Разработка радиоволнового метода определения гидрофизических свойств почв тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

На правах рукописи

ИВЧЕНКО Олеся Анатольевна

РАЗРАБОТКА РАДИОВОЛНОВОГО МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЧВ

01 04 01 - приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Омск-2007

003174193

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Омский государственный педагогический университет»

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор

Бобров Павел Петрович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Алтайского государственного университета

Комаров Сергей Александрович,

кандидат физико-математических наук, доцент Омского государственного университета путей сообщения Сосновский Юрий Михайлович

Ведущая организация: Институт природных ресурсов, экологии

и криологии СО РАН, г Чита

Защита диссертации состоится 2 ноября 2007 г в/6 00 часов на заседании диссертационного совета Д 212 005 03 при Алтайском государственном университете по адресу 656049, Барнаул, пр Красноармейский, д. 69, ауд 102

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного университета

Автореферат разослан 1 октября 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета ^ ~ Д Д Рудер

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования.

Интенсивно развиваемые в последние годы аэрокосмические методы исследования Земли включают микроволновый радиометрический метод, обладающий рядом преимуществ всепогодностью, более глубоким проникновением в исследуемую среду (по сравнению с оптическим методом), высокой информативностью и др Только этим методом, в сочетание с математическим моделированием, может быть решена задача оперативной оценки динамики почвенной влаги на больших территориях и задача обновления баз данных почв Это возможно благодаря зависимости радиоволновых свойств почв от количества и распределения влаги в поверхностном слое.

При дистанционном исследовании почв микроволновыми методами необходима информация о их диэлектрических свойствах Эти свойства значительно различаются у разных типов почв, что определяется в первую очередь различным содержанием связанной воды и ее диэлектрическими свойствами, различными в разных типах почв. Ввиду трудоемкости отбора почвенных образцов и измерений их диэлектрической проницаемости задача создания баз данных о диэлектрической проницаемости почв на больших территориях является практически нереализуемой

В то же время хорошо изучены и известны для значительной части почв сельскохозяйственного назначения физические и гидрологические характеристики гранулометрический состав, содержание гумуса, максимальная гигроскопичность, наименьшая полевая влагоемкость и др Актуальной является задача создания такой диэлектрической модели, входными параметрами которой являлись бы агрофизические константы За рубежом широко используется диэлектрическая модель Добсона, входными параметрами которой являются гранулометрический состав и плотность почвы Однако эта модель, во-пфвых, не обеспечивает необходимой точности, так как построена на основе данных о свойствах только пяти образцов почв, во-вторых, не учитывает содержание гумуса, который в значительной степени влияет на гидрофизические и диэлектрические свойства почв, в-третьих, непригодна к применению на территории России, так как основана на классификации почв, принятой в Американском департаменте сельского хозяйства (ЦЖА) и отличающейся от российской классификации

Дистанционный радиометрический метод перспективен также для оценки пространственного распределения потоков тепла и влаги из почвы в атмосферу - информации весьма необходимой для повышения достоверности климатических моделей Однако существующие дистанционные методы оценки испарения основаны на измерении динамики влаго-содержания тонкого поверхностного слоя за достаточно длительный период времени Градиентные методы позволили бы определить испарение

за короткие промежутки времени, поэтому актуальной задачей является разработка и верификация дистанционного метода определения градиентов влажности в поверхностном слое Кроме того, градиенты влажности, возникающие при испарении почвенной влаги, отражают гидрофизические свойства почв, поэтому радиометрические карты почв, снятые на нескольких длинах волн, могут служить основой дня оценки качества почв на больших территориях

На основании проведенного обзора литературы поставлены цели и сформулированы задачи исследования

Целью исследования являлось:

1 Разработка метода определения параметров рефракционной диэлектрической модели по данным о гранулометрическом составе, содержанию гумуса на основе цикла проведенных лабораторных исследований диэлектрических и гидрофизических свойств почв тестовых участков территории Западной Сибири (Омская область), Восточной Сибири (Красноярский край) и Европейской части России (Курская область)

2 Разработка метода определения градиентов влажности в поверхностном слое на основе цикла проведенных дистанционных радиометрических измерений динамики радиояркостной температуры почв с известными диэлектрическими и гидрофизическими характеристиками на трех частотах микроволнового диапазона (2,7, 6,0 и 8,2 ГГц) в процессах испарения и инфильтрации Определение возможностей радиофизического метода для оценки качества почв и потоков тепла и влаги

Задачи диссертационного исследования.

1 Разработать метод измерения градиентов влажности, влажности приповерхностного слоя, а также влагопроводности почв

2 Определить возможности радиометрического градиентного метода в задачах исследования потоков тепла из почвы в атмосферу

3 Исследовать динамику градиентов влажности в поверхностных слоях для разных типов почв при испарении и инфильтрации

4 Исследовать взаимосвязь почвенных диэлектрических и гидрологических характеристик с гранулометрическим составом и содержанием гумуса

5 Исследовать зависимость диэлектрической проницаемости связанной воды от ее количества в почве, а также от гидрологических свойств почв Определить связь параметров диэлектрических моделей почвы с аг-рогидрологическими константами

6 Определить модели основной гидрофизической характеристики (ОГХ) пригодные, для использования в комплексных гидро-радиофизи-ческих моделях

Объектом исследования являются влажные почвы с различным содержанием гумуса и гранулометрическим составом

Положения, выносимые на защиту:

1. Дистанционный многочастотный радиометрический метод оценки градиентов влажности и влажности на поверхности почвы

2 Метод расчета влагопроводности дистанционным многочастотным радиометрическим методом

3 Методика определения диэлектрической проницаемости почв по рефракционной диэлектрической модели смеси с использованием агрофизических показателей почв в качестве входных данных

Практическая ценность работы заключается в возможности использования результатов для моделирования агрогадрофизических и диэлектрических характеристик почв по данным о гранулометрическом составе и содержании гумуса, а также для дистанционной оценки гидрологических характеристик дистанционным радиометрическим методом при отсутствии данных о диэлектрической проницаемости (ДП) исследуемых почв

Разработанная методика дастанционных радиометрических измерений градиентов влажности и влажности поверхностного слоя перспективна для развития методики оценки величины испарения почвенной влаги

Научная новизна результатов, полученных в ходе диссертационного исследования, состоит в следующем

1 Разработан дистанционный многочастотный радиометрический метод оценки градиентов влажности и влажности на поверхности почвы

2 Разработан метод расчета влагопроводности дистанционным многочастотным радиометрическим методом

3 Впервые получены аналитические зависимости гидрологических характеристик и параметров спектроскопической рефракционной модели почв от гранулометрического состава и содержания гумуса

4 Выявлена связь параметров спектроскопической рефракционной модели с агрофизическими константами

5 Исследованы зависимости ДП связанной воды от ее количества в почвах с различным гранулометрическим составом и содержанием гумуса

Достоверность полученных результатов определяется

- согласием экспериментальных данных с расчетными;

- согласием ряда экспериментальных данных с данными, полученными другими исследователями,

- тщательным анализом погрешностей измерений

Апробация работы.

Результаты по теме диссертации докладывались на международных и всероссийских конференциях, а именно. Всероссийская конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (Москва, 2003), Вторая Всероссийская научная конференция «Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими средствами» (Санкт-Петербург, 2004), Вторая Всероссийская научная конференция «Современные проблемы дистанционного зонди-

рования Земли из космоса» (Москва, 2004), Одиннадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (Екатеринбург, 2005), 31st International Symposium on Remote Sensing Environment (Санкт-Петербург, 2005), International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS'05) (Seoul, Korea, 2005); 12-я Международная научно-практическая конференция «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибйри» (СИБРЕСУРС-12-2006) (Тюмень, 2006), Третья Всероссийская научная конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (Москва, 2005), Четвертая Всероссийская научная конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (Москва, 2006), International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS'2007) (Barselona, Spam, 2007)

Публикации: по теме диссертации опубликовано 21 работа, в том числе 3 в рецензируемых изданиях.

Структура работы:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка используемой литературы Общий объем диссертации составляет 170 страниц, включая 34 рисунка, 13 таблиц, 131 источник цитируемой литературы

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, проводится анализ состояния исследований по изучаемой проблеме, формулируются цели и задачи исследования Оценены научная новизна полученных результатов и их практическая значимость Обозначены основные положения диссертации, выносимые на защиту Дана общая характеристика работы.

В первой главе диссертации «Гидрофизические и диэлектрические свойства почв. Дистанционное изучение почв» приводится обзор литературы по водно-физическим и механическим свойствам почв, а также влиянию механического состава почв на последние Рассмотрены диэлектрические и радиофизические свойства влажных почвогрунтов Приведен обзор дистанционных радиометрических методов измерения влажности почвы, испарения почвенной влаги, а также гидрологических характеристик

В разделах 1 1-1 2 описан состав почв и его влияние на механические свойства почв Приведены основные почвенно-гидрологические константы (максимальная влагоемкость, влажность завядания, влажность разрыва капилляров, наименьшая влагоемкость и т п ) и характеристики (вла-гопроводность и капиллярно-сорбционный потенциал), а также методы их измерения и полуэмпирические модели, связывающие их между собой

Многие модели гидрологических характеристик, как влагопроводно-сти, так и ОГХ (основной гидрологической характеристики — зависимости капиллярно-сорбционного потенциала от влажности), содержат некоторый Ж —ГК

параметр Б =-—, Ж- влажность почвы, ГК! и ГК2 - гидрологиче-

ГК2 - ГК1

ские константы В разных моделях используют МГ (максимальная гигроскопичность) или ВЗ (влажность завадания) в качестве ГК/, а в качестве ГК? -либо НВ (наименьшая влагоемкость), либо ПВ (полная влагоемкость) Однако существующие модели либо косвенно отражают информацию о гранулометрическом составе и содержании гумуса, либо включают в себя только параметры содержания фракций физической глины, реже песка, плотности, пористости и не отражают информации о содержании гумуса. В почвоведении влияние гранулометрического состава и содержания гумуса на величины гидрологических констант общеизвестно, однако аналитических зависимостей, выявляющих эти связи, не существует

