Способ дистанционного определения влажности почвогрунтов

 

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 яркостных 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

СОЮЗ С ВЕТГКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (sl> 5 G 01 N 22/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ .1 (21) 4821348/09. (22) 21.03,90

: (46) 23.08.92. Бюл. N. 31 (71) Институт водных и экологических проблем СО АН СССР и Алтайский государственный университет (72) M.Ã.Êoðíèåíêî, С,А.Комаров и Э.В.Кузьмин (56) Авторское свидетельство СССР

N. 985741., кл. G 01 N 22/04, 1982.

Авторское свидетельство СССР

N. 1326968, кл. G 01 и 22/04, 1987. (54) СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОЧВОГРУНТОВ (57) Изобретение может быть использовано в агрометеорологии, мелиорации, сельском хозяйстве, геологии и экологии. Цель изобретения — обеспечение определения макИзобретение относится к способам контроля параметров почвогрунтов и может быть использовано для дистанционного определения максимальной молекулярной влагоемкости (MM В) 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 зави!

Ы„„1756808 Al

2 симальной молекулярной влагоемкости и объемной влажности почвогрунтов. Для этоlo на контролируемом участке почвогрунта измеряют одновременно-яркостные температуры на двух длинах волн сантиметрового диапазона и термодинамическую температуру в ИК-диапазоне. По отношению яркостных 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 обьемную влажность данного участка, 1 ил. симости определенйе запаса свободной влаги на контролируемом участке.

Недостатком указанного способа является то, что для получения информации î ММВ, соответствующей максимальному содержанию связанной влаги в KQHKpeTkoM 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 изооретению я впяется способ дистанционного определения профиля влажности и интегрального влагосодержания по вы, заключающийся в измерении яркостнйх температур Т1я и Ть одновременно надвух длинах волн k и М с

1756808 последующимопределениемвлажностипо- пыленности) почвы и запас продуктивной верхностного слол Wo и по тарировочной Влаги из расчета И/и=6/-W», представллюэависимости T (W), измерении наземными щую основной интерес /tna сельскохозяйстметодамивлажностивстационарномслоеи Венного производства, а при переходе к по значениЯм Т1я и Т я и по таРиРовоч»1ым 5 РегРессионным зависимостЯм g(W) исклюзависимостям диэлектрической проницае- чаютсл погрешности, возйикающие от иэмемости от влажности E(N/) и по Wo расчете нений наклойа регресС«онйых зависимостей градиента Е, а по E(W) и величине градиен- Тя(М/) вследствие Вариаций То контролируета я определении градиента влажности, и мого участка. Кроме того, при реализации по этим данным расчете профилл влажно- 10 предлагаемого способа полностью отсутстсти и интегрального влагосодержания. Вуют наземные измеренил.При реализации известного способа не На чертежЕ приведены расчетные реучитывается содержание зависимостей лр- грессионные зависимости лркостной темпекостных температур от влажности длл раз-, ратуры Тя и коэффициента излучения у(при ных длин вол, что приводит к появлению 15 термодинамической температуре То=ЗОО К) погрешностей при расчетах Влажностных от объеной влажности W; зависимости 1 и 2 параметров почвогрунтов. Дополнительно, длл песчаного почвогрунта и длин волн при выполнении известного способа также Л1=2,5 см и Л2=1 см соответственно: эависитребуются наземные измерения влажности мости 3 и 4 для монтмориллонитовой глины на глубине слоя стац»1онарйой влажности. 20 и тех же Л1 и Л2 соответственно.

Цель изобретения — обеспечение опре- Способ осуществляют следующим обделенйя максимальной молекуллрной вла- разом. гоемкости Wl и объемной влажности W Иэмерлют СВЧ-радиометрами в надир почвогрунтов. яркостные температуры Т1я и Т2я контролиУказаннал цель достигается тем, что из- 25 русмого участка почвогрунта на двух длинах меРлют ЯРкостные темпеРатУРы т1я и т2я волн сантиметРовогодиапазона Л1 и Л2. Од одновременно на двух длинах волн Л1 и Л2 и новременн6 измеряют термодинамическую дополнительно измеряют тер»»одинамиче- температуру То этого же участка с помощью скую температура То, например, в ИК-диа- . радиометра ИК-диапазойа., пазоне, а максимальную молекулярную ЗО По отношению лркостных температур влагоемкость W» и полную объемную влаж- Т1я и Т2я к термодинамической температуре ность W определлют из соотношений То определя1от коэффициенты радиотеплоД К1 — ДУ1 Кз ваго излучения через границу раздела земД К1 K2 — Д К2 К1 ля — воздух

З5

Т1я, „1«т

То

И—

Д К1 K2 — Д К2 К1

Т2я, З Т

/- »X1 =Zo — X1:

Ди =

Д K1-=K 1-Кся, Д К2=К2 Ксв:

Известно, что интенсивность радиотеплового излучения характеризуетсч величиной яркостной температуры Тя=То X. Коэффициент излучения почвогрунта

Т1я .

К1 =

То

То

Т2я,,"(о=О 92. где Кв, К1. К2 — значение тангенсов углов 50 наклона регрессионных зависимостей коэффициентов излучения от обьемного содержания .в почвогрунте свлзанной воды, свободной воды для Л1 и Л2 соответственно.

