ДИСТАНЦИОННЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА ПОЧВЫ Российский патент 1997 года по МПК G01N22/04 

Изобретение относится к технике измерений и может быть использовано в сельском хозяйстве, мелиорации, экологическом мониторинге, при оценке состояния и качества земельных угодий, при составлении кадастра земель и т.д.

Известен способ определения гранулометрического состава по спектральным характеристикам почвы в оптическом диапазоне, основанный на выявлении зависимости между спектральным коэффициентом яркости (СКЯ) и гранулометрическим составом [1]
Недостатком данного способа является то, что он обладает невысокой точностью, так как измеряемые СКЯ зависят от многих второстепенных факторов: технологии обработки и увлажненности почвы, условий освещенности, прозрачности атмосферы, высоты стояния Солнца, содержания гумуса в почве и т.д.

Целью изобретения является повышение точности определения гранулометрического состава почвы дистанционным способом. (При этом под гранулометрическим составом понимается объемное содержание физической глины C(%), т.е. элементарных почвенных частиц, размеры которых не превышают 0,01 мм [2]).

Цель достигается тем, что для дистанционного определения гранулометрического состава с помощью СВЧ-радиометрических приемников, установленных на летательном аппарате (самолете, вертолете) или на автомобильной платформе, в зимний период проводят измерение коэффициентов излучения мерзлых почв, значения которых зависят от количества содержащейся в мерзлой почве незамерзшей воды W_м.

Мерзлая почва представляет собой многофазную гетерогенную систему, состоящую из воздуха, твердой и жидкой фаз. Твердая фаза включает в себя скелет мерзлой почвы, состоящий из минеральных и органоминеральных образований и лед. Жидкая фаза мерзлых незасоленных почв представлена незамерзшей водой, соответствующей связанной воде в незамерзшей незасоленной почве [3, 4]
Содержание незамерзшей воды в мерзлых почвогрунтах увеличивается по мере возрастания процентного содержания физической глины в ряду глина > суглинок > супесь > песок.

Физической основой определения гранулометрического состава почвы методами СВЧ-радиометрии является существование в мерзлых почвах незамерзшей воды, количество которой зависит от гранулометрического состава и термодинамической температуры W_м W(T, G); отличие диэлектрических свойств сухой почвы и льда от электрических свойств незамерзшей воды; отсутствие в мерзлой незасоленной почве свободной воды, которая за счет большой комплексной диэлектрической проницаемости (КПД) не дает возможности проводить дистанционное определение гранулометрического состава почвы при положительной температуре [5, 6]
Измеряемый радиометрическими методами коэффициент излучения мерзлой почвы связан с КПД мерзлой почвы известной формулой [7]

где ε_м КПД мерзлой почвы.

В соответствии с [8] преобразуем (1) к следующему виду:

Для описания ε_м как трехкомпонентной системы может быть использована рефракционная формула, имеющая следующий вид [9]

КПД почвы, не содержащей жидкую фазу; V_T, ε_т объемное содержание и КПД твердой (органоминеральной) фазы мерзлой почвы; V_л, ε_л объемное содержание и КПД льда; ε_связ КПД связанной воды; W_M содержание незамерзшей воды в почве.

В связи с тем, что ε_т и ε_л имеют близкие значения, а также исходя из того, что диэлектрические свойства сухой почвы не имеют дисперсии в диапазоне температур от -50^oC до +23^oC [5, 6] ε_o можно приближенно положить равным ε_c КПД сухой почвы, находящейся при T > 0^oC. В этом случае (3) примет следующий вид:

где χ_c коэффициент излучения сухой почвы.

Подставив формулы (2) и (4) в формулу (3) и преобразовав, получим выражение для нахождения количества незамерзшей воды, находящейся в мерзлой почве

Значения χ_c в выражении (5) определяются исходя из значений ε_c, которые, в свою очередь, могут быть рассчитаны по эмпирической формуле [7]

где ρ_c = 1,0 ... 1,8 г/см³ плотность сухой почвы; или измерены в лабораторных условиях с использованием мостовых схем [10, 11] Различные варианты установок, реализующих такой подход, перекрывают широкий диапазон значений КПД, показывая высокую точность при большом поглощении в образцах. Данные установки непосредственно определяют комплексный коэффициент прохождения электромагнитных волн через образец путем сравнения амплитуд и фаз в опорном и измерительном каналах мостовой схемы.

Значения ε_c определяются при влажности образца W 0. Значения χ_c, согласно лабораторным измерениям, варьируют в диапазоне от 0,94 до 0,96. Значения χ_c для некоторых почв Алтайского края, измеренные в лабораторных условиях, приведены в табл. 1.

При дистанционном определении гранулометрического состава может быть взято среднее значение коэффициента излучения сухой почвы: χ_c = 0,95 ± 0,01. Данная погрешность сравнима с погрешностью, возникающей при калибровке дистанционных измерений радиоизлучательных параметров почв по двум калибровочным объектам естественного происхождения (вода, лес) с известной интенсивностью излечения.

В зависимости от гранулометрического состава, влажности и термодинамической температуры коэффициенты излучения мерзлых почв изменяются в пределах от χ_c до χ_t, где χ_t коэффициент излучения почвы с влажностью W_t, соответствующей переходу от связанной воды к свободной. Значения W_t и χ_t могут быть определены из графика зависимости коэффициента излучения от влажности χ(W) построенного по результатам лабораторных измерений ε(W), с шагом 2% по влажности (фиг. 1).

Величина ε_связ, входящая в выражение (5), является константой, зависящей от длины волны и может быть рассчитана по рефракционной формуле, аналогичной (3) и имеющей следующий вид:

где КПД незамерзшей почвы, увлажненной до W_t.

