Гумус определяет плодородие почвы. В результате

ВЛИЯНИЕ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА, ГУМУСА И ЗОЛЬНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ
НА ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫЕ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЧВ
В МИКРОВОЛНОВОМ ДИАПАЗОНЕ
Т.А. Беляева, А.П. Бобров, П.П. Бобров, О.А. Ивченко, С.В. Кривальцевич, В.Н. Мандрыгина
Омский государственный педагогический университет
E-mail: [email protected]
Приведены результаты исследования влажных почв с различным содержанием гумуса и зольных загрязнений. Показано, что гумус и зольные включения влияют на количество
связанной воды и диэлектрическую проницаемость почв. С использованием емкостной модели из данных о диэлектрической проницаемости почв получены значения диэлектрической проницаемости прочно- и рыхлосвязанной воды. Установлено, что особенно сильно
гумус влияет на количество прочносвязанной воды.
Показано, что загрязнение песчаных почв зольными включениями приводит к снижению водопроводимости, возрастанию водоудерживающей способности и уменьшению
испарения. Различия в водопроводимости хорошо проявляются в динамике радиояркостной
температуры на длине волны 3,6 см, а различия в испарении — одинаково хорошо на длинах волн 3,6 и 11 см.
Гумус определяет плодородие почвы. В результате хозяйственной деятельности человека содержание гумуса в почвах уменьшается и происходит загрязнение промышленными выбросами. Поскольку гумус и некоторые загрязнители изменяют гидрофизические
и диэлектрические характеристики почв, возможно осуществление дистанционного контроля качества почв микроволновыми методами.
Влажная почва представляет собой дисперсную среду, состоящую из многих компонент, главными из которых являются твердые почвенные частицы, воздух, связанная и свободная вода. К настоящему времени нет физически обусловленной модели диэлектрической проницаемости дисперсных сред, которая позволяла бы определить диэлектрическую
проницаемость смеси через диэлектрические проницаемости и объемные доли отдельных
компонент, хотя интерес к этой проблеме возник давно.
В последние годы были получены точные результаты по расчету комплексной диэлектрической проницаемости (КДП) двухкомпонентных матричных систем, обладающих
высокой степенью упорядоченности [1]. Однако почва не относится к таким системам, и
для моделирования диэлектрической проницаемости используют полуэмпирические модели смесей [2–7]. Многие варианты моделей вполне удовлетворительно описывают экспериментальную зависимость КДП от объемной влажности ε(W), если правильно подобрать
диэлектрические параметры компонент. Однако не всегда эти подобранные параметры соответствуют реальным значениям [8].
В задачах исследования межфазных взаимодействий в почвах нужно знать реальные
значения диэлектрической проницаемости прочносвязанной и рыхлосвязанной воды. Нами
предпринята попытка подбора модели, в которой диэлектрические параметры всех компонент смеси имели бы значения, близкие к таковым. Предположительно такой моделью является емкостная модель диэлектрической проницаемости многокомпонентной среды [9].
Дисперсная среда с хаотической или частично упорядоченной структурой может быть
представлена в виде диэлектрических слоев, ориентированных как параллельно, так и перпендикулярно вектору электрического поля (рис. 1). В квазистатическом приближении, когда размеры частиц много меньше длины волны, диэлектрическая проницаемость может
быть определена через емкость составного конденсатора, в котором слои, параллельные
вектору Ē, заменяются параллельно соединенными конденсаторами, а слои, расположенные перпендикулярно первым, — последовательно соединенными.
ВЛИЯНИЕ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА, ГУМУСА И ЗОЛЬНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ…
333
Формула диэлектрической проницаемости структуры, изображенной на рис. 1, имеет
вид
ε=a
(1 − a)
∑ Viεi + ∑ Vi /εi ,
i
(1)
i
где Vi, εi — объемные доли и диэлектрические проницаемости компонент смеси, а — свободный параметр.
