Способ дистанционного определения влажности почвогрунтов Советский патент 1992 года по МПК G01N22/00 

Изобретение относится к способам контроля параметров почвогрунтов и может быть использовано для дистанционного определения максимальной молекулярной влагоемкости (ММВ) и объемной поверхностной влажности участков почвогрунтов при решении задач агрометеорологии, мелиорации, сельского хозяйства, экологии, геологии и др.

Известен способ определения влажности почв, основанный на непосредственном измерении объемной влажности эталонного участка, определении таким образом регрессионной зависимости между интенсивностью отраженного радиосигнала и измеренной объемной влажностью на- эталонном участке и по интенсивности отраженного радиосигнала от контролируемого участка и указанной регрессионной зависимости определение запаса свободной влаги на контролируемом участке.

Недостатком указанного способа является то, что для получения информации о ММВ. соответствующей максимальному содержанию связанной влаги в конкретном типе почвы, требуется непосредственное лабораторное измерение объемной влажности на эталонных участках. Кроме того, при неидентичности типов почв эталонного и контролируемого участков появляются погрешности, обусловленные различием содержания в них связанной воды.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ дистанционного определения профиля влажности и интегрального влагосо- держания , заключающийся в измерении яркостных температур Т|Я и Тгя одновременно на двух длинах волн AI и fa с

VI

СЛ О 00

о

00

последующим определением влажности поверхностного слоя W0 и по тарировочной зависимости T«(W), измерении наземными методами влажности з стационарном слое и по значениям Т1Я и Т2я и по тарировочным зависимостям диэлектрической проницаемости от влажности Б (W) и по W0 расчете градиента Ј, а по Ј(W) и величине градиента в определении градиента влажности, и по этим данным расчете профиля влажности и интегрального влагосодержания.

При реализации известного способа не учитывается содержание зависимостей яр- костных температур от влажности для разных длин вол, что приводит к появлению погрешностей при расчетах плажностных параметров почвогрунтов. Дополнительно, при выполнении известного способа также требуются наземные измерения влажности на глубине слоя стационарной влажности,

Цель изобретения - обеспечение определения максимальной молекулярной впа- гоемкости Wt и объемной влажности W почвогрунтов.

Указанная цель достигается тем, что измеряют яркостные температуры Пя и Т2я одновременно на двух длинах волн AI и Хг и дополнительно измеряют термодинамическую температура То, например, в ИК-диэ- пазоне, а максимальную молекулярную влагоемкость Wt и полную объемную влажность W определяют из соотношений

ш А 1 Кз ДК1К2-ДК2КГ

w Д&ДК1 -Ayi AK2 Д Ki К2 - А К2 Ki

Atf # -#: Д# # -#:

AKrKi-Kco:

ДК2 К2-КСВ;

#

Т1я

пыленности) почоы и запас продуктивной влаги из расчета , представляющую основной интерес для сельскохозяйственного производства, а при переходе к

регрессионным зависимостям #(W) исключаются погрешности, возникающие от изменений наклона регрессионных зависимостей Ta(W) вследствие вариаций То контролируемого участка. Кроме того, при реализации

предлагаемого способа полностью отсутствуют наземные измерения,

На че ртеже приведены расчетные ре- грессионные зависимости яркостной температуры Тя и коэффициента излучения %(при

термодинамической температуре К) от объеной влажности W; зависимости 1 и 2 для песчаного почвогрунта и длин волн ,5 см и см соответственно: зависимости 3 и А для монтморИ1лонитовой глины

и тех же AI и Я2 соответственно.

Способ осуществляют следующим образом.

Измеряют СВЧ-радиометрами в надир яркостные температуры Ття и Т2я контролируомого участка почвогрунта на двух длинах волн сантиметрового диапазона AI и А2. Од- новременнб измеряют термодинамическую температуру Т0 этого же участка с помощью радиометра ПК-диапазона.

По отношению яркостных температур Т1я и Т2я к термодинамической температуре То определяют коэффициенты радиотеплового излучения через границу раздела земля - воздух

#

Ти

40

Т2я

То

Известно, что интенсивность радиотеплового излучения характеризуется величиной яркостной температуры ТяИо %. Коэффициент излучения почвогрунта

Изобретение может быть использовано в агрометеорологии, мелиорации, сельском хозяйстве, геологии и экологии. Цель изобретения - обеспечение определения максимальной молекулярной влагоемкости и объемной влажности почвогрунтов. Для этого на контролируемом участке почвогрунта измеряют одновременно яркостные температуры на двух длинах волн сантиметрового диапазона и термодинамическую температуру в ИК-диагтазоне. По отношению ярко- стных температур к термодинамической температуре находят соответственно коэффициенты радиотеплового излучения через границу раздела земля - воздух, и по регрессионным зависимостям этих коэффициентов от влажности и коэффициенту излучения для сухого почвогрунта расчетным путем определяют максимальную молекулярную влагоемкость и полную объемную влажность данного участка, 1 ил. сл С

#

Т2я

То

,92.

