Измерение уровня удельного электросопротивления грунтов необходимо для: 

Удельное электрическое сопротивление измеряется по специальной методике, учитывая заданный интервал. В некоторых случаях, при значительном превышении уровня грунтовых вод глубины закладки фундамента, проба должна иметь гораздо меньший объем.   

В лабораторных условиях удельное электросопротивление рассчитывается по специальным формулам, а полученные в результате расчетов данные вписываются в протокол исследования. Для получения развернутых и детальных сведений о геологии исследуемого участка должно провести весь комплекс исследовательских работ как в полевых, так и в лабораторных условиях.

Геология участков бывает чрезвычайно сложной, вплоть до непредсказуемости. Качественное проведение всех необходимых мероприятий по исследованию свойств грунтов и характеристик природных вод возможно лишь с привлечением профессионалов, имеющих в своем арсенале специальное оборудование.

Чтобы предотвратить возникновение неприятных последствий в виде смещений, подтоплений или даже разрушений строений, необходимо со всей ответственностью подходить к расчетам фундамента и разработке проекта строительства, в том числе учитывая показатели удельного электрического сопротивления грунтов.

Оставьте заявку на определение сопротивления грунтов:

Зачем нужно знать удельное сопротивление грунта для заземления?

Удельное сопротивление грунта измеряется перед монтажом защитного или функционального контура заземления.Зачем это делать и что дают результаты измерения удельного сопротивления грунтов.

Основное влияние на величину сопротивления заземлителей оказывает верхний слой грунта на глубине до 25 м, поэтому при расчете и устройстве заземлений необходимо знать его удельное сопротивление. Наиболее важными факторами, влияющими на величину удельного сопротивления грунта, являются влажность и температура. На рисунках ниже приведены зависимости удельного сопротивления глины в зависимости от влажности и температуры:

В течение года в связи с изменением атмосферных и климатических условий содержание влаги в грунте и его температура изменяются, а следовательно, изменяется и удельное сопротивление. Наиболее резкие колебания удельного сопротивления наблюдаются в верхних слоях земли, которые зимой промерзают, а летом высыхают. Из данных измерений следует, что при понижении температуры воздуха от 0 до -10 °С удельное сопротивление грунта на глубине 0,3 м увеличивается в 10 раз, а на глубине 0,5 м – в 3 раза. 

где к = ( r ₂ – r ₁ )/( r ₂ + r ₁ ) – коэффициент неоднородности; r ₁ – удельное сопротивление верхнего слоя, ом ? м; r ₂ – удельное сопротивление нижнего слоя, Ом ? м; h - глубина верхнего слоя, м; l – длина заземлителя, м; d - диаметр заземлителя, м.

Для приблизительного расчета контура заземления можно применять средние удельные сопротивления разных грунтов:

Мы предлагаем монтаж  контура заземления и продаем элементы системы заземления по Киеве, Днепропетровске, Одессе, Виннице, Житомире,Днепре, Харькове, Полтаве.Доставка в любой город Украины.

Каталог радиолюбительских схем. Как точно измерить удельное сопротивление грунта?

Как точно измерить удельное сопротивление грунта?

Вопросам обеспечения электробезопасности в настоящее время придают исключительно большое значение. Данная статья посвящена измерению удельного электрического сопротивления грунта методом так называемого вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) земли.

Метод ВЭЗ был предложен и быстро получил широкое распространение в начале 20-х годов для геофизических целей. Практическая ценность метода ВЭЗ заключается в том, что, осуществляя исследования на поверхности земли, можно получить (с привлечением теории поля) глубинное поведение удельного электрического сопротивления изучаемого земного массива.

Известны различные устройства, схемы и установки для вертикального электрического зондирования земли, предназначенные для измерения удельного сопротивления грунта. Наибольшее распространение для предпроектных изысканий в электроэнергетике получила так называемая установка Бургсдорфа.

Она состоит (рис.1) из генератора стабилизированного электрического тока, например, из комплекта ИКС-1 или ИКС-50, микровольтметра с делителем напряжения и схемой замещения измеряемого сигнала собственным сигналом, например, из комплекта ИКС-1 или ИКС-50, двух потенциальных электродов М и N и двух токовых электродов А и В, которые перед зондированием должны быть погружены в землю. Электрод А должен находиться на равном расстоянии от электродов М и N, с тем чтобы наводимая им разность потенциалов на потенциальных электродах М и N равнялась нулю. Кроме того, между электродами А и М, а также А и N в земле не должно быть местных поверхностных включений с удельным электрическим сопротивлением, отличным от удельного электрического сопротивления земли, которые могут сделать разность потенциалов между потенциальными электродами отличной от нуля, что приведет к погрешности вертикального электрического зондирования земли. Недостатком рассматриваемой установки Бургсдорфа является погрешность, иногда значительная, возникающая при вертикальном электрическом зондировании земли в местах с местными поверхностными включениями с удельными электрическими сопротивлениями, существенно отличными от удельного электрического сопротивления зондируемой земли.

