Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ФИЛЬТРАЦИИ ПОЧВОГРУНТОВ, СФОРМИРОВАВШИХСЯ НА ПОКРОВНЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ

Изобретение относится к области сельского хозяйства и комплексной мелиорации агроландшафтов и может быть использовано в практике осушения почвогрунтов для обоснования методов и способов их осушения, способов строительства дренажных систем и использования осушаемых земель.

Коэффициент фильтрации почвогрунтов положен в основу осушения земель и последующего использования осушаемых почв. Проблеме его определения уделено большое внимание во многих работах. Одной из обстоятельных работ является работа Ф.Р. Зайдельмана и П. Меннинга (Зайдельман Ф.Р., Меннинг П. Методы определения К_ф для расчета дренажа в Нечерноземной зоне // Гидротехника и мелиорация. - 1979. - №11. - С. 57…62).

В работе проанализирована возможность применения различных методов для определения коэффициента фильтрации толщи почвогрунтов, влияющей на работу осушительной сети. Показана сложность и высокая затратность работ по определению коэффициента фильтрации. При этом подчеркивается, что коэффициенту фильтрации почвогрунтов по генетическим горизонтам почвенного профиля присуще свойство анизотропии. Поэтому в рассматриваемой работе приводят методы его определения, как по вертикали, так и по горизонтали.

К недостаткам изложенного в данной работе следует отнести:

1. В работе совершенно упущена необходимость определения среднегеометрического значения коэффициента фильтрации, которое, как известно, равно корню квадратному из произведения значений вертикального и горизонтального коэффициентов фильтрации.

2. В приведенном в работе обзоре методов определения коэффициента фильтрации не учитывают его варьирование по площади генетического горизонта, которое, как известно, обусловлено почвообразовательным процессом и антропогенной деятельностью.

В мелиоративной практике для определения коэффициента фильтрации широкое распространение получил способ отбора образцов естественного сложения почвогрунтов по генетическим горизонтам почвенного профиля режущими цилиндрами малого объема, равного 250 см³ (См. с. 59 в приведенной выше работе; прототип).

Задача, разрешаемая данным предполагаемым изобретением, заключается в разработке экспрессного и достоверного способа определения среднегеометрического значения коэффициента фильтрации р%-ной вероятности занижения почвогрунтов, сформировавшихся на покровных отложениях.

Технический результат заключается в повышении информативности определяемого коэффициента фильтрации и значительном снижении затрат на определение среднегеометрического значения коэффициента фильтрации р%-ной вероятности занижения почвогрунтов, сформировавшихся на покровных отложениях, в совершенствовании методов и способов их осушения, в повышении эффективности использования осушаемых земель, в т.ч. и за счет более эффективного применения агромелиоративных мероприятий, а в конечном итоге - в повышении эколого-экономической эффективности осушения рассматриваемых почв.

Поставленная в изобретении задача разрешена тем, что способ определения коэффициента фильтрации почвогрунтов, сформировавшихся на покровных отложениях, включает отрывку шурфа, описание генетических горизонтов почвенного профиля с установлением степени их оглеения, отбор образцов почвогрунта естественного сложения по генетическим горизонтам почвенного профиля режущим цилиндром малого объема. На образцах проводят определение плотности сложения сухой массы почвогрунтов, а после завершения этой работы и разрушения образцов - отбор смешанной пробы почвогрунта и определение его гранулометрического состава. По соотношению содержания в мелкоземе частиц крупнее пыли - размером больше 0,05 мм к плотности сложения почвогрунта на предварительно построенном калибровочном графике судят о величине среднегеометрического значения коэффициента фильтрации р%-ной вероятности занижения по генетическим горизонтам почвенного профиля с учетом степени их оглеения.

С целью повышения надежности создаваемых сооружений, и мелиоративных в частности, значение коэффициента фильтрации рассматривается с учетом вероятности его появления (ГОСТ 20522-96. Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний). При этом при осушении земель учитывают вероятность занижения р % рассматриваемого значения коэффициента фильтрации, что связано с меньшей недоосушкой земель на части площади за счет принятия в качестве расчетного несколько его заниженного против среднего нормативного значения, соответствующего р=50%.

Широкому распространению использования значения коэффициента фильтрации р%-ной вероятности занижения, в частности и р=25%, в практике мелиораций почв препятствует сложность и высокая затратность его определения.

Поставленная в изобретении задача разрешена с помощью определения плотности сложения сухой массы почвогрунта (ПС, г/см³) и его гранулометрического состава - путем установления в мелкоземе содержания частиц крупнее пыли (размером больше 0,05 мм), т.е. (М>05, %), а по соотношению µ=(М>05)/ПС на калибровочном графике (см. чертеж) определяют среднегеометрическое значение коэффициента фильтрации р%-ной вероятности занижения, равной 25%. При этом калибровочный график учитывает и степень оглеения почвогрунтов по генетическим горизонтам.

Принятие соотношения µ=(М>05)/ПС обусловлено тем, что с ростом величины соотношения растет и значение коэффициента фильтрации и наоборот, а принятие р%-ной вероятности занижения расчетного значения коэффициента фильтрации обусловлено принятием и некоторой недоосушки почвогрунта на р процентах осушаемой площади.

