Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Диэлектрические свойства сухих и жидких смесей 10
Введение 10
1.1. Основы теории диэлектриков 10
1.2. Диэлектрические модели смесей 15
1.3. Диэлектрические характеристики почв 29
1.4. Характеристики связанной и свободной влаги... 30
1.4.1. Влияние примесей на кдп почв 37
1.5. Методы измерения диэлектрической проницаемости веществ на СВЧ 41
1.6. Выводыипостановка задачи. 51
Глава II. Методика и техника эксперимента 53
Введение 53
2.1. Описание лабораторных установок и методов измерения диэлектрической проницаемости почв 54
2.2. Расчетпогрешностей измерений 65
2.3. Физические характеристики исследуемых образцов и их подготовка к измерениям 68
Глава III. Диэлектрическая проницаемость почв с различным содержанием гумуса и анализ моделей диэлектрической проницаемости почв 71
Введение 72
3.1. Влияние органического вещества (гумуса) на комплексную диэлектрическую проницаемость почв 73
3.2. Анализ применимости некоторых диэлектрических моделей для вычисления диэлектрической проницаемости почвенной смеси 79
3.3. Учет плотности исследуемых образцов в линейной диэлектрической и рефракционной моделях 83
3.4. Параметры модели дебая связанной воды у рассчитанные по данным линейной диэлектрической и рефракционной моделей. 94
3.5. Оценка диэлектрической проницаемости прочно- и рыхлосвязанной воды. 99
Выводы 103
Глава IV. Влияние загрязнений на диэлектрическую проницаемость почв 105
Введение 106
4.1. Анализ влияния гидрофильного вещества (золы) на комплексную диэлектрическую проницаемость почв 107
4.2. Анализ влияния гидрофобных веществ на кдп почв 116
Выводы 123
Заключение 125
Список литературы 127
Приложение 140
- Методы измерения диэлектрической проницаемости веществ на СВЧ
- Описание лабораторных установок и методов измерения диэлектрической проницаемости почв
- Учет плотности исследуемых образцов в линейной диэлектрической и рефракционной моделях
- Анализ влияния гидрофильного вещества (золы) на комплексную диэлектрическую проницаемость почв
Введение к работе
Актуальность
Загрязнение почвы и ее дегумификация представляют собой серьезную проблему экологии. В настоящее время фактически не осталось участков суши, не подверженных воздействию сельскохозяйственного и промышленного производства. Это зачастую приводит к гибельным для экосистем последствиям на громадных территориях. В результате нерационального землепользования почвы, особенно черноземные, быстро теряют свои ценные качества.
При механической обработке почв, проводимой с нарушением технологии, за счет механического разрушения и распыления макроагрегатов пахотных почв снижается водопроницаемость и эрозиозная устойчивость черноземов, уменьшается содержание гумуса. Исследования [51, 73, 110] показывают статистически достоверное уплотнение пахотных и подпахотных горизонтов черноземов, деградацию их структуры с резким снижением содержания агрономически ценных и водопрочных агрегатов. Большая часть пахотных угодий России имеют отрицательный баланс гумуса. Ежегодно содержание гумуса в пахотных почвах уменьшается на 0,01 - 0,05 %.
При снеготаянии и орошении могут возникать нежелательные явления -поверхностный сток и преувлажнение почвы, что может приводить к засолению почв и снижению урожайности. Анализ состояния почвенного покрова показал, что 1/3 площади орошаемых земель составляют засоленные и засолено-солонцовые почвы.
Загрязнение промышленными выбросами отрицательно влияет на био- и гидросферу. В известной нам литературе не приводится данных о влиянии зольных выбросов ТЭЦ на диэлектрическую проницаемость почв. При нефтедобыче или повреждении нефтепроводов нередки случаи загрязнения поверхностей почв нефтепродуктами, что приводит к деградации значительной площади лесных и плодородных сельскохозяйственных земель. Периодический контроль за состоянием таких почв позволит, по крайне мере, отслеживать скорость этих процессов.
