Способ зимней мелиорации земель в криолитозоне 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, 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 препятствует защитным функциям снежного покрова в зимний период, что не позволяет в должной степени обеспечить зимнюю проморозку деятельного слоя грунта.

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. - 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 эффективной проморозки деятельного слоя грунта в зимний период.

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 коэффициент теплопроводности даже утрамбованного снега достаточно низкий, что препятствует активному охлаждению грунта в зоне теплового влияния поверхности.

Техническим результатом использования способа является 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. В совокупности, предлагаемые способом действия, способствуют предотвращению развития процессов термокарста на мелиорируемой территории, так как подземные льды и льдогрунты будут находиться ниже глубины деятельного слоя.

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 его орошение водой по всей поверхности мелиорируемого участка земли. При этом уплотнение снега и орошение участка производят ежегодно, до достижения заданной глубины деятельного слоя грунта на мелиорируемом участке земли, а объем воды, используемый для орошения одного квадратного метра площади мелиорируемого участка земли, определяют из математического выражения:

, м³,

где V - объем воды для орошения единицы площади мелиорируемого участка земли, м³; H - естественная глубина оттаивания грунта на участке до начала освоения, м; k - коэффициент заполнения порового пространства грунта водой, д.е.; n - коэффициент пористости талого грунта, д.е.; ρ - плотность снега, кг/м³; - h - толщина уплотненного снежного слоя, м.

Вывод расчетной зависимости, включенной в формулу изобретения. При выводе расчетной математической зависимости примем следующие естественные допущения. Необходимое количество воды для зимнего орошения найдем из выражения

, м³, (1)

где - объем воды, которая впитается грунтом и заполнит часть пор, м³; - объем воды, получаемый при таянии снега на единице поверхности участка, м³.

Параметры, входящие в выражение (1), могут быть найдены с помощью следующих формул.

Объем воды, которая впитается грунтом и заполнит часть пор (, может быть найден из выражения

, м³, (2)

где H - естественная глубина оттаивания грунта на участке до начала освоения, м.; S - единичная площадь участка (S = 1,0), м²; k - часть порового пространства грунта, которое необходимо заполнить водой, д.е.; n - коэффициент пористости талого грунта, д.е.

С другой стороны, объем воды, который получится при таянии снега с единичной площади поверхности мелиорируемого участка (), может быть найден из выражения

, м³, (3)

где - объем снега на единице площади участка, м³; ρ - плотность снега, кг/м³; - плотность воды, равная 1000 кг/ м³.

Объем уплотненного снега на единице площади мелиорируемого участка земли найдем из выражения

, м³, (4)

где h - толщина уплотненного снежного слоя, м; S - единичная площадь участка (S = 1,0), м².

Подставляя выражения (2) и (3), с учетом выражения (4), в формулу (1), найдем математическое выражение для определения необходимого количества (объема) воды для зимнего орошения единицы площади поверхности на участке мелиорации, которое включено в формулу изобретения

, м³. (5)

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, проводим орошение утрамбованного снега водой из обычной поливальной машины. Средний расход воды определяем из математического выражения, приведенного в формуле изобретения. Выполненные предварительные расчеты показывают, что для снижения глубины оттаивания грунтов на заданную величину (в рассмотренном варианте 0,2 м) необходимо, чтобы пористость грунта уменьшилась на 30% за счет заполнения пор водой. То есть k=0,3 при n=0,2. Толщина утрамбованного снежного покрова составляет 0,15 м при плотности 400 кг/м³. По формуле (5) находим, что расход воды на единицу поверхности участка, должен быть

= 0,3×0,2×1,6 - 0,001×400×0,15 = 0,096 - 0,06 = 0,036 м³.

Вода, смешиваясь со снегом и замерзая, образует на поверхности земли снежно-ледовое плотное покрытие, коэффициент теплопроводности которого на много больше (в 3-4 раза), чем у утрамбованного снега. Кроме того, и толщина нового покрывающего слоя будет также в 2,5 раза меньше, слоя утрамбованного снега (0,15/0,06=2,5). То есть, термическое сопротивление покрытия уменьшится, в среднем, почти в 8-9 раз. Это обеспечит интенсивное охлаждение грунта в зоне теплового влияния поверхности в зимний период года. После таяния снежно-ледового покрытия большая часть воды впитается грунтом деятельного слоя, увеличив его влажность.

Два этих фактора в совокупности приведут к снижению глубины деятельного слоя на мелиорируемом участке. 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 орошение водой. При этом создается (после замерзания воды) снежно-ледяное покрытие, термическое сопротивление которого в несколько раз ниже, чем у утрамбованного снега. Это позволяет обеспечить максимальное охлаждения грунта в зоне теплового влияния поверхности в зимний период года и за счет этого снизить глубину оттаивания грунта в теплый период года.

2. Орошение водой проводят в количестве, которое определяется из полученного математического выражения и которое обеспечит заданный уровень заполнения пор грунта деятельного слоя водой.

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 области сельского хозяйства, в частности к мелиорации сельскохозяйственных земель криолитозоны, и может быть использовано для предотвращения развития термокарста и восстановления нарушенных термокарстом земель при наличии в зоне теплового влияния поверхности ледяных включений или льдогрунтов. Способ включает уплотнение снежного покрова по всей поверхности участка в зимний период. После уплотнения снега производят его орошение водой по всей поверхности мелиорируемого участка земли. При этом уплотнение снега и орошение участка производят ежегодно, до достижения заданной глубины деятельного слоя грунта на мелиорируемом участке земли. Объем воды, используемый для орошения одного квадратного метра площади мелиорируемого участка земли, определяют из математического выражения: , м³, где V – объем воды для орошения единицы площади мелиорируемого участка земли, м³; H – естественная глубина оттаивания грунта на участке до начала освоения, м; k – коэффициент заполнения порового пространства грунта водой, д.е.; n – коэффициент пористости талого грунта, д.е.; ρ - плотность снега, кг/м³; h – толщина уплотненного снежного слоя, м. Способ обеспечивает снижение глубины оттаивания грунта на мелиорируемом участке, понижение температуры мерзлого грунта в зоне теплового влияния поверхности и предотвращение развития процессов термокарста на мелиорируемой территории. 1 пр.

Способ зимней мелиорации участка земли криолитозоны, включающий уплотнение снежного покрова по всей поверхности участка в зимний период, отличающийся тем, что после уплотнения снега производят его орошение водой по всей поверхности мелиорируемого участка земли, при этом уплотнение снега и орошение участка производят ежегодно, до достижения заданной глубины деятельного слоя грунта на мелиорируемом участке земли, а объем воды, используемый для орошения одного квадратного метра площади мелиорируемого участка земли, определяют из математического выражения

, м³ ,

где V - объем воды для орошения единицы площади мелиорируемого участка земли, м³; H - естественная глубина оттаивания грунта на участке до начала освоения, м; k - коэффициент заполнения порового пространства грунта водой, д.е.; n - коэффициент пористости талого грунта, д.е.; ρ - плотность снега, кг/м³; h - толщина уплотненного снежного слоя, м.