Способ зимней мелиорации земель Российский патент 2024 года по МПК E02B13/00 A01B13/16 

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности, к мелиорации сельскохозяйственных земель, и может быть использовано для улучшения увлажнения плодородного слоя земли в весенний период при таянии снежного покрова.

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 том, что он не использует возможности зимней мелиорации земель для увлажнения плодородного слоя почвы.

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

Недостатком данного изобретения является то, что он не обеспечивает эффективного использования запасов влаги, содержащейся в снежном покрове для увлажнения плодородного слоя почвы.

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 масса выпавшего снега не обеспечивает при таянии увлажнение деятельного слоя грунта до необходимого уровня. Другим недостатком является то, что при таянии утрамбованного снега на его поверхности образуется водный слой, а сам утрамбованный снег превращается в ледяной слой, который препятствует оттаиванию и увлажнению верхнего слоя почвы. Кроме того, слой воды над поверхностью льда активно испаряется, что снижает общий запас влаги, который может пойти на увлажнение почвы при оттаивании всего снежного покрова.

Техническим результатом использования способа является сохранение влагоемкости снежного покрова при таянии в весенний период за счет уменьшение толщины слоя свободной воды над снежно-ледяной поверхностью, а также раннее увлажнение части плодородного слоя за счет непосредственного контакта воды с поверхностью земли, которое обеспечивается отсутствием ледяного слоя на участках перфорации снежно-ледяного покрова. Кроме того, при отсутствии воды на поверхности снежно-ледяного покрова, таяние последнего происходит быстрее, так как затраты тепла на нагрев воды и испарительные процессы резко уменьшаются.

Технический результат достигается тем, что в известном техническом решении, включающем уплотнение снежного покрова по всей поверхности участка в зимний период года, после уплотнения снега производят перфорацию снежного покрова на всю глубину до поверхности земли, причем количество отверстий на единицу площади поверхности уплотненного снежного покрова определяют из следующего математического выражения

Где: N - количество отверстий на 1 м² площади снежного покрова, ед.; K - коэффициент впитываемости воды почвой, д.е.; k - коэффициент уплотнения снежного покрова, ед.; r - радиус перфорационного отверстия, м; ρ_a - плотность льда, кг/м³; ρ_{o -} плотность снега до уплотнения, кг/м³.

Вывод математической зависимости, включенной в формулу изобретения. При выводе расчетной математической зависимости примем следующие естественные допущения. Площадь поверхности земли, свободной от снежного покрова, должна быть равна площади, покрытой снежным покровом. В этом случае будет обеспечен сток всей образовавшейся в результате таяния снежно-ледяного слоя воды через отверстия перфорации непосредственно к поверхности земли и впитывание ее почвой при оттаивании. То есть, можно записать следующие равенства для единицы площади поверхности участка земли

Где: S_p = площадь отверстий перфорации, ед./м²; S_S = площадь покрытая снегом, м²; N - количество отверстий на 1 м² площади снежного покрова, ед.; r - радиус перфорационного отверстия, м; ρ_a - плотность льда, кг/м³; ρ_s - плотность снега после уплотнения, кг/м³.

Введем понятия коэффициента уплотнения снега «k» и коэффициента впитываемости влаги землей «K» . Параметр k может быть найден из следующего очевидного соотношения

Где: H_o - толщина снежного покрова до уплотнения, м; H_s - толщина снежного покрова после уплотнения, м; ρ_o - плотность снега до уплотнения, кг/м³.

Коэффициент впитываемости почвы «K» (показывает, какая часть влаги при оттаивании снежно-ледяного покрова впитается почвой) зависит от пористости и состояния (мерзлое или талое) почвы и должен определяться лабораторным методом. При отсутствии впитывания влаги почвой данный коэффициент равен нулю. Если вся влага сразу впитывается почвой, то коэффициент равен единице. Объединяя формулы (1) и (2), после несложных преобразований, найдем математическое выражение для определения необходимого количества отверстий на единицу площади поверхности уплотненного снежного покрова , которая включено в формулу изобретения

Способ реализуется следующим образом. Рассмотрим конкретный пример. Имеется участок луговой земли в Центральной Якутии, подлежащий мелиорации с целью снижения термоэрозии почвы. 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 глубина оттаивания, наблюдаемая на участке, составляет 1,8 м (при естественной влажности грунта и пористости, равной 20%). Для исключения прогрессирующей термоэрозии необходимо, чтобы глубина деятельного слоя грунта (глубина оттаивания) на участке была меньше глубины залегания ледяных линз и льдогрунтов. Известно, что снижение деятельного слоя грунта может быть достигнуто за счет увеличения влажности (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 трамбовки или уборки снега.