До недавнего времени учет и оценка степени деградации почв производилась путем наземного картографирования и отбора образцов. Это очень сложная и дорогостоящая работа. Поскольку активность и направленность процессов деградации и загрязнения может меняться со временем в зависимости от антропогенных и природных факторов, необходим оперативный многократный контроль за состоянием почв. Наземные методы контроля не обеспечивают необходимый обхват больших территорий. Эта задача может быть решена только с применением дистанционных методов, в первую очередь с применением электромагнитных волн микроволнового диапазона, поскольку в формировании излученной и отраженной волн этого диапазона основную роль играет сравнительно тонкий поверхностный, но достаточно представительный почвенный слой. Современный уровень развития техники позволяет проводить ежесуточную съемку участков Земли с помощью радиометров, радиолокаторов, оптических сканеров, размещенных на космических аппаратах и самолетах. Однако для правильной интерпретации получаемой информации необходимы данные о комплексной диэлектрической проницаемости (КДП) почв, от которой зависит коэффициент собственного радиотеплового излучения, измеряемого микроволновым радиометрическим методом, и обратное рассеяние радарного сигнала. В свою очередь КДП почвы зависит от многих параметров: влажности, гранулометрического состава, температуры, степени загрязненности и т.д. Учет тех или иных параметров позволяет получить с разной степенью точности полезную информацию о состоянии поверхностного слоя почвы. Однако в литературе данные о влиянии основных типов загрязнений и содержания гумуса на КДП почв практически отсутствуют.
В качестве объектов исследования были выбраны чистые (незагрязненные) почвы с различным содержанием гумуса и такие же почвы, загрязненные гидрофильными и гидрофобными веществами (зольные выбросы ТЭЦ и нефтепродукты).
Целью исследования являлось измерение диэлектрической проницаемости (ДП) загрязненных и чистых почв в зависимости от влажности и частоты; анализ диэлектрических моделей влажных почв, определение параметров моде-
6 лей и зависимости этих параметров от содержания гумуса и загрязнений различных типов.
Задачи, решенные в процессе работы: измерены диэлько-влажностные зависимости чистых и загрязненных почв с различным содержанием гумуса на частотах в диапазоне ОД - 16 ГГц; с использованием полученных экспериментальных данных проведен анализ различных диэлектрических моделей, определены параметры этих моделей для разных типов почв; исследованы диэлектрические свойства связанной воды и найдено ее максимальное количество в различных почвах; определены спектроскопические свойства связанной воды в рамках различных диэлектрических моделей почв.
Научная новизна результатов, полученных в диссертационном исследовании, заключается в следующем: впервые в широком частотном диапазоне исследовано влияние гумуса на диэлектрическую проницаемость влажных почв; впервые исследовано влияние некоторых гидрофобных и гидрофильных загрязнений на диэлектрическую проницаемость почв; определены диэлектрические свойства связанной воды в частотном диапазоне ОД - 16 ГГц, что позволило найти параметры релаксационной модели Дебая для связанной воды в разных типах почв.
Положения, выносимые на защиту:
Диэлько-влажностные зависимости почв с различным содержанием гумуса и некоторых типов загрязнителей.
Установлено влияние гумуса на диэлектрические свойства влажных почв, на диэлектрическую проницаемость связанной воды и на ее максимальное количество в различных типах почв. Увеличение содержания гумуса в почве приводит к увеличению максимального количества связанной влаги, уменьшает ДП связанной влаги и, вследствие этого, при- водит к понижению значений общей КДП почвы при больших и средних влажностях.
Установлено влияние гидрофильных загрязнителей на диэлектрическую проницаемость почв. Загрязнение зольными выбросами ТЭЦ приводит к увеличению максимального количества связанной влаги за счет увеличения удельной поверхности. Влияние загрязнителей на ДП почвы тем меньше, чем больше в почве гумуса.
Загрязнение нефтепродуктами (гидрофобными жидкостями) не приводит к значительным изменениям максимального количества связанной влаги в почве, однако, при больших и средних влажностях КДП загрязненной почвы немного ниже, чем у незагрязненной почвы, за счет низкого значения ДП нефтепродуктов. Влияние данного типа загрязнителя ослабляется в почвах, богатых гумусом.
Практическая ценность работы
Результаты исследования позволяют моделировать диэлько-влажностные зависимости в микроволновом диапазоне для любых типов почв, если известен их гранулометрический состав и содержание гумуса.
Полученные результаты исследования являются существенным дополнением базы данных электрофизических параметров почв, в части дополнения набора характеристик, описывающих почву и существенно влияющих на ДП почвы. Эти данные могут быть использованы в моделях излучения и обратного рассеяния при решении задач дистанционного зондирования.