В разделе 1 3 рассмотрены классические расчетные методы, описывающие потоки влаги в почвенном профиле (в том числе испарение) методы турбулентной диффузии, водного и теплового балансов

В разделе 1 4 описаны основные модели комплексной диэлектрической проницаемости (КДП) почвогрунтов и ее зависимости от содержания гумуса, солей и различных загрязнений Важным фактором, влияющим на величину КДП, является влажность, с увеличением которой КДП увеличивается

В настоящее время широко используются модели КДП, входными параметрами которых являются плотность и гранулометрический состав наряду с объемным содержанием связанной и свободной влаги Известно, что на количество связанной влаги, а соответственно, и на величину КДП почвы, существенно влияет содержание гумуса Однако анализ литературных данных показал, что ни одна диэлектрическая модель не включает в себя параметры, отражающие содержание органических веществ

Раздел 1 5 посвящен анализу моделей радиотеплового излучения почв Рассмотрены физические основы радиометрического метода, способы определения эффективной температуры излучающего тела и способы учета поверхностных шероховатостей

Рассмотрен важный вопрос о глубине зондирующего слоя, т е. толщине поверхностного слоя, вносящего основной вклад в излучение почвы

Рассмотрены возможности применения разных частотных каналов радиометров как уже установленных на действующих спутниках, так и планируемых к запуску в ближайшие годы Показано, что самая высокая чувствительность к влажности почвы наблюдается на частоте 6,8 ГГц, а к влажности растительного слоя - на частоте 1,4 ГГц

Рассмотрены также возможности микроволнового радиометрического метода для определения гидрологических характеристик почв Для этого связывают модели движения почвенной влаги и теплоты с моделями собственного радиотеплового излучения. Имея данные длительных наблюдений яркостной температуры на одной, реже двух частотах, подбирают такие значения гидрологических констант, при которых достигается наилучшее совпадение экспериментальных данных с модельными расчетами Потоки почвенной влаги рассчитывались по уравнению Дар-си В случаях высоких влажностей почвы диффузией парообразной влаги можно пренебречь, тогда уравнение Дарси имеет вид

дЖ Ъг

где ц/к.с - величина капиллярно-сорбционного потенциала, IV- влажность почвы, К - влагопроводность, г - координата

Для моделирования потоков тепла и влаги необходим большой объем данных о метеопараметрах атмосферы и некоторых характеристик почв, которые, как правило, можно получить лишь с помощью наземных измерений Точность определения гидрологических констант невелика

Рассмотрены также способы оценки испарения с поверхности почв радиометрическим методом и способы оценки градиентов влажности в поверхностном слое

Основные выводы, вытекающие из содержания эгой главы, следующие Имеется погенциальная возможность исследования гидрологических характеристик почв дистанционным радиометрическим методом, в частности определение изменчивых свойств почв, таких как влагопроводность, используя различные устойчивые агрогидрологические константы, такие как МГ, ВЗ, ВРК, НВ, ПВ

При этом существует недостаток информации о диэлектрических свойсгвах почв на больших территориях, необходимых для интерпретации радиофизических данных Кроме того, агрогидрологические константы не связывают с содержанием гумуса, являющегося важной составляющей почвы и влияющего в том числе на водно-воздушный режим почв

В большинстве работ, посвященных исследованию почв радиометрическими методами, не используется многочастотная радиометрия, поэтому содержание влаги в поверхностном слое определяется с большой погрешностью, влекущей за собой весьма грубый характер оценки гидрологических констант

Во второй главе «Методика проведения эксперимента» приводится описание экспериментальной установки, методики проведения измерений радиометрических и гидрофизических параметров почв, приведена оценка погрешностей измерений

В разделах 2 1-2 5 приведено описание гранулометрического (по методу Н А Качинского) и солевого составов исследуемых образцов Описан упрощенный метод сорбционных влагообменных датчиков (метод обеззо-ленных фильтров) для определения ОГХ почв. Выбор метода был связан с доступностью и простотой выполнения Приведены лабораторные методы определения гидрологических характеристик и констант Для измерения МГ был выбран адсорбционный метод, НВ определяли термостатно-весовым методом после полного стекания гравитационной влаги из почвенного образца, коэффициент фильтрации (К0) определяли по объему профильтровавшейся влаги за определенный промежуток времени после установления стационарного процесса фильтрации Измерения МГ и НВ проводились в шестикратном повторе, а измерения ОГХ и К0 - в трехкратном

В разделах 2 6-2 9 описаны исследуемые в полевых условиях радиометрическим методом участки и экспериментальная радиометрическая установка, состоящая из радиометрического комплекса, радиометров на длины волн 3,6, 5 и 11 см и метеостанция \VM-918

Описана методика калибровки радиометрического комплекса и расчет радиояркостной температуры Для калибровки радиометров использовались отраженное от металлического листа излучение неба, излучение гладкой водной поверхности Калибровка проводилась в начале и в конце каждого измерения

Описана методика измерения влажности и температуры исследуемых участков Влажность участков измеряли термостатно-весовым методом в нескольких точках участка минимум на трех глубинах в слое 3 см Температура участка фиксировалась на двух глубинах почвенного профиля при помощи электронных термометров Приведена оценка погрешностей измерения радиояркостных температур

В разделах 2 10 и 2 11 приведены лабораторные установки, методы измерения диэлектрических проницаемостей, а также метод определения ДП почв по модулям коэффициентов отражения и прохождения диэлектрического слоя Выполнен расчет погрешностей измерения ДП

В главе 3 «Исследование связи диэлектрических и агрогидроло-гических характеристик почв» приведены результаты исследования зависимости ОГХ тяжелых и средних суглинистых почв от содержания гумуса; зависимости агрогидрологических констант разных типов почв от содержания фракции физической глины и гумуса, найдена связь параметров рефракционной диэлектрической модели с агрогидрологическими константами

В разделе 3 1 описана связь агрогидрологических констант с гранулометрическим составом и содержанием гумуса В ходе анализа литературы выявлена линейная зависимость влажности, соответствующей максимальному количеству связанной влаги в образце от содержания

фракции физической глины и гумуса Нами была установлена подобная зависимость для гидрологических констант в виде

ГК = АЬ+Вё, (2)

где ГК - величина гидрологической константы, g - содержание фракции физической глины, а й - содержание гумуса, А, В - эмпирические коэффициенты

Для всех гидрологических констант коэффициент А больше, чем В, что свидетельствует о превалирующем влиянии содержания гумуса над содержанием фракции глины. Связь между гидрологическими характеристиками и содержанием физической глины и гумуса установлена для 14 почвенных образцов

В случае, когда имеются данные только об МГ, значения максимального количества связанной воды IV,, находящейся в почве, могут быть найдены из регрессионного уравнения вида

А (.МГ)г (3)

где для почв сельскохозяйственных зон А = 0,591 и <5 = 1,461, а для почв приполярных областей^ = 5,107 и Ь = 0,266 Коэффициент достоверности аппроксимации К2 — 0,691

Располагая более полными данными о характеристиках почв, можно усложнить регрессионную формулу и записать ее в виде

ТГ^АГ+Ве^+О?, (4)

где К ц, э — содержание гумуса, фракций физической глины и физического песка в весовых процентах от сухой массы, соответственно. Значения показателей А, В и С, а так же степеней а, /? и у были найдены методом наименьших квадратов

Поскольку существует связь Ж, с МГ, при наличии информации о последней, можно рассчитывать \¥1 по формуле

ТГ, = {МГУ(АНа +Вд/} + Сзг) (5)

Значения показателей А, В и С, а также степеней а, ржу были найдены методом наименьших квадратов Учет не только гранулометрического состава, но и величины МГ позволил увеличить достоверность аппроксимации

Результаты сопоставления измеренных и рассчитанных по формулам (3), (4) и (5) значений IV, представлены в таблице, где образцы № 1-4 и № 8-10 представляют почвы сельскохозяйственных зон, а образцы № 5-7 и № 11-14 - почвы приполярных областей Расчет произведен как с применением констант, найденных для всех образцов, так и с константами, полученными для двух групп почв раздельно Видно, что формула (5) позволяет с приемлемой точностью определять Щ с константами, одинаковыми для всех почвенных образцов

Таблица

Экспериментальные и рассчитанные по формулам (3), (4) и (5) значения \¥< в г/г

а а- Экспериментальные данные Расчетные по (3) Расчетные по (4) Расчетные по (5)

1 о а: Для образцов № 1-14 Дм образцов №1-4 8-10 Для образцов № 5-7, 11-14 Для образцов №1-4 8-10 Дня образцов №5-7, 11-14 Для образцов № 1-14

1 11,8 10,3 10,8 11,8 11,8

2 7 8,1 6,9 10,0 8,1

3 21,6 15,0 21,5 20,8 19,7

4 20,4 14,7 20,7 19,2 21,3

5 2,7 5,6 7Д 3,5 1,6

6 7,4 15,1 9,9 3,8 6,0

7 5,6 13,8 9,6 4,6 7,3

8 7 8,1 6,9 7,4 7,8

9 7 8,6 7,7 8,0 8,3

10 5 7,0 5,3 5,9 5,2

11 19 10,4 8,7 18,5 18,6

12 8 9,6 8,5 7,9 10,1

13 5 2,6 5,5 8,1 3,6

14 9 7,2 7,7 5,0 5,8

Таким образом, установлено, что на значения гидрологических констант существенное влияние оказывает не только содержание фракции физической глины, но и содержание гумуса, причем для почв, близких по генезису и минералогическому составу, гидрологические константы достаточно точно могут быть выражены с помощью линейных регрессионных уравнений

В разделе 3 2 описаны исследования зависимости КДП связанной воды от ее количества в почве Во многих моделях, описывающих ДП влажных почв, предполагается, что ДП связанной воды не зависит от ее количества в почве, т. е от толщины пленки на поверхности почвенной частицы Однако точные диэлектрические измерения показывают, что в области малых влаж-ностей, когда вся вода находится в связанном состоянии, можно обнаружить изменение ДП связанной воды при увеличении толщины пленки Для выявления зависимости ДП связанной воды от ее количества мы предположили, что почва представляет собой смесь, состоящую из воздушно-сухой почвы и связанной воды Для описания ДП такой смеси использовалась рефракционную модель Предполагается, что при малом увлажнении вода образует на поверхности почвенных частиц мономолекулярные слои Энергия связи каждого последующего слоя уменьшается, поэтому уменьшается и время релаксации Таким образом, каждой элементарной порции почвенной влаги можно придать свое значение ДП Далее мы предположили, что ДП каждой

