CC BY
31
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, ДИАГНОСТИКА
УДК 537.86+631.42
П. П. БОБРОВ О. В. ГАЛЕЕВ В. И. УБОГОВ
Омский государственный педагогический университет
МОДЕЛИРОВАНИЕ ИСПАРЕНИЯ ПОЧВЕННОЙ ВЛАГИ С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ ГУМУСА НА ГИДРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВ И НА ДИНАМИКУ СОБСТВЕННОГО РАДИОТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Представлены результаты экспериментального исследования динамики коэффициента излучения почв с разным содержанием гумуса на длине волны 4 см. Моделирование динамики влагосодержания поверхностных слоев почв показало, что различия в динамике коэффициента излучения обусловлено влиянием гумуса на гидрофизические характеристики почв.
Для получения информации о гидрофизических свойствах почв в настоящее время используют данные СВЧ дистанционного зондирования [1]. Это возможно благодаря сильной зависимости радиофизических свойств почв (диэлектрической проницаемости и коэффициента излучения) от количества и распределения влаги в поверхностном слое. Диэлектрическая про-
ницаемость воды в СВЧ диапазоне составляет порядка 40-80 единиц, а диэлектрическая проницаемость сухой почвы - 2,5-3 единицы. Коэффициент излучения с гладкой поверхности почвы в зенитном направлении, определяемый соотношениями:
-
(1а)
Г = (16)
где г - коэффициент отражения, е - комплексная диэлектрическая проницаемость почвы), может изменяться от 0,6 (влажная почва) до 0,9 (сухая почва).
В работах [2,3] показано, что изменение коэффициента излучения почвы в процессе испарения позволяет отследить динамику поверхностной влажности, апоследняя, в свою очередь, отражает гидрофизические свойства поверхностного слоя почвы. Известно, что наличие гумуса в почвах влияет на важные гидро- и радиофизические свойства черноземов, что проявляется в изменении основной гидрофизической характеристики (ОГХ), влагопроводимости, пористости, диэлектрической проницаемости [4-6]. Это должно отразиться на динамике поверхностной влаги почвы и, как следствие, на динамике радиофизических характеристик [7]. С целью определения данного влияния нами была проведена серия натурных дистанционных экспериментов по изучению динамики коэффициента излучения почв с разным содержанием гумуса в СВЧ диапазоне.
Эксперимент проводился на агробиостанции ОмГПУ. Для эксперимента были приготовлены два участка суглинистой почвы с содержанием гумуса 6,6% и 0,6%. Поверхность участков перед началом каждого экспериментального цикла взрыхлялась, после чего участки увлажнялись одинаковым количеством воды из лейки с распылителем. Изменение влажности в ходе эксперимента определялось термостатно-весовым методом. Всего была проведено 8 экспериментальных циклов. На рис. 1 представлены некоторые результаты измерений коэффициента излучения с использованием микроволнового радиометра на длину волны 4 см.
Сразу после орошения почвенных участков коэффициент излучения малогумусного участка №1 во всех экспериментах был несколько выше, чем для участка № 2 с высоким содержанием гумуса. Это было обусловлено двумя причинами: большей водоудержи-вающей способностью гумусного участка по сравнению с малогумусным, а также, в некоторых случаях, большей шероховатостью малогумусного участка, В начальный период после увлажнения разность между коэффициентами излучения гумусного х, и малогумусного х„,. участков Дх,.м = хг" Хмг (радиояркост-ный контраст) в течение 1 -2 суток возрастала, что было обусловлено более быстрым высыханием верхнего слоя малогумусного участка по сравнению с гумус -ным участком. В ряде экспериментов при низких значениях влажности поверхностных слоев участков наблюдалась смена знака радиояркостного контраста, например 6 сентября 2000 г. (см, рис. 1а). Эта смена знака наблюдалась в середине дня при более высокой термодинамической температуре поверхности гумусного участка, обусловленной лучшим поглощением солнечной радиации за счет более темного цвета.