4
2
1
3
a
5
Е
1-a
Рис. 1. Представление емкостной модели
почвы
Из пяти составляющих почву компонент предполагаются известными диэлектрические проницаемости трех – воздуха, твердых частиц и свободной воды. Параметр а можно
определить для сухой почвы, состоящей из двух компонент с известными диэлектрическими параметрами, и уточнить его значение при большой влажности, когда в почве присутствует свободная вода, диэлектрическая проницаемость которой определяется по модели Дебая.
Сопоставление модели с экспериментальными данными, полученными для сухих
грунтов разного минералогического состава, показало, что нет регулярной зависимости параметра а ни от диэлектрической проницаемости твердых частиц, ни от объемной доли
этих частиц. Для таких грунтов получено следующее среднее значение а = 0,95±0,01.
Естественно предположить, что при малых влажностях почвенная структура существенно не отличается от структуры сухой почвы и параметр а изменяется мало. Сопоставление модели с экспериментом при больших влажностях, когда значительная часть воды находится в свободном состоянии, показало, что лучшее согласие наблюдается при значениях
параметра, близких к единице. Получены следующие оптимальные значения: а = 0,98 при
W = 0,25 см3/см3 и а = 1 при W = 0,4 см3/см3. В предположении о линейной зависимости
параметра а от влажности получаем: а = 0,12W + 0,95.
В почвоведении принято связанную воду разделять на прочносвязанную и рыхлосвязанную. Проведенные нами измерения КДП нескольких образцов почв с различным содержанием гумуса и глины (табл. 1) показали, что на зависимостях ε(W) (рис. 2) можно выделить три участка, соответствующие трем формам почвенной влаги: прочносвязанной,
максимальное значение которой Wt1 = 0,08; рыхлосвязанной, значение которой лежит в
диапазоне Wt1 < W < Wt2, где Wt2 = 0,19, и свободной при W > Wt2. На рис. 2 приведены
также результаты расчетов по модели смеси (1), включающей пять компонент: воздух,
твердые частицы, прочносвязанную, рыхлосвязанную и свободную воду. В этой модели
диэлектрическая проницаемость твердых частиц принимается равной εТ = 4,7 + j0,02, а диэлектрическая проницаемость свободной воды определяется по модели Дебая. Это позволяет надеяться на то, что параметры прочно- и рыхлосвязанной воды также близки к реальным.
334
Т.А. БЕЛЯЕВА, А.П. БОБРОВ, П.П. БОБРОВ, О.А. ИВЧЕНКО, С.В. КРИВАЛЬЦЕВИЧ, В.Н. МАНДРЫГИНА
25
6
ε'
ε ''
5
20
1
2
1
4
2
15
3
10
2
5
1
Wt2
Wt1
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
Wt1
0
0
W, см3/см3
0,1
Wt2
0,2
0,3
3
0,4
0,5
3
W, см /см
Рис. 2. Зависимость КДП образца 2 от влажности на частоте 2,4 ГГц: 1 — экспериментальные данные,
2 — модель
В табл. 1 представлены также средние значения переходных точек, определенные на
пяти частотах в диапазоне 0,5–10 ГГц, средние значения действительной (ε') и мнимой (ε")
частей КДП прочно- и рыхлосвязанной воды. Погрешность определения КДП этих форм
почвенной влаги составляет 20–25 %, что затрудняет определение ее частотной зависимости.
Таблица 1. Гранулометрический состав и диэлектрические параметры связанной воды
исследованных образцов
КДП
Образец
Содержание
физ. глины,
%
Содержание гумуса, %
Wt1,
см3/см3
Wt2,
см3/см3
1
2
3
34,8
30,5
24,3
0,6
6,6
10
0,03
0,08
0,11
0,12
0,19
0,25
прочносвязанная
вода
ε'
ε"
16
7,4
14
4,4
11
3,6
рыхлосвязанная
вода
ε'
ε"
24
11,5
30
13,8
22
10,3
В ранее опубликованных работах уже было отмечено, что наличие гумуса в почве
увеличивает долю связанной влаги [8]. На основании представленных выше результатов
мы можем записать условия регрессии уже для двух переходных влажностей, выраженных
в массовых долях:
Wt1 = А1C + В1H;
Wt2 = А2C + В2H,
(2)
где C и H – это объемные доли глины и гумуса, соответственно, А1 = 0,06, В1 = 0,79,
А2 = 0,26, В2 = 1,21 – численные коэффициенты.