порции связанной воды может быть описана релаксационной моделью Де-бая Параметры модели Дебая могут изменяться с изменением толщины пленки воды на поверхности частиц

В результате нами обнаружено различное поведение ДП связанной воды в разных типах почв В образце № 4 (курский чернозем) с увеличением содержания связанной воды ее статическая ДП £п,ь возрастает, а время релаксации Ть падает В образце № 7 (тиксотропный криозем) эти величины практически не изменяются Возможно, связанная вода в такой почве формируется в виде гроздьев молекул на гидрофильных центрах, а не в виде мономолекулярных слоев, как в образце № 4 Поэтому диэлектрический метод может оказаться полезным при исследовании межфазных взаимодействий в почвах

В задачах микроволнового зондирования учет изменений свойств связанной воды не приведет к существенному повышению точности измерений, так как эти изменения наблюдаются при небольших влажностях (менее 0,040,08 см3/см3), когда влияние ДП связанной воды на ДП почв невелико Поэтому изменение этих свойств в таких задачах можно не учитывать

В разделе 3 3 описаны связи параметров рефракционной модели КДП с агрофизическими характеристиками Установлена связь между экспериментально измеренными значениями £0,ь и Ж, Эта связь, выражаемая уравнением е(Кь = 1,242 Ш, + 21,61, может быть использована для нахождения Ео,ъ при наличии измеренных значений Ш,

В случае, когда имеются данные только об МГ, значения как и Ж,, могут быть найдены из регрессионного уравнения (3) Для почв сельскохозяйственных зон (образцы № 1-4, 8-10) А = 203,8 и 5 = -0,918, а для почв приполярных областей (образцы № 5-7, 11-14) А = 52,10 и § = -€,223, коэффициент достоверности аппроксимации Я2 = 0,496 При возрастании МГ наблюдается уменьшение ^¿(коэффициент ¿»отрицателен). Это свидетельствует о том, что в почвах с большим содержанием связанной воды выше степень связи молекул воды с поверхностью почвенных частиц

Согласно рефракционной модели, КДП влажной почвы выражается следующим образом

ег=2п,кя,

'\па + {пь- 1)ж, ж<ж,

\ка + кьЖ, Ж<Щ

где пл, пь, щ, и кв, к,], кь, ки значения действительной и мнимой частей показателей преломления Индексы з, £ Ъ, и и относятся к влажной поч-

ве, сухой почве, связанной и свободной влаге в почве соответственно, а IV, обозначает предельное содержание связанной влаги в данном типе почвы. Значения комплексного показателя преломления (КПП), относящиеся к сухой почве, связанной и свободной почвенной влаге, могут быть выражены через значения КДП:

П11.Ьц ~ V <!Ьм ~ Iе <1»М '

где значения действительной и мнимой частей КДП для связанной и свободной почвенной влаги представлены в виде релаксационных формул Дебая. Для учета влияния плотности сухого сложения р на почвы, выражение для КПП сухой почвы (в рамках рефракционной диэлектрической модели) можно представить в виде:

К ="а-К =1+к -О Р'&ЧКР'Рт

где рт - плотность твердой фазы и р— плотность сухого сложения почвы в г/см3.

В ходе анализа было выявлено, что значения [(и,„-1 )//?„,] и [кт1 рт], а также значения спектроскопических параметров модели Дебая (проводимости, времени релаксации, статической ДП) можно связать с гранулометрическим составом почв с помощью регрессионного уравнения (4), а также с величиной МГ с помощью регрессионного уравнения (5), константы которых рассчитаны методом оптимизации.

На рис. 1 представлены как рассчитанные по рефракционной диэлектрической модели зависимости действительной и мнимой частей КДП от влажности трех образцов, полученные с использованием формулы (5), так и экспериментальные данные.

Рис. ]. Зависимость от влажности действительной (1) и мнимой (2) частей КДП образцов № 1 на частотах 3 ГГц (а) и 9,6 ГГц (б)

Наблюдается хорошее совпадение значений действительной части КДП, тогда как расчетные значения мнимой части КДП совпадают с экспериментальными хуже. Причиной этого является то, что содержание солей в почве, определяющее проводимость свободной воды, лишь слабо связано с гранулометрическим составом, а варьировать может в достаточно широких пределах. Однако на коэффициент отражения от границы «почва-воздух» мнимая часть КДП влияет в меньшей степени, чем действительная часть, поэтому небольшая неточность значений мнимой части КДП не приведет к существенной погрешности в определении коэффициента отражения.

Таким образом, нами была выявлена зависимость спектроскопических диэлектрических параметров связанной почвенной влаги от гранулометрического состава и содержания органических веществ, которая может быть использована в задачах дистанционного измерения влажности радиометрическим методом в тех случаях, когда нет данных о диэлектрических свойствах почв. В том случае, когда влажность известна, радиометрический метод может быть использован для оценки гидрофизических свойств почв.

В разделе 3.4 описаны результаты исследования моделей ОГХ. Как видно из уравнения (1), зависимость капиллярно-сорбционного потенциала от влажности в значительной степени определяет величину потока влаги. Для проведения анализа мы сравнили результаты моделирования с экспериментальными данными, частично полученными нами, а частично заимствованными из литературы, для почв с различным гранулометрическим составом и содержанием гумуса. На рис. 2 приведены данные для двух образцов.

6 рр

5 4

3 2 1 О

а

Рис. 2. Экспериментальные данные (1) а и б - полученные методом обеззоленных фильтров и модельные кривые ОГХ: а - образец № 1,6 — образец № 2; 2 - модель Полуэктова, 3 - модель Ниммо и Росси, 4 - модель Генухтена, 5 - модель Клэппа и Хорнбергера, 6 - Мотовилова, 7 - модель Павлова-Калюжного

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

ТХ/л V

«А»

О 1

-ж-5

еж,

■Ж-ж

0,2

0,4 0,6

Щ см'/см5

Входные параметры некоторых моделей косвенно отражают информацию о гранулометрическом составе и содержании гумуса - модели Генухтена и Полуэктова

В других моделях потенциал связывают с гранулометрическим составом, однако не отражают связь с содержанием гумуса (модель Павлова-Калюжного, Ниммо и Росси, Клэппа и Хорнбергера)

В результате сопоставления данных, полученных в ходе моделирования, с экспериментальными данными, было выяснено, что для моделирования ОГХ целесообразно использовать модели Полуэктова, Генухтена, Клэппа и Хорбергера, которые в дальнейшем применялись при моделировании движения почвенной влаги

В четвертой главе «Исследование свойств почв радиометрическим методом» приведены результаты моделирования градиентов влажности и влагопроводности почв в процессе испарения и инфильтрации, а также оценка тепловых потоков по данным многочастотных радиометрических измерений

В разделе 4 1 описан радиометрический многочастотный метод восстановления градиентов влажности и их динамики в процессе испарения и инфильтрации в разных типах почв Как видно из уравнения (1), градиент влажности на поверхности почвы позволяет определить поток влаги из почвы в атмосферу, если известны гидрофизические характеристики почв y/(W) и KfW)

Яркостная температура определяется по формуле-

тя=а-ют,

где R - коэффициент отражения по мощности от границы поверхности, Т

- термодинамическая температура излучающего слоя

В случае неоднородно увлажненных по вертикали изотермических сред задача определения Тя сводится к определению коэффициента отражения от такой среды Коэффициент отражения по амплитуде от многослойной среды, в случае гладкой верхней границы, имеет вид

г/ _ П +r^exg{~2jkl+lAzl) ^ l + r^exvi-ljk^) ' где г/- коэффициент отражения многослойной среды на границе «почва-воздух», гг - френелевский коэффициент отражения на этой границе, r/+i

— коэффициент отражения многослойной среды, лежащей ниже рассматриваемого слоя и определяемый по аналогичной формуле, но с увеличением индексов на 1

где г/ - толщина ¡-го слоя, к, - проекция волнового числа в 1-м слое на ось г, к0 - волновое число в вакууме, £1 - КДП ¡-го слоя, £>,■ - угол между направлением распространения волны и осью т.

Для моделирования коэффициента излучения почва была представлена плоскослоистой средой (рис. 3). Ниже границы последнего слоя почва моделировалась полубесконечной однородной средой. Влажность каждого слоя задавалась формулой где г, - вертикальная

координата середины /-го слоя, к ^сНУМг - градиент влажности, IV(0) -влажность почвы на поверхности (в точке г = 0). ДП определялась с помощью модели, описанной в главе 3. Методом оптимизации находились такие значения к и IV(0), при которых расчетные значения яркостной температуры на двух или трех длинах волн (использовались радиометры на длины волн 3,6; 5 и И см) максимально приближались к измеренным.

М z

Wo

W

i=l

-^-п-0

п=1 п=2

Рис. 3. Представление почвы плоскослоистой средой с кусочно-линейным законом изменения влажности

Для определения величины коэффициента влагопроводности необходимо брать слой, непосредственно прилегающий к поверхности, а следовательно, и радиояркостные температуры на самых коротких длинах волн. Для проводимых нами измерений исиользовались длины волн 3,6 и 5 см, так как именно из этого слоя почвенная влага уходит непосредственно в атмосферу. Погрешность расчетов градиентов влажности по данным на длинах волн 3,6 и 5 см составила около 15-50 %, а на длинах волн 3,6 и 11 см около 5-20 % и для W(0) на тех же длинах волн около 4 %. Поэтому в дальнейшем градиенты рассчитывались с использованием значений радиояркостной температуры, полученных на длинах волн 3,6 и 11 см. Поскольку входящая в уравнение (1) вяагопроводность одной и той же почвы может изменяться более чем на порядок (в зависимости от ее сложения), то такая погрешность градиентов является вполне приемле-

мой. Толщина слоя, в котором определялись градиенты, составляла О,ОБОД 2Х, (толщина почвенного слоя 0,9-1,3 см) в зависимости от влажности.