где Ксв, Ki, Ка - значение тангенсов углов наклона регрессионных зависимостей коэффициентов излучения от объемного содержания в почвогрунте связанной воды, свободной во ды для AI и Аз соответственно.

Получаемые предлагаемым способом данные о максимальной молекулярной вла- гоемкости Wt и общей объемной влажности обеспечивают информацию об эрозии (расХ 1VЈc +1

0)

50

определяется его диэлектрической проницаемостью ЕС, которая задается рефракционной моделью в виде суммы

- VfiT 2Ver-p|,

55,-1

(2)

где R - диэлектрические проницаемости твердой фазы, воды и воздуха;

Pi - их объемные содержания.

По известной классификации вода в капиллярно-пористых средах, к которым относятся почвогрумты, разделяется на связанную и свободную, существенно различающиеся диэлектрическими свойства- ми. Диэлектрическая проницаемость связанной воды ниже проницаемости свободной и в СВЧ-диапазоне практически не зависит от частоты. Ввиду того, что время релаксации для свободной воды составляет Тр 0, с, область частотной дисперсии находится в сантиметровом диапазоне радиоволн.

Исходя из указанного, регрессионные зависимости между коэффициентами излу- чения и обьемным содержанием влаги в почвогрунте W в первом приближении могут быть описаны линейными уравнениями

%l o+KcBWt+Ki(W-Wt);

# Јo+KcBWt+K2(W-W,).(3)

На участке от до зависимо- сти 3 и 4 (чертеж) совмещены и имеют малую крутизну наклона, так как в начале увлажнение почвогрупта происходит за счет связанной воды, имеющей малую диэлект- рическую проницаемость. При дальнейшем увлажнении в почвогрунте появляется свободная вода и крутизна изменений #(W) увеличивается, причем вследствие дисперсии Ј (Я) наклоны регрессионных зави- симостей для AI и Яг различаются.

Реальные значения Wt природных по- чвогрунтов находят в пределах W 0 (песок) до W 0,2 (монтмориллоиитровая глина).

Решением системы линейных уравне- ний (3) находят неизвестные значения Wt и W:

w Jfo-aQxi-Cfo-) 1 . ,4}

(К1-Ксв)К2-(К2-Ксв)КГ {)

w - ..(ft - ) ( Kz - Кса ) - (%, Хл ) ( Ki - IW ( Ki - Kcn) К2 - ( К2 - Ксв ) Ki

Постоянные коэффициенты о уравнениях (3) и (4) определяются из следующих вы- ражений:

(пСв-1) (ги-1)

(л2 1)

Хо

Пр - 1 . (По+1)3

По - 1 (По+1)3

4 п0

( По + 1 }

,2

5 10

15

0

5 0

5

0

5

0

где псв - коэффициент преломления связанной воды;

ni, па - коэффициенты преломления свободной воды на AI и Яа соответственно;

п0 - коэффициент преломления сухого почвогрунта.

Данные коэффициенты преломления определены экспериментально и имеют следующие значения:

, п ,6, ,8, ,75. Отсюда ,3, ,0, ,7, #Ю,92.

Наилучшие результаты в определений параметров почвогрунта могут быть получены в том случае, если коэффициенты преломления щ и П2 имеют наибольшее различие, а коэффициенты поглощения KI и KI равны. При этом соответственно достигается максимальная чувствительность и исключается ьлияниб на измерения Пя и Т2я градиента влажности в поверхностном слое почвогрунта.

Указанные условия выполняются при выборе Ят иЯ2 по обе стороны отЯ 1,8 см, соответствующей максимальным потерям в области резонанса дисперсии свободной воды, например, прим ,5 и см.

На экспериментальной зависимости X (W) для песка отсутствует насыщение его связанной водой, а для бентонита, состоящего из 70% монтмориллонитовой глины, имеется пологий участок, доходящий до зна- . чения ,16 (максимальное насыщение почвогрунта связанной водой). Дапее при ,16 крутизна зависимости % (W) возрастает и становится примерно равной крутизне зав 1симости для песчаного почвогрунта. Эти данные подтверждают расчетные линейно-ломанные зависимости # (W).

Формула изобретения

Способ дистанционного определения влажности почвогрунтов, заключающийся в измерении яркостных температур Ti3, Т2я на двух длинах волн Я-t и Я2. о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что. с целью обеспечения определения максимальной молекулярной влагоемкости Wt и полной объемной влажности Wt дополнительно йзмеряют термодииа- мическую температуру Т0, а максимальную молекулярную влажность Wt и полную объемную влажность W определяют из соотношений

Wt

A Ki-Aff K2 . ДК1К2-ДК2КГ

55

Д&ДК1 ДУ1ДК2 ДК1К2-ДКаК1

Л# 0 -#;

A$ # -#; AKi Ki-KCB; Д K2 Kj-Kc«:

.

#То

и.Лйь

#То

0,1

0,2 W{ 0,3 Of ty /Cfi3

,92.

где Ксв, Ki, K2 - значения тангенсов углов, наклона регрессионных зависимостей коэффициентов излучения от объемного со- держания в почвогрунте связанной воды, свободной воды для А1 и Да соответственно.