На чертеже представлен калибровочный график зависимости среднегеометрического значения коэффициента фильтрации (К_ф, м/сут) при р=25% от величины соотношения µ, построенный на основе большого объема фактических данных. При этом график 1 используют для генетических горизонтов А2, А2В1 и В1 глееватых и генетических горизонтов A2_g и A2B_g глеевых почв, а для горизонтов B2_g глееватых и B_g глеевых почв - график 2.

Заявленный способ определения среднегеометрического значения коэффициента фильтрации р%-ной вероятности занижения включает следующие операции.

1. Пункты по определению фильтрационных свойств почвогрунтов выбирают после завершения почвенной съемки. Их приурочивают к каждому мелиоративному району - территории, образованной почвами на однородных по генезису и составу почвообразующих породах с одинаковыми причинами заболачивания.

2. По прибытии к месту назначения в отобранном пункте производят:

- отрывку шурфа;

- установление границ генетических горизонтов почвенного профиля и его описание с указанием распространения оглеения;

- отбор из шурфа образцов почвогрунта по генетическим горизонтам с помощью режущих цилиндров, а также отбор воды на объекте и их доставку в лабораторию.

3. В лаборатории выполняют:

- определение на образцах плотности сложения сухой массы почвогрунтов по генетическим горизонтам (ПС, г/см³);

- разрушение образцов в цилиндрах, отбор смешанной пробы почвогрунтов для определения их гранулометрического состава;

- определение гранулометрического состава почвогрунтов по генетическим горизонтам;

- установление по результатам определения гранулометрического состава почвогрунтов содержания в мелкоземе по генетическим горизонтам частиц крупнее пыли - размером больше 0,05 мм (М>05, %);

- вычисление по генетическим горизонтам соотношения µ=(М>05)/ПС;

- установление по полученной величине µ по калибровочному графику среднегеометрического значения коэффициента фильтрации К_ф 25%-ной вероятности занижения по генетическим горизонтам с учетом их оглеения.

Результаты реализации заявленного способа в Тверской области на двух почвенных разрезах на объекте «Бухарине» для р=25% (примеры расчета) приведены в таблице.

Полученные данные свидетельствуют, что коэффициент фильтрации почвогрунтов, сформировавшихся на покровных отложениях, снижается с глубиной. При этом водопроницаемость почвогрунтов глеевых почв, даже при одном и том же их классе по гранулометрическому составу, ниже, чем глееватых. Это необходимо учитывать при обосновании методов и способов осушения рассматриваемых почвогрунтов и, в первую очередь, глубины заложения регулирующей сети и равномерности осушения поля севооборота по площади и использовании почв после осушения, в частности и при применении агромелиоративных мероприятий.

Заявленный способ определения К_ф обеспечивает повышение технического уровня мелиорации земель, снижение затрат на проектно-изыскательские работы, более рациональное использование средств на мелиорацию земель, эксплуатацию мелиоративных систем и использование мелиорируемых земель, т.е. достижение ожидаемого технического результата.

Предложенный способ определения К_ф более информативен в сравнении с существующими, а также более прост и экономичен в сравнении с другими применяемыми до последнего времени. В связи с этим этому способу при организации определения К_ф следует отдать предпочтение. Относительные затраты времени при применении данного способа в сравнении с другими известными способами (см., например, с. 61 в приведенной выше работе) сокращаются в условных единицах до двух порядков, обеспечивая при этом более высокую точность и достоверность определения К_ф, исключая полностью вероятность появления случайных ошибок и соответствующих им случайных данных, так как в его основу - калибровочный график - положен большой объем фактических данных.

В заключение рассмотрим способ создания калибровочного графика.

Построение калибровочного графика - это цель, предвосхищающая результат будущего действия, изложенного выше, при проведении изысканий без проведения в поле работ, связанных с установлением коэффициента фильтрации.

Для создания калибровочного графика были использованы данные изысканий на объектах осушения почв, сформировавшихся на покровных отложениях, полученные при определении коэффициента фильтрации почвогрунтов по генетическим горизонтам почвенного профиля на основе отбора монолитов методом режущего цилиндра как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях.

В основу создания калибровочного графика положено более 1000 натурных определений коэффициента фильтрации. На почвах, сформировавшихся на покровных отложениях, было заложено 24 площадки-«ключа» и на них - 24 почвенных разреза. Проведено морфологическое описание почвенных разрезов, отобраны монолиты и образцы для определения влажности. В качестве примера приводим результаты определения среднегеометрического значения коэффициента фильтрации 25-процентной вероятности занижения, плотности сложения сухого почвогрунта и содержания в нем частиц крупнее пыли - размером больше 0,05 мм по одному из почвенных разрезов, для генетического горизонта A2B1_g на объекте «Вяхиреве» в Тверской области.