В некоторых экспериментах (рис. 16) в процессе высыхания радиояркостный контраст достигал высоких значений (0,2 и более); это имело место после интенсивного и продолжительного увлажнения. В первой половине дня наблюдался рост значений коэффициентов излучения, а во второй половине дня наблюдался небольшой спад. Эту особенность можно объяснить действием двух факторов: во-первых, характером изменения термодинамической температуры поверхности почвы, которая также имеет максимум, приходящийся на этот период времени, во-вторых, преобладанием во второй половине дня потока подтягивания капиллярной влаги из нижележащих слоев поч-
0,8 X
0,7 0,6 -0,5 -
0,4
..........................-............в..........
□ 1 9
♦ 2
»------- «Р / - °— }.......
♦ _'..... ' ЦсНИ, ыиомя
° 8 й 8 8 ? 8 о
8 «8
Рис.1. Динамика коэффициента излучения почвенных участков с разным содержанием гумуса:
1 - содержание гумуса 0,6%;
2 - содержание гумуса 6,6%
при средних начальных влажностях 0,37 см3/см3 (а) и0,45см7см3(б).
вы над испарением и небольшим возрастанием влажности поверхностного слоя.
В процессе высыхания поверхностного слоя величина Дхга возрастала до некоторого максимального значения, после чего при средней поверхностной влажности участков порядка 0,2-0,3 смэ/см:| наблюдался спад, а при влажности 0,12-0,15 см3/см3 происходила смена знака контраста на противоположный (рис.2). Здесь приведено три зависимости Дх,.м от средней поверхностной влажности
ср ' 4 гум мгум"
(2)
где и Шч|гуч - влажность поверхностных слоев почвенных участков с высоким и низким содержанием гумуса, соответственно. Эти кривые получены при разных значениях средних высот поверхностных неровностей. Так, кривая 1 относится к высоте поверхностных неровностей порядка 0,5 см. При средней поверхностной влажности участков ниже 0,2 см3/см:) наблюдается возрастание величины Дхга, с изменением знака при влажности около 0,15 см3/см3. Значения контраста при большой высоте поверхностных неровностей (кривые 2 и 3) изменяются в более широких пределах.
Для объяснения динамики радиофизических характеристик почв нами были произведены модельные расчеты динамики почвенной влажности. Уменьшение влагосодержания поверхностного слоя почвы, вносящего основной вклад излучение, обусловленное испарением, зависит от скорости подтягивания влаги из нижележащих слоев почвы. В состоянии насыщения влагой величина испарения равна испаряемости
«1 (менее 0,5 см) Ш 2 (11=2 см) ЖЗ (Ь=1,5 см)
а
а
1
X
?
-0,05 -1-
Рис.2. Зависимость разности коэффициентов излучения участков № 1 и № 2 от средней влажности почвенного слоя 0-1 см при различной средней высоте поверхностных неровностей Ь.
(испарению с открытой поверхности воды) и практически не зависит от гидрофизических свойств почвы, поэтому можно принять испарение с поверхности участков с различным содержанием гумуса одинаковым. На основании статистических данных, приведенных в [8], изменение испарения в течение суток можно определить по формуле:
Е = Ет'*1лгЫН- тЧ/О,
(3)
где Ет - амплитуда испаряемости; í - текущее время светлой части суток; т - длительность светового дня;
АН
т' = Д+ (24-т )/2; Д - сдвиг "летнего времени относительно поясного.
Плотность потока влаги через границы слоев, выделенных в почве, определялись с помощью соотношения [2], полученного из уравнения Дарси [9], имеющего при переходе к конечным разностям вид:
МД^ИГ,-^ ' П
где К - коэффициент фильтрации, и - влажности соседних слоев почвы; Я - пористость; 0=(в, + в^)/2', в. = VI/./П, Ч'0- значение капиллярно-сорбционного потенциала при 0=1; Дг - разность координат средних точек слоев I и /-И; Ь- константа, величина которой зависит от гранулометрического состава почвы [10,11]. Плотность потока через границу раздела почва-воздух (/=О) принималась равной испарению.
Чтобы учесть уменьшение величины испаряемости почвенной влаги в процессе высыхания поверхностного слоя почвы в работе [8] предложена формула для предельной величины плотности потока влаги О через границу почва-воздух:
0 = у-(\У-\Ygpn), (5)
где у - коэффициент, принимающий значения 0,7-1,5 мм/сут в зависимости оттипа почвы, Ш и Шврк — объемная влажность верхнего слоя почвы и влажность разрыва капиллярных связей (ВРК). Величина испарения Е в модели определялась по формуле (3) до тех пор, пока предельная плотность потока влаги О не становилась равной величине испарения. После этого испарение Е приравнивалась величине предельного потока влаги О.