Достоверность полученных результатов определяется: согласием экспериментальных данных с расчетными; согласием ряда экспериментальных данных с данными, полученными другими исследователями; - тщательным анализом погрешностей измерений. Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 111 наименований и приложения, содержащего полученные в ходе исследования экспериментальные данные и некоторые расчетные величины. Объем диссертации составляет 139 страниц, включая 42 рисунка и 13 таблиц; объем приложения составляет 26 страниц. Основное содержание работы
Первая глава диссертации посвящена обзору литературы по диэлектрическим свойствам сухих и жидких смесей. Приведен широкий обзор существующих формул диэлектрических смесей и условия (границы) их применимости, данные об особенностях физических и диэлектрических свойств связанной влаги, которые существенно отличаются от свойств свободной воды, описываемых уравнениями Дебая. Здесь же отмечены известные данные о влиянии на КДП почвы солей, гумуса и нефтяных загрязнений.
Во второй главе описываются лабораторные установки для измерения ДП почв. Приводится расчет погрешностей измерения и технология изготовления исследуемых образцов.
В третьей главе приведены результаты измерений диэлектрической проницаемости почв с разным содержанием гумуса, а также результаты расчета ДП связанной и свободной воды по некоторым диэлектрическим моделям с учетом разной плотности сложения почвенного образца. На основе полученных данных приведены расчеты параметров релаксационной модели Дебая (а, т, є0 -проводимость, время релаксации и статическая диэлектрическая проницаемость, соответственно) связанной и свободной воды. Рассматривается вариант диэлектрической модели, основанный на вычисленных по модели Бруггемана -Ханаи значениях е сухой почвы отдельно для каждого типа почвы. В этой главе также представлена диэлектрическая модель, позволяющая рассчитать значения КДП и максимальное количество прочно- и рыхлосвязанной влаги в почве..
В четвертой главе дан анализ результатов исследований КДП почвенных образцов, загрязненных гидрофильными и гидрофобными веществами. Как следует из результатов проведенных исследований, оба вида загрязнений понижают значение ДП почвы, что делает возможным их отслеживание диэлектрическими методами.
В заключении сформулированы основные результаты, полученные в работе, и сделаны выводы.
Апробация работы
Основные результаты работы, составляющих содержание диссертации, обсуждались на конференциях всероссийского и международного уровня, таких как: XX Всероссийская научная конференция "Распространение радиоволн" (ННовгород, 2002), Девятая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (Красноярск, 2003), Всероссийская научная конференция «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике» (Муром, 2003), Всероссийская конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из Космоса» (Москва, 2003), Десятая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (Москва, 2004), International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS'04) (Alyaska, 2004), а также на научных семинарах совместной лаборатории микроволновой радиометрии Земли Омі "НУ и КНЦ СО РАН.
Полученные данные диэлектрической проницаемости почв использовались в исследованиях излучательных характеристик почв, проводимых совместной лаборатории микроволновой радиометрии Земли ОмГПУ и КНЦ СО РАН.
Публикации: по теме диссертации опубликовано 10 работ.
Методы измерения диэлектрической проницаемости веществ на СВЧ
Вода оказывает решающее влияние на физические, физико-химические и механические свойства почв. С изменением содержания воды в почвах изменяются их прочность, пластичность, текучесть, а также распределение пор по размерам и ряд других функциональных свойств почв [58].
Вся вода в почве характеризуется несколькими параметрами [92]. Основным, является весовая влажность почвы, которая определяется отношением разности массы образца почвы до и после его высушивания при температуре 105С - 110С до состояния абсолютно сухой почвы, к массе абсолютно сухого образца почвы, и выражается в долях или в процентах. Объемная влажность почвы также выражается в долях или процентах, но представляет собой объем воды в единичном объеме почвы. Между весовой и объемной влажностью есть взаимосвязь: Vo6 = VBec р, где р - плотность почвы в естественном сложении.
