RU2813326C1 - Method for reclamation of lands disturbed by thermokarst - Google Patents
Method for reclamation of lands disturbed by thermokarst Download PDFInfo
- Publication number
- RU2813326C1 RU2813326C1 RU2022134737A RU2022134737A RU2813326C1 RU 2813326 C1 RU2813326 C1 RU 2813326C1 RU 2022134737 A RU2022134737 A RU 2022134737A RU 2022134737 A RU2022134737 A RU 2022134737A RU 2813326 C1 RU2813326 C1 RU 2813326C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- soil
- water
- depth
- reclamation
- layer
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 239000002689 soil Substances 0.000 claims abstract description 57
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 39
- 238000010257 thawing Methods 0.000 claims abstract description 16
- 238000007710 freezing Methods 0.000 claims abstract description 14
- 230000008014 freezing Effects 0.000 claims abstract description 12
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims abstract description 8
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 claims abstract description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 4
- 230000009467 reduction Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 3
- 230000000750 progressive effect Effects 0.000 description 3
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 2
- 230000002262 irrigation Effects 0.000 description 2
- 238000003973 irrigation Methods 0.000 description 2
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000010835 comparative analysis Methods 0.000 description 1
- 238000009795 derivation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 239000010865 sewage Substances 0.000 description 1
- 238000004162 soil erosion Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 1
- 239000003643 water by type Substances 0.000 description 1
Abstract
Description
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. The invention relates to agriculture, in particular to the reclamation of agricultural lands in the permafrost zone, and can be used to restore lands disturbed by thermokarst in the presence of ice inclusions or ice soils in the zone of thermal influence of the earth's surface.
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.There is a known method of land reclamation (L.I. Vinogradova, G.N. Dolmatov. Fundamentals of land reclamation. Krasnoyarsk: KrGAU, 2021, 166 pp. - p. 25.), including irrigation of the land surface using sprinkling. The disadvantage of this method is the need to install a special sprinkler irrigation system or use special equipment, which makes it difficult to use the method when carrying out reclamation of cryolithozone meadows prone to thermokarst.
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.There is a known method of land reclamation, which includes flooding the reclaimed area with water in order to moisten the fertile layer (E.P. Denisov, K.E. Denisov, N.P. Molchanova. Reclamation, reclamation and land protection. Saratov: Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Professional Education "Saratov State Agrarian University". 2014. 57 pp. - 13 pp.) (prototype), including the arrangement of enclosing ramparts along the edges of the site and flooding the site with sewage, rain or other waters.
Недостатком данного изобретения является то, что затопление производят в теплый период года, при этом 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.The disadvantage of this invention is that flooding is carried out during the warm period of the year, and the amount of water in the reclaimed area is not linked to the depth of soil thawing. The method is not directly applicable in areas of permafrost in areas prone to thermal erosion. Since an insufficient amount of water will not lead to the required moistening of the soil in the active layer (the thawing-freezing layer of the soil) and the required degree of reduction in the depth of soil thawing in the reclaimed area. An excessive amount of flooding water can lead to swamping of the area, since the absorption capacity of the soil in the permafrost zone is limited by the depth of the active layer. Because frozen soils are a natural aquifer.
Техническим результатом использования способа является снижение глубины оттаивания грунта на мелиорируемом участке (за счет его увлажнения в пределах деятельного слоя) 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.The technical result of using the method is a decrease in the depth of soil thawing in the reclaimed area (due to its moistening within the active layer) and a decrease in the temperature of frozen soil in the zone of thermal influence of the surface. Taken together, this helps prevent the development of thermokarst processes in the reclaimed area, since underground ice and ice soils will be located below the active layer.
