Способ определения влажности устойчивого завядания
Владельцы патента RU 2331062:
Институт физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения РАН (RU)
Способ определения влажности устойчивого завядания может быть использован в сельскохозяйственном производстве при анализе свойств почв. Для определения максимальной доли связанной воды Wt в полевых условиях осуществляется измерение коэффициента радиотеплового излучения почвы перед промерзанием и мерзлой почвы в начальный период промерзания, когда температура почвы не опускается ниже -5°С, и величину Wt находят с использованием полученных регрессионных уравнений или графиков, связывающих Wt с измеренным коэффициентами излучения, а затем величина Wt применяется для вычисления влажности устойчивого завядания из соотношения Wуз=0,93 Wt, где Wt - содержание связанной воды, Wуз - влажность устойчивого завядания. Техническим результатом изобретения является разработка дистанционного способа определения влажности устойчивого завядания в полевых условиях. 5 ил., 1 табл.
Изобретение относится к способам измерений и может быть использовано в сельскохозяйственном производстве при анализе свойств почв.
Известен прямой лабораторно-вегетативный способ определения ВУЗ, который заключается в том, что учитывается влажность почвы в тот момент, когда выращиваемые растения с хорошо развитой корневой системой устойчиво увядают из-за иссушения почвы [Вериго С.А., Разумова Л.А. Почвенная влага (применительно к запросам сельского хозяйства). Л.: Гидрометеоиздат, 1973, 328 с.]. Известен также способ косвенного определения ВУЗ, использующий технику измерения максимальной гигроскопичности почвы [Вальков В.Ф. Почвенная экология сельскохозяйственных растений. М: Агропромиздат, 1986, 208 с.]. Недостатком перечисленных выше способов является длительность процесса, составляющая от 4 до 20 дней.
Наиболее близким техническим решением является радиофизический способ определения влажности устойчивого завядания, основанный на измерениях в лабораторных условиях ряда значений показателя преломления почвы в зависимости от ее влажности в диапазоне сверхвысоких частот [п. РФ №2092819, МПК G01N 22/04, опубл. 10.10.97 г.]. После чего по полученной графической зависимости находят значение влажности Wt, соответствующей точке перехода от связанной влаги к свободной, являющейся максимальным значением объемной доли связанной влаги в данном типе почвы, и определяют влажность устойчивого завядания из соотношения
Wуз=0,93 Wt.
Недостатки этого способа заключаются в следующем: во-первых, для лабораторных измерений показателя преломления производится отбор почвенных образцов, при этом нарушается почвенная структура и происходит изменение плотности. Измеряется, таким образом, значение влажности Wt почвенного образца, находящегося в лабораторной измерительной ячейке, а не Wt для почвы естественного сложения. Во-вторых, способ не является оперативным, так как требуется определенное время на подготовку нескольких (около 10) образцов, их высушивание, увлажнение, взвешивание, измерение диэлектрической проницаемости каждого образца.
Техническим результатом изобретения является разработка дистанционного способа определения влажности устойчивого завядания.
Технический результат достигается тем, что в способе определения влажности устойчивого завядания из соотношения Wуз=0,93 Wt, где Wt - максимальная доля связанной воды, Wуз - влажность устойчивого завядания, новым является то, что он основан на излучении электромагнитных волн почвами, при котором измеряют коэффициенты излучения почвы перед промерзанием и в начальный период промерзания дистанционно. Т.к. значение влажности Wt определяется без нарушения естественного сложения почвы путем измерения коэффициента радиотеплового излучения в сверхвысокочастотном диапазоне электромагнитных волн влажной (W>Wt) почвы до промерзания и в начальной стадии промерзания, когда температура почвы не опускается ниже -5°С. При этом в почве существует незамерзшая связанная вода в количестве, равном Wt, комплексная диэлектрическая проницаемость которой мало отличается от соответствующих величин связанной воды при положительных температурах [Комаров С.А., Миронов В.Л. Микроволновое зондирование почв. - Новосибирск: Научно-издательский центр СО РАН, 2000, 289 с.]. Коэффициент излучения почвы определяется следующим образом:
где Тя - радиояркостная температура почвы, измеряемая дистанционно с помощью микроволнового радиометра, Т - термодинамическая температура почвы, измеряемая дистанционно с помощью инфракрасного термометра или контактным термометром. Значения коэффициента излучения при зондировании в надир связаны с диэлектрическими характеристиками почвы следующим образом:
где 
- комплексный показатель преломления почвы, n - показатель преломления почвы, κ - показатель поглощения. С целью обоснования заявленного способа проведена обработка данных диэлектрических измерений 9 почв, различающихся органоминеральным и гранулометрическим составом, отобранных в различных климатических зонах России и США [V.L.Mironov, "Spectral Dielectric Properties of Moist Soils in The Microwave Band," in Proc. IGARSS'04, Anchorage, USA, vol. V, pp.3474-3477, 2004] и найдены уравнения линейной регрессии зависимостей nt=n(Wt,f) и κt=κ(Wt,f), где nt и κt показатель преломления почвы и показатель поглощения, соответственно, при влажности почвы, равной Wt, f - частота электромагнитного излучения. Частотная зависимость этих величин связана с частотной дисперсией комплексного показателя преломления связанной воды. Для иллюстрации частотной зависимости ниже приведены найденные уравнения регрессии, имеющие вид для частоты 1,67 ГГц:
для частоты 6 ГГц:
Если почва содержит некоторую объемную долю льда Wc=ρ·(W-Wt), где W влажность почвы перед ее замерзанием, ρ=1,09 - отношение плотности воды к плотности льда, то показатель преломления и показатель поглощения определятся из соотношений, найденных из обобщенной рефракционной модели [V.L.Mironov, М.С.Dobson, V.Н.Kaupp, S.А.Komarov and V.N.Kleshchenko, "Generalized refractive mixing dielectric model for moist soils," IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing, vol.42, no.4, pp.773-785, 2004]:
где nc=1,77 - коэффициент преломления льда, а κс=0,028 - показатель поглощения.