Ещё одним параметром является влагоемкость, которая отражает способность почвы поглощать и удерживать определенное количество влаги [94]. Различают следующие виды влагоемкости: максимальная, адсорбционная влагоемкость - это наибольшее количество прочносвязанной воды, удерживаемой силами адсорбции; максимальная гигроскопичность - это наибольшее количество влаги, которое почва может сорбировать из воздуха, почти насыщенного водяным паром (а 94%); влажность устойчивого завядания (ВУЗ) - это влажность, при которой растения начинают обнаруживать признаки завядания, не исчезающие при перемещении растений в атмосферу, насыщенную водяными парами; наименьшая (или полевая) влагоемкость - это максимальное количество капиллярно подвешенной влаги (влаги, удерживаемой капиллярными силами), то есть, это максимальное количество воды, фактически удерживаемое почвой в природных условиях в состоянии равновесия, когда устранено испарение и дополнительный приток воды; полная влагоемкость почвы показывает какое наибольшее количество воды может находиться в почве при заполнении всех ее пор. В процентном отношении вышеперечисленные влагоемкости составляют, соответственно: наименьшая влагоемкость около 70%, ВУЗ - около 32%, а максимальная, адсорбционная влагоемкость - около 18% от полной влагоемкости [94]. Для определения влажности используются весовой, электромагнитный и ядерный методы. Несмотря на большую трудоемкость и громоздкость первый метод применяется чаще других, поскольку является единственным прямым методом определения влажности почвы [58].
Возрастание КДП почвы при увеличении влажности W происходит за счет высокой диэлектрической проницаемости воды. Учитывая такое влияние воды на ДП почвы, можно предположить, что неопределенность в значениях є воды играет значительную роль при расчете погрешностей ДП почв. В работе Митника Л.М. [87] был проанализирован ряд экспериментальных данных для пресной и соленой воды, полученных при радиометрических и диэлектрических измерениях в широком температурном (-30 - +30)С и частотном (0,5 - 200 ГГц) интервалах. Анализ вышеуказанных данных и ряда работ позволил установить значения относительной погрешности измерения действительной и мнимой частей ДП соленой и пресной воды для некоторых частотных интервалов.
В существующих классификациях почвенной влаги выделяется два основных положения: 1) свойства воды в грунтах различны при отрицательных и положительных температурах; 2) вода в грунтах подразделяется на связанную и свободную [53, 64, 92]. Классификация Роде [94], в основном, совпадает с классификацией, представленной в работе [92]. Злочевской Р.И. в [64] приводится классификация типов воды в грунтах, которая основывается на энергетическом подходе с учетом последовательности осуществления различных механизмов при образовании форм влаги в почвах. Вышеперечисленные авторы [64, 92, 94] выделяют три основных формы воды в почвенном образце: прочносвязанная, рыхлосвязанная (слабосвязанная) и свободная, отличие которых друг от друга объясняется влиянием действующих на них сил разной природы. Автор работы [70] предполагает, что формирование поверхностных пленок воды и слоев воды вблизи поверхности твердой фазы почвы обусловлено тремя физико-химическими процессами: адсорбцией, «поверхностным осмосом» и капиллярным впитыванием.
Если диэлектрические свойства свободной воды изучены относительно хорошо, то данные по связанной воде часто неопределенны и порой даже противоречивы. Предполагается, что прочносвязанная вода образует на поверхности почвенных частиц тонкую пленку в 2-3 молекулы, имеет искаженную структуру и удерживается молекулярными и электрическими силами [92]. Она не способна к перемещению в почве без нагревания или уплотнения породы вследствиє повышенной молекулярной вязкости и имеет низкую температуру замерзания [64, 70, 71, 94]. Низкая температура замерзания связанной воды объясняется влиянием поверхностных сил гранул и, обусловленным этими силами, большим внутренним давлением [30]. По некоторым данным, температура замерзания связанной воды достигает -110 С, и вследствие этого на поверхности частиц дисперсной среды могут образовываться различные модификации льда [68].
Представленные в литературе данные о величине плотности связанной воды в почвах показывают, что она отличается от плотности свободной воды, хотя эти данные довольно противоречивы. В работе [59] предполагается, что она достигает величин 1,7 - 1,9 г/см . По данным [77] плотность прочносвязанной воды колеблется в пределах значений 1,5 - 1,8 г/см3. Авторы работы [71] считают, что в каолинитовых глинах при малых влажностях, когда вода существует на поверхности частиц в виде отдельных островков, плотность связанной во-ды не превосходит величины 1,1 г/см . При увеличении влажности она умень-шается и, пройдя через минимум (р = 0,94 г/см), возрастает до значения 1,01 г/см . Для монтмориллонитовых глин плотность воды находится в преде-лах 1,1 - 1,25 г/см . Авторы [107] сделали попытку доказать, что при влажностях, при которых не образуется сплошной пленки связанной воды вокруг частиц, понятие плотности вообще теряет физический смысл, а средняя плотность связанной воды, за исключением первого мономолекулярного слоя, не отличается от плотности свободной воды.