Технический результат достигается тем, что в известном техническом решении, включающем увлажнение грунта затоплением поверхности, затопление поверхности участка земли водой осуществляют после достижения среднесуточных значений температуры атмосферного воздуха, ниже значений температуры замерзания воды, а глубину слоя воды затопления на мелиорируемом участке земли определяют из математического выражения:The technical result is achieved by the fact that in the known technical solution, including moistening the soil by flooding the surface, flooding the surface of a plot of land with water is carried out after the average daily values of atmospheric air temperature are reached, below the freezing temperature of water, and the depth of the flooding water layer on the reclaimed plot of land is determined from the mathematical expression :
, м, , m,
где: Н - глубина слоя воды на затапливаемом участке,м; р - пористость талого грунта деятельного слоя, д.е.; h - максимальная глубина оттаивания грунта на участке до начала мелиорации, м; v - скорость фильтрации талого грунта, м/час; t - средняя температура воздуха в период промерзания воды, °С.where: H is the depth of the water layer in the flooded area, m; p is the porosity of the thawed soil of the active layer, units; h is the maximum depth of soil thawing in the area before the start of reclamation, m; v - filtration rate of thawed soil, m/hour; t is the average air temperature during the period of water freezing, °C.
Вывод расчетной зависимости, включенной в формулу изобретения. При выводе расчетной математической зависимости примем следующие естественные допущения. Заполнение пор талого грунта происходит со скоростью, равной скорости фильтрации талого грунта. Поскольку температура воздуха ниже температуры замерзания воды, то часть воды замерзнет, а часть «впитается» грунтом. Следовательно общая глубина слоя воды (Н) должна быть больше или равна суммарной толщине льда (, образованного за период полного увлажнения талого грунта, и толщины слоя воды (, которая «впитается» грунтом до его полного увлажнения, то есть заполнения водой свободного порового пространства грунта. В математическом плане, можно записать следующее неравенствоDerivation of the calculated dependence included in the claims. When deriving the calculated mathematical relationship, we will accept the following natural assumptions. The pores of thawed soil are filled at a rate equal to the rate of filtration of thawed soil. Since the air temperature is lower than the freezing point of water, some of the water will freeze, and some will be “absorbed” by the soil. Therefore, the total depth of the water layer ( H ) must be greater than or equal to the total thickness of the ice ( , formed during the period of complete moistening of the thawed soil, and the thickness of the water layer ( , which is “absorbed” by the soil until it is completely moistened, that is, the free pore space of the soil is filled with water. In mathematical terms, we can write the following inequality
, м (1) , m (1)
Входящие в формулу (1) слагаемые могут быть найдены по следующим формулам. Толщину слоя льда, определим по известной формуле СтефанаThe terms included in formula (1) can be found using the following formulas. The thickness of the ice layer is determined using the well-known Stefan formula
, м (2) , m (2)
Где: λ - коэффициент теплопроводности льда, Вт/мК; τ - длительность периода промерзания слоя воды, с; ρ - плотность льда, кг/м3; L - скрытая теплота плавления (замерзания) льда, Дж/кг; t - средняя температура воздуха за период замерзания воды, °С.Where: λ - thermal conductivity coefficient of ice, W/mK; τ is the duration of the freezing period of the water layer, s; ρ - ice density, kg/ m3 ; L - latent heat of melting (freezing) of ice, J/kg; t is the average air temperature during the period of water freezing, °C.
Длительность периода замерзания воды определим из условия, что он должен быть не меньше периода насыщения водой деятельного слоя грунта по всей глубине оттаивания, то естьThe duration of the period of freezing of water is determined from the condition that it must be no less than the period of saturation of the active layer of soil with water throughout the entire depth of thawing, that is
, c (3) , c (3)
Где: h - глубина оттаивания грунта на участке мелиорации, м; v - скорость фильтрации талого грунта, м/с. Where: h is the depth of soil thawing at the reclamation site, m; v - filtration speed of thawed soil, m/s.
Толщина слоя воды, которая «впитается» грунтом (до его полного насыщения), может быть определена по простой формулеThe thickness of the layer of water that is “absorbed” by the soil (until it is completely saturated) can be determined using a simple formula
, м (4) , m (4)
Где: р - пористость талого грунта ( объем открытых пор, которые могут быть заполнены водой), д.е.Where: p - porosity of thawed soil (the volume of open pores that can be filled with water), unit units.