Автор статьи поставил перед собой задачу повышения точности вертикального электрического зондирования земли при наличии в верхнем слое грунта указанных выше неоднородных включений. В результате использования предлагаемого устройства резко повышается точность ВЭЗ земли. Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в установке Бургсдорфа функцию токового электрода А выполняют потенциальные электроды М и N, продолжающие одновременно выполнять и свою собственную функцию потенциальных электродов (рис.2). Ток на эти потенциальные электроды поступает от генератора через два резистора равного сопротивления.

Один из указанных резисторов присоединен одним своим концом к электроду М, а вторым – к одному из полюсов генератора стабилизированного электрического тока. Второй резистор присоединен одним своим концом к электроду N, а вторым – к тому же полюсу генератора стабилизированного электрического тока, к которому присоединен первый резистор. Сопротивление R каждого из резисторов должно удовлетворять выражению:

К <= (10000 – RB)/2,

где RB – сопротивление токового электрода В, Ом.

Удельное электрическое сопротивление с грунта определяют по известной формуле:

где AU – разность потенциалов между электродами М и N; MN – расстояние между электродами Ми N; NB – расстояние между электродами N и В.

Коструба С. Измерение удельного сопротивления грунта, предпроектные изыскания для сооружения заземляющих устройств // Новости электротехники. – 2003. – №1.

Конструктор № 7-8/2003

Что такое удельное сопротивление почвы? Определение и измерение удельного сопротивления почвы

Определение: Мера сопротивления, оказываемого почвой в потоке электричества, называется удельным сопротивлением почвы. Удельное сопротивление почвы зависит от различных факторов, таких как состав почвы, влажность, температура и т. Д. Как правило, почва неоднородна, и их удельное сопротивление зависит от глубины. Грунт с низким удельным сопротивлением хорош для проектирования системы заземления.Удельное сопротивление почвы измеряется в омметрах или ом-сантиметрах.

Удельное сопротивление почвы в основном зависит от ее температуры. Когда температура почвы выше 0º, ее влияние на удельное сопротивление почвы незначительно. При 0 ° вода начинает замерзать, и сопротивление увеличивается. Величина тока также влияет на удельное сопротивление почвы. Если величина тока, рассеиваемого в почве, велика, это может вызвать значительное высыхание почвы и повышение ее удельного сопротивления.

Удельное сопротивление почвы зависит от глубины. В нижних слоях почвы больше влаги и меньше удельное сопротивление. Если нижний слой содержит твердые и каменистые слои, то их удельное сопротивление может увеличиваться с глубиной.

Измерение удельного сопротивления грунта

Удельное сопротивление почвы обычно измеряется четырьмя методами измерения колышков. В этом методе четыре шипа, расположенные по прямой линии, вбиваются в почву на равном расстоянии. Между электродом C ₁ и C ₂ пропускается известный ток, и измеряется падение потенциала V между P ₁ и P ₂ .Ток I создал электрическое поле, пропорциональное плотности тока и удельному сопротивлению почвы. Напряжение V пропорционально этому полю.

Удельное сопротивление почвы пропорционально отношению напряжения V и тока I и задается как

Где ρ – удельное сопротивление почвы, а их единица – омметры. S – горизонтальное расстояние между шипами в м, а b – глубина захоронения в метрах.

Если измерение должно проводиться с использованием основного источника питания, разделительный трансформатор должен быть подключен между основным источником питания и испытательной установкой.Так что на результат это не повлияет.

Платформа для измерения и картирования удельного электрического сопротивления почвы в реальном времени с помощью автономного робота для точного земледелия.

(Базель). 2020 Янв; 20 (1): 251.

Поступило 30.10.2019 г .; Принято 2 декабря 2019 г.