Режущими цилиндрами диаметром 200 мм было отобрано по 6 монолитов (n=6) как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях, а также и образцы для определения влажности почвогрунта с целью определения плотности сложения сухого почвогрунта в отобранных монолитах. После завершения фильтрационных работ из разрушаемых монолитов отобран смешанный образец для определения гранулометрического состава почвогрунта.

Индивидуальный коэффициент фильтрации по каждому i-му монолиту (i=1…6) устанавливали для фазы установившейся фильтрации. При этом замерялась и температура воды, а значение коэффициента фильтрации по формуле Хазена приводилось к температуре 10°C. Для проведения фильтрационных работ использовалась почвенно-грунтовая вода, доставленная в лабораторию с места отбора монолитов.

Влажность почвогрунта определялась термостатно-весовым способом. Число повторностей назначалось исходя из достижения 10-процентной точности при уровне значимости 5%. Плотность сложения сухого почвогрунта и его гранулометрический состав определялись общепринятыми методами.

Индивидуальные значения коэффициента фильтрации оказались равными: в вертикальном направлении (К_в)_i - 125, 104, 82, 64, 50 и 31 мм/сут, а в горизонтальном (К_г)_i - 96, 82, 55, 42, 37 и 22 мм/сут.

В результате проведенных работ также установлено, что распределение коэффициента фильтрации по генетически однородной площади почвенного горизонта (его варьирование) значительно больше отличается от нормального распределения, чем распределение десятичных логарифмов коэффициентов фильтрации. Поэтому в соответствии с ГОСТ 20522-96 нормативные и расчетные значения коэффициентов фильтрации как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях устанавливались с использованием нормального закона распределения десятичных логарифмов коэффициентов фильтрации.

Распределение log коэффициента фильтрации с большей точностью подчиняется нормальному закону Гаусса. Это послужило основанием использовать при статистической обработке полученных данных t-распределение Стьюдента.

В качестве примера рассмотрим вычисление параметров распределения log вертикального коэффициента фильтрации. При этом применены следующие формулы:

среднеарифметическое значение log (К_в)_i

величина ошибки а

log вертикального коэффициента фильтрации 25-процентной вероятности занижения (с учетом области разброса индивидуальных значений (К_в)_i и используя метод доверительного интервала)

где t₂₅ - критерий Стьюдента, соответствующий 25-процентному уровню значимости (при одностороннем доверительном интервале α=0,75 и числе степеней свободы (n-1)), устанавливаемый по таблице процентных точек Стьюдента.

Значение К_в 25-процентной вероятности занижения находили в результате операции антилогарифмирования log К_в.

В результате выполненных расчетов получили, что для рассматриваемого генетического горизонта A2B1_g на объекте «Вяхирево» вертикальный коэффициент фильтрации 25-процентной вероятности занижения К_в=59 мм/сут.

Аналогичные расчеты были проведены и для горизонтального коэффициента фильтрации. В результате установили, что К_г=42 мм/сут.

Более высокое значение К_в против величины К_г обусловлено большей трещиноватостью почвогрунта горизонта A2B1_g по вертикали.

Завершилась обработка данных по рассматриваемому генетическому горизонту установлением расчетной величины среднегеометрического значения коэффициента фильтрации 25%-ной вероятности занижения, вычисляемой по формуле В результате определения плотности сложения сухой массы почвогрунта установлено, что ПС=1,52 г/см³, а в результате определения гранулометрического состава почвогрунта: в мелкоземе содержится частиц крупнее пыли - размером более 0,05 мм 12,8%, т.е. (М>05)=12,8%. Величина µ=(М>05)/ПС=12,8:1,52=8,4.

Аналогичная работа была проведена по всем генетическим горизонтам каждого из 24 почвенных разрезов, размещенных на почвогрунтах, сформировавшихся на покровных отложениях. Анализ полученных данных и их обработка с использованием известных в математической статистике методов позволил установить:

1. Для генетических горизонтов А2, А2В1 и В1 глееватых и генетических горизонтов A2_g и A2B_g глеевых почв зависимость среднегеометрического значения коэффициента фильтрации 25-процентной вероятности занижения в м/сут описывается уравнением

Полученная зависимость имеет следующие граничные условия: 0,8≤(М>05)≤22 и 1,41≤(ПС)≤1,69. Коэффициент корреляции расчетных и фактических данных - 0,72, уровень значимости 0,1. Зависимость (4) представлена на калибровочном графике под номером 1.

2. Для генетических горизонтов B2_g глееватых и B_g глеевых почв

где К_ф - также в м/сут, а граничные условия зависимости: 0,3≤(М>05)≤22, 1,47≤(ПС)≤1,7. Коэффициент корреляции расчетных и фактических данных - 0,94, уровень значимости - 0,1. Зависимость (5) представлена на калибровочном графике под номером 2.

Необходимо также обратить внимание, что горизонтальная шкала калибровочного графика логарифмическая, но на ней для удобства практического использования указаны значения К_ф, соответствующие log К_ф.

Получение расчетных данных другой, кроме 25-процентной вероятности занижения, р%-ной вероятности может быть осуществлено аналогичным способом путем использования соответствующего р значения критерия Стьюдента t (см. формулу 3).