Для определения объемной доли льда в почве необходимо произвести измерение коэффициента почвы перед ее замерзанием. В этом случае комплексный показатель преломления определится из соотношений:
где nu, κu - показатель преломления и показатель поглощения свободной воды, определяемые по модели Дебая для заданной частоты и температуры.
Разности показателей преломления nl-n и показателей поглощения κl-κ зависят только от Wc, поскольку nс, nu, κc и, κu известны. Однако из-за нелинейности выражения (2) разность коэффициентов излучения Δχ=χ-χ1 замерзшей и незамерзшей почв слабо зависит также от Wt. Объемная доля льда может быть определена из уравнения регрессии, которое для Wt=0,15 имеет вид:
Подобные уравнения могут быть получены для любых других значений Wt.
Таким образом, по двум измеренным значениям коэффициента излучения незамерзшей и мерзлой почвы можно найти первое приближение для объемной доли льда Wcl в мерзлой почве, приняв вначале в качестве нулевого приближения для Wt значение Wt0=0,15, равное среднему арифметическому из наибольшего и наименьшего значений, наблюдаемых для всех типов почв. Затем по измеренному значению коэффициента излучения мерзлой почвы и первому приближению для объемной доли льда можно определить первое приближение для максимальной доли связанной воды Wtl. Этот итерационный процесс можно продолжать до получения значений Wt и Wc с заданной точностью.
Используя уравнение (2) и данные, приведенные на фиг.1, получаем график зависимости Wt=Wt (χ) при Wt=0 (фиг.2).
Для почв с большими значениями Wt соответственно большие значения имеют n и κ. Увеличение показателя преломления приводит к уменьшению коэффициента излучения в соответствии с выражением (1). При наличии в почве льда с помощью выражений (2), (3), (5), (6) получаем графики зависимости Wc=Wc, (Δχ, Wt) для частоты 1,67 ГГц (фиг.3).
Наконец, с помощью выражений (2), (3), (5) получаем графики зависимости Wt=Wt, (χ) при различных значениях объемной доли льда Wc (фиг.4). На этом рисунке кривая 1 (Wc=0) соответствует линии регрессии, показанной на фиг.2, а кривые 2,3 и 4 соответствуют значениям Wc>0.
Эти же зависимости могут быть описаны регрессионным уравнением
Заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что оно основано на излучении электромагнитных волн почвами, при котором измеряют коэффициенты излучения почвы перед промерзанием и в начальный период промерзания дистанционно. Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна». Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежных областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
На фиг.1а и 1б, соответственно, представлены значения показателя преломления nt и показателя поглощения κt для почв с различными значениями максимальной доли связанной воды Wt и регрессионные прямые для частоты 1,67 ГГц.
На фиг.2 дан график зависимостей Wt=Wt(χ), при Wc=0, где 
- экспериментальные данные при Wc=0; 
- линейная регрессия.
На фиг.3 представлены графики зависимости Wc=Wc(Δχ, Wt) для частоты 1,67 ГГц; - Wt=0,05; 
Wt=0,15; 
Wt=0,25.
На фиг.4 даны графики зависимости Wt=Wt(χ2), при различных значениях объемной доли льда Wc, где: - Wc=0; 
Wc=0,11; Wc=0,22, 
Wc=0,33.