В табл. 2 приведено сравнение экспериментальных значений переходных влажностей
со значениями, определенными по формуле (2).
Из приведенных данных видно, что содержание гумуса в большей степени влияет на
увеличение количества связанной воды, чем такое же содержание глины (коэффициенты A1
и A2 меньше, чем В1 и B2), причем на количество прочносвязанной воды гумус влияет особенно сильно.
ВЛИЯНИЕ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА, ГУМУСА И ЗОЛЬНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ…
335
Таблица 2. Сравнение экспериментальных и рассчитанных по формуле (2) значений
переходных влажностей для образцов с различным содержанием гумуса
Образец
1
2
3
Wt1, г/г
эксперимент
0,033
0,081
0,110
Wt1, г/г
расчет
0,033
0,075
0,114
Wt2, г/г
эксперимент
0,123
0,192
0,252
Wt2, г/г
расчет
0,124
0,175
0,264
Исследование диэлектрической проницаемости почв, загрязненных зольными выбросами, показало, что зола также увеличивает долю связанной воды в почвогрунтах, бедных
гумусом, и уменьшает диэлектрическую проницаемость при средних и высоких влажностях (рис. 3). В богатых гумусом почвах влияние зольных примесей ослаблено.
ε'
Рис. 3. Зависимость действительной части КДП от
объемной влажности на
частоте 4,5 ГГц: 1 — промытый песок; 2 — песок и
зола (10%)
С целью разработки методики дистанционного выявления загрязненных почв нами
проведены исследования сезонно-суточной динамики радиояркостной температуры на
длинах волн λ = 3,6 см и λ = 11 см. Объектом исследования служили два участка песчаного
грунта размером примерно 1,4×1,4 м2, один из которых был загрязнен золой из фильтра
ТЭЦ в количестве около 10 % по массе. В процессе проведения измерений радиояркостной
температуры Тя участков одновременно производились измерения термодинамической
температуры на глубинах 0,5 и 1,5 см и периодические (два-три раза в сутки) измерения
влажности и плотности верхних слоев 0–1, 1–2 и 2–3 см термостатно-весовым способом.
Всего проведено шесть циклов измерений, начинавшихся после искусственного увлажнения участков путем орошения поверхности и заканчивающихся при достижении влажности
верхнего слоя менее 0,03 г/см3.
При обработке данных эксперимента построена зависимость коэффициента излучения χ = Тя/Т, где Т — термодинамическая температура верхнего слоя толщиной 1 см, от
объемной влажности грунта в этом слое. Для ее построения использовались значения коэффициента χ, определенные для моментов времени, близких ко времени отбора проб на
влажность. На рис. 4 приведена такая зависимость для длины волны 3,6 см. Видно, что при
одних и тех же значениях влажности коэффициент излучения загрязненного участка всегда
выше, что соответствует связи коэффициента излучения гладкой поверхности с комплексной диэлектрической проницаемостью. Разброс экспериментальных точек объясняется тем,
что на графике приведены данные, полученные в разных экспериментальных циклах, проводимых при разных метеорологических условиях, когда градиенты влажности в пределах
слоя 0–1 см были различными. При контактных же измерениях определялось только среднее значение влажности в этом слое.