Экспериментальные измерения проводились в летние сезоны 20032005 гг., всего выполнено 16 циклов испарения. На рис. 4 приведены динамика восстановленных по данным радиометрических измерений градиентов влажностей к и динамика поверхностной влажности ¡¥(0) в почвах с различным содержанием гумуса. Оба участка за сутки до начала измерений увлажнялись слоем воды около 13 мм. Измерения проводились при высоких температурах почвы (25-30 °С) и воздуха (27-31 °С), в малооблачную погоду, в период измерений осадков не наблюдалось. Поэтому в течение одних суток происходило быстрое изменение поверхностной влажности и градиентов влажностей.

Время, чч мм

а б

Рис. 4. Изменение градиентов влажности (а) и влажность поверхностного слоя (б) в процессе испарения почвенной влаги:

1 - почва с содержанием гумуса 0,6 % (образец № 2),

2 - почва с содержанием гумуса 6,6 % (образец № 1)

Проведенные нами этот и другие эксперименты показали, что богатые гумусом почвы имеют более значительные градиенты влажности, чем малогумусные образцы. Это связано с высокой пористостью богатой гумусом почвы, благодаря чему верхние слои высвобождаются от влаги быстрее, чем слои малогумусного образца. Разрыв капиллярных связей, происходящий в гумусных почвах при большей влажности, препятствует подтягиванию жидкой влаги к поверхности. В бесструктурных малогу-мусных почвах, обладающих более тонкими капиллярами, вынос жидкой влаги на поверхность происходит и при более низких влажностях, что приводит к высыханию почвы на большую глубину. Таким образом, вос-

становленные по данным радиометрических измерении градиенты влаж-ностей почв могут служить признаком различий в почвенной структуре, а следовательно, и качества почв.

В разделе 4.2 рассмотрена возможность оценки влагопроводности почв с применением радиометрического метода и уравнения Дарси (1).

Измерив поверхностную влажность почвы W(0) и градиент влажности радиометрическим методом, зная ОГХ данной почв, можно определить изменение влагопроводности в процессе уменьшения влажности, если независимым образом определить поток влаги на верхней границе почвы (испарение).

Применением метода водного баланса можно определить лишь интегральное испарение за один или несколько суток. Для определения текущего испарения, предполагалось, что в течение дня испарение изменялось по закону sin2. Моделирование ОГХ производилось методикой в соответствии с изложенной в разделе 3.4.

Результаты восстановленных влагопроводностей K(W) приведены на рис. 5, где маркерами показаны значения влагопроводности, рассчитанные из уравнения Дарси (1). а линией - результаты расчетов по модели Кучмента:

где _ 2-7-5.2-1Q-6ЯВ3-' 9~ IgHB-lgMr

•-¿ 0,2

£ bä

0,0 |=—-----------,-----,------

0,25 0,30 0,35

Ш(0), см3/см3

Рис. 5. Полученная по измеренным градиентам влажности зависимость влагопроводности от поверхностной влажности. 1 - модель Кучмента при ц = 4,50; 2 - эксперимент

Погрешность расчета К составляла 5-20 %. В модели значение д подбиралось методом наименьших квадратов для наилучшего согласования с расчетом. Подобранное значение д оказалось выше, чем получаемое

в модели q = 3,63 Это означает, что, по данным эксперимента, влагопро-водность падает с уменьшением влажности быстрее, чем это следует из литературных данных

В разделе 4 3 приведена оценка тепловых потоков и радиационного баланса по метеорологическим параметрам и данным дистанционных радиометрических измерений Для оценки тепловых потоков и суммарной радиации мы воспользовались уравнением теплового баланса В ходе эксперимента нами были измерены турбулентный поток тепла в атмосферу с помощью датчика акустического измерителя компонент скорости ветра, разработанного в Институте оптики атмосферы СО РАН, градиент термодинамической температуры в верхних слоях почвы, а также радио-яркостная температура на длинах волн 3,6 и 11 см Поток тепла в почву рассчитывали по уравнению Фурье Оценив испарение по уравнению (1), мы определили величину суммарной радиации по уравнению теплового баланса Эти данные согласуются со среднестатистическими данными для данной местности и времени года

В заключении сформулированы основные выводы по диссертационному исследованию, изложены перспективы дальнейших исследований в данной области

1 Представленный метод оценки градиентов влажности поверхностного слоя почв по данным многочастотных радиометрических измерений позволяет определить связи градиентов влажности, возникающих при испарении, с агрономическим качеством почв

2 Показано, что использование многочастотного радиометрического метода оценки градиентов влажности при проведении прямых измерений влажности позволяет определить некоторые гидрофизические свойства почв, в частности влагопроводность

3 Показано, что совместное применение микроволновых радиометров и акустической метеостанции, измеряющей поток тепла из почвы в атмосферу, позволяет оценить радиационный баланс.

4 Выявлена зависимость гидрологических констант (МГ, ВЗ, ВРК, НВ) от гранулометрического состава и содержания гумуса, причем для почв близких по генезису и минералогическому составу гидрологические константы достаточно точно могут быть выражены с помощью регрессионных уравнений

5 Установлена зависимость диэлектрической проницаемости связанной влаги от ее количества, характерная для почв, в которых связанная вода образует пленки, обволакивающие почвенные частицы

6 Установлена связь параметров рефракционной диэлектрической модели почв с агрофизическими показателями, что позволяет дистанционным радиометрическим методом восстановить влажность почв сельскохозяйственного назначения с изученными гидрофизическими характеристиками без проведения дополнительных диэлектрических измерений.

Результаты исследования отражены в следующих публикациях:

Публикации в журналах, утвержденных ВАК РФ:

1 Бобров П П, Бобров А П, Ивченко О А и др Определение диэлектрической проницаемости прочно- и рыхлоевязанной влаги на СВЧ с использованием емкостной модели диэлектрической проницаемости почв //Омский научный вестник 2003 №4 С 104-107 (авт -25%)

2 Бобров Л П, Ивченко О А, Кривальцевич С В Исследование почвенной структуры методом двухчастотной микроволновой радиометрии // Исследование Земли из космоса 2005 № 2 С 82-88 (авт - 33 %)

3 Бобров П П, Ивченко О А, Красноухова В Н и др Сопоставление гидрофизических и диэлектрических почвенных констант // Омский научный вестник 2006 №4 С 313-315 (авт -25%)

Научные статьи и материалы выступлений на конференциях:

1 Беляева Т А, Бобров А П, Бобров П П, Ивченко О А и др Влияние гранулометрического состава, гумуса и зольных загрязнений на излучательные и диэлектрические характеристики почв в микроволновом диапазоне // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса Материалы Всерос конф Москва, 10-12 ноября 2003 г / ИКИ РАН М , 2003 С 72 (авт - 16 %)

2 Афанасьев А Л, Бобров П П, Ивченко О А и др Оценка тепловых потоков при испарении с поверхности почв по метеорологическим параметрам и микроволновой радиометрии // Естественные науки и экология Межвузовский сб науч трудов Ежегодник. Омск Изд-во ОмГПУ, 2004 Вып 8 Кн 1 С 3-6 (авт - 25 %)

3. Бобров П П, Ивченко О А , Кривальцевич С В О возможности оценки качества почв микроволновым радиометрическим методом // Сб докл II Всерос конф «Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими средствами» 16-18 июня 2004 г СПб, 2004 Т 1 С 43-^6 (авт - 33 %)

4 Беляева Т А, Бобров А И, Бобров П П, Ивченко О А и др Влияние гранулометрического состава, гумуса и зольных загрязнений на излучательные и диэлектрические характеристики почв в микроволновом диапазоне // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов Сб науч статей М Полиграф сервис, 2004 С 333-339 (авт - 16 %)

5 Бобров П Л, Жиров П В, Ивченко О А и др Диэлектрические и излучательные характеристики почв, загрязненных нефрепродуктами и зольными выбросами ТЭЦ в СВЧ диапазоне // Тез докл Второй открытой

Всерос конф «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» Москва, 16-18 ноября 2004 г. М., 2004 С 182 (авт -16 %)

6 Бобров П П, Ивченко О А, Кривалъцевич С В и др Исследование гидрофизических свойств почв методом микроволновой радиометрии // Методологические основы преподавания физики в ОмГАУ Сб науч работ Омск- Изд-во ОмГАУ, 2004 С 15-18 (авт. - 25 %)

7 Ивченко О А Исследование основной гидрофизической характеристики почв с различным содержанием гумуса и зольным загрязнением // Естественные науки и экология Межвузовский сб науч трудов Ежегодник. Омск Изд-во ОмГПУ, 2005 Вып 9 Кн 1 С 7-11

8 Ивченко О А Диэлектрическая проницаемость и сорбционный потенциал связанной влаги // Сб тезисов Одиннадцатой Всерос науч конф студентов-физиков и молодых ученых Тез докл Екатеринбург Изд-во АСФ России, 2005. Вып 1 Т 1 С 386

9 BobrovP Р, Zhirov Р V.lvtchenkoO А идр Observed Effects of Humus, Salt Contents and Soil Contamination on the Microwave Emissxvity of Soils // Proc of 31 International Symposium on Remote Sensing of Environment, 22-24 June, Samt Petersburg, 2005 4 p [электронный ресурс] (авт - 25 %)

10 Mironov V L, Bobrov P P, Ivchenko OA et al Dynamic Radiobrightness for Drying Soils as a Function of Humus Content I I Proc of IGARSS'2005, Seoul, Korea, 2005. Vol П P 1127-1130 (авт -20%)

11 Бобров П П, Жиров П В, Ивченко О А и др Изменение диэлектрических и излучательных характеристик почв в СВЧ диапазоне при загрязнении нефтепродуктами и зольными выбросами ТЭЦ // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов Сб науч статей М «GRANP polygraph», 2005 Т II. С 243-249 (авт -16%)

12 Беляева Т А , Бобров А П, Бобров П П, Ивченко OA и др Релаксационные свойства компонент почвенных смесей // Третья Всерос открытая конф «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» Сб тез Москва, 14-17 ноября 2005 г /ИКИРАН М, 2005 С. 198 (авт -20%)

13 Беляева Т А, Бобров П П, Ивченко О А и др Зависимость диэлектрической проницаемости связанной воды в почвах от ее количества // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов Сб науч статей М ИКИ РАН, ООО «Азбука-2000», 2006 Вып 3 Т П С 281-286 (авт -25%).