Описание лабораторных установок и методов измерения диэлектрической проницаемости почв
Из рассмотренных в главе 1 методов измерений ДП нами выбран амплитудный метод, позволяющий рассчитывать КДП образца через модули коэффициентов отражения и прохождения. Метод обладает большой производительностью при использовании широко панорамных измерителей, так как не требует проведения калибровки на каждой частоте.
Точность данного метода приближается к точности фазовых методов, если при малой длине образца наблюдается интерференция волн, отраженных от границ образца. В данной главе описываются экспериментальные установки, используемые в лабораторном эксперименте для измерения диэлектрических характеристик разных почв в диапазоне частот 0,1-16 ГГц, и методы измерения КДП почв. В диапазоне от 0,1 до 5 ГГц измерения проводились с образцами в коаксиальной линии, на частотах 6,4 - 16 ГГц в прямоугольных волноводах. Также приведен расчет погрешности определения КДП почв, обусловленной в основном погрешностью измерений коэффициентов прохождения и отражения, через которые высчитывается значение є исследуемых образцов. Измерения проводились с образцами почв разного минерального и гранулометрического состава, содержащих различное количество органического вещества (гумуса), гидрофильных загрязнителей (зольные выбросы ТЭЦ) и гидрофобных загрязнителей (сырая нефть и моторное масло). Физические характеристики исследуемых образцов и экспериментальные данные проведенных лабораторных измерений КДП этих образцов приведены в соответствующих таблицах в конце этой главы и в приложении. Лабораторная установка для проведения измерений в данном диапазоне частот состояла из двух измерителей - измерителя модулей коэффициентов передачи и отражения (КСВН) Р2-125/1, работающего в диапазоне частот от 0,01 до 1,5 ГГц, и измерителя КСВН и ослабления панорамного Р2-78 для диапазона частот от 1,25 ГГц до 5 ГГц. Измеритель модулей коэффициентов передачи и отражения Р2-125/1 имеет следующие технические характеристики. Пределы допускаемой погрешности отсчета частоты в ГГц составляют ± (10" / + 0,0156), где / - измеряемая частота. Кратковременная нестабильность частоты за 1 минуту не более 1,4-10"3 ГГц. Пределы допускаемой погрешности измерения КСВН в процентах ±(2+5KCTU), где KCTU - значение измеряемого КСВН. Пределы допускаемой погрешности измерения модуля коэффициента передачи ДАХ, определяются в децибелах по формуле ДАХ = ±(0,5+0,05Ах), где Ах - значение измеряемого модуля коэффициента передачи, дБ. Измеритель КСВН панорамный Р2-78 имел пределы допускаемой погрешности измерения КСВН не более 5 процентов. Пределы допускаемой погрешности измерения ослабления определялись по формуле ААХ = ±(0,05АХ +0,2). Погрешность отсчета частоты не более ±0,2%. Схемы измерительных установок изображены на рис. 2.1 и 2.2. Перед началом измерений проводится калибровка приборов, которая состоит из режимов короткого замыкания и холостого хода. По этим двум данным вычисляется среднее геометрическое значение, которое принимается за значение бесконечно большого КСВН, и при дальнейших измерениях данные калибровки вычитаются из результата измерений. После калибровки сигнала канала КСВН, измеритель переходит к калибровке канала Ах. Для калибровки измерителя на измерение ослабления Ах детекторная головка подключается к выходу генератора, и запоминаются данные этого измерения. При измерении ослабления эти данные принимаются за 0 дБ, и измерение ведётся относительно этого значения. В рабочем режиме можно измерять значения Ах и КСВН как вместе, так и в отдельности. Исследуемые образцы почв помещались в коаксиальную ячейку, изображенную на рис. 2.3. Один край ячейки закрывался опорной шайбой из фторпла-ста-4 или полистирола со значениями ДП 2,1 и 2,5, соответственно. После забивки ячейки образцом второй ее край закрывался тонкой пластинкой из слюды или пенопласта. Ячейка с исследуемым образцом подсоединялась к выходу СВЧ генератора и детектору для одновременного наблюдения КСВН и ослабления. Измерение модулей коэффициентов отражения (или КСВН) и ослабления в частотном диапазоне от 6,4 до 12 ГГц проводились с помощью двух блоков СВЧ ГКЧ 54 и индикатора КСВН и ослабления Я2Р - 67. Измеряемый диапазон разбивался на два участка от 5,6 до 8,3 ГГц и 8,15 - 12,05 ГГц, на каждом из которых работали блоки СВЧ ГКЧ. Предел допускаемой основной погрешности определения частоты и граничных частот полосы качания ГКЧ не превышает ± 0,02 Утах, где /тах - значение максимальной частоты рабочего поддиапазона. Кратковременная нестабильность частоты ГКЧ в нормальных условиях не пре-вышает 1-Ю" /max. Пределы допускаемой погрешности измерения КСВН в диапазоне частот в процентах ±(5+5KCTU) (для KCTU 2), где KCTU - значение измеряемого КСВН. При KCTU 2 погрешность рассчитывается по следующей формуле:
Пределы допускаемой погрешности измерения ослабления в диапазоне частот AL — ±(0,05L +0,5), где L -измеряемое ослабление в дБ.
