ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2015, № 2, с. 239-243
= ЭРОЗИЯ ПОЧВ
УДК 631.432
УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЧЕТА ТВЕРДОГО И ЖИДКОГО СТОКА
ПРИ ЛИВНЕВОЙ ЭРОЗИИ
© 2015 г. Ю. В. Егоров, А. В. Бобков, Е. Н. Есафова, А. Д. Флесс
Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы
e-mail: uv.egorov@yandex.ru Поступила в редакцию 15.04.2013 г.
Проведен учет водной эрозии почвы при ливневом стоке в два этапа с помощью одноковшовой качалки и регулируемого водоотделителя. На первом этапе собирали предварительную среднюю пробу в накопительную емкость достаточного объема. На втором — ее повторно пропускали через учетное устройство, причем в водоотделителе устанавливали коэффициент водоотделения с расчетом получения в итоге одной средней пробы объемом около 1 л, удобной для фильтрации. Вес сухого осадка делили на произведение коэффициентов водоотделения в обеих операциях и получали общий вес смытой почвы. Объем средней пробы также делили на произведение коэффициентов водо-отделения и получали величину полного объема стока.
Ключевые слова: ливневой сток, стоковая площадка, водоотделение, объем стока. DOI: 10.7868/S0032180X15020033
ВВЕДЕНИЕ
В методологии исследований эрозии почв наиболее обширная доля приходится на стационарные методы, позволяющие детально анализировать процессы эрозии. Стационарные исследования дают возможность активно изменять условия эксперимента, искусственно вводить благоприятные или неблагоприятные факторы в естественных условиях, оценивать результаты проти-воэрозионных мероприятий.
В стационарных исследованиях часто используют стоковые площадки. Стоковая площадка представляет собой участок склона, водный сток с которого перехватывается внизу желобами и направляется в учетное устройство, где отбираются пробы из водного потока. Границы участка могут быть очерчены естественной водораздельной линией, перпендикулярной горизонталям рельефа, или участок может быть изолирован от общего склона системой валов, препятствующих поступлению стока с соседних участков. Размеры и форма стоковой площадки могут варьировать в зависимости от поставленных задач. Например, при весеннем снеготаянии длина площадки доходит до 600 м, а для ливневых стоков — существенно меньше. Измерение расхода жидкого стока производят с помощью мерных водосливов. Твердый сток донных наносов улавливают в стокоприем-нике коробчатого вида, закрытого сверху сеткой, накопленный осадок взвешивают после опыта [2, 10]. Сток взвешенных наносов определяют мето-
дом фильтрации проб, отбираемых в потоке воды после приемника донных наносов.
Пользуются и более простым ручным способом, когда сток перехватывается мерной емкостью и засекается время ее наполнения. Затем пробы фильтруют, строят графики интенсивности расхода воды и интенсивности смыва. По ним определяют полный объем стока и вес смытой почвы [1].
Как известно, эрозия почвы наиболее опасна на пашне как при ливневом стоке, так и в период весеннего снеготаяния. Интенсивные потоки, концентрирующиеся в ложбинах и промоинах, способны вынести большой объем увлажненной оттаявшей почвы. В районах с бесснежной зимой на первый план выходит ливневая эрозия. А так как ливни случайны и неожиданны, не всегда можно организовать присутствие наблюдателя. На необорудованных площадках при ливне работать трудно, кроме того есть опасность грозовых разрядов. Наблюдение за ливневыми стоками целесообразно доверить автоматам, длительно находящимся в режиме ожидания и не требующим присутствия человека.
В режиме ожидания могут использоваться качалки, измеряющие сток порциями. В 1928 г. Небольсин впервые применил на стоковой площадке качалку со сдвоенным ковшом [11, 12]. Одна половина ковша наполнялась, опрокидывалась, сливала порцию воды и подставляла под сток другую половину, которая, в свою очередь, наполнялась и опрокидывалась в другую сторону, под-
240
ЕГОРОВ и др.
ставляя под наполнение первую половину ковша. Число качаний регистрировалось механическим счетчиком и самописцем. Были отмечены и недостатки конструкции: в углах ковша накапливался осадок смытой почвы, а при замерзании воды ковш повреждался.
Нам удалось сконструировать одноковшовую качалку с плавными чечевицеобразными обводами ковша, в котором не задерживается осадок [3]. Замерзание воды в ковше не приводит к повреждению. При повышении температуры линза льда в ковше обтаивает по краям и сама выпадает наружу. Качалки прошли опытную эксплуатацию в течение четырех сезонов на полигоне Валдайского филиала Государственного гидрологического института. Работу качалок регистрировали дистанционно: электрические импульсы при опрокидывании ковша передавались по линии связи в пункт наблюдения, где записывались на ленту самописца. По диаграмме можно судить о развитии стока [4, 5]. В летнее время вели работы по автоматизации отбора проб при ливневых стоках. Согласно традиционной методике при оценке ливневого стока пробы следует брать чаще. Аналогично при автоматическом отборе проб потребуется обширный магазин для их взятия [8].
