CC BY
42
УДК 631.42
КАРТОГРАФИРОВАНИЕ ПОЧВ ПОЛЕЙ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
А. А. Кошелев, ассистент; С. И. Щербаков, канд. техн. наук, профессор; Е. Ю. Елизаров, ассистент
ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА», Россия, т. 89023495556, е-таИ - [email protected]
Представлены теоретические основы стационарных электрических полей, искусственно создаваемых в почвах и впоследствии используемых при построении картин разнообразий почв полей по общей площади (картографирование почв полей по электропроводности). На основе теоретических данных предложена оригинальная схема устройства картографирования почв полей по электропроводности; устройство изготовлено и испытано. Представлены результаты испытаний, экономическая оценка.
Ключевые слова: стационарное электрическое поле, четырехэлектродная симметричная установка электродов, удельное электрическое сопротивление, послойное зондирование, картографирование почв полей по электропроводности.
Существующие способы и средства картографирования почв полей в настоящее время достаточно дороги при применении. Требуется снизить затраты на проведение данных мероприятий за счёт совершенствования технологии картографирования почв полей по электропроводности.
Картография очевидной электрической проводимости, или очевидного электрического удельного сопротивления почв, геоэлектрическими методами в настоящее время становится популярным и широко используемым методом в точном земледелии. Значения электрической проводимости, нанесённые на карту, могут коррелировать с другими свойствами почвы, которые положительно влияют на урожайность [4, 6, 7,].
В однородной среде ток I с точечного источника стекает равномерно во всех направлениях полупространства. Эквипотенциальные поверхности, т. е. поверхности, на которых электрический потенциал ф постоянен, перпендикулярны токовым линиям и имеют вид полусфер с центром в точке А.
Распределение электрического поля для такого источника описывается уравнением Лапласа для однородной и безграничной
среды [1,2, 3, 5, 13, 14, 15]: р]
Е =
4т1Г.
Р1
4пт2
(1)
(2)
жуя
Как видим, параметры I и Е электрического поля единичного точечного источника в значительной мере зависят от расстояния до источника.
Напряженность такого поля, в отличие от плоскопараллельного, так же, как и потенциал, зависит от расстояния до источника. Тогда как в плоскопараллельном поле напряженность электрического поля не зависит от расстояния и одинакова в любой точке.
Помещая единичный источник поля на поверхности неоднородного почвенного пространства и измеряя Аи, ф с помощью двух электродов N и М, расположенных на единичном небольшом расстоянии друг от друга (потенциального зонда), можно детально исследовать картину распределения электрического поля и электрического сопротивления, а следовательно, оценить картину неоднородности почвенного покрова.
Рис. 1. Расчётная схема к выводу формул, определяющих характер изменения электрического поля с глубиной
Равнопотенциальные поверхности поля двух точечных источников уже не являются концентрическими сферами, а представляют собой более сложные поверхности.
Электрический потенциал в любой точке поля для этого случая будет равен сумме потенциалов электрических полей (рис. 1),
Нива Поволжья № 4 (25) 2012 51
создаваемых каждым источником, и может быть выражен в виде [2, 3, 13, 15]:
Ли = р1/2тц1/х -1/(1 -х) ). (3)
Отсюда следует, что возле электродов по линии АВ наблюдается резкое изменение потенциала, а в средней части межэлектродного пространства снижение величины потенциала происходит равномерно. Наиболее примечательным представляется изменение напряженности электрического поля и силы тока по линии АВ и в примыкающей к ней зоне (рис. 2).
Рис. 2. Изменение плотности (1) и суммарного (2) тока с глубиной
Поскольку напряженность связана с потенциалом выражением Е = — |£ГЯ(1 <р [9], то
Е =
Pi
MF-o^F)
(4)
Рис. 3. Зависимость потенциала (Ц) и градиента потенциала (Е) от расстояния до электрода по линии АВ
Отсюда следует очень важный в методическом плане вывод: в средней части межэлектродного пространства вдоль линии АВ наблюдается зона, напряженность электрического поля в которой достаточно стабильна (рис. 3).
Для изучения структуры поля двух раз-нополярных источников обычно используют потенциальный зонд из двух электродов
(М и Ы), помещенных в среднюю треть расстояния между электродами А и В симметрично их общего центра О [3, 14, 15].