Трудность моделирования заключалась в том, что в нашем распоряжении не было всех гидрофизических характеристик почв, излучательные свойства которых мы исследовали. Поэтому целью моделирова-
ния было выявление тех гидрофизических параметров почв, зависящих от содержания гумуса, которые в значительной степени определяют скорость высыхания поверхностного слоя при испарении. Анализ литературных данных [5,10,12-14] показывает, что коэффициент влагопроводности, наименьшая влагоем-кость, влажность разрыва капиллярных связей зависят как от содержания гумуса, так и от гранулометрического состава почвы. Поэтому при оценке этих величин учитывалось как содержание гумуса, так и содержание глины. При этом значения ВРК, выраженные в процентах от объема, составили 13% и 22% для мало-гумусной (№1) и гумусной почвы (№2), соответственно. Значение К0 для почвы с низким содержанием гумуса мы выбрали равным 1 см/ч, с высоким содержанием гумуса - 3 см/ч. Значения параметров У0 и Ь были приняты равными Ь = 5и У0= 13.4 см вод. ст. — для образца №1 и , Ь = 8, У0 = 19.8 см вод. ст. - для почвы №2. Значение амплитуды испарения Е выбиралось в пределах 0,02-0,07 см/ч и считалось, что эта величина не изменяется в течение всего периода высыхания почвы. Величина у принималась равной 1,1 мм/сут.
При модельных расчетах почвенный слой толщиной 6 м разбивался на 50 слоев толщиной от 1 до 50 см. Расчет изменения влагосодержания в слоях производился методом имитационного моделирования с временным шагом 1-103 часа. Результаты этих расчетов представлены на рис. 3. Видно, что уже в течение первых часов после начала испарения поверхностный слой малогумусной почвы (№ 1) высыхает более интенсивно, чем слой гумусной почвы (№2). После 17 часов процесс испарения начинает уступать процессу подтягивания капиллярной влаги из нижележащих слоев. За ночь влажность верхнего сантиметрового слоя малогумусной почвы возрастает больше, чем у гумусной почвы. На следующий день после восхода солнца испарение из верхних слоев почвы вновь начинает преобладать над процессом подтягивания влаги, и влажность снова уменьшается. В течение следующих дней верхний слой малогумусной почвы (№ 1) теряет влагу сильнее, чем такой же слой гумусной почвы (№2), при этом за ночь влажность малогумусной почвы увеличивается на большую величину. Подобное поведение, согласно модели, вызвано, во-первых, более низким значением коэффициента фильтрации почвы № 1 по сравнению с почвой № 2, во-вторых, большей влагопровод-ностью гумусной почвы, имеющей почти всегда более высокую влажность.
На основании полученной экспериментально зависимости диэлектрической проницаемости почв №1 и №2 от влажности е (Ш), расчетных данных влажности, представленных на рис. 3, по формулам (1 ,а) и (1 ,б) была получена расчетная зависимость коэффициента излучения почв отвремени (рис.4). Видно, что в середине каждого дня коэффициент излучения достигает максимальной за сутки величины, которая соответствует минимальному в этот день значению влажности почвы. Наблюдается также снижение величины Др^ (разности в значениях коэффициента излучения почв), происходящее во второй половине дня. Из сравнения этих рисунков становится также понятным увеличение максимального значения величины Дх в течение второго и третьего дня. Оно обусловлено увеличением разности в значениях влажности почв в этот период. Таким образом, использованная гидрорадиофизическая модель позволяет на качественном уровне объяснить экспериментально полученные радиофизические данные, отражающие относительную динамику почв с разным содержанием гумуса. Даль-
0,50 0,45 „ 0,40 и 0.35 0,30
и
- 0,25 ^ 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00
—
-—\
\ /Л
\ / / \
чУ V , ч/ /
-2
время, час
12 24 36 48 60 72 84 96 108
Рис.3. Динамика влажности верхних сантиметровых слоев почв №1, №2:
1 - Г^О.6%, Ь=5, К =1см/ч, ¥=13.4, W1PI=13%;
2 - Г=6.6%, Ь=8, К=3см/ч, Ч»а=19.8, WBP1(=22%.