14 Бобров П П, Ивченко О А, Кршалъцевич С В Исследование динамики градиентов влажности в поверхностных слоях почв с различным содержанием 1умуса дистанционным радиометрическим методом // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (СИБРЕСУРС-12-2006) Доклады 12-й Междунар науч -пракг конф Тюмень, 2-4 октября 2006 Томск САШ ВШ, Изд-во "В-Спекхр", 2006 С 447 (авт - 33 %)

15 Бобров П П, Миронов В Л, Ивченко О А и др Диэлектрическая спектроскопическая модель влажной почвы, использующая физические и гидрологические характеристики почв / Пр.-837Ф Красноярск Препринт института физики им Л В Киренского СО РАН 2006 16 с (авт - 20 %)

16 Бобров П П, Ивченко О А, Кривалъцевич С В и др Оценка градиентов влажности в поверхностных слоях разных типов почв с помощью многочастотного радиометрического комплекса // Четвертая Все-рос открытая конф. «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» Тез докл Москва, ИКИ РАН, 13-17 ноября 2006 г С 203 (авт -25 %)

17 Bobrov Р Р, Mironov V L Ivchenko О. A et al Microwave Spectroscopic Dielectric Model of Moist Soils Using Physical and Hyd-rological Characteristics as Input Parameters // Proc of2007 IEEE Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS'2007). 23-27 July, 2007, Barselona, Spam (авт - 25 %)

18 Beljaeva T A, Bobrov P P, Ivchenko О A Radiohydxophysical model of evaporation of soils moisture / XIV International Symposium Atmospheric and Ocean Optics Atmospheric Physics Abstracts - Tomsk- Institute of Atmospheric Optics SB RAS, 2007 P 213 (авт -33 %)

Подписано в печать 01 10 2007 Формат 60 х 84/16 Бумага офсетная Печать офсетная Уел печ л 1,5 Уч-изд л 1,5 Тираж 100 экз Заказ П-333

Издательство ОмГПУ Отпечатано в типографии ОмГПУ, Омск, наб Тухачевского, 14, тел /факс (3812) 23-57-93

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Глава 1. Гидрофизические и диэлектрические свойства почв.

Дистанционное изучение почв

ВВЕДЕНИЕ

1.1. СОСТАВ ПОЧВЫ

1.2. ВОДНО-ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВ 18 1.2Л. СВОЙСТВА ПОЧВЕННОЙ ВЛАГИ

1.2.2. ВЛАГОПРОВОДНОСТЬ. ИНФИЛЬТРАЦИЯ

1.2.3. КАПИЛЛЯРНО-СОРБЦИОННЫЙ ПОТЕНЦИАЛ

1.3. ИСПАРЕНИЕ ПОЧВЕННОЙ ВЛАГИ

1.4. МОДЕЛИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЧВ И ВЛИЯНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЙ

1.5. ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЧВОГРУНТОВ И РАДИОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ПОЧВ

1.5.1. ЯРКОСТНАЯ ТЕМПЕРАТУРА И КОЭФФИЦИЕНТ ИЗЛУЧЕНИЯ

1.5.2. УЧЕТ ВЛИЯНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ НЕРОВНОСТЕЙ

1.5.3. ДИСТАНЦИОННЫЕ РАДИОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ ПОЧВ

1.6. ВЫВОДЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ.

Глава 2. Методика проведения эксперимента

2.1. ОПИСАНИЕ ИССЛЕДУЕМЫХ ОБРАЗЦОВ ПОЧВОГРУНТОВ

2.2. ИЗМЕРЕНИЕ ОГХ

2.3. ИЗМЕРЕНИЕ МАКСИМАЛЬНОЙ ГИГРОСКОПИЧНОСТИ

2.4. ИЗМЕРЕНИЕ НАИМЕНЬШЕЙ ВЛАГОЕМКОСТИ

2.5. ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ФИЛЬТРАЦИИ

2.6. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ РАДИОМЕТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ И ИССЛЕДУЕМЫХ УЧАСТКОВ

2.7.КАЛИБРОВКА РАДИОМЕТРИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА И РАСЧЕТ РАДИОЯРКО-СТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ИССЛЕДУЕМЫХ УЧАСТКОВ

2.8. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ И ТЕМПЕРАТУРЫ ИССЛЕДУЕМЫХ УЧАСТКОВ

2.9. РАСЧЕТ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ РАДИОЯРКОСТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ

2.10 ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНЫХ УСТАНОВОК И МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ПОЧВ

2.11. МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДП ПОЧВ ПО МОДУЛЯМ КОЭФФИЦИЕНТОВ ОТРАЖЕНИЯ И ПРОХОЖДЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СЛОЯ. РАСЧЕТ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРЕНИЯ ДП

Глава 3. Исследование связи диэлектрических и гидрологических характеристик почв

ВВЕДЕНИЕ

3.1. СВЯЗИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И АГРОГИДРОЛОГИЧЕСКИХ КОНСТАНТ С ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИМ СОСТАВОМ И СОДЕРЖАНИЕМ ГУМУСА

3.2. ЗАВИСИМОСТЬ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ СВЯЗАННОЙ ВОДЫ ОТ ЕЕ КОЛИЧЕСТВА

3.3. СВЯЗЬ ПАРАМЕТРОВ РЕФРАКЦИОННОЙ МОДЕЛИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ С АГРОФИЗИЧЕСКИМИ КОНСТАНТАМИ

3.4. ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ ОГХ.

ВЫВОДЫ

Глава 4. Исследование свойств почв радиометрическим методом

ВВЕДЕНИЕ

4.1. ГРАДИЕНТЫ ВЛАЖНОСТИ И ИХ ДИНАМИКА В ПРОЦЕССЕ ИСПАРЕНИЯ И ИНФИЛЬТРАЦИИ В РАЗНЫХ ТИПАХ ПОЧВ

4.1.1. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ГРАДИЕНТОВ ВЛАЖНОСТИ ПРОФИЛЕЙ ПОЧВ С РАЗЛИЧНЫМ СОДЕРЖАНИЕМ ГУМУСА

4.1.2. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГРАДИЕНТОВ ВЛАЖНОСТЕЙ ПОЧВ С РАЗЛИЧНЫМ СОДЕРЖАНИЕМ ГУМУСА

4.2. ОЦЕНКА ВЛАГОПРОВОДНОСТИ И ИСПАРЕНИЯ МНОГОЧАСТОТНЫМ РАДИОМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

4.3. ОЦЕНКА ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ ПО МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИМ ПАРАМЕТРАМ И МИКРОВОЛНОВЫМ РАДИОМЕТРИЧЕСКИМ ДАННЫМ

ВЫВОДЫ.

Актуальность исследования.

Интенсивно развиваемые в последние годы аэрокосмические методы исследования Земли включают микроволновый радиометрический метод, обладающий рядом преимуществ - всепогодностью, более глубоким проникновением в исследуемую среду (по сравнению с оптическим методом), высокой информативностью и др. Только этим методом, в сочетание с математическим моделированием, может быть решена задача оперативной оценки динамики почвенной влаги на больших территориях и задача обновления баз данных почв. Это возможно благодаря зависимости радиоволновых свойств почв от количества и распределения влаги в поверхностном слое.

При дистанционном исследовании почв микроволновыми методами необходима информация о диэлектрических свойствах. Эти свойства значительно различаются у разных типов почв, что определяется в первую очередь различным содержанием связанной воды и ее диэлектрическими свойствами, различными в разных типах почв. Ввиду трудоемкости отбора почвенных образцов и измерений их диэлектрической проницаемости задача создания баз данных о диэлектрической проницаемости почв на больших территориях является практически нереализуемой.

В то же время хорошо изучены и известны для значительной части почв сельскохозяйственного назначения физические и гидрологические характеристики: гранулометрический состав, содержание гумуса, максимальная гигроскопичность, наименьшая полевая влагоемкость и др. Актуальной является задача создания такой диэлектрической модели, входными параметрами которой являлись бы агрофизические константы. За рубежом широко используется диэлектрическая модель Добсона, входными параметрами которой являются гранулометрический состав и плотность почвы. Однако эта модель, во-первых, не обеспечивает необходимой точности, так как построена на основе данных о свойствах только пяти почв, во-вторых, не учитывает содержание гумуса, который в значительной степени влияет на гидрофизические и диэлектрические свойства почв, в-третьих, непригодна к применению на территории России, так как основана на классификации почв, принятой в Американском департаменте сельского хозяйства (USDA), и отличающейся от российской классификации.

Дистанционный радиометрический метод перспективен также для оценки пространственного распределения потоков тепла и влаги из почвы в атмосферу -информации весьма необходимой для повышения достоверности климатических моделей. Однако существующие дистанционные методы оценки испарения основаны на измерении динамики влагосодержания тонкого поверхностного слоя за достаточно длительный период времени. Градиентные методы позволили бы определить испарение за короткие промежутки времени, поэтому актуальной задачей является разработка и верификация дистанционного метода определения градиентов влажности в поверхностном слое. Кроме того, градиенты влажности, возникающие при испарении почвенной влаги, отражают гидрофизические свойства почв, поэтому радиометрические карты почв, снятые на нескольких длинах волн, могут служить основой для оценки качества почв на больших территориях.