Предлагаемый способ реализован следующим образом. Перед началом заморозка над поверхностью выровненной, увлажненной до влажности большей, чем Wt, почвы размещается на высоте не менее чем 2 м от поверхности микроволновый радиометр, антенна которого направлена в надир (допускаемы отклонения от вертикали ±10°). В соответствии с методикой радиометрических измерений определяется радиояркостная температура Tяl незамерзшей почвы и с помощью ИК-термометра термодинамическая температура Tl почвы. По формуле (1) определяется коэффициент излучения χl. С началом замерзания почвырадиояркостная температура возрастает, испытывает некоторые интерференционные осцилляции во времени, по окончании которых можно производить измерения радиояркостной температуры почвы, промерзшей на глубину, большую, чем глубина зондирования. Это значение Тя и термодинамическую температуру Т почвы в этот момент используют для определения коэффициента излучения χ мерзлой почвы. Далее, с помощью регрессионного уравнения (7) или графика (фиг.3) рассчитывают первое приближение для объемной доли льда Wcl, используя нулевое приближение для значения Wt0=0,15. С использованием Wcl и значения χ, полученного для мерзлой почвы, из уравнения (8) или графика (фиг.4) определяется первое приближение для максимальной доли связанной воды Wtl. Далее, с использованием значения Wtl производится второе приближение для количества льда Wc2, а затем с помощью уравнения (8) или графика (фиг.4) находится второе приближение Wt2 и т.д. Последнее, приемлемое по точности, приближение значения Wt используется для определения влажности устойчивого завядания по формуле Wуз=0,93 Wt.
Для проверки заявленного способа использовались данные экспериментов с борта самолета по измерению коэффициента излучения мерзлых и незамерзших почв, приведенные в [Комаров С.А., Миронов В. Л. Микроволновое зондирование почв. - Новосибирск: Научно-издательский центр СО РАН, 2000, 289 с.] (гл.4, 4.1). Рабочая частота 1,67 ГГц. Для этих почв были проведены лабораторные измерения Wt способом, указанным в прототипе. Результаты определения Wуз заявляемым способом в сравнении с данными лабораторных экспериментов [Комаров С.А., Миронов В.Л. Микроволновое зондирование почв. - Новосибирск: Научно-издательский центр СО РАН, 2000, 289 с.] приведены в таблице 1.
| Таблица | ||||||||
| № эксперта | Коэфф. излуч. незамерзшей почвы χl | Коэфф. излуч. мерзлой почвы χ | Δχ | Wс, см3/см3 | Wt, см3/см3 радиометрическим способом | Wt, см3/см3 лабораторным способом | Wуз, см3/см3 радиометрическим способом | Wуз, см3/см3 лабораторным способом |
| 1 | 0,75 | 0,84 | 0,09 | 0,095 | 0,12 (1-е прибл.) | |||
| 0,090 | 0,12 (2-е прибл.) | 0,13 | 0,11 | 0,12 | ||||
| 2 | 0,65 | 0,83 | 0,18 | 0,205 | 0,11 (1-е прибл.) | |||
| 0,20 | 0,115 (2-е прибл.) | 0,13 | 0,107 | 0,12 |
Преимущества заявленного технического решения. Заявленное решение обеспечивает снижение трудоемкости и повышение оперативности измерения влажности устойчивого завядания. При установке радиометра на автомобильном шасси измерения производятся с разрешением 3-4 м, определяемым размерами излучающего пятна на поверхности земли, и производительностью 0,5-1 га/ч. При установке на самолете измерения производятся с разрешением 3-5 км и производительностью около 5000 га/ч. При установке радиометра на космическом аппарате разрешение составляет 10-50 км. В настоящее время разрабатываются методы повышения разрешающей способности спутниковых радиометров путем совместной обработки данных радиометра и радиолокатора, установленных на одном космическом аппарате (международные программы дистанционного зондирования влажности SMOS и Aquarius).
Способ определения влажности устойчивого завядания, основанный на излучении электромагнитных волн почвами, отличающийся тем, что для определения максимальной доли связанной воды в полевых условиях осуществляют измерение коэффициентов излучения почвы перед промерзанием и мерзлой почвы в начальный период промерзания, определяют разность этих величин, задают первое приближение для максимальной доли связанной воды, а затем при помощи полученных регрессионных уравнений или графиков, используя значения измеренной разности коэффициентов излучения и первого приближения для максимальной доли связанной воды, определяют первое приближение для объемной доли льда, после чего первое приближение для объемной доли льда, измеренное значение для коэффициента излучения мерзлой почвы и полученные регрессионные уравнения и графики используют для нахождения второго приближения для максимальной доли связанной воды, при этом описанную итерационную процедуру повторяют до достижения приемлемой точности для значения максимальной доли связанной воды Wt, которое применяют для вычисления влажности устойчивого завядания из соотношения Wyз=0,93 Wt.
