ДИСТАНЦИОННЫЙ РАДИОФИЗИЧЕСКИЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАСОЛЕННОСТИ ПОЧВ Российский патент 1997 года по МПК G01N22/00 

Изобретение относится к технике измерений и может быть использовано в мерзлотоведении, сельском хозяйстве, экологии, при оценке экологического состояния земель, составления кадастра земельных угодий и т.д.

В литературе описаны дистанционные методы определения засоленности почв по измерениям радиояркостных температур влажных засоленных почв в СВЧ-диапазоне при положительных температурах /1, 2/.

Недостатком этих методов является необходимость учитывать влажность почвы W, влияние которой на радиояркостную температуру засоленной почвы соизмеримо или выше влияния засоленности.

Целью изобретения является дистанционное определение засоленности почв по данным измерений радиояркостных температур засоленных почв в сантиметровой части СВЧ-диапазона при отрицательных температурах. Непосредственное влияние влажности в этом случае имеет подчиненное значение /4/.

Поставленная цель достигается тем, что для дистанционного определения засоленности почвы с помощью СВЧ-радиометрических приемников сантиметрового диапазона, установленных на борту самолета или автомобильной платформы, в зимний период производят измерения радиояркостных температур Т_я или коэффициентов излучения X мерзлых почв, значения которых зависят от количества незамерзшей воды, содержащейся в мерзлой почве в момент измерений.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием.

Мерзлая почва представляет собой гетерогенную систему, содержащую твердую, жидкую и газообразную составляющие. Твердая составляющая включает в себя скелет мерзлых почв, идентичный скелету незамерзших почв, и лед. Газообразная составляющая, содержание которой не превышает 4 7% от объема, представлена водяными парами и воздухом. Жидкая составляющая незасоленных мерзлых почв представлена незамерзшей водой, существующей за счет механической связи с поверхностью почвенных частиц.

В засоленных мерзлых почвах, помимо связанной воды, остается свободная вода, образованная за счет гидратации молекул воды находящимися в почве воднорастворимыми соединениями /3/. Влияние этих соединений проявляется как в понижении температуры замерзания порового раствора, так и в изменении качества и количества незамерзшей воды, содержащейся в засоленном мерзлом почвогрунте.

Радиоизлучательные характеристики мерзлых засоленных почв определяются, главным образом, содержанием и типом связанной и свободной воды. В свою очередь диэлектрические характеристики свободной воды существенно отличаются от диэлектрических характеристик связанной воды и твердой компоненты, включающей минералогический скелет почвы и лед.

Таким образом, физической основой определения засоленности почв по данным дистанционных измерений радияркостных температур в СВЧ-диапазоне является: существование в мерзлых засоленных почвах свободной воды, количество которой зависит от термодинамической температуры почвы; отличие диэлектрических характеристик свободной воды в данном диапазоне от диэлектрических характеристик связанной воды, сухой почвы и льда.

Для определения засоленности почвы используются регрессионные зависимости, полученные в результате экспериментальных исследований и имеющие следующий вид:
Z A B•X
где Z(%) отношение веса соли, содержащейся в единице объема к весу сухой почвы; X коэффициент излучения мерзлой почвы, измеряемый дистанционно; A, B-численные коэффициенты, зависящие от гранулометрического состава и термодинамической температуры почвы и определяемые путем обработки методом наименьших квадратов лабораторных или полигонных измерений радиоизлучательных характеристик разнозасоленных модельных грунтов, находящихся при отрицательной температуре.

При этом гранулометрический состав оценивается по данным измерений на тестовых участках, находящихся в зоне проведения дистанционных измерений, или по существующим почвенным тематическим картам масштаба 1:25000 1:100000 в зависимости от требующейся детальности; термодинамическая температура определяется по данным наземных измерений на тестовых участках, находящихся в зоне проведения дистанционных измерений или из метеосводок.

Предлагаемый способ был апробирован в полигонных условиях. В табл. 1. приведены численные значения коэффициентов A и B регрессионной зависимости (1) для различных температур, полученные путем обработки данных измерений методом наименьших квадратов.

Эти значения могут быть использованы при оценке засоленности почв в условиях хлоридного засоления. Приведенные значения получены для почв с объемным содержанием песка 70% и объемным содержанием физической глины 30% увлажненных до полной влагоемкости, в диапазоне изменения засоленности от Z=0.0% (незасоленные почвы) до Z=1.0% (сильнозасоленные почвы). Измерения проведены на длине волны 2.25 см.

Погрешность определения Z по формуле (1) составила не более 15%
Использование вышеприведенного способа позволит существенно повысить точность и надежность определения засоленности почв дистанционными радиофизическими методами, а также существенно сократить объем трудоемких наземных работ при определении засоленности контактными методами на больших территориях.

Дистанционный радиофизический способ определения засоленности почвы по данным дистанционных измерений в сантиметровом диапазоне длин волн радиоизлучательных характеристик засоленных почв основан на установленной в результате экспериментальных исследований зависимости коэффициента излучения мерзлой почвы от засоленности. Подобная зависимость обусловлена существованием в мерзлой почве свободной воды, образованной за счет гидратации молекул воды ионами растворенных солей и имеющей диэлектрические характеристики, существенно отличающиеся от диэлектрических характеристик связанной воды, минералогического скелета почвы и льда. Для определения засоленности почвы Z(%) проводят измерения коэффициентов излучения X мерзлых почв с помощью радиометрических приемников сантиметрового диапазона, установленных на летательном аппарате или автомобильной платформе и нахождении Z(%) по формуле
Z = A - B•X
где A, B - численные коэффициенты, зависящие от гранулометрического состава и термодинамической температуры почвы и определяемые путем обработки методом наименьших квадратов данных лабораторных или полигонных измерений радиоизлучательных характеристик разнозасоленных модельных грунтов, находящихся при отрицательной температуре. 1 табл.

Дистанционный радиофизический способ определения засоленности почв, основанный на измерении их радиоизлучательных параметров, отличающийся тем, что проводят одночастотные измерения коэффициентов излучения X мерзлых почв с помощью радиометрических приемников сантиметрового диапазона и находят Z (%) по формуле
Z A B• X,
где Z (%) отношение веса соли, содержащейся в единице объема, к весу сухой почвы;
А, В численные коэффициенты, определяемые путем обработки методом наименьших квадратов результатов предварительных измерений радиоизлучательных характеристик разнозасоленных почв на тестовых участках, находящихся в зоне проведения дистанционных измерений при отрицательной температуре.