Такие установки получили название че-тырехэлектродных симметричных установок электродов АМЫВ Шлюмберже. Их можно рассматривать как своеобразный зонд, позволяющий изучать поведение стационарных электрических полей (СЭП) в различных средах.
Во всех случаях измерений этими методами четырехэлектродную установку АМЫВ можно рассматривать как инструмент («пробник») для изучения поведения СЭП в почвах. Жесткость расположения электродов АМЫВ, строгая вывереность и повторяемость расстояний между этими электродами позволяют значительно упростить процесс расчета удельных электрических сопротивлений, так как для расчета используются одни и те же стандартные коэффициенты установок К.
Измеряемыми параметрами при изучении сопротивления являются разность потенциалов между электродами МЫ (ДЦ) и сила тока в линии АВ (/). Зная расстояние между электродами АМЫВ, легко вычислить коэффициент установки К по формуле [10, 12, 13]:
1Г X АМ * АЛ
^--—--. (5)
по
(6)
MX ■
Сопротивление рассчитывается весьма простой формуле
ли
■
Принципиальная схема измерений сопротивления с помощью установки AMNB приведена на рисунке 4. Прибором для измерений может служить ЭСК, АЭ-72 или другой. Величина постоянного электрического тока измеряется любым миллиамперметром постоянного тока. Электрическое поле создается в почве с помощью батарей через электроды.
Полевые измерения сопротивлений по стенкам разрезов и траншей проводились с помощью специально приготовленного че-тырехэлектродного «точечного» датчика AMNB. Шаг измерений определялся целями исследований.
В настоящее время получила распространение серия разносов электродов АВ и MN, предложенная Хмелевским В. К., с взаимно увеличивающимися в геометрической
прогрессии (шаг Jlfi = 1.24) расстояниями.
Полуразносы электродов АВ такой серии равны АВ/2 = 10; 15; 22» 30; 45; 60;90; 120; 180; 240:360; 480; 720; 1000 см. Полу-
Рис. 4. Принципиальная схема метода вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) почв и грунтов: I - автокомпенсатор АЭ-72; II - коммутирующее устройство линий электродов АВ и MN; III - линии разносов электродов АВ и MN
разносы электродов МЫ выбраны таким образом, чтобы они размещались в средней части соответствующих межэлектродных расстояний АВ.
Для таких исследований, а также в том случае, когда точки зондажа располагаются весьма редко, а необходимо получить достоверную генерализованую профильную кривую сопротивлений, предлагается использовать метод, названный послойным
электрическим зондированием.
Идея и методика предлагаемого послойного зондирования заключается в следующем: электроды, необходимые для проведения зондажа на всех разносах, располагают на одинаковом расстоянии «а» друг от друга, заземляют вдоль выбранной линии опробования и в дальнейшем используют при измерениях с различными межэлектродными расстояниями, кратными «а».
Рис. 5. Устройство картографирования почв полей по электропроводности:1 - рама; 2 - подпружиненная подвеска; 3 - диэлектрические шарниры; 4 - дисковые ножи; 10 - инвертор; 11 - амперметр; 12 - управляемый распределитель; 13 - прибор измерения падения напряжения и передачи данных; 14 - ПК; 15 - навигационная система
Нива Поволжья № 4 (25) 2012 53
260
240
220
200
180
160
140
120
100
80
60
4
2
70 80
Рис. 6. Картограмма вариабельности электропроводности почв поля
29 0
27 0
25 0
23 0
210
190
170
150
130
110
90
70
50
?
О
п
220
200
180
160
140
120
100
Рис.7. Картограмма урожайности озимой пшеницы (ц/га) данного поля
10 20
Рис. 8. Картограмма распределения К2О
Рис. 9. Картограмма распределения N03
Рис. 10. Картограмма распределения Р205
5
3
1
Измерения удобно начинать с малых межэлектродных расстояний питающих электродов (АВ = За). После проведения измерений по всей длине линии расположения электродов (Ь) с шагом АВ = 3а измерениями будет охвачен слой определенной глубины. Затем межэлектродные расстояния измерительной установки А1ШВ увеличивают и проводят новую серию измерений для слоя большей мощности [10, 11, 14].