На основании проведенного обзора литературы поставлены цели и сформулированы задачи исследования. Целью исследования являлось:

1. Разработка метода определения параметров рефракционной диэлектрической модели по данным о гранулометрическом составе, содержанию гумуса на основе цикла проведенных лабораторных исследований диэлектрических и гидрофизических свойств почв тестовых участков территории Западной Сибири (Омская область), Восточной Сибири (Красноярский край) и Европейской части России (Курская область);

2. Разработка метода определения градиентов влажности в поверхностном слое на основе цикла проведенных дистанционных радиометрических измерений динамики радиояркостной температуры почв с известными диэлектрическими и гидрофизическими характеристиками на трех частотах микроволнового диапазона (2,7; 6,0 и 8,2 ГГц) в процессах испарения и инфильтрации. Определение возможностей радиофизического метода для оценки качества почв и потоков тепла и влаги. Задачи диссертационного исследования:

1. Разработать метод измерения градиентов влажности, влажности приповерхностного слоя, а также влагопроводности почв.

2. Определить возможности радиометрического градиентного метода в задачах исследования потоков тепла из почвы в атмосферу.

3. Исследовать динамику градиентов влажности в поверхностных слоях для разных типов почв при испарении и инфильтрации;

4. Исследовать взаимосвязь почвенных диэлектрических и гидрологических характеристик с гранулометрическим составом и содержанием гумуса;

5. Исследовать зависимость диэлектрической проницаемости связанной воды от ее количества в почве, а также от гидрологических свойств почв. Определить связь параметров диэлектрических моделей почвы с агрогидрологическими константами;

6. Определить модели основной гидрофизической характеристики (ОГХ) пригодные, для использования в комплексных гидро-радиофизических моделях;

Объектом исследования являются влажные почвы с различным содержанием гумуса и гранулометрическим составом. Положения, выносимые на защиту:

1. Дистанционный многочастотный радиометрический метод оценки градиентов влажности и влажности на поверхности почвы.

2. Метод расчета влагопроводности дистанционным многочастотным радиометрическим методом.

3. Методика определения диэлектрической проницаемости почв по рефракционной диэлектрической модели смеси с использованием агрофизических показателей почв в качестве входных данных. Практическая ценность работы заключается в возможности использования результатов для моделирования агрогидрофизических и диэлектрических характеристик почв по данным о гранулометрическом составе и содержании гумуса, а также для дистанционной оценки гидрологических характеристик дистанционным радиометрическим методом при отсутствии данных о диэлектрической проницаемости (ДП) исследуемых почв.

Разработанная методика дистанционных радиометрических измерений градиентов влажности и влажности поверхностного слоя перспективна для развития методики оценки величины испарения почвенной влаги.

Научная новизна результатов, полученных в ходе диссертационного исследования, состоит в следующем:

1. Разработан дистанционный многочастотный радиометрический метод оценки градиентов влажности и влажности на поверхности почвы.

2. Разработан метод расчета влагопроводности дистанционным многочастотным радиометрическим методом.

3. Впервые получены аналитические зависимости гидрологических характеристик и параметров спектроскопической рефракционной модели почв от гранулометрического состава и содержания гумуса.

4. Выявлена связь параметров спектроскопической рефракционной модели с агрофизическими константами.

5. Исследованы зависимости ДП связанной воды от ее количества в почвах с различным гранулометрическим составом и содержанием гумуса. Достоверность полученных результатов определяется

- согласием экспериментальных данных с расчетными;

- согласием ряда экспериментальных данных с данными, полученными другими исследователями;

- тщательным анализом погрешностей измерений.

Структура работы:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка используемой литературы. Общий объем диссертации составляет 170 страниц, включая 34 рисунка, 13 таблиц, 131 источник цитируемой литературы.

Выводы.

Нами установлено, что, используя радиометры на длины волн 3,6 и 11 см, возможно дистанционное измерение градиентов влажности в поверхностных слоях почв с точностью 5-20%. При этом целесообразно проводить радиометрические измерения градиентов почвенной влаги для почв, отличающихся по содержанию органических веществ, при W>Wt. Это объясняется тем, что при меньших влажностях W почвы с различным содержанием гумуса имеют близкие ДП на одних и тех же частотах. Таким образом, для дистанционного выявления различий в гидрофизических характеристиках почв необходимо проводить измерения радтяркостной температуры при значениях влажностей в поверхностных слоях около Wt, что соответствует 1-1,5 суткам с момента обильного полива, достаточного, чтобы влажность в слое, доступном для дистанционного зондирования, составляла не менее НВ. Тогда в процессе испарения возможно формирование градиента влажности, отражающего гидрофизические свойства почвы. Измерив испарение за 2-3 сутки методом водного баланса, можно оценивать влагопроводность почвы на момент проведения радиометрических измерений, т.е. изучать динамику влагопроводности при испарении почвенной влаги. Погрешность определения влагопроводности при таких условиях не намного превышает погрешность измерения градиента влажности и может составлять около 20%.

Оценивая тепловые потоки при испарении, мы пришли к выводу о том, что, проводя непосредственные измерения турбулентного потока тепла в атмосферу, градиента температуры в верхних слоях почвы с целью оценки потока тепла в почву, а также радиояркостной температуры в сантиметровом диапазоне для расчета величины испарения, можно проводить оценку радиационного баланса.

Заключение

1. Представлен метод оценки градиентов влажности поверхностного слоя почв по данным многочастотных радиометрических измерений, позволяющий определить связи градиентов влажности, возникающих при испарении, с агрономическим качеством почв.

2. Показано, что использование многочастотного радиометрического метода оценки градиентов влажности при проведении прямых измерений влажности позволяет определить некоторые гидрофизические свойства почв, в частности влагопроводность.

3. Показано, что совместное применение микроволновых радиометров и акустической метеостанции, измеряющей поток тепла из почвы в атмосферу, позволяет оценить радиационный баланс.

4. Выявлена зависимость гидрологических констант (МГ, ВЗ, ВРК, НВ) от гранулометрического состава и содержания гумуса, причем для почв близких по генезису и минералогическому составу гидрологические константы достаточно точно могут быть выражены с помощью регрессионных уравнений.

5. Установлена зависимость диэлектрической проницаемости связанной влаги от ее количества, характерная для почв, в которых связанная вода образует пленки, обволакивающие почвенные частицы.

6. Установлена связь параметров рефракционной диэлектрической модели почв с агрофизическими показателями, что позволяет дистанционным радиометрическим методом восстановить влажность почв сельскохозяйственного назначения с изученными гидрофизическими характеристиками без проведения дополнительных диэлектрических измерений.

1. Публикации автора

2. А 9 Бобров П. П., Ивченко О. А., Кривальцевич С. В. Исследование почвенной структуры методом двухчастотной микроволновой радиометрии // Исследование Земли из космоса. 2005. № 2. С. 82-88 (авт. 33 %).

3. А 10 Ивченко О. А. Диэлектрическая проницаемость и сорбционный потенциал связанной влаги // Сб. тезисов Одиннадцатой Всерос. науч. конф. студентов-физиков и молодых ученых: Тез. докл.: Екатеринбург: Изд-во АСФ России, 2005. Вып. 1. Т. 1. С. 386.

4. A 12 Mironov V. L., Bobrov P. P., Ivchenko O. A. et al. Dynamic Radiobrightness for Drying Soils as a Function of Humus Content // Proc. of IGARSS'2005, Seoul, Korea, 2005. Vol. II. P. 1127-1130 (авт. 20 %).

5. А 18 Бобров П. П., Ивченко О. А., Красноухова В. Н. и др. Сопоставление гидрофизических и диэлектрических почвенных констант // Омский научный вестник. 2006. № 4. С. 313-315 (авт. 25 %).

6. Ahuja L.R., Wendroth О., Nielson D.R. Relationship between the initial drainage of surface soil and average profile saturated hydraulic conductivity.// Soil Sciences Society of America Journal. 1993.- V. 57. - P. 19-25.

7. Bardati F., Solimini D. On the emissivity of layered materials.// IEEE Trans. Geoscience Remote Sensing. 1984. - V.GE-22 36. - N. - 4. - P. 374-376.

8. Burke E.J., Gurney R.J., Simmonds L.P., Jackson T.J. Calibrating a soil water and energy budget model with remotely sensed data to obtain quantitativeinformation about the soil.// Water Resources Res.-1997. V.33. - P. 16891697.

9. Burke E.J., Gurney R.J., Simmonds L.P., O'Neill P. E. Using a modeling approach to predict soil hydraulic properties from passive microwave measurement.// IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 1998. - V. 36. - P. 454-462.

10. Choudhury B.J., Schmagge T.J., Mo T. A parameterization of effective soil temperature for microwave emission.// J. Of Geophythical Research. 1982. -V. - 87.-N.C.2.-P. - 1301-1304.

11. Choudhyry B.J., Schmugge T.J., Chang A., Newton R.W. Effect of surface roughness on the microwave emission from soil.// Journal of Geophys. Research. 1979. - V. 84. - N. C.9. - P. 5699-5706.

12. Dobson M.C., UlabyF.T., Hallikainen M., El-Rayes M.A. Microwave dielectric behavior of wet soil. Part II: dielectric mixing models.// IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1985. - V.23. - N. 1. - P.35-45.

13. Galantowicz J.F., Njoku E.G. Estimating of soil-type heterogeneity effects in the retrieval of soil moisture from radiobrigtness.// IEEE Trans, on Geoscience and Remote Sensing. 2000 - V. 38. - N. 1. - P. 312-316.

14. Gusev Ye. M., Nasonova O.N. The land surface parameterization scheme SWAP: description and partial validation.// Global and Planetary Change. -1998.-V. 19.-N. 1-4.-P. 63-86.

15. Haley Gu Estimating soil conductivity water retention from readily available soil properties.

16. Jackson R.D., Idso S.B., Reginato R.J. Calculation of evaporation rates during the transition from energy-limiting to soil- limiting phases using albedo data.// Water Resources Research. 1976. - V. 12. -P. 23-26.

17. Jackson T.J., Bindlish R. Soil moisture experiments 2004 (SMEX04) polaremetrec scanning radiometer, AMSR-E and heterogeneous landscapes.// Proceed, of IGARSS' 05. Anchorage, USA. V. VII. - P.l 114-1117.

18. Jackson Т.J., Hsu A.Y. Soil moisture and TRMM microwave imager relationship in the southern great plains 1999 experiment.// IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2001. - V. 39. - N.8 - P. 1632-1642.

