Метод сканирующих характеристик измерения влажности почвы прибором TDR TRIME-FM3

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 631.4: 004

Метод сканирующих характеристик измерения влажности почвы прибором TDR TRIME-FM3

О.С. Ермолаева, аспирантка,

А.М. Зейлигер, д-р биол. наук, проф.,

ФГОУ ВПО "Московский государственный университет природообустройства", г. Москва, Россия

Введение

Измерение и моделирование пространственного распределения влажности почв, включая и вертикальное, является одним из необходимых элементов различного рода прикладных экологических и инженерных исследований. В настоящее время, среди известных методов измерения влажности почвы особое место занимает технология временной рефлектометрии (Time Domain Reflectometry - TDR) [1, 2], позволяющая оперативно и без существенных затрат времени и средств получать требуемую информацию. Одним из устройств, основанных на такой технологии, является прибор скважинного типа TRIME-FM3, производимый компанией IMKO.

По информации производителя устройство TRIME-FM3 позволяет измерять влажность в геометрическом объеме почвы, представляющем цилиндр с основанием в виде эллипса с большим диаметром порядка 20 см м и высотой 14…18 см. С одной стороны, такие размеры объема измерения позволяют получить достаточно представительные значения измеряемой влажности почвы. С другой - относительно большой вертикальный размер этой зоны не позволяет использовать это устройство для детального мониторинга вертикального распределения в задачах, где требуется более высокое вертикальное разрешение.

Измерительное устройство TRIME FM3 использовалось в рамках проекта INTAS Food 2000-436 при исследовании преференциального движения воды, проводившегося на орошаемых участках Марксовского района Саратовской области. Полученные экспериментальные данные использовались для моделирования переноса влаги по почвенному профилю. При этом было показано, что для верификации модели преференциального водного потока требуются данные профильного распределения влагозапасов с разрешением большим, чем это позволяет получить непосредственно измерительный зонд. Для получения таких данных из экспериментально измеренных был предложен метод сканирования почвенного профиля, состоящий в последовательном измерении влажности с помощью зонда перекрывающихся измеряемых слоев при его вертикальном перемещении по почвенному профилю. влажность почва скважинный зонд

Эксперимент по измерению влажности почвы с помощью TDR TRIME FM скважинного типа на искусственном монолите

Экспериментальные данные измерения влажности почвы с помощью зонда прибора TRIME-FM3, формирующие некоторую экспериментальную характеристику, называемую далее "измеренная характеристика сканирования" влажности почвенного профиля, были получены на подготовленном в специальной емкости (с горизонтальными измерениями 8080 см и высотой 90 см) монолите, представляющим собой вертикальную череду, 19 равномерно увлажненных в горизонтальных направлениях слоев мощностью 5 см каждый, создающих ступенчатый неравномерный профиль влажности в вертикальном направлении. Для закладки этого монолита использовался почвенный материал из верхних агрегированных слоев темно-каштановой почвы участка проведения экспериментов. Боковые грани монолита, а также границы между слоями были изолированы тонкой водонепроницаемой пленкой. В центре монолита была вертикально установлена пластиковая обсадная труба, используемая для перемещения зонда. Для предотвращения формирования в толще монолита воздушных полостей, почвенный материал был подвергнут предварительной обработке (выбор корней и измельчение больших почвенных комков). Затем почву укладывали в монолит небольшими слоями (1 см), уплотняя и доводя до запланированных значений влажности (диапазон 0,08…0,30 г/г) и плотности (в диапазоне 1,1…1,38 г/гсм ³).

По окончании формирования монолита, были проведены серии сканирующих измерений объемной влажности этого монолита, одна из которых показана на рисунке. Измерения проводились от основания монолита, по направлению к его поверхности с шагом равным 1 см. Сканирующие измерения проводились несколько раз в течение 3-х дней в четырех различных горизонтальных направлениях. В целом, полученные при этом сканирующие характеристики, практически совпадали друг с другом, что говорило о стабильности работы измерительного прибора, а также отсутствии испарения и перетока между слоями почвенного монолита.

После проведения измерений почвенный монолит был разобран и из каждого созданного слоя были отобраны образцы на определение плотности и влажности термостатно-весовым методом.

Моделирование измерения распределения влажности почвы TDR TRIME-FM

Модель, имитирующая интегрирование объемной влажности измерительным зондом в измеряемом объеме почвы, использует гипотезу линейного осреднения содержания влаги в слоях, образующих этот объем, формализованную в виде следующего уравнения:

, (1)

где - объемная влажность почвенных микрослоев, заключенных между отметками h₁, h₂; h₁, h₂ - отметки положения верха и низа измерительной части зонда в почвенном профиле.

Для случая формирования пространства, в котором измеряется содержание влаги в виде ряда макродискретных слоев, интегральное уравнение (2) представляется следующим уравнением аддитивности, позволяющим рассчитать так называемую "рассчитанную характеристику сканирования" влажности почвенного профиля:

, (2)

где - макрослой; N - число слоев.

Экспериментально измеренные значения объемной влажности макроскопических слоев почвенного монолита, полученные в результате разборки почвенного монолита, показанные на рисунке, а также размер активной и пассивной зоны зонда использовались в качестве входных данных разработанного в соответствии с (2) методом вычислений. Результаты проведенных расчетов для значений пассивной зоны зонда равной 0 см и активной зоны, равной 15 см, показаны на рисунке.

Сопоставление приведенных на рисунке "измеренной характеристики сканирования" и "рассчитанной характеристики сканирования" влажности почвенного профиля подтверждают адекватность применения модели (2) для имитируемого случая. Приведенные там же созданный профиль влажности подтверждает необходимость увеличения разрешающей способности для получения объективных значений влажности.

Заключение

В результате проведенных на искусственном почвенном монолите исследований показана применимость модели осреднения макрослоев.

Рис. Экспериментальные данные измерений влажности, полученные на почвенном монолите

Библиографический список

1. Topp G.C., Davis J.L. and Annan A.P., "Electromagnetic determination of soil water content: Measurements in coaxial transmission lines", Water Resour. Res, Vol. 16 (1980), pp 574-582.

2. Topp G.C., Yanuka M, Zebchuk W.D. and Zegelin S.J., "Determination of electrical conductivity using time domain reflectometry: Soil and water experiments in coaxial lines", Water Resour. Res, Vol. 24 (1988), pp 945-952.

Размещено на Allbest.ru