Еще одна проблема отбора проб связана с неоднородностью гранулометрического и агрегатного составов несомого материала. Более крупные и тяжелые частицы передвигаются внизу как донные наносы, мелкие и взвешенные распределены по потоку. В этих условиях автомат должен отбирать среднюю пробу из всего сечения потока [13]. Эта задача была решена в Валдайском филиале Государственного гидрологического института [9]. В устройстве весь сток поступает в подводящий лоток и сбрасывается через широкое окно вниз на водоотбой. Через равные промежутки времени под окном проходит водозаборный лоток, пересекая всю падающую струю воды. Лоток посажен на полый вертикальный вал, вращаемый электромотором с замедляющим редуктором. Сток, попавший в водозаборный лоток, через полый вал сливается в приемный резервуар, где накапливается. После окончания стока накопившаяся вода замеряется, осадок отстаивается, собирается, сушится и взвешивается. Суммарный объем водного стока и наносов находят, умножая величину собранного стока и осадка на кратность деления в этом устройстве. Кратность деления не зависит от расхода воды, распределения осадка в струе и формы струи.
МЕТОДЫ
Мы предложили другой способ отбора средней пробы из сечения потока, используя одноковшовую качалку [6]. Поток, пройдя рассекатель и смеситель, попадает в ковш качалки, где накап-
ливается до объема 5 л. Качалка состоит из ковша с эксцентрично расположенной осью вращения, коромысла, противовеса и возвратной пружины (рис. 1). При наполнении ковша центр тяжести устройства смещается к оси вращения, ковш теряет устойчивость и опрокидывается, поворачиваясь на угол 90о. Порция воды из ковша сливается на неподвижный щелевой водоотделитель. Возвратная пружина сцепляется с коромыслом и отбрасывает ковш в исходное положение. Процесс длится около 1 с, мощный поток в ковше смывает осадок. Следует отметить, что объем каждого выплеска и его конфигурация не зависят от интенсивности стока, меняется лишь частота опрокидываний ковша. Коэффициент отделения воды (К) примерно равен отношению ширины щели к ширине ковша. Выплеск объемом 5 л, попав на водоотделитель с коэффициентом деления 1 : 5, дает порцию воды в 1 л, которая поступает в распределитель, выполненный в виде поворотного стакана с носиком. Вокруг него расположены 12 емкостей для взятия проб. В холостом положении носик распределителя находится между емкостями, и порция воды проливается мимо. По команде для взятия пробы носик устанавливается над емкостью, емкость наполняется, после чего носик снова уходит в промежуточное положение. Для поворота использовали механическую энергию ковша качалки. Качалка может служить гидродвигателем. Команду на взятие пробы подавали от часового механизма, механизм запускали при начале стока, после первого опрокидывания ковша [7]. Для регистрации ливневых осадков использовали датчик ливня — сосуд с небольшим отверстием в днище, подвешенный на пружине. Дождь достаточной интенсивности наполнял сосуд. Он, опускаясь, замыкал контакт и включал установку в работу. В дальнейшем датчик заменили электронным секундомером. Он включал установку при достижении заданной частоты опрокидываний ковша — при росте интенсивности потока [5].
Автоматическая регистрация ливневых стоков не исключает дальнейшую обработку большого количества проб — фильтрацию, сушку и взвешивание твердого осадка, построение гидрографа стока, расчет общего выноса смытой почвы. Для сокращения трудозатрат предложили оценивать сток с помощью взятия одной средней пробы за время ливня. Эта единственная проба отражает в миниатюре весь жидкий и твердый сток, в разы сокращает работу и облегчает обработку результатов наблюдений. В установке исключается барабан с емкостями для проб, распределитель, приводной механизм и командное устройство. Остается качалка с водоотделителем, причем водоотделитель делается регулируемым. Ширина щели между стенками водоотделителя может меняться установкой распорок требуемого размера. Дополни-
УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЧЕТА ТВЕРДОГО И ЖИДКОГО СТОКА
241
5
Устройство для учета ливневого стока: 1 — накопительная емкость; 2 — щелевой водоотделитель; 3 — ковш; 4 — рассекатель и смеситель; 5 — возвратная пружина; 6 — коромысло; 7 — противовес; 8 — упор; 9 — рама; 10 — гребешок на дне ковша.
тельно вводится накопительная емкость достаточного объема, куда непрерывно поступает сток из водоотделителя. В ожидании ливня установка располагается в приемном желобе стоковой площадки или в естественном водотоке.
После случившегося ливня наблюдатель оценивает объем стока в накопительной емкости Ун и устанавливает ширину щели в водоотделителе таким образом, чтобы коэффициент водоотделения
К2 равнялся отношению: К2 = 1 (л ) . Затем он
^н (л )
взмучивает накопленный объем и повторно пропускает его через качалку с водоотделителем, собирая окончательную пробу объемом около 1 л. Проба является средней для всего стока. Пробу фильтруют, твердый осадок сушат и взвешивают. Для оценки стока и смыва достаточно одной
усредненной пробы, по которой можно рассчитать твердый и жидкий
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.