Работа измерителя основана на принципе рефлектометра - раздельного выделения сигналов, пропорциональных мощности, падающей от генератора и отраженной от нагрузки (при измерении КСВН) или прошедшей через измеряемый объект (при измерении ослабления). В качестве генератора сигнала СВЧ используется ГКЧ - генератор качающейся частоты, генерирующий синусоидальный СВЧ сигнал с относительно медленно меняющейся частотой.
СВЧ сигнал с выхода ГКЧ с помощью коаксиального кабеля подается на вход ответвителя 1. Сигнал, пропорциональный мощности падающей волны, после детектирования в детекторной головке направленного ответвителя поступает на разъем индикатора ПАД. В индикаторе сигнал падающей волны усиливается и подается на разъем автоматической регулировки мощности (АРМ), соединяемый с разъемом АРМ ГКЧ. В ГКЧ сигнал АРМ управляет выходной СВЧ мощностью с помощью электронного аттенюатора так, чтобы во всем диапазоне частот выходная мощность была одинакова.
Учет плотности исследуемых образцов в линейной диэлектрической и рефракционной моделях
Так последовательно определились составляющие общей погрешности, AeR) Дєт, Af, Ає/, обусловленные погрешностью измерения величин R, Т,/и /, соответственно. Общая приборная погрешность определялась из соотношения: Как следует из данных, приведенных в табл. 2.1, погрешность определения значений R, Т и/дают примерно одинаковый вклад в общую погрешность, тогда как погрешность определения длины образца влияет слабее. Такие расчеты были проведены для каждого частотного диапазона, измерения в которых проводились разными приборами, и для трех значений влажности почвы. Итоговые данные приведены в табл. 2.1, из которой видно, что средняя абсолютная погрешность измерения Ає 0,1, а Ає" 0,2. Практика показала, однако, что погрешность измерения диэлектрической проницаемости одного и того же образца на разных частотах в диапазоне 2-3 ГГц значительно выше приборной погрешности. В этом диапазоне, как действительная, так и мнимая части КДП воды (а, следовательно, и почвы) изменяется незначительно. Стандартное отклонение для совокупности данных на разных частотах для одного и того же образца составило около 10% от среднего значения є и около 15% от среднего значения є". Такой разброс данных лишь частично обусловлен погрешностью приборов. Главной причиной возрастания погрешности, на наш взгляд, является неоднородность распределения твердой фазы почвы по объему образца. Поскольку одной из целей диэлектрических измерений является определение ДП связанной и свободной воды, важно оценить так же погрешность получаемых значений. В линейной диэлектрической модели действительная часть ДП связанной воды определяется как e b = tg а + 1, где tga = 2 , а а - угол между линией регрессии участка связанной воды на рис. 2.8; мнимая часть - как є"ь = tg а", где а" - аналогичный угол на графике зависимости e"(W) (здесь не приведен). Для типичной диэлько-влажностной зависимости, приведеной на рис. 2.8, ei=2,7, є2 = 6, Wt = 0,2 см3/см3. Тогда Ае\ = 0,l-e t = 0,3, Ає 2 = 0,1є 2 « 0,6. Подставив эти значения в вышеприведенную формулу (2.17), получаем, что погрешность определения действительной части ДП связанной воды Де ь 3. При определении погрешности Ає"ь полагалось, что Ає"і = 0,3 (среднее значение приборной погрешности при малых влажностях), є"2 = 2 и Де"2 0,15є"2 = 0,3. При Wt = 0,2 см3/см3 получено значение Дє"ь « 2. В почвах с малой удельной поверхностью, где Wt 0,1 см /см , значения погрешностей удваиваются. Поскольку значения действительной части ДП связанной воды находятся в пределах 15 - 30 единиц (табл. 3.3 и 3.4), то относительная погрешность определения этой величиной составляет 15 +- 30%, мнимая часть ДП связанной воды определяется с погрешностью 15 + 50%.