Abstract

Удельное электрическое сопротивление почвы (ER) является важным показателем для косвенного определения физических и химических свойств почвы, таких как влажность, засоленность, пористость, уровень органического вещества, объемная плотность и текстура почвы. В этом исследовании система измерения ER в реальном времени была разработана с помощью автономного робота. Целью этого исследования является быстрое измерение ER на больших площадях с использованием четырехзондового метода измерения Веннера для точного земледелия.Платформа измерения ER состоит из датчиков Веннера, переключателя осей y с приводом от двигателя постоянного тока через редуктор, все они установлены на стальной раме, которая крепится к автономному роботу. Встроенный промышленный компьютер и дифференциальная глобальная система позиционирования (DGPS) использовались для помощи в измерении, записи, картировании и отображении ER и положения робота в режиме реального времени во время полевых работ. Программное обеспечение для сбора данных было написано в Microsoft Visual Basic.NET. Полевые эксперименты проводились в 1.2 га сельхозугодий. Значения ER и DGPS хранились в базе данных Microsoft SQL Server 2005, использовался обычный метод интерполяции Кригинга от ArcGIS, и средние значения ER были нанесены на карту для глубины почвы от 0 до 50 см. В результате наблюдались значения ER от 30,757 до 70,732 Ом-м. В заключение, экспериментальные результаты показали, что разработанная система достаточно хорошо работает в полевых условиях, а платформа для измерения ER является практическим инструментом для обеспечения измерений ER почвы в реальном времени.

Ключевые слова: почва, удельное электрическое сопротивление почвы, автономный робот, измерение в реальном времени, точное земледелие, картографирование

1. Введение

Удельное электрическое сопротивление почвы является важным показателем для косвенного определения свойств почвы при производстве растений, поскольку подходящие почвенные условия и вода являются жизненно важными источниками для роста корней растений и транспорта растворенных веществ, включая питательные вещества и удобрения [1]. Знание удельного сопротивления почвы – ценные данные при определении состава почвы; такие как, например, влажность [2], соленость [3], пористость [4], уровень органического вещества [5], объемная плотность [6] и текстура почвы [7].

Исследования почвы обычно выполняются для определения свойств почвы, которые включают исследование верхнего и нижнего слоев почвы, такое как физическое картирование, отбор проб почвы и лабораторные испытания. Для исследования недр обычно проводятся отбор проб почвы и лабораторные исследования. В частности, скважинный метод широко используется для определения свойств грунта из-за его хорошей точности данных, полученных с помощью прямого метода испытаний. Однако у этого метода есть несколько трудностей и ограничений, таких как высокая стоимость, трудоемкость и недостаточность данных для огромных сельскохозяйственных угодий.В этом контексте геофизические методы дают возможность преодолеть некоторые проблемы, присущие более традиционным методам исследования почвы для определения характеристик структуры почвы в более крупных пространственных и временных масштабах [8]. Почва сильно коррелирована и может быть определена количественно с помощью геоэлектрических свойств [9]. Более того, удельное сопротивление почвы является важным свойством, которое является геоэлектрической величиной, которая измеряет, как почва снижает электрический ток, протекающий через нее.

Состав почвы является одним из наиболее важных факторов, влияющих на ее свойства, и имеет неоднородную структуру, состоящую из твердой, жидкой и газовой фаз.Твердая и жидкая фазы являются определяющим фактором электрического сопротивления почвы и поведения электрических полей [10]. Измерение ER проводилось в конце 19 века путем погружения двух зондов в почву и измерения падения напряжения между двумя зондами, которые пропускают в почву определенный ток. В этом методе результаты измерений были неверными, поскольку он по сути включает сумму удельного сопротивления почвы и контактного сопротивления между зондом и почвой [11]. Веннер [12] предположил, что четырехконтактный метод измерения ER для минимизации вкладов вызван проблемами контакта грунта и зонда.Измерение ER проводилось четырехзондовым методом в исследованиях почвы с 1931 года для оценки влажности почвы [13,14] и засоления [15,16] в полевых условиях. С тех пор все измерения ER почвы, применяемые в почвоведении, по-прежнему основываются на стандартном четырехзондовом методе.