336
Т.А. БЕЛЯЕВА, А.П. БОБРОВ, П.П. БОБРОВ, О.А. ИВЧЕНКО, С.В. КРИВАЛЬЦЕВИЧ, В.Н. МАНДРЫГИНА
0,9
χ
1
2
0,8
0,7
0,6
0,00
0,05
0,10
3
3
W, см /см
0,15
0,20
Рис. 4. Зависимость коэффициента излучения участков песчаного грунта от объемной влажности в слое 0–1 см на длине
волны 3,6 см: 1 — загрязненный
участок; 2 — незагрязненный
участок
В трех циклах, начинавшихся при интенсивном орошении поверхности участков, измерения радиояркостной температуры производились с интервалом 1–2 мин. Это позволило выявить эффекты, связанные с проникновением воды в нижележащие слои. На рис. 5
приведены результаты эксперимента, начавшегося в момент исчезновения поверхностной
воды. На длине волны λ = 3,6 см толщина слоя, вносящего основной вклад в излучение, при
высокой влажности не превышает 0,5 см, поэтому при стекании гравитационной воды в
глубь грунта влажность этого слоя уменьшается, а радиояркостная температура возрастает.
Как следует из данных, приведенных на рис. 5а, б, инфильтрация в чистом песке выше, чем
в загрязненном. За 20 мин наблюдения радиояркостная температура в чистом песке изменилась на 12 К, тогда как в загрязненном — на 6 К, что соответствует изменению влажности зондируемого слоя примерно на 0,031 г/см3 в первом случае и на 0,018 г/см3 во втором.
Дальнейшее возрастание радиояркостной температуры происходит медленнее, при
этом заметный вклад в изменение влагосодержания вносит испарение с поверхностности
грунта. Это следует из сравнения данных, приведенных на рис. 5а и полученных в эксперименте, начавшемся 14 июня 2003 г. в 18:00 летнего времени, и данных, приведенных на
рис. 5б, полученных в эксперименте, начавшемся 21 июня 2003 г. в 14:00, когда испарение
значительно выше, поэтому и рост радиояркостной температуры во втором эксперименте
выше. Результаты данного эксперимента свидетельствуют о том, что внесение зольных
примесей, во-первых, уменьшает коэффициент фильтрации зольного грунта, во-вторых,
увеличивается водоудерживающая способность.
Характер изменения радиояркостной температуры на λ = 11 см (рис. 5в, г) представляется более сложным. Это связано с тем, что на этой длине волны слой, вносящий основной вклад в излучение, имеет толщину порядка 1,5 см. В процессе движения воды происходит ее перераспределение в пределах зондируемого слоя и понижение температуры слоя,
связанное с перемещением поливной воды, имеющей более низкую температуру. Из-за этого уменьшается и радиояркостная температура. Таким образом, характер изменения радиояркостной температуры на λ = 11 см в процессе стекания гравитационной воды не позволяет однозначно различать участки с различной степенью загрязнения.
Измерения радиояркостной температуры и влажности верхних слоев грунта продолжались и в последующие дни. Как следует из данных прямых измерений, влажность верхнего слоя 0–1 см загрязненного участка на всех стадиях испарения была выше, что не всегда проявлялось в меньших значениях радиояркостной температуры (рис. 6). На начальных
стадиях испарения (22 июня после предшествующего полива и во второй половине дня
23 июня сразу после дождя) радиояркостная температура загрязненного участка была выше, чем у незагрязненного, причем различие более заметно на длине волны λ = 11 см. Это
ВЛИЯНИЕ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА, ГУМУСА И ЗОЛЬНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ…
337
объясняется различным количеством воды в связанном состоянии и соответствующими
различиями в коэффициенте излучения (см. рис. 3, 4). Интенсивность испарения на последующих стадиях (23 и 24 июня в середине дня), отражаемая в большей скорости возрастания радиояркостной температуры, всегда (во всех шести циклах) была выше с незагрязненного участка. Это различие в испарении хорошо проявляется на длинах волн 3,6 и 11 см.