Для послойного электрического зондирования достаточна длина линии АВ в пять метров, а расстояния между электродами в 20 см, что позволяет проводить послойное электрическое зондирование при различных разносах АВ и 1Ш.
Основываясь на данных положениях, на кафедре «Механизация технологических процессов в АПК» Пензенской ГСХА разработали и изготовили устройство картографирования почв полей по электропроводности (патент № 114166, 2012 г.) (рис. 5), способное выделять разнородные участки по площади поля в пространственной координатной системе, фиксировать данные в электронном носителе в виде, доступном для обработки, изучения и применения в дальнейшем при использовании технологий точного земледелия.
Первоначально была разработана лабораторная установка по измерению электрической проводимости почвы с дисковыми электродами в движении, работающая при различных постоянных скоростях, различных величинах заглубления, а также способная изменять угол атаки электродов. Испытания лабораторной установки проводились в Мордовском государственном университете имени Н. П. Огарёва на почвенном канале. Почва почвенного канала имела различную плотность, изменяющуюся от одного края к другому в пределах от
3 -тр 5
2,3 — до 2,6 -1- , различную электропроводность, различную влажность. Напряжение тока, проводимого через слой почвы, стабильно изменялось от одного края почвенного канала к другому в пределах от 12,67 В до 12,81 В. В результате проведения многофакторных испытаний и обработки полученных данных были выявлены оптимальные параметры устройства картографирования почв полей по электропроводности. Впоследствии на основе полученных данных было изготовлено устройство картографирования почв полей по электропроводности [7].
Разработанное нами устройство имеет пневматическое шасси, раму, девять дисковых катящихся электродов, изолирован-
но прикреплённых к ней с шагом, кратным 0,2 м. Имеет механизм регулирования величины заглубления дисковых электродов, обеспечивающий их стабильный контакт с поверхностью почвы. Агрегатируется устройство картографирования почв полей по электропроводности с движителем повышенной проходимости.
Проведение испытаний изготовленного устройства проводилось на опытном поле ГНУ «Мордовский НИИСХ», которое является полигоном для проведения опытов по применению различных технологий «координатного земледелия». Устройство было настроено так, чтобы максимально точно, с минимальными погрешностями снимались данные электропроводности.
После проведения опытов и обработки полученных результатов при помощи программы «Surfer» (рис. 6) были построены картограммы электропроводности почв исследуемого поля [7].
На картограмме 6 чётко видны границы разнородных участков поля. Картограммы 7, 8, 9 и 10 предоставлены для сравнения ГНУ «Мордовский НИИСХ».
При анализе картограмм хорошо видно, что участки с наибольшей электропроводностью имеют большее содержание калия, фосфора, азота. Особенно хорошо это заметно в верхних частях картограмм. Аналогичный результат показала и картограмма урожайности озимой пшеницы, большая урожайность получена в той же части поля. Полученная нами картограмма электропроводности почв поля имеет большее количество разнородностей из-за большего количества произведённых измерений.
На данном участке поля было проведено 86 измерений электропроводности, наши коллеги из ГНУ «Мордовский НИИСХ» отобрали 45 проб по площади поля.
Разработанная нами установка и данный метод определения границ разнородных участков поля позволят значительно снизить затраты на исследования разнотипных почв по площади поля, так как значительно снизится требуемое количество отбора проб для исследования почвы.
Примером снижения требуемого количества отбора проб, а значит, и затрат является таблица. В ней представлены конечные затраты, полученные при различных методах внесения минеральных удобрений на поле площадью 85 га [7, 8, 9].
Из таблицы хорошо видно, что внесение минеральных удобрений с использованием технологии точного «координатного» земледелия, а именно применение электрического зондирования, позволяет в разы сни-
Нива Поволжья № 4 (25) 2012 55
Затраты на внесение карбамида при применении различных технологий (на примере поля площадью 85 га)
Показатель Традиционный метод Метод отбора проб Применение электрического зондирования
Требуемое количество проб, шт. 4 85 8
Стоимость агрохимического анализа 1 пробы, руб. 650 650 650
Расходы на агрохимический анализ проб почвы, руб.на 1 га 31 650 61
Общие расходы на агрохимический анализ проб почвы, руб. 2600 55250 5185
Площадь, нуждающаяся во внесении минеральных удобрений, га 85 14 14
Требуемое количество вносимого удобрения, кг: на 1 га на всю площадь 70 5950 165 2310 165 2310
Затраты на внесение минеральных удобрений на поле (стоимость 4,5 руб. за 1 кг), руб. 26775 10395 10395
Общие затраты на внесение минеральных удобрений, руб. 29375 65645 15580
зить затраты на применение удобрений по сравнению с традиционным способом, а также позволяет уменьшить отрицательное воздействие на окружающую среду и получить прогнозируемый результат.