В методе с четырьмя зондами Веннера система состоит из четырех зондов, которые расположены на одинаковом расстоянии (а) друг от друга для измерения видимого ER почвы [17]. Внешние датчики (C1 и C2) используются в качестве источника тока (I) для подачи тока в почву, а внутренние датчики (P1 и P2) используются в качестве источника напряжения для измерения разности напряжений (V) между внутренними датчиками [ 12].Сопротивление Веннера (RW) между внутренними датчиками рассчитывается делением напряжения на ток. Конфигурация Веннера показана на. Кажущийся ER почвы ( ρ _E ) с этой конфигурацией рассчитывается по формуле (1):

ρE = 2 ∗ π ∗ a ∗ RW

(1)

где: ρ _E = измеренное кажущееся удельное сопротивление грунта (Ом-м), a = расстояние между зондами (м), R _W = сопротивление Веннера (Ом). Четыре зонда погружаются в исследуемый грунт на глубину не более 1/20 расстояния между зондами.Измеренное кажущееся значение ER почвы представляет собой среднее удельное сопротивление почвы на глубине, эквивалентной расстоянию « a » между двумя датчиками. Глубину измерения можно изменить, изменив расстояние между зондами.

Конфигурация Веннера с четырьмя датчиками.

Сегодня сельскохозяйственное производство осуществляется на огромных сельскохозяйственных угодьях, и данные ER должны собираться полностью автоматически, чтобы сделать точную оценку сельхозугодий. Более того, измерение удельного сопротивления почвы в режиме реального времени важно для картирования пространственной неоднородности сельскохозяйственных угодий для точного земледелия.Полезным подходом к исследованию свойств почвы является использование ближайших измерений почвы, которые сочетают почвенные датчики и методы анализа данных для получения данных о почве с высоким разрешением на огромных сельскохозяйственных угодьях [18]. Две портативные системы используются для измерения удельного сопротивления или проводимости почвы в реальном времени в сельскохозяйственных исследованиях – система на основе контакта электрод-почва и система бесконтактной электромагнитной индукции (ЭМ). Veris (Veris Technologies, Inc., Салина, Канзас, США) с шестью датчиками сошников, расположенными по методу Веннера, является наиболее важной контактной системой электрод-почва, которую можно использовать для получения нескольких измерений ER, представляющих различные глубины в сельском хозяйстве [19].ARP (автоматическое профилирование удельного сопротивления, Geocarta, Франция) – еще одна контактная система электрод-грунт на основе Веннера, используемая для сбора и обработки в реальном времени как данных удельного электрического сопротивления, так и информации GPS [20]. Другой – EM38 (Geonics Ltd., Миссиссауга, Онтарио, Канада), который является наиболее широко используемой бесконтактной электромагнитной системой в сельском хозяйстве [21]. Система на основе контакта электрод-грунт имеет то преимущество, что не требует настройки пользователя и измеряет различную глубину грунта [22]. С другой стороны, бесконтактная ЭМ-система легче по весу, меньше по размеру и, следовательно, проще в обращении [23].

Измерение ER почвы в реальном времени является важным критерием для точного исследования почвы и может обеспечить непрерывные измерения для определения временных переменных и структуры почвы на огромных сельскохозяйственных угодьях. Целью данного исследования является разработка и применение системы измерения ER почвы в реальном времени на основе четырехзондового метода Веннера с помощью автономного робота для точного земледелия. Наконец, для тщательной оценки процесса измерения представлены результаты полевых исследований для определения компонентов вариации в процессе измерения ER почвы в реальном времени.

2. Материалы и методы

Основная цель разработанной системы состоит в том, чтобы измерить кажущуюся ER почвы и нанести ее на карту. Система состоит из четырех основных частей:

1. Измерительная платформа с четырьмя датчиками Веннера: она прикреплена к автономному роботу и перемещается вертикально, погружая датчики Веннера в почву. Зонды Веннера прикреплены к подвижной платформе для мгновенного измерения кажущихся значений ER почвы.

2. Автономный робот и алгоритмы рулевого управления: Автономный робот – это четырехколесный робот, который управляется с помощью четырех двигателей постоянного тока.Используется дифференциальный рулевой механизм. Им можно управлять как автономно, так и вручную [24].

3. Система сбора данных: Система используется для сбора данных с цифрового мультиметра и приемника DGPS на измерительной платформе для процесса хранения и отображения.

4. Разработка программного обеспечения: Программное обеспечение используется для хранения данных, полученных с электронных приборов, и для создания подходящих файлов базы данных для картографической программы.