При этом для расчета ε_связ используются значения ε_c, ε_t и W_t, определенные по результатам лабораторных измерений.

Для определения гранулометрического состава могут быть использованы два способа.

1. Гранулометрический состав почвы оценивается исходя из эмпирической формулы [4]
W_m(T, G) A + B•G(%),
где A, B коэффициенты, зависящие от термодинамической температуры почвы. Термодинамические температуры почвы при этом определяются по данным дистанционных ИК-радиометрических измерений или из метеосводок. Численные значения A и B для некоторых температур приведены в табл. 2.

2. Гранулометрический состав почвы оценивается путем сравнения значений W_m, определенных дистанционным способом с графическими зависимостями W_m(T), построенными по данным экспериментальных исследований для почв различного гранулометрического состава и приведенными на фиг. 2. При этом выбирается зависимость W_m(T), наилучшим образом описывающая дистанционно измеренное значение W_m при данной температуре.

Предлагаемый способ был апробирован на территории двух почвенно-климатических зонах, расположенных на территории равнинной части Алтайского края. В табл. 1 приведены значения χ_c, χ_t W_t для этих почвенно-климатических зон, измеренных в лабораторных условиях.

Приведенные в табл. 1 коэффициенты излучения могут быть использованы в практических целях при оценке гранулометрического состава по радиоизлучению мерзлых почв.

Предлагаемый способ определения гранулометрического состава пригоден для использования на незасоленных почвах при глубине промерзания, большей скин-слоя, что удовлетворяется выбором определенной длины волны.

Список литературы
1. Федченко П. П. и Кондратьев К.Я. Спектральная отражательная способность некоторых почв. Л. Гидрометеоиздат, 1981, с. 230.

2. Воронин А.Д. Основы физики почв. М. Изд-во Моск. ун-та. 1986, с. 243.

3. Попов А.И. и Тушинский Г.Х. Мерзлотоведение и гляциология. М. Высшая школа, 1973, с. 270.

4. Фазовый состав влаги в мерзлых породах. М. Изд-во МГУ, 1979, с. 119.

5. Hallikainen M.T. Ulaby F.T. Dobson M.S. El-Rayse M. Dielektric Measurement of Soil in the 3 to 37 Chz Band detween 50 and + 23 C. //IGARSS' 84 Symp. Strasbourg, 27 30 Aug. 1984, P. 163 168.

6. Загоскин В. В. Нестеров В.М. Замотринская Е.А. и Михайлова Г.Г. Зависимости диэлектрической проницаемости влажных дисперсных материалов от температуры //Изв. вузов, Физика, 1982, вып. 1, с. 65 68.

7. Шутко А. М. СВЧ-радиометрия водной поверхности и почвогрунтов. М. Наука, 1986, с. 190
8. Власов А.А. О возможности замены комплексных значений диэлектрической проницаемости вещественными //Радиотехника и электроника, 1985, т. 33, N 5, с. 1068 1071.

9. Бирчак Дж. Р. и др. Определение влажности грунта с помощью СВЧ-датчиков с большой диэлектрической проницаемостью. -ТИИЭР (пер. с англ.), 1974, т. 62, с. 115.

10. Комаров С.А. Корниенко О.М. Миронов В.П. Пятков А.Г. и Рычков Н.В. Исследование содержания и диэлектрической проницаемости связанной воды в гранулах. /Тез. докл. Всес. конф. "Применение дистанционных радиофизических методов в исследованиях природной среды". Ереван, 1990, с. 87 88.

11. Брандт А.А. Исследование диэлектриков на СВЧ. М. Изд-во физ. -мат. лит-ры, 1963, с. 404.

Дистанционный способ определения гранулометрического состава почв планируется использовать в сельском хозяйстве, мелиорации, экологическом мониторинге, при оценке состояния и качества земельных угодий, при составлении кадастра земель и т.д. Изобретение основано на том, что мерзлые незасоленные почвогрунты в зависимости от гранулометрического состава и термодинамической температуры содержат определенное количество незамерзшей воды, диэлектрические свойства которой аналогичны диэлектрическим свойствам связанной воды в незамерзших почвогрунтах и отличаются от диэлектрических свойств сухой почвы и льда. Отличие изобретения от известных в том, что для определения гранулометрического состава измеряют в зимний период коэффициенты излучения мерзлых почв в СВЧ-диапазоне, значения которых зависят от количества содержащейся в мерзлой почве незамерзшей воды, имеющей для почв, различающихся по гранулометрическому составу качественно похожие, но различающиеся количественно температурно-влажностные зависимости. Гранулометрический состав оценивают путем сравнения количества незамерзшей воды в мерзлой почве, определенного дистанционным способом с количеством незамерзшей воды, определенным графически или рассчитанным по эмпирической формуле, приведенной в изобретении. 2 ил., 2 табл.

Дистанционный способ определения гранулометрического состава почвы, отличающийся тем, что по измеренным в СВЧ-диапазоне коэффициентам излучения мерзлых почв, определяют количество присутствующей в мерзлой почве незамерзшей воды по формуле

где χ_c, ε_связ- коэффициент излучения сухой почвы и комплексная диэлектрическая проницаемость связанной воды, определяемые в лабораторных условиях при положительных температурах,
затем полученное значение W_м сравнивают с количеством незамерзшей воды, определенным из известных температурно-влажностных зависимостей, связывающих количество незамерзшей воды с гранулометрическим составом, при этом термодинамическая температура определяется по данным дистанционных ИК-радиометрических измерений или из метеосводок.