Литература
1. Антипов-Каратаев, И. Н. Физико-химические методы исследования почв. Почвенные растворы, диффузия, фотометрия, интерференция, спектроскопия / И. Н. Ан-типов-Каратаев. - М.: Наука, 1968. - 168 с.
2. Вадюнина, А. Ф. Зависимость электрических свойств почвы от частоты электрического тока / А. Ф. Вадюнина, Ю. Г. Тка-ченко // Вестник МГУ, сер. Биология, почвоведение. - 1973. - № 4. - 362 с.
3. Горячко, И. В. Электроразведочная аппаратура и оборудование / И. В. Горячко. -М.: Недра, 1965. - 214 с.
4. Измайлов, А. Точное земледелие: проблемы и решения / А. Измайлов, Г. И. Лич-ман, Н. М. Марченко // Сельскохозяйственные машины и технологии. - 2010. - № 5. -С. 9-14.
5. Изменение потенциала электрического поля некоторых почв // Вестник МГУ, сер. Биология, почвоведение. - 1974. - № 4. -С. 35.
6. Колесникова, В. А. Технико-технологическое обеспечение дифференцированного внесения жидких средств химизации /
B. А. Колесникова, Л. А. Марченко, Т. В. Мочкова [и др.] // Сельскохозяйственные машины и технологии. - 2008. - № 6. -
C. 44-48.
7. Кошелев, А. А. К вопросу определения разнородных по плодородию участков поля по электропроводности почв / А. А.
Кошелев, С. И. Щербаков // Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции - новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животноводства: сборник научных докладов 15 международной научно-практической конференции, 18-19 сентября 2009 года, г. Тамбов. - ГНУ ВИИТиН, 2009. -С. 305-310.
8. Личман, Г. И. Переходные режимы дотирующих органов машин для внесения удобрений / Г. И. Личман, Н. М. Марченко, В. А. Колесникова, А. Н. Марченко // Сельскохозяйственные машины и технологии. -2010. - № 4. - 30-34.
9. Марченко, Н. М. Механико-технологические основы компьютеризированного проектирования машинных технологий дифференцированного применения удобрений в системе координатного земледелия / Н. М. Марченко, Г. И. Личман // Труды ВИМ. - М., 1997. - Т. 129. - 368 с.
10. Матвеев, Б. К. Вопросы машинной интерпретации электромагнитных зондирований / Б. К. Матвеев // Прикладная геофизика, вып. 58. - М.: Недра, 1970. - 283 с.
11. Михайленко, И. М. Управление системами точного земледелия / И. М. Михай-ленко. - С.-Петербургский университет, 2005. - 233 с.
12. Орехова, И. Г. Изменение электрического сопротивления дисперсных материалов в процессе сушки / И. Г. Орехова // Вестник с.-х. науки. - 1967. - № 1. - С. 76-78.
13. Поздняков, А. И. Стационарные электрические поля в почвах / А. И. Поздняков, Л. А. Позднякова, А. Д. Позднякова. - М., 1996. - 354 с.
14. Позднякова, А. Д. Опыт применения интерпретации данных вертикального электрического зондирования дерново-подзолистых и торфяных почв / А. Д. Позднякова, А. И. Поздняков, Р. А. Сибуль // Проблемы с.-х. освоения торфяных месторож-
дений: сб. науч. трудов ЦТБОС. Вып. 6. -М., 1982. - 316 с.
15. Якушев, В. П. Информационное обеспечение точного земледелия / В. П. Якушев, В. В. Якушев. - СПб., 2007. - 382 с.
Нива Поволжья № 4 (25) 2012 57