Аналогичным образом оценивается погрешность определения ДП свободной воды. С применением линейной диэлектрической модели относительная погрешность определения действительной части составляет около 15%, мнимой части- 15-30%.
Нужно отметить, что погрешность определения КДП связанной и свободной воды рассчитана для случая двух измерений КДП почв в крайних значениях влажности, соответствующей диапазонам связанной и свободной воды. Проведение измерений еще и при других значениях влажности позволяет уменьшить погрешность приблизительно в 2 раза, если провести измерения в 7-8 точках.
В качестве основных исследуемых образцов были взяты 6 типов почв, имеющих разный гранулометрический, минералогический состав и содержание органических веществ (гумуса). Для определения зависимости ДП образцов от типа и количества загрязнений, были приготовлены смеси вышеуказанных образцов с определенным количеством загрязнителя. Основные физические характеристики образцов приведены в табл. 2.3 и 2.4.
При подготовке к измерениям исследуемый образец почвы тщательно измельчался. Затем сухой однородный образец равномерно увлажнялся и помещался в волноводную секцию таким образом, чтобы в ней не было свободного пространства, заполненного воздухом. Для диапазона 0,1-5 ГГц секция представляла собой коаксиальную ячейку, а для диапазона 6-12 и 12-16 ГГц - прямоугольный волноводный контейнер, который с обеих сторон закрывался тонкими пластинками из диэлектрической слюды (є 7) или пенопласта (є 2), для устранения процессов испарения и нарушения структуры поверхности образца.
Взвешивание ячейки проводится дважды: пустой и с влажным образцом почвы непосредственно перед измерениями.
Измерения образцов проводится спустя некоторое время после заполнения ячеек почвой. Это время необходимо для того, чтобы влага равномерно распределилась по всему объему. Для очень влажных почв достаточно 4-5 часов, тогда как при средней и малой влажности ячейки выдерживаются не менее суток при постоянной температуре.
Принимая во внимание то, что нефть содержит испаряемые легкие фракции, после добавления фиксированного количества нефти в воздушно-сухую почву образцы находились на открытом воздухе в течение 10-15 дней. При расчете приготовления образцов изначально принималось, что испаряется около 35% нефти от общего веса смеси. Окончательное значение массовой доли нефти в образце определялось непосредственно перед измерениями. Увлажнение этих образцов проводилось только после того, как вес почвы с нефтью переставал уменьшаться. Изменение веса строго контролировалось. Минеральное масло испаряется незначительно, и после добавления его в почвенные образцы последние выдерживались в течение 3 - 4-х дней. Увлажненные водой образцы измерялись по истечении не менее 24-х часов, так как ГЖ (гидрофобные жидкости), предположительно, замедляют процесс связывания влаги почвенными частицами.
Анализ влияния гидрофильного вещества (золы) на комплексную диэлектрическую проницаемость почв
Результаты измерений действительной (Б ) И МНИМОЙ (Є") частей КДП образцов IV. 1 (содержание гумуса 0,6%) и V.1 (содержание гумуса 6,6%) при температуре 22±2С на частоте 11,5 ГГц приведены на рисунке 3.9. Там же приведены результаты расчетов по формулам (3.3) и (3.4) при а=1 для фикси-рованных значений плотности р = 1,3 и р = 1,8 г/см , близких к минимальному и максимальному значениям, наблюдаемым в эксперименте. Параметры модели определялись с целью наилучшего приближения к экспериментальным данным методом наименьших квадратов. Плотность твердых частиц принималась равной 2,7 г/см3, диэлектрическая проницаемость єт определялась из формулы (3.2) по измеренным данным КДП сухой почвы с различной ПЛОТНОСТЬЮ образца р И составила в среднем єт = 4,24 + j0,04. Значения КДП, полученные при влажностях, когда заведомо выполняется условие W Wt, использовались для определения еь затем данные, полученные при выполнении условия W Wt, использовались для определения єи и W/. После этого все экспериментальные точки окончательно делились на две группы по значениям влажности Wt Wt р и Wt Wt р, где р - плотность измеряемого образца для каждой измеренной точки, после чего проводилось уточнение параметров модели. Полученные таким образом параметры использовались для получения расчетных диэлько-влажностных зависимостей при фиксированных значениях плотности, приведенных на рис. 3.9.