1,15 1,05 0,95 0,85 0,75 0.65 0,55
время, час
12 24 36 48 60 72
84
Рис.4. Динамика коэффициента излучения почв №1 и №2 (расчет).
нейшее исследование влияния гумуса на динамику радиофизических характеристик почв имеет важное практическое значение, поскольку установление данного влияния послужит основой для создания метода дистанционного определения содержания гумуса в почве.
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы.
1. При моделировании динамики влажности почв следует учитывать влияние гумуса на гидрофизические параметры почв.
2. На основании расчетов с использованием гидрофизической модели было показано, что динамика величины А% для почв с разным содержанием гумуса обусловлена различной динамикой влажности поверхностных слоев данных почв. При этом объясняется достижение максимального по абсолютной величине значения Дх и смена знака контраста данной величины.
Работа выполнена при поддержке проекта ИО106/ 1202 "Разработка методов космической радиолокации и радиометрии территории Сибири" Федеральной целевой программы "Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 годы".
Литература
1. Burke E.J., Gurnev R.J., Simmonds L.P. et al. Using modeling approach to predict soil hydraulic properties from passive remote sensing. // IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing. 1998. V.36.N.2.P.454-462.
2. Бобров П.П., Беляева Т. А., Кравцов Ю. А., Тихонов В.В. Исследование испарения с поверхности почв методом микроволновой радиометрии. — М.: Институт космических исследований РАН, 1999. — 44 с.
3. Bobrov P. P., BeljaevaT. A., Bobrov А. P. Soil water evaporation measurements using passive microwave methods./Abstracts of the XI International Conference IBFRA "Boreal forests and environment: local, regional and global scales" August 5-9,2002, Krasnoyarsk, Russia. 2002. P.17.
4. Глобус A.M., Туленинова O.K. Влияниед/штель-ности и характера землепользования на свойства обыкновенного чернозема.// Почвоведение. - 2000. — №2. — С.220-223.
5. Агрофизическая характеристика почв Западной Сибири. - Новосибирск: Наука, 1976. - 544 с.
6. Бобров П.П., Беляева Т.А., Бобров А.П, Галеев О.В., Кондриков Е.М., Убогов В.И. Частотная зависимость диэлектрической проницаемости почв с различным содержанием гумуса. /Труды XX всероссийской науч. конф "Распространение радиоволн" 2-4 июля 2002 г. - Н. Новгород, 2002. - С. 241-242.
7. Бобров П.П., Галеев О.В. Динамика радиояр-костной темпера туры почв с различным содержанием гумуса.//Исследование Земли из космоса. —2001. — №4. -С.66-72.
8. Мишон В.М. Гидрофизика. — Воронеж: ВГ*У, 1979. - 308 с.
9. Будаговский А.И. Испарение почвенной влаги.
- М.: Наука. 1964. - 243с.
10. Глобус A.M. Почвенно-гидрофизическое обеспечение агроэкологических математических моделей.
— Л.: Гидрометеоиздат, 1987. — 428 с.
11. Clapp R.B., Homberger G.M. Empirical equations for some hydraulic properties.//Water Resources Research. 1978, v. 14, N6, p. 1170-1174. (ссылка на данный источник дается в р аботе [10]).
12. Соколов Б.С. Справочник агроэкологических свойств почв Омской и Тюменской (южной части) областей. — Д.: Гидрометеорологическое издательство. 1968. - 220 с.
13. Королев В .А. Изменение физических свойств черноземов обыкновенных при длительном сельскохозяйственном использовании,//Почвоведение. — 2002. — №6. — С.697-704.
14. АхтырцевБ.П.,ЛепилинИ.А. Воднофизические свойства типичных черноземов среднерусской возвышенности в условиях интенсивного использования.// Почвоведение. -2001. -№4. -С. 444-454.
БОБРОВ Павел Петрович, доктор физико-математических наук, профессор кафедры общей физики, руководитель совместной лаборатории микроволновой радиометрии Земли Омского государственного педагогического университета (ОмГПУ) и Красноярского научного центра СО РАН.
ГАЛЕЕВ Олег Владимирович, ассистент кафедры общей физики ОмГПУ.
УБОГОВ Валерий Иванович, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент кафедры почвоведения Омского государственного аграрного университета.
