени снижения глубины оттаивания.

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 сельскому хозяйству, в частности к мелиорации сельскохозяйственных земель криолитозоны (зоны многолетней мерзлоты), и может быть использовано для предотвращения проявлений термокарста при наличии в зоне теплового влияния поверхности ледяных включений или льдогрунтов. Способ мелиорации земель в криолитозоне предполагает увлажнение деятельного слоя грунта и снижение глубины оттаивания на заданную величину, исключающую оттаивание ледяных включений и льдогрунтов в зоне теплового влияния поверхности. Для этого в летний период, когда начинается сенокос, проводят скашивание и равномерное размещение травы по мелиорируемому участку, после чего проводят затопление мелиорируемого участка водой, с толщиной слоя, определяемого по специально полученной формуле. Скошенная трава препятствует активному испарению воды, которая увлажняет деятельный слой грунта. После впитывания грунтом воды, скошенная трава служит дополнительным термическим сопротивлением, препятствующим активному оттаиванию грунта. После наступления отрицательных температур атмосферного воздуха высохшую траву убирают. Это способствует более интенсивному охлаждению грунтов деятельного слоя в осенне-зимний период. На следующий год после увлажнения глубина оттаивания грунта снижается, а температура грунта в пределах зоны теплового влияния поверхности понижается. С каждым последующим годом этот процесс продолжается до выхода тепловых процессов на квазистационарный уровень. Предлагаемые мероприятия позволяют снизить глубину оттаивания грунтов на мелиорируемом участке до заданного значения и избежать проявлений термокарста и прогрессирующей эрозии почвы на участках залегания подземных льдов и льдогрунтов в зоне теплового влияния поверхности земли.

Способ мелиорации участка земли криолитозоны, включающий увлажнение грунта затоплением поверхности, отличающийся тем, что перед затоплением проводят скашивание и равномерное размещение травы по поверхности участка, которую убирают после наступления отрицательных температур атмосферного воздуха, при этом толщину слоя воды на затапливаемом участке земли определяют из следующего математического выражения:

,

где Н – толщина слоя воды на затапливаемом участке, м;

– начальная влажность талого грунта деятельного слоя, д.е.;

h – естественная глубина оттаивания грунта на участке до начала освоения, м;

n – необходимая степень снижения глубины оттаивания грунтов на участке мелиорации (n≥1,0), д.е.;

k – коэффициент надежности, характеризующий степень испарения воды на мелиорируемом участке (k≥1,0), д.е.