2.1. Четырехзондовая измерительная платформа на основе Веннера

Разработанная измерительная система представлена ​​на рис. Платформа для измерений изготовлена ​​из нержавеющей стали. Некоторые части платформы были изготовлены из стальной трубы квадратного сечения 30 × 30 × 3 мм. Механическая структура измерительной системы состоит из двух частей, называемых Н-образной несущей сеткой и измерительной платформой Веннера. Для вертикального перемещения измерительной системы была построена Н-образная несущая сетка с использованием двух квадратных стальных труб 30 × 30, 910 мм и трех квадратных стальных труб 30 × 30, 800 мм.Затем эта сетка была прикреплена к автономному роботу. Н-образная сетка удерживала систему измерения Веннера. Н-образная решетка имеет две стальные линейные направляющие, регулируемые 30-миллиметровыми направляющими валами линейного рельса и опорными блоками. Длина линейных направляющих 910 мм. Был использован линейный привод, состоящий из шарико-винтовой передачи 30 × 850 мм, приводимый в действие двигателем постоянного тока 24 В, 500 Вт, 1440 об / мин, который был соединен с редуктором 1:40 для вертикального перемещения. Двигатель постоянного тока устанавливался на Н-образной несущей решетке.К Н-образной несущей решетке крепилась прямоугольная U-образная выдвижная платформа размером 740 × 400 мм. Шарико-винтовая передача с гайкой с квадратным фланцем установлена ​​на задней части выдвижной платформы. Шариковый винт был соединен с этой квадратной гайкой с фланцем. Затем измерительная платформа Веннера была соединена с этой прямоугольной U-образной выдвижной платформой.

Развитая система измерения. ( а ) Технический чертеж измерительной платформы в натуральную величину; ( b ) полностью разработанная измерительная платформа; ( c ) полноприводный сельскохозяйственный робот с системой измерения Веннера.

На измерительной платформе Веннера есть четыре зонда Веннера. Четыре стальных зонда Веннера были линейно установлены на измерительной платформе Веннера с интервалом 500 мм для измерения средних кажущихся значений ER почвы в диапазоне 0–500 мм. Изоляционные кольца волокна использовались для обеспечения электрической изоляции между платформой и зондами. Зонды Веннера имеют диаметр 12 мм и длину 25 мм. Длина зонда должна составлять 1/20 расстояния между зондами. Расстояние между зондами можно изменять для измерения кажущегося сопротивления ЭВ почвы на разных глубинах.Каждый зонд был подключен к изолированному одножильному кабелю. Кабели датчиков C1 и C2 подключаются непосредственно к 24-вольтовой батарее для подачи электрического тока в почву. Кабели датчиков P1 и P2 подключены к мультиметру для измерения разности потенциалов между датчиками в почве. Система также может измерять сопротивление грунту проникновению.

2.2. Автономный робот и алгоритмы рулевого управления

Полноприводным сельскохозяйственным роботом, который используется в этом исследовании, можно управлять как автономно, так и вручную.Для управления роботом в полевых условиях были выбраны четыре резиновых колеса 2,50 × 17. Имеет дифференциальный рулевой механизм. В этой системе может быть создана разница в скорости между правым и левым колесами робота. Чтобы мобильный робот двигался по прямой, скорости всех колес должны быть одинаковыми. Если скорости левого и правого колес различаются, робот поворачивается в сторону медленных колес. Когда правое и левое колеса вращаются друг напротив друга, мобильный робот может вращаться на 360 градусов в том месте, где он находится.Робот приводится в действие четырьмя двигателями постоянного тока 24 В, 0,25 кВт, 1440 об / мин, которые соединены с редуктором 1:10. Каждое колесо робота было независимо соединено с агрегатами мотор-редуктор, установленными на шасси робота. Таким образом, крутящий момент, создаваемый двигателями, может полностью передаваться на колеса. Вес робота с батареями и измерительной системой составляет примерно 150 кг, а максимальная скорость составляет 20 км / ч. Два трехканальных блока управления двигателями постоянного тока RoboteQ FDC3260 (Roboteq Inc., Скоттсдейл, Аризона, США) использовались для управления роботом путем изменения скорости и направления двигателей.Две необслуживаемые герметичные аккумуляторные батареи 12 В-90 Ач использовались в качестве источника питания робота и другого оборудования. Кроме того, две батареи были подключены последовательно, чтобы обеспечить 24 В для двигателей постоянного тока.

Чтобы управлять мобильным роботом как вручную, так и автономно, программа навигации была написана в Visual Studio.NET 2015 с использованием языка Visual Basic.NET. Эта программа была впервые написана автором для полноприводных роботов в 2015 году [24] и преобразована в полноприводных роботов для этого исследования.Однако алгоритм навигации такой же. Схема автономного привода мобильного робота приведена в. Блок-схема механизма управления квадрантом приведена в.