Получаемые предлагаемым способом данные о максимальной молекулярной вла гоемкости 1/ /» и общей объемной влажности обеспечивают информацию об эрозии (рас / с 1

2 76 +1 определяется его диэлектрической проницаемостью E»:, которая задается рефракционной моделью в виде суммы п Ге, =ZVe; -Pl

l =1 (2) где г1 — диэлектрические проницаемости твердой фазы, воды и воздуха; 1756808

Pl — их обьемные содержания.. -.- где пс — коэффициент преломления связанПо известной классификации вода в ка-: ной воды; пиллярно-пористыхсредах, к которым отно-, . nt, п2 — коэффициенты преломления сятся почвогрунты, разделяется на свободной воды на Il1 и Аг соответственно связанную и свободную, существенно раз- и, — коэффициент преломления сухого, личающиеся диэлектрическими свойства- 5 почвогрунта.. ми. Диэлектрическая проницаемость Данные коэффициенты преломления связанной воды ниже проницаемости.сво- определены экспериментально и имеют . бодной и в СВЧ-диапазоне практически не следующие значения: зависит от частоты. Ввиду того, что время ncs=3, п 1=7,6, nz=5,8, np=1;75.

Релаксации длЯ свободной воды составлЯет 10 Отсюда Kcs=0,3, К1=1;0; К2-0,7, У,-0,92. гр 0,610 "с, область частотной дисперсии . Наилучшйе результаты в определений находится в сантиметровом диапазоне ра- параметров почвогрунта могут быть получедиоволн, ны в том случае.: если коэффициенты преИсходя из .указанного. регрессионнйе nомления п1 и п2 имеют наибольшее зависимостй между коэффициентами излу-. 15 различие, а коэффициентйпоглощения к1 и чения"у и обьемным содержанием влаги в к равны. При этом соответственно достигапочвогрунте И в первом приближении мо- ется максимальная чувствительность и иск- гут быть описаны линейными уравнениями лючается ьлияйие на измерения Т>< и Т2я

71- go+KcsW+K>(W40 ); градиента влажноСти в йоверхностном слое

@2= go+KcsWg+Kg(W-Wg). (3) 20 почвогрунта.

На участке от W=0 до W=Wr зависимо- Укаэанные условия выполняются при сти 3 и 4 (чертеж) совмещены и имеют:ма-.:. выборе 4 иА2 по обе стороны отА .-1,8 см, лую крутизну наклона, так как в начале соответствуюшей максимальным потерям в увлажнение почвогрунта происходитза Счет области резонанса дисперсии свободной связанной воды, имеющей малую дизлект- 25 воды, например, прим.А1-2,5 и Аг=1 см. ....рическую проницаемость. Придальнейшем: . На экспериментальной зависимости увлажнении Ч/>И в почвогрунте появляет- . -у(W) для песка отсутствует насыщение его ся свободная вода и крутизна йзменений связанной водой, а для бентонита. состояфЯ) увеличивается, причем вследствие дис- щего из 70 монтмориллонитовой глины, персии 8 (А) наклоны регрессиойных зави- 30 имеется пологий участок, доходящий до зна-..:. симостей для 4 и Aq различаются. "..чения W=0,16 (максимальное насыщение

Реальные значения Я природйых по- почвогрунта связанной водой). Далее при чвогрунтов находят в пределах W 0(песок) И. 0,16 крутизна зависимости g(W) возра- . до Nl 0,2 (монтмориллонитровая глина). стает и становится йримерно равной крутизРешением системы линейных уравне- 35 не зависимости для песчаного почвогрунта.

I ний (3) находят неизвестные значения Wt и Эти данные подтверждают расчетные ли-:.

W: - .:: нейно-ломанные зависимости (М/).

Формула изобретения

„„(p — K) о . q Кг .: (4) ": Способ дистанционного определения (К1 — K«) Kz — (К вЂ” К«) К1 "0 влажности почвогрунтов, заключающийся в измерении яркостных температур Т1, Т2, на двух длинах волн k u ib. о т л и ч à юшийся тем, что. „целью обеспечения

Постоянные коэффициенты в уравнени- определения максимальной молекулярной ях (3) и (4) определяются из следующих вы- 45 влагоемкости Wr и полной обьемной влажно- ражений: ..:.. сти W, дополнительно измеряют термодина- пр -1 мическую температуру То а максимальную, + „)3 . молекулярную влажность Wt и полную объемную влажность W определяют из соотно50 igGHl.

К1=-4(п i-1) по з

i ° "+ + ) .: откр-: к

Wr=

ЬК1Kg -AK2 К1

К2=-4(п2- 1) по (no+1 }

Л Ьк Ь Лк

АК1 К2-ЬЦ К1

4 nо

7о (п +-1)2

ЛХ1 =Х..-Х1;

1756808

Tg, E

30д

2Ю

15д

01 О 4

Составитель M. Корниенко

Редактор Н. Рогулич Техред М.Моргентал Корректор Н. Слободяник

Заказ 3085 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Рауаская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Луг =Хо -В

Л К1— = K1-Ксв, Л К2=Kg-Its, Т1я, X1 =

То

2я, В

То

ХО=0,92. где Kgs, К1, К2 — значения тангенсов углов. наклона регрессионных зависимостей коэффициентов излучения от объемного со5 держания в почвогрунте связанной воды, свободной воды для А1 и,4 соответственно..