19. Jackson T.J., Schmugge T.J., O'Neill P.E. Soil water infiltration observation with microwave radiometers.// IEEE Trans, on Geoscience and Remote Sensing. September 1998. - V. 36. - N. 5. - P. 1376-1383.

20. Jaynes D.B., Talor E.J. Using soil physical properties to estimate hydraulic conductivity.// Soil Sciences Society of America Journal. V. 138. - N. 4. - P. 298-305.

21. Kong J.A., Lin S.T., Ching S.L. Microwave thermal emission from periodic surfaces// IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1984. -N.22. - N. 4 - P.377-382.

22. Lion Y.-A., Galantowicz J.F., England A.W. A land-surface process/radiobrightness model with coupled heat and moisture transport for prairie glassland.// IEEE Trans. Geosci. and Remote Sensing. July 1999. - V. 37.-N. 4.-P. 1848-1859.

23. Magnus Persson, Jon M. Wraith, Torleif Dahlin A small-scale matric potential sensor based on time domain reflectometry.// Soil Sciences Society of America Journal. 2006. - V 70. - N. 2. - P. 533-536.

24. Mattikalli N.M., Engman E.T., Ahuja L.R., Jackson T.J. Microwave remote sensing of soil moisture for estimation of profile soil property.// Int. J. Remote Sensing. 1998. - V. 19. - P. 1751-1767.

25. Mironon V.L. Spectral dielectric properties of moisture soils in the microwave band.// Proceed, of IGARSS' 04. Anchorage, USA. V. V. - P. 3477.

26. Mironon V.L., Bobrov P.P. Soil dielectric spectroscopic parameters dependence of humus content.//Proceed. oflGARSS' 03. Toulouse, France. -V. II.-P. 1106-1108.

27. Mualem Y. A new model for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated porous media.// Water Resources Research. 1976. - V. 12. - P. 513-522.

28. Njoku E.G., Kong J., Theory for passive microwave remote sensing of near-surfase soil moisture.//J. Geophys. Res. 1977. - V. 82. - P. 3108-3118.

29. Njoku E.G., Wilson W.J., Yueh S.H., Dinardo S.J. Observations of soil moisture using a passive and active low-frequency microwave airborne sensor during SGP99.// IEEE Trans. Geosci. and Remote Sensing. 2002 - V. 40. -N.12-P. 2659-2673.

30. Noborio R., Horton R., Tan C.S. Time domain reflectometry probe for simultaneous measurement of soil matric potential and water content.// Soil Sciences Society of America Journal. 1999. - N. 63. - P. 1500-1505.

31. Or. D., Wraith J.M. A new soil matric potential sensor based on time domain reflectometry.// Water Resour. Res. 1999. - N. 35. - P. 3399-3407.

32. Paloscia S., Macelloni G., Santi P., Ranzi г., Barontini S. Microwave radiometric measurements of hydrological parameters in mountain areas.// IEEE 2003

33. Rawls W.J., Gesh T.J. Estimating soil water retention from soil hydraulic properties and characteristics.// Advances in Soil Sciences. 1991. - V. 16. -P. 213-235.

34. Sadeghi A.M., Scott H.D., Waite W.P. Estimating soil water evaporation using radar measurements.// IEEE Trans, on Geoscience and Remote Sensing. 1988. - V. 26. - N. 4. - P. 490-493.

35. Schmugge T.L. Effect of texture on microwave emission from soil.// IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 1980. - V. GE-18. - N.4 - P. 353361.

36. Schneeberger К., Stamm С. Estimating soil hydraulic properties from time series of L-band measured water contents.// Proceed, of IGARSS'03. 2003. -V. 2.-P. 1175-1177.

37. Sellers P.J., Mintz Y., Sud Y.C., Dalcher A. A simple biosphere model (Sib) for use within general circulation models.// J. Atmos. sci. Mar. 1986. - V. 43.-P. 505-531.

38. Sharkov E.A. Passive microwave remote sensing of the Earth. Physical foundation. Chichester U.K. 2003. - 611 p.

39. Shi J., Jiang L. et. al. Physically based estimation of bare-surface soil moisture with the passive radiometers.// IEEE Trans, on Geoscience and Remote Sensing. 2006. - V. 44. - N. 11. - P. 3145-3150.

40. Shutko A. and other. Mixing formulas applied in estimation of dielectric and radiative characteristic of soil and grounds at microwave frequencies.// IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 1982. - V. GE-20. - N.l. - P. 29-31.

41. Ulaby F.T., Moore R.K., Fung A.K. Microwave remote sensing: Active and passive.// Theory to Application. 1986. - V. III.

42. Van de Griend A. A., O'Neill P. E. Discrimination of soil hydraulic properties by combined thermal infrared and microwave remote sensing.// Proceed, of IGARSS'86, Zurich. 1986. - V. SP-254 - P. 839-845.

43. Van Genuchten M. A cloused-form equation for predicting the hydraulic conductivity in unsaturated soil.// Soil Science. 1980. - V. 44. - P. 892-898.

44. Wang J.R., O'Neill P.E., Jackson R.D. Multifrequency measurements of the effects of soil moisture, soil texture and sarface roughness.// IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 1993. - V.21. - N. 1. - P. 44-50.

45. Wang J.R., Schmugge T.J. An empirical model for the complex dielectric permittivity of soils as a function of water content.// IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1980. - V. 18. - N. 4 - P. 288-295.

46. Wigneron J.P., Laguerre L., Kerr Y.H. A simple parameterization of the L-band microwave emission from rough agricultural soil.// IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2001. - V.39. - № 8. - P. 1697-1707.

47. Wilheit T.T. Radiative transfer in a planet stratified dielectric.// IEEE Trans, Geosci. and Remote Sensing. 1978. - V. GE-16. - P. 138-143.

48. Xue Y., Sellers P.J., Kinter J.L., Shukla J. A simplified biosphere model for global climate studies.//J. Clim. Mar. 1991. - V. 4. - P. 345-364.

49. Аверьянов C.B. Зависимость водопроницаемости почвогрунтов от содержания в них воздуха.// ДАН СССР, 1949. Т. 69. - № 2. - С. 141-145.

50. Бобров П.П. Исследование испарения, влажности и структуры поверхностного слоя почв дистанционными микроволновыми методами.// Почвоведение. 2000. - №5. - С. 574-578

51. Бобров П.П. Микроволновое зондирование почв юго западной Сибири.: дис. .доктор ф.-м. наук. Омск. 1999. 337 с.

52. Бобров П.П., Беляева Т.А., Кравцов Ю.А., Тихонов В.В. Исследование испарения с поверхности почв методом микроволновой радиометрии./ М.: Препринт. ИКИ РАН. Пр-2006. 1999. - 43 с.

53. Бобров П.П., Беляева Т.А., Шестопалов Ю.К., Щеткин И.М. Особенности сверхвысокочастотного излучения периодически неровных почв.// Радиотехника и электроника. 2000. - Т. 45. - №10. - С. 1178-1186.

54. Бобров П.П., Галеев О.В. Динамика радиояркостной температуры почв с различным содержанием гумуса.// Исследование Земли из космоса. -2001.-№4.-С. 66-72.

55. Богородский В.В., Козлов А.И., Тучков JI.T. Радиотепловое излучение земных покровов. JL: Гидрометеоиздат, 1977. 223 с.

56. Боярский Д.А., Тихонов В.В. Влияние связанной воды на диэлектрическую проницаемсть влажных и мерзлых почв./ М.: Препринт ИКИ РАН. Пр-2084,2003.-48с.

57. Боярский Д.А., Тихонов В.В. Учет диэлектрических свойств связанной воды при моделировании эффективной диэлектрической проницаемости влажных почв в СВЦ-диапазоне.// Радиотехника и электроника. 1998. -Т.43. №4. - С. 446-454.

58. Бреховских B.J1. Волны в слоистых средах. М.: Наука, 1973. - 343 с.

59. Будаговский А.И. Испарение почвенной влаги. М.: Наука, 1964. - 244 с.

60. Быховцев С.С., Комаров А.С. Простой статистический имитатор климата почвы с месячным шагом.// Почвоведение. 2002. - № 4. - С. 443-452.

61. Бэр Я., Заславский Д., Ирмей С. Физико-математические основы фильтрации воды. М.: Мир, 1971. - 447 с.

62. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв. М.: Агропромиздат, 1986. - 416 с.

63. Вериго С.А., Разумова П.А. Почвенная влага. Л.: Гидрометеоиздат, 1973.-327 с.

64. Воронин А.Д. Основы физики почв. М.: Издательство МГУ, 1986. - 244 с.

65. Воронин А.Д. Структурно-функциональная гидрофизика почв. М: Издательство МГУ, 1984. 204 с.

66. Воронин А.Д. Энергетическая концепция.// Почвоведение. 1990. - №2. -С. - 40-43.

67. ВоронинА.Д. Структурно-энергетическая концепция гидрофизических свойств почв и ее практическое применение.// Почвоведение. 1980. -№12. - С. 36-46.

68. Габуда С.П. Связанная вода. Факты и гипотезы. Новосибирск: Наука. Сибирское отделение, 1982. 160 с.

69. Гайкович К.П. Радиометрическое определение динамики температуры, теплового потока и параметров земной поверхности на основе решения термоэволюционных уравнений.// Исследование Земли из космоса. 1990 -№ 9-С. 71-78.

70. Глобус А. М. Почвенно-гидрофизическое обеспечени агроэкологических математических моделей. JI. - Гидрометеоиздат, 1978. - 472 с.

71. Глобус A.M. Физика неизотермического внутрипочвенного влагообмена. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. 279 с.

72. Глобус A.M. Экспериментальная гидрофизика почв. Л.: Гидрометеорологической издательство, 1969. - 355 с.

73. Глобус A.M., Туленинова O.K. Влияние длительности и характера землепользования на свойства обыкновенного чернозема.// Почвоведение. 2000. № 2. С. 220-223

74. Гусев Е.М. Испарение воды просыхающей почвой.// Почвоведение. -1998.-№8. -С. 921-926.