Такой подход позволяет учесть влияние плотности образца как на диэлектрическую проницаемость сухой почвы, так и на максимальную объемную переходную влажность. При этом значения весовой переходной влажности и диэлектрическая проницаемость связанной воды от плотности образца не зависят.
Плотность образца IV. 1 изменялась в пределах 1,2 - 1,9 г/см3, среднее значение плотности в диапазоне влажностей, когда вода была в связанной форме, составило 1,39 г/см , а при более высоких влажностях - 1,71 г/см . Плотность образца V.1 менялась в пределах 1,2 - 1,5 г/см , при этом средние значения со-ставили 1,28 г/см и 1,49 г/см при низких и высоких значениях влажности, соответственно.
При низкой влажности вода находится в связанной форме, диэлектрическая проницаемость которой меньше, потому наклон регрессионной прямой на этом участке меньше, чем наклон прямой на участке с большей влажностью, где свойства воды ближе к свойствам свободной дистиллированной воды. Из рис. 3.9 видно, что в образце с более высоким содержанием гумуса связанной воды больше (выше объемная перефдная влажность), кроме того, количество связанной воды в единице объема возрастает при увеличении плотности. Видно if также, что, согласно модели, увеличение плотности должно приводить к возрастанию значений є и є" при фиксированной влажности, если эта влажность меньше, чем переходная, и к уменьшению є и є" при влажностях больших, чем переходная.
На рис. 3.10 представлены те же экспериментальные данные, что и на рис. 3.9, но в виде зависимости от влажности комплексного показателя преломления п = 4є=п + ]к, и данные расчетов по модели (3.3 - 3.4) при а — 0,5 для значений плотности р — 1,3 г/см и р = 1,8 г/см . Диэлектрическая проницаемость твердых частиц єт определялась по данным измерений сухой почвы с помощью (3.2), но при а = 0,5. Получено среднее значение вт = 4,8 + j0,l. Параметры модели Єь, єи и W/ определялись, как и ранее, по наилучшему совпадению экспериментально полученных значений показателя преломления с расчетными значениями при плотности, равной плотности измеренного образца.
Из модельных расчетов следует, что в диапазоне значений влажности, не превышающих Wt, увеличение плотности почвы должно приводить к увеличению п, а при наличии в образце свободной воды влияние плотности существенно меньше. Увеличение плотности приводит к небольшому увеличению п лишь на высоких частотах и для образцов с малой величиной W/. К сожалению,
влияние плотности на величины є и 4є, предсказываемое моделями, сопоставимо с погрешностью измерений. Уверенно выявляется лишь влияние плотности на действительную часть диэлектрической проницаемости в области значений влажности, меньших, чем W/. При этом модель при а=Ю,5 дает лучшее согласие с экспериментом.
В целом, модель, представленная формулами (3.3) и (3.4), достаточно хорошо описывает экспериментальные данные как при а 1, так и при а - 0,5. Расчетные диэлько-влажностные зависимости имеют на всех частотах практически одинаковые коэффициенты корреляции (0,96-0,98) с совокупностью экспериментальных данных. Такая точность вполне достаточна для их применения в дистанционном зондировании.
Существенно различными в этих моделях являются значения диэлектрической проницаемости связанной и свободной воды, которые необходимо выбирать для наилучшего соответствия эксперимента. О различии в значениях ет сказано выше. Значения переходной влажности, найденные как параметры обеих моделей, были приведены на рис. 3.2. Частотные зависимости ДП связанной и свободной воды найденные при а = 1 и а = 0,5 приведены на рис. 3.11. Видно, что при а = 0,5 КДП свободной воды имеет высокие значения.