Блок-схема автономного привода мобильного робота.

Блок-схема механизма управления квадрантами.

В алгоритме автономного наведения разница углов рассчитывается с использованием углов курса и азимута. Таким образом, робота можно направить в желаемом направлении. После этого рассчитывается расстояние между местоположением робота и целевым местоположением.Наконец, когда угол курса равен азимутальному углу, а расстояние равно нулю, робот прибывает в желаемое место. При управлении квадрантом шкала компаса используется для определения квадранта, в котором находилась текущая точка. Рассчитанный азимутальный угол помог определить квадрант, в котором находилась целевая точка [24].

2.3. Система сбора данных

Система сбора данных описана для двух процессов. Первая – это автономная система управления роботом, а вторая – система измерения кажущейся ER почвы.В этом исследовании промышленный универсальный компьютер с сенсорным экраном Lilliput PC-700 (Zhangzhou Lilliput Electronic Technology Co., Фуцзянь, Китай) использовался для управления всем электронным оборудованием, установленным на роботе, и обмена данными между ними. В автономной системе рулевого управления для сбора географических данных использовался приемник Promark 500 RTK-GPS (Magellan Co., Санта-Клара, Калифорния, США). Эти данные использовались для определения географического положения (широта, долгота, скорость, время и т. Д.) Робота. Кроме того, приемник RTK-GPS использовался для определения места измерения видимого ER почвы для картирования.Цифровой компас Honeywell HMR3200 (Honeywell International Inc., Шарлотт, Северная Каролина, США) использовался для получения точного угла курса робота для навигационного программного обеспечения. Портативный цифровой мультиметр Protek 506 (MCS Test Equipment Ltd., Денбигшир, Великобритания) использовался для измерения напряжения между датчиками Веннера P1 и P2. Два трехканальных блока управления двигателем постоянного тока RoboteQ FDC3260 использовались для управления рулевым управлением робота, а также перемещением измерительной платформы Веннера. Протокол RS232 использовался для подключения промышленного компьютера и других электронных устройств.

2.4. Разработка программного обеспечения

Программа была разработана с использованием языка программирования Microsoft Visual Basic.NET 2015 для автономного и ручного управления роботом и измерения видимых значений ER почвы. Он использовался для управления роботом и измерительной системой, мониторинга данных телеметрии, хранения всех данных в базе данных и подготовки подходящего файла для картографического программного обеспечения ArcGIS. Программа состоит из двух частей: навигационного программного обеспечения () и измерения удельного сопротивления почвы ().

Измерение удельного сопротивления грунта.

В программе навигации файл путевой точки может быть загружен из базы данных в программу. Таким образом, путевые точки могут использоваться для управления роботом от точки к точке для автономного управления. Каждая путевая точка включает значение долготы (X2) и широты (Y2), которое является местоположением целевой точки, которая будет измерена. Есть два важных угла для навигации робота: угол курса робота и азимутальный угол целевой точки. Угол курса робота берется с электронного компаса HMR3200 с помощью навигационного программного обеспечения.Кроме того, азимутальный угол постоянно рассчитывается навигационным программным обеспечением. Кроме того, расстояние между положением робота (X1, Y1) и целевой позицией (X2, Y2) рассчитывается программным обеспечением. Эти расчеты показаны в.

В части измерения удельного сопротивления почвы контролируется ток, подаваемый на датчики C1 и C2, и напряжение, измеряемое датчиками P1 и P2. Кроме того, сопротивление Веннера (Rw) вычисляется мгновенно во время измерения с использованием полученного тока и измеренных значений напряжения.Все данные мгновенно сохраняются в базе данных SQL Server 2005. ArcObjects SDK 10 Microsoft .NET Framework использовался для подготовки и отображения карт ER почв с помощью интерфейса ArcMap в ArcGIS.

2,5. Экспериментальное поле и сбор данных

Полевые эксперименты проводились в Сельскохозяйственном научно-исследовательском институте Баты Акдениз в Аксу, Анталия, Турция (36 ° 56′34,46 ″ северной широты и 30 ° 53′04,10 ″ восточной долготы). Опытное поле имеет площадь 1,2 га и находится на высоте 35 м над уровнем моря.На этом поле кукурузный силос был собран 25 июля 2019 года. Тип почвы – илисто-глинистый, темно-коричневого цвета, состоит из 18% песка, 40% ила и 42% глины. Содержание органического вещества 1,4%. Насыпная плотность почвы составляла 1,29 г / см ³ , содержание воды составляло 6,8%, а среднее значение сопротивления грунту проникновению составляло 1,62 МПа в диапазоне от 0 до 20 см. Экспериментальное поле показано в.