75. Гусев Е.М., Насонова О.Н. Параметризация тепловлагообмена в системе грунтовые воды-почва-растительный/снежный покров-атмосфера для территорий с континентальным климатом.// Почвоведение. 2001. - №6.-С.733-747.

76. Добровольский В.В. География почв с основами почвоведения. М.: Просвещение, 1976. 288 с.

77. Журавлева Л.Л. Упрощенный метод определения основной гидрофизической характеристики почв.// Гидрология и метеорология. 1978. - № 10. - С.104-108.

78. Ильин В.А., Сосновский Ю.М. Лабораторные исследования влияния засоления на диэлектрические свойства песка в СВЧ диапазоне волн.// Радиотехника и электроника. 1995. - Т. 40. №1. С. 48-54.

79. Качинский Н.А. Физика почв. В двух частях. М.: Высшая школа, 1970.

80. Квливидзе В.И., Краснушкин А.В., Злочевская Р.И. Свойства поверхностных пленок и слоев воды.// Поверхностные пленки воды в дисперсных структурах. М.: МГУ, 1988. С. 48-67.

81. Клещенко В.Н. Исследование диэлектрических свойств влажных и засоленных почвогрунтов при положительных и отрицательных температурах.: Дис. канд. физ.-мат. наук. Барнаул. -2002. 198 с.

82. Колева С. Зависимость между влажностью и потенциалом при различной плотности почв.// Почвознание и агрохимия. 1973. - №4. - С. 25-29.

83. Комаров С.А., Миронов B.JI. Микроволновое зондирование почв. Новосибирск: Научно-издательский центр СО РАН, 2000. - 289 с.

84. Комаров С.А., Миронов B.JL, Романова А.Н. Влияние засоленности на диэлектрическую проницаемость влажных почвогрунтов в микроволновом диапазоне.// Радиотехника и электроника. 2002. - Т. 47. - №6.- С. 700-705.

85. Королев А.В. Изменение физических свойств черноземов обыкновенных при длительном сельскохозяйственном использовании.// Почвоведение. -2002. №6. - С. 697-704.

86. Кочурова Н.Н. Водородные связи на поверхности воды. //Межведомственный сборник «Вода в биологических системах и их компонентах». Ленинград. Изд-во Ленинградского университета, 1983 г. С.152-156.

87. Кривальцевич С.В. Дистанционное зондирование деградированных почв. Дис.канд. ф.-м. наук. Омск. 2005. 162 с.

88. Кучмент Л.С., Демидов В.Н., Мотовилов Ю.Г. Формирование речного стока. М.: Наука, 1983. - 230 с.

89. Кучмент Л.С., Мотовилов Ю.Г., Старцева Моделирование влагоперено-са в системе почва-растительность-приземный слой атмосферы для гидрологических задач.// Водные ресурсы. 1989. - №2. - С. 32-39.

90. Лещанский Ю.И., Дробышев А.И. Электрические параметры песчано-глинистых грунтов в диапазоне УКВ и СВЧ в зависимости от влажности и температуры.// Проблемы распр. и дифракции эл. магн. волн. М.: МФТИ. 1995.-С. 4-28.

91. Лыков А.В. Тепломассобмен. М.: Энергия, 1978. 478 с.

92. Лыков А.В. Явления переноса в капиллярно-пористых телах. М.: Гос-техиздат, 1954. 295 с.

93. Мандрыгина В.Н. Диэлектрическая проницаемость почв с различным содержанием гумуса и влияние на нее гидрофобных и гидрофильных загрязнителей: Дисканд. ф.-м. наук. Омск. 2004. 165 с.

94. Метеорологическое зондирование подстилающей поверхности из космоса./ Под ред. К.Я. Кондратьева. Л.: Гидрометеоиздат, 1979. - 248 с.

95. Мироненко Е.В., Салимгареева О.А., Понизовский А.А., Чудинова С.М. Влияние гидрофобных жидкостей на водоудерживание и энергетическое состояние воды в почвах.// Почвоведение. 200. - №4. - С.436-470.

96. Мичурин Б.Н. Энергетика почвенной влаги. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. -136 с.

97. Мичурин Б.Н., Онищенко В.Г Влияние уплотнения на водные свойства почв.// Почвоведение. -1971. №5. - С. 32-39.

98. Мишон В.М. Гидрофизика. Воронеж: Издательство воронежского университета, 1979. - 306 с.

99. Мотовилов Ю.Г. Расчет основных гидрофизических характеристик по данным поченногидрологических констант.// Метеорология и гидрология. 1980. - №12.

100. Муромцев Н.А. Мелиоративная гидрофизика почв. Л.: Гидрометеоиздат, 1991.-80 с.

101. Муромцев Н.А., Чеботарев Ю.А. Об исследовании ОГХ почвы.// Почвоведение. 1985. - №2. - С. 156-159.

102. Нерпин С.В., Чудновский А.Ф. Физика почв. М.: Наука, 1967. 583 с.

103. Нерпин С.В., Чудновский А.Ф. Энергомассообмен в системе растение-почва-приземный воздух. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. - 358 с.

104. Павлова К.К., Калюжный И.Л. Исследование закономерностей переноса водяного пара при промерзании почв.// Труды ГГИ. 1982. - №284. - С. 3-14.

105. Подковко Н.Ф. Модель комплексной диэлектрической проницаемости почвргрунтов в диапазоне СВЧ.// Вопросы радиолектроники. Сер. общие вопросы радиолектроники. 1990. Вып. 1. - С. 73-80.

106. Полуэктов Р.А., Терлеев В.В. Моделирование водоудеоживающей способности почвы с использованием агрогидрологических характеристик.// Метеорология и гидрология. 2005. - № 12. - С. 98-103.

107. Попов А.Е., Шарков Е.А., Эткин B.C. Характеристики излучения влажных грунтов в СВЧ диапазоне.// Метеорология и гидрология 1974. -№10.-с. 49-57.

108. Почвоведение./ Под ред. И. С. Кауричева. М.: Агропромиздат. - 1989. -719 с.

109. Практикум по основам сельского хозяйства./ Под ред. И.М. Ващенко, -М.: Просвещение, 1991. 431 с.

110. Растворова О.Г. Физика почв. Практическое руководство. Л.: Издательство Ленинградского университета, 1983. - 193 с.

111. Реутов Е.А., Шутко A.M. Теоретическое исследование СВЧ- излучения однородно увлажненных засоленных почв.// Исследование Земли из космоса. 1990. - №3. - С. 73-81.

112. Реутов Е.А., Шутко A.M. Экспериментальное исследование СВЧ- излучения засоленных почв.// Исследование Земли из космоса. 1990. - №4. -С. 78-84.

113. Роде А.А. Основы учения о почвенной влаге. Водные свойства почв и передвижение почвенной влаги. Л.: Гидрометеорологическое издательство, 1965. - 663с.

114. Роде А.А., Смирнов В.Н. Почвоведение. М.: Высшая школа. - 1972. -470 с.

115. Роде А А Система методов исследования в почвоведении. Новосибирск, 1971. - 92 с.

116. Романов А.Н. Влияние минералогического состава на диэлектрические свойства дисперсных смесей в микроволновом диапазоне.// Радиотехника и электроника. 2003. - №5. - С. 537-544.

117. Романов А.Н. Влияние термодинамической температуры на диэлектрические характеристики минералов и связанной воды в микроволновом диапазоне.// Радиотехника и электроника. 2004. - Т. 49. - № 1. - С. 9195.

118. Романов А.Н. К вопросу о влиянии макроагрегатного состава на диэлектрические и радиоизлучательные свойства почв в микроволновом диапазоне.// Радиотехника и электроника. 2004. - Т. 49. № .- С. 1115-1117.

119. Ростов А.П.// Оптика атмосферы и океана. 1993. - Т. 6. - №1. - С. 102106.

120. Смагин А.В., Садовникова Н.Б., Назарова Т.В. и др. Влияние органического вещества на водоудерживающую способность почв.// Почвоведение. 2004. - №3. - С.312-321.

121. Смагин В.Н., Садовникова Н.Б., Мизури Маауиа Бен-Али. Определение основной гидрофизической характеристики почв методом центрифугирования.// Почвоведение. 1998. - № 11. - С. 1262-1370.

122. Сологубова Т.А. Собственное радиоизлучение и диэлектрические свойства малоувлажненных поев вна сверхвысоких частотах: Дис. . канд. физ-мат. наук. М.: 1987. 187 с.

123. Сологубова Т.А., Эткин B.C. К вопросу об учете свойств связанной влаги при дистанционном определении влажности почвы.// Исслед. Земли из космоса. 1985. - №4. - С. 112-115.

124. Справочник по климату СССР. Выпуск 17. Омская и Тюменская области. Часть 1. Солнечная радиация, радиационный баланс и солнечное сияние. Л.: Гидрометеорологическое исследование, 1966. - 105с.

125. Справочник физических констант горных пород./ Под ред. С Кларка. -М.:Мир, 1969. 544 с.

126. Судницын И.И. Закономерности передвижения почвенной влаги. М.: Наука, 1964. - 133с.

127. Судницын И.И. Новые оценки водно-физических свойств почв и влаго-обеспечения леса. М.: Наука, 1966. - 92с.

128. Фельдман Г.М. Передвижение влаги в талых и промерзших грунтах. -Новосибирск: Наука, 1988. 256 с.

129. Цейтлин Н.М. Антенная техника и радиоастрономия. М.: Сов. Радио. 1976.-352 с.

130. Чайлдс Э. Физические основы гидрологии почв. JL: Гидрометеоиздат. - 1973.-428 с.

131. Челидзе Т.Л., Деревянко А.И., Куриленко О.Д. Электрическая спектроскопия гетерогенных систем. Киев: Наукова думка, 1977. - 230с.

132. Шарков Е.А. Анализ и развитие релаксационных моделей диэлектрических свойств воды для задач дистанционного зондирования.// Исследование Земли из космоса. 1995. - №6. - с. 18-27.

133. Шутко A.M. СВЧ-радиометрия водой поверхности и почвогрунтов. М.: Наука, - 1986.- 190 с.