Для снижения глубины оттаивания грунтов воспользуемся предлагаемым способом, который позволяет комплексно использовать все теплофизические эффекты для снижения глубины деятельного слоя на мелиорируемом участке земли. В осенне-зимний период, после установления устойчивого снежного покрова, проводим периодическую трамбовку снега, например, обычным строительным катком, прикрепленным к трактору. Далее, при наступлении положительных температур воздуха в дневное время и частичном таянии снежного покрова, проводим перфорирование утрамбованного снега, например катком с шипами, длиной больше, чем толщина утрамбованного снежного покрова. Плотность перфорированных отверстий на единице площади, определяем по формуле (3) при следующих исходных данных: K=0,6:k=2,3; r=0,025м; ρ_a=900,0, кг/м³; ρ_s=210,0, кг/м³.

Подставляя исходные данные в формулу (3), найдем необходимое количество отверстий на 1 м² площади снежного покрова, N=(1-0,6)/3,14*0,025^2*(1+900/210*2,3)=71. Такое количество отверстий с радиусом 0,025 м обеспечит стекания слоя образовавшейся при таянии снега воды непосредственно к почве. Что вызовет ее оттаивание и последующее увлажнение. Таким образом, при таянии снега и образовании снежно-ледяного слоя с водной поверхностью, образовавшаяся вода будет не испаряться, а через отверстия перфорации стекать непосредственно к почве и частично, или полностью впитываться. Таким образом, по сравнению с прототипом, будет обеспечиваться лучшая степень увлажнения почвы при одинаковом запасе влаги в уплотненном снежном покрове.

Увеличение влажности грунта приведет к снижению глубины деятельного слоя на мелиорируемом участке. Это позволит избежать прогрессирующей термоэрозии почвы, за счет исключения таяния грунтов на уровне залегания подземных льдов. Для надежности, в последующие годы все мероприятия целесообразно повторять, пока не будет достигнута необходимая глубина деятельного слоя грунта на мелиорируемом участке.

Преимуществами предлагаемого способа, определяющим его существенные отличия от известных способов, является.

1. После трамбовки снежного покрова производят его перфорацию. При этом, образующаяся в весенний период на поверхности снежно-ледяного покрытия вода, стекает через отверстия перфорации непосредственно к почве и увлажняет ее даже при наличии снежно-ледяного слоя на поверхности.. Это позволяет обеспечить максимальное увлажнение грунта деятельного слоя за счет уменьшения количества воды, испаряющейся с поверхности снежно-ледяного покрова.

2. Перфорирование снежного покрова проводят в количестве, которое определяется из полученного математического выражения, и которое обеспечит стекания всей образующейся при таянии воды непосредственно к почве через отверстия перфорации.

3. В совокупности эти два фактора, дополняя друг друга, обеспечат снижение глубины деятельного слоя до безопасного уровня, необходимого для защиты поверхности от термокарста.

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, и может быть использовано для улучшения увлажнения плодородного слоя земли в весенний период при таянии снежного покрова. Способ зимней мелиорации земель обеспечивает снижение потерь влаги, содержащейся в снежном покрове, в период таяния снега и интенсификации впитывания влаги плодородным слоем земли. Для этого в зимний период, после прекращения снегопадов, производят уплотнение снежного покрова, после чего дополнительно производят его перфорацию на всю толщину, до поверхности земли. Количество и радиус перфорационных отверстий определяют из полученного математического выражения, связывающего количество отверстий на единице площади поверхности снежного покрова с их радиусом, коэффициентом уплотнения снежного покрова и плотностью снега до начала проведения мелиоративных работ. Проведение перфорации уплотненного снежного покрова позволяет обеспечить дополнительное увлажнение плодородного слоя земли в весенний период, а также снизить потери влаги за счет уменьшения испарительных процессов с поверхности воды, образующейся надо льдом при таянии снега. Кроме того, сам процесс оттаивания снежного покрова и поверхностного слоя почвы происходит значительно быстрее - за счет отсутствия потерь тепла на нагрев и испарение воды, которая стекает по каналам перфорации вниз и способствует ускоренному оттаиванию и увлажнению почвы.

Способ зимней мелиорации участка земли, включающий уплотнение снежного покрова по всей поверхности участка в зимний период, отличающийся тем, что после уплотнения снега производят перфорацию снежного покрова на всю глубину до поверхности земли, причем количество отверстий на единицу площади поверхности уплотненного снежного покрова определяют из следующего математического выражения:

,

где N - количество отверстий на 1 м² площади снежного покрова, ед.;

K - коэффициент впитываемости воды почвой, д.е.;

k - коэффициент уплотнения снежного покрова, ед.;

r - радиус перфорационного отверстия, м;

ρ_a - плотность льда, кг/м³;

ρ_o - плотность снега до уплотнения, кг/м³.