Во время исследования в экспериментальном поле робот автономно управлялся в 72 различных географических точках, и средние кажущиеся значения ER почвы были собраны для глубины 0–50 см.В этой системе автономный метод измерения с остановками и остановками использовался для измерения кажущихся значений ER почвы на больших сельскохозяйственных угодьях. Метод «стоп-энд-гоу» – это остановка робота во время измерения. В этом методе сельскохозяйственный робот идет к первой точке измерения и останавливается, выполняет измерение и переходит к следующей точке измерения. В этой процедуре цифровая карта экспериментального поля с высоким разрешением была перенесена в картографическое программное обеспечение ArcGIS 10.5 для определения точек измерения на больших сельскохозяйственных угодьях.Таким образом, всего 72 различных путевых точки GPS были случайным образом определены для автономного управления роботом к точке измерения. Все путевые точки были сохранены в базе данных. После этого сельскохозяйственный робот управлялся от точки к точке для измерения видимого значения ER в почве. Все данные измерений были сохранены в базе данных SQL Server 2005 с помощью программного обеспечения для измерения удельного сопротивления почвы.

3. Результаты

В этом исследовании данные, полученные для всех измеренных точек, были импортированы в базу данных Microsoft SQL Server 2005 и нанесены на карту с помощью ArcGIS 10.5 картографическое программное обеспечение. В ArcGIS для создания контурной карты использовалась обычная интерполяция Кригинга, которая позволяет прогнозировать кажущиеся значения ER почвы в других частях экспериментального поля для отбора проб.

Выбор типа интерполяции кригинга для использования зависит от характеристик пространственных данных. Свойства почвы могут пространственно различаться от точки к точке. Как и большинство физических свойств почвы, она неоднородна и по удельному электрическому сопротивлению. В связи с этим в данном исследовании использовалась обычная интерполяция Кригинга.Простой кригинг основан на теории стационарности. Это означает, что среднее значение и дисперсия остаются постоянными и известны во всех местах. С другой стороны, обычный кригинг – это метод пространственной оценки и линейный геостатистический метод, который предполагает, что среднее значение может варьироваться в исследуемой области и не остается постоянным. Универсальный кригинг используется для оценки пространственных средних значений, когда данные имеют сильный тренд. Это означает, что тренд зависит от масштаба. Кажущиеся данные ER почвы могут отображать тенденции для небольших географических областей, но в масштабе огромных сельскохозяйственных угодий нет тенденции, которую можно было бы смоделировать с помощью простых функций.По этим причинам простые и универсальные интерполяции кригинга не были выбраны для данного исследования.

Краткое описание метода, используемого для интерполяции кригинга, приведено в. Гистограмма кажущихся значений ER почвы приведена на рис. Как видно из, минимальное значение ER почвы составляет 30,757 Ом-м, а максимальное значение – 70,732 Ом-м. Значения асимметрии и эксцесса были равны -0,14091 и 1,7091 соответственно. Из-за того, что значение асимметрии находится между -1 и -0,5, данные достаточно искажены.Это означало бы, что данные образца для видимого ER почвы приблизительно симметричны. Значение эксцесса низкое (<3). Это означает, что данные слегка пластичны, в данных отсутствуют выбросы, а экстремальные значения меньше, чем у нормального распределения.

Гистограмма кажущихся значений удельного электрического сопротивления почвы.

Таблица 1

Обычный график QQ был использован для отображения квантилей разницы между предсказанными и измеренными значениями и соответствующими квантилями из стандартного нормального распределения. Как видно из, ошибки кажутся нормально распределенными, даже несмотря на то, что на графике есть небольшая, возможно, изогнутая тенденция. Ошибки прогноза обычного метода Кригинга приведены в.

Нормальный график QQ (квантиль – квантиль) стандартизованной ошибки.

Таблица 2

Ошибки прогноза обычного метода Кригинга.

Чтобы получить интерполяцию кажущихся значений ER почвы, карта кажущейся ER почвы на экспериментальном поле была интерполирована с использованием обычного подхода Кригинга.Карта интерполяции приведена в. Кроме того, карта Вороного исследования приведена в. Замечено, что значения ER на левой стороне карты выше, чем на правой стороне, когда карта просматривается визуально. Это также хорошо видно на карте Вороного исследования. Если измеренные точки расположены близко друг к другу, кажущиеся значения ER почвы примерно однородны. Однако, когда расстояние между точками увеличивается, однородность уменьшается.