T я, К
T я, К
Время, ч:мин
Время, ч:мин
а
б
T я, К
T я, К
Время, ч:мин
в
Время, ч:мин
г
Рис. 5. Изменение радиояркостной температуры на длинах волн 3,6 см (а, б) и 11 см (в, г) в процессе стекания гравитационной влаги в нижние слои при начальном увлажнении слоем воды 15 мм (а, в) и 25 мм
(б, г): 1 — загрязненный участок; 2 — незагрязненный участок
Таким образом, проведенные нами исследования диэлектрических характеристик
почв показали, гумус и зольные загрязнения увеличивают количество связанной воды в
почвах. В почвах, богатых гумусом, на зависимостях ε(W) можно выделить три участка,
соответствующих прочносвязанной, рыхлосвязанной и свободной воде, и определить переходные точки. Выявлено, что загрязнение песчаного грунта зольными выбросами ТЭЦ
приводит также к уменьшению коэффициента фильтрации, увеличению водоудерживающей способности и уменьшению испарения. Различия в скорости стекания гравитационной
влаги хорошо отражаются в изменении радиояркостной температуры на длине волны
λ = 3,6 см, а различия в испарении одинаково хорошо — на длинах волн λ = 3,6 и λ = 11 см.
338
Т.А. БЕЛЯЕВА, А.П. БОБРОВ, П.П. БОБРОВ, О.А. ИВЧЕНКО, С.В. КРИВАЛЬЦЕВИЧ, В.Н. МАНДРЫГИНА
Т я, К
290
260
1
2
230
200
170
140
21.06.03
0:00
21.06.03
12:00
22.06.03
0:00
22.06.03
12:00
23.06.03
0:00
23.06.03
12:00
24.06.03
0:00
24.06.03
12:00
25.06.03
0:00
Дата, время
Рис. 6. Динамика радиояркостной температуры на длине волны 3,6 см в процессе испарения: 1 — загрязненный участок; 2 — незагрязненный участок
Авторы выражают благодарность А.М. Глобусу за предоставленные образцы почв с
высоким содержанием гумуса.
Литература
1. Емец Ю.П. Дисперсия диэлектрической проницаемости двухкомпонентных сред
// ЖЭТФ. 2002. Т. 121. Вып. 6. С. 1339–1351.
2. Лещанский Ю.И., Дробышев А.И. Электрические параметры песчано-глинистых
грунтов в диапазоне УКВ и СВЧ в зависимости от влажности и температуры // Пробл. распространения и дифракции электромагнит. волн. М.: МФТИ, 1995. С. 4–28.
3. Birchak J.R., Gardner G.G., Hipp J.E., Victor J.M. High dielectric constant microwave
probes for sensing soil moisture // Proc. IEEE. 1974. V. 62. P. 93–98.
4. Wang J.R., Schmugge T.J. An Empirical Model for the Complex Dielectric Permittivity
of Soils as a Function of Water Content // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 1980.
V. GE-18. N 4. P. 288–295.
5. Сологубова Т.А., Эткин В.С. К вопросу об учете свойств связанной влаги при дистанционном определении влажности почвы // Исслед. Земли из космоса. 1985. № 4.
С. 112-115.
6. Dobson M.C., Ulaby F.T., Hallikainen M., El-Rayes M.A. Microwave Dielectric Behavior of Wet Soil. Part II: Dielectric Mixing Models // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 1985. V. GE-23. N 1. P. 35–45.
7. Комаров С.А., Миронов В.Л. Микроволновое зондирование почв. Новосибирск: Научно-изд. центр СО РАН, 2000. 289 с.
8. Беляева Т.А., Бобров А.П., Бобров П.П., Галеев О.В., Мандрыгина В.Н. Определение
параметров моделей диэлектрической проницаемости почв с различной плотностью и различным содержанием гумуса по данным экспериментальных измерений в частотном диапазоне 0,1–20 ГГц // Исслед. Земли из космоса. 2003. № 5. С. 28–34.
9. Sachs S.B., Spiegler K.S. Radiofrequency measurements of a porous conductive plugs,
Ion-exchange resin-solution systems // J. Phys. Chem. 1964. V. 68. P. 1214–1222.
ВЛИЯНИЕ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА, ГУМУСА И ЗОЛЬНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ…
339