Подставляя известные константы для льда в уравнение (2) и преобразовывая размерности отдельных величин в удобные для инженерных расчетов (секунды в часы), после подстановки (2), (3) и (4) в уравнение (1) и несложных преобразований получим расчетную математическую зависимость, включенную в формулу изобретенияSubstituting the known constants for ice into equation (2) and converting the dimensions of individual quantities into those convenient for engineering calculations (seconds into hours), after substituting (2), (3) and (4) into equation (1) and simple transformations, we obtain the calculated mathematical dependence included in the claims
,м, (5) ,m, (5)
где: Н - глубина слоя воды на затапливаемом участке мелиорации,м; р - пористость талого грунта деятельного слоя, д.е.; h - максимальная глубина оттаивания грунта на участке, м; v - скорость фильтрации талого грунта, м/час; t - средняя температура воздуха за период промерзания воды, °С.where: H is the depth of the water layer in the flooded reclamation area, m; p is the porosity of the thawed soil of the active layer, units; h - maximum depth of soil thawing in the area, m; v - filtration rate of thawed soil, m/hour; t - average air temperature during the period of water freezing, °C.
Способ реализуется следующим образом. Рассмотрим конкретный пример. Имеется участок луговой земли в Центральной Якутии с нарушенной термокарстом поверхностью, подлежащий мелиорации с целью снижения прогрессирующей термоэрозии почвы. Проявления которой наблюдаются из-за того, что на участке на глубине 1,6 м имеются ледяные линзы и частично залегают льдогрунты. Максимальная же глубина оттаивания, наблюдаемая в осенний период (конец октября месяца) составляет 1,7 м при влажности грунта 0,16 (16%). Коэффициент фильтрации талого грунта составляет 0,02 м/час. Пористость грунта 0,18 (18%). Средняя температура воздуха в первой декаде октября, когда наблюдается устойчивые отрицательные среднесуточные значения температуры воздуха составляет минус 4,0°С. 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 способом их увлажнения путем затапливания поверхности мелиорируемого участка земли.The method is implemented as follows. Let's look at a specific example. There is a plot of meadow land in Central Yakutia with a surface disturbed by thermokarst, which is subject to reclamation in order to reduce the progressive thermoerosion of the soil. The manifestations of which are observed due to the fact that in the area at a depth of 1.6 m there are ice lenses and partially covered by ice soils. The maximum thawing depth observed in the autumn period (end of October) is 1.7 m with a soil moisture content of 0.16 (16%). The filtration coefficient of thawed soil is 0.02 m/hour. Soil porosity 0.18 (18%). The average air temperature in the first ten days of October, when stable negative average daily air temperatures are observed, is minus 4.0°C. To reduce progressive thermal erosion, it is necessary that the depth of the active soil layer (thawing depth) in the area is guaranteed to be less than the depth of ice lenses and ice soils. To reduce the depth of soil thawing, we will use the method of moistening them by flooding the surface of the reclaimed plot of land.
Рассчитаем объем воды (V) для затопления одного метра квадратного (S) участка: V=HS, м3. Параметр Н ( глубину слоя воды затопления) найдем по формуле (5).Let's calculate the volume of water (V) to flood one meter square (S) area: V=HS, m3 . We find the parameter H (the depth of the flooding water layer) using formula (5).
=1,7×0,18+0,002(1,7×4/0,02)^0,5=0,31+0,04 =0,35 м. =1.7×0.18+0.002(1.7×4/0.02)^0.5=0.31+0.04 =0.35 m.
Получаем, что для полного увлажнения талого грунта в пределах деятельного слоя участок должен быть затоплен водой не менее чем на 35 см по высоте. То есть на один квадратный метр поверхности необходимо подать 0,35 м3 воды. Это даст возможность увлажнить грунты деятельного слоя на всю глубину до степени полного насыщения. Дополнительное увлажнение, если не будет полного насыщения в осенний период (из-за изменения коэффициента фильтрации, например), произойдет при оттаивании льда в весенне-летний периоды. Таким образом, можно считать гарантированной полное насыщение водой деятельного слоя грунта. Результаты математического моделирования процессов «оттаивания-промерзания» насыщенного влагой грунта показывают, что это позволит уже на следующий год эксплуатации участка снизить глубину оттаивания с 1,7 м до 1,2 м, то есть более, чем на 40%. 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, резко снижается зона теплового влияния поверхности земли и угроза оттаивания подземных льдов и льдогрунтов с последующей прогрессирующей эрозией почвы с образованием каверн и оврагов.We find that in order to completely moisten the thawed soil within the active layer, the area must be flooded with water to a height of at least 35 cm. That is, 0.35 m 3 of water must be supplied per square meter of surface. This will make it possible to moisten the soils of the active layer to the full depth to the degree of complete saturation. Additional moistening, if there is not complete saturation in the autumn (due to a change in the filtration coefficient, for example), will occur when the ice thaws in the spring and summer. Thus, complete saturation of the active soil layer with water can be considered guaranteed. The results of mathematical modeling of the processes of “thawing-freezing” of soil saturated with moisture show that this will allow already in the next year of operation of the site to reduce the depth of thawing from 1.7 m to 1.2 m, that is, by more than 40%. Moreover, this value will gradually increase in subsequent years of operation of the site, due to a decrease in soil temperature in the zone of thermal influence of the surface. Thus, after moistening, the zone of thermal influence of the earth's surface and the threat of thawing of underground ice and ice soils, followed by progressive soil erosion with the formation of caverns and ravines, are sharply reduced.
Преимуществом предлагаемого способа, определяющим его существенное отличие от известных является.The advantage of the proposed method, which determines its significant difference from the known ones, is:
1. Увлажнение деятельного слоя производится после перехода среднесуточной температуры воздуха через 0°С. Т.е. при устойчивых среднесуточных отрицательных значениях температуры атмосферного воздуха. Это позволяет увлажнить грунт при максимальном значении глубины оттаивания. Кроме того, 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.1. Humidification of the active layer is carried out after the average daily air temperature passes through 0°C. Those. at stable average daily negative values of atmospheric air temperature. This allows you to moisten the soil at the maximum thawing depth. In addition, this makes it possible to reduce the volume of water required to moisten the soil by reducing evaporation processes that actively occur during the warm period of the year. Especially in conditions of a sharply continental climate, characteristic of the permafrost zone of the Far North.
2. Наличие льда на поверхности земли после увлажнения позволяет повысить надежность результатов первого этапа рекультивации, за счет дополнительного увлажнения деятельного слоя при оттаивании льда и грунта в теплый период следующего года.2. The presence of ice on the surface of the earth after moistening makes it possible to increase the reliability of the results of the first stage of reclamation, due to additional moistening of the active layer when the ice and soil thaw in the warm period of the next year.
3. Глубина слоя воды для затопления участка мелиорации определяется из специального математического выражения, которое обеспечивает необходимую надежность способа и достижение технического результата. Т.е. обеспечивает максимальное увлажнения деятельного слоя грунта.3. The depth of the water layer for flooding the reclamation site is determined from a special mathematical expression, which ensures the necessary reliability of the method and the achievement of a technical result. Those. provides maximum moisture to the active soil layer.
Настоящие отличия являются существенными, так как только с их помощью можно достичь заявленного технического результата.These differences are significant, since only with their help can the stated technical result be achieved.
Сопоставительный анализ признаков заявленного технического решения с признаками ближайших аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критериям «новизна» и «существенные отличия».A comparative analysis of the features of the claimed technical solution with the features of the closest analogues indicates that the claimed solution meets the criteria of “novelty” and “significant differences.”
Claims (7)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2813326C1 true RU2813326C1 (en) | 2024-02-12 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1467136A1 (en) * | 1987-01-28 | 1989-03-23 | В.Г.Багров и А.Н.Долматов | Method of drying land in permafrost zone |
| SU1612052A1 (en) * | 1988-08-31 | 1990-12-07 | Polishchuk Nikolaj S | Method of reclamation of saline soil |
| RU2380480C2 (en) * | 2007-11-07 | 2010-01-27 | Государственное научное учреждение Магаданский научно-исследовательский институт сельского хозяйства Россельхозакадемии | Method of land drainage in permafrost zone |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1467136A1 (en) * | 1987-01-28 | 1989-03-23 | В.Г.Багров и А.Н.Долматов | Method of drying land in permafrost zone |
| SU1612052A1 (en) * | 1988-08-31 | 1990-12-07 | Polishchuk Nikolaj S | Method of reclamation of saline soil |
| RU2380480C2 (en) * | 2007-11-07 | 2010-01-27 | Государственное научное учреждение Магаданский научно-исследовательский институт сельского хозяйства Россельхозакадемии | Method of land drainage in permafrost zone |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Мелиоративное почвоведение, В. Н. Слюсарев, А. В. Осипов, уч. пос., Краснодар, КубГАУ, 2019, с. 93. NAVARRO N. et al. Influencia de la inundacion prolongada en el contenido de sales de algunos suelos de la Provincia de Guantanamo // La Habana, 1986, abst. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Benninghoff | Interaction of vegetation and soil frost phenomena | |
| Woo et al. | Progress in permafrost hydrology in the new millennium | |
| Komissarov et al. | Snowmelt-induced soil erosion on gentle slopes in the southern Cis-Ural region | |
| Flerchinger et al. | Modeling soil freezing and thawing on a rangeland watershed | |
| Knapp | Elements of geographical hydrology | |
| RU2813326C1 (en) | Method for reclamation of lands disturbed by thermokarst | |
| Della Lunga et al. | Soil moisture, temperature, and oxidation-reduction potential fluctuations across a furrow-irrigated rice field on a silt-loam soil | |
| Dzhamalov et al. | Current changes in water resources in Lena River basin | |
| Brooks et al. | The Niwot Ridge snow fence experiment: Biogeochemical responses to changes in the seasonal snowpack | |
| Zimmermann et al. | Influence of bark beetle infestation on water quantity and quality in the Grosse Ohe catchment(Bavarian Forest National Park) | |
| Young et al. | Thermo-hydrological Responses to an Exceptionally Warm, Dry Summer in a High Arctic Environment: Paper presented at the 13th Northern Res. Basins/Workshop (Saariselkä, Finland and Murmansk, Russia-Aug. 19-24 2001) | |
| JP2009036382A (en) | Air conditioning mechanism of ground environment | |
| RU2823027C1 (en) | Method of winter land reclamation | |
| RU2813788C1 (en) | Method of land reclamation in permafrost zone | |
| Woo | Hydrology of northern North America under global warming | |
| Benz et al. | Soil water translocation in a high water table area | |
| Schneider | Correlation of ground-water levels and air temperatures in the winter and spring in Minnesota | |
| Kalyuzhnyi et al. | Mechanism of the influence of soil freezing depth on winter runoff | |
| RU2825454C1 (en) | Method of winter land reclamation in permafrost zone | |
| Karnieli et al. | An empirical approach for predicting runoff yield under desert conditions | |
| RU2813665C1 (en) | Method of land reclamation in permafrost zone | |
| Tanasienko et al. | Conditions of the formation of ice barriers in eroded chernozems of Western Siberia | |
| Woo | McMaster River and arctic hydrology | |
| Xiuqing et al. | Infiltration into freezing and thawing soils under differing field treatments | |
| Gray | Snow hydrology of the prairie environment |