Карта интерполяции почвы ER.

Карта кабинета Вороного.

4. Обсуждение

Кажущиеся значения ER почвы зависят от нескольких параметров, таких как размер почвы, пористость и содержание воды. Хант [25] указал, что удельное электрическое сопротивление колеблется от 1,5 Ом-м и ниже для влажных глинистых грунтов до более 2400 Ом-м для массивных и твердых коренных пород ().

Таблица 3

Значения ER для различных типов почв.

В литературе мало исследований измерение кажущейся ER почвы с помощью мобильной платформы Веннера.Тем не менее, в области почвоведения проводились исследования автономного определения удельного электрического сопротивления почвы различных типов почв. Giao et al. [26] измерили удельное электрическое сопротивление более 50 образцов глинистого грунта, собранных в лаборатории по всему миру. Исследователи также измерили удельное электрическое сопротивление более 50 образцов почвы, взятых из разных мест в Южной Корее. В результате они сказали, что песчаный грунт имеет удельное сопротивление выше 10 Ом-м, илистый грунт имеет удельное сопротивление от 5 до 10 Ом-м.Juandia и Syahril [27] измерили удельное сопротивление почвы в 25 точках на исследуемой территории, используя конфигурацию Schlumberger. Тип почвы – илисто-песчаный. Они сообщили, что среднее удельное сопротивление грунта колеблется от 33 до 40,5 Ом-м. Росси и др. [28] исследовали возможность использования датчика постоянного тока с непрерывным профилированием удельного сопротивления на ходу в прецизионном виноградарстве. Авторы использовали автоматический динамический измеритель удельного сопротивления постоянного тока (ARP, автоматическое профилирование удельного сопротивления. Geocarta, Париж, Франция) в трех слоях почвы (V1 = 0–0.5, V2 = 0–1 и V3 = 0–2 м глубина) на территории виноградника. Тип почвы – Инцептизол. Авторы сообщили, что значения ER почвы варьировались от 3–151 Ом-м для глубины 0–0,5 м, 30–511 Ом-м для глубины 0–1 м и 9–750 Ом-м для глубины 0–2 м. Ли и Юн [29] исследовали теоретическую связь между скоростью упругой волны и удельным электрическим сопротивлением. Авторы измерили скорость упругих волн и удельное электрическое сопротивление в нескольких типах грунтов, включая песок, илистый песок, илистую глину, ил и смесь глины и песка, и для измерения использовался датчик электрического сопротивления с температурной компенсацией.По словам авторов, удельное электрическое сопротивление находилось в диапазоне 1,23–2,17, 1,08–1,91, 1,01–1,40, 0,33–0,44 и 6,39–7,14 Ом-м в порядке упомянутых выше типов почвы. Merritt et al. [30] разработали методику измерения и моделирования зависимости удельного электрического сопротивления мелкозернистых ненасыщенных грунтов на основе глины и электрической анизотропии. Измерения удельного сопротивления почвы проводились для четырех различных типов почв: илисто-глинистый, мелкий песок, глинисто-песчаный ил и алевролит.Результаты показали примерно в диапазонах 10–100, 100–150, 50–800, 100–10000 Ом-м. Авторы сообщают, что удельное сопротивление почвы увеличивается с уменьшением влажности. Kim et al. [31] оценили влияние свойств почвы и электропроводности на калибровку рефлектометра содержания воды для почв, покрытых свалками. С этой целью измерения электропроводности были выполнены для набора из 28 почв, которые имеют различную структуру почвы, с использованием высокочастотного рефлектометра во временной области (TDR).Авторы сообщают, что почвы с большим содержанием глины или органических веществ имеют более высокую электропроводность, чем почвы с илами и песками. Это означает, что значения ER глинистых почв должны быть низкими.

Традиционный отбор проб почвы производится скважинным методом для определения физических, химических или биологических свойств почвенного слоя в лабораторных условиях. В этом методе должна выполняться лабораторная калибровка почвенного ER с влажностью почвы. Однако лабораторная калибровка может не дать правильного соотношения между влажностью почвы и электрическим сопротивлением для реальных условий почвы [32].С другой стороны, в области точного земледелия автономное и непрерывное измерение кажущейся ER почвы имеет некоторые преимущества, такие как быстрое измерение и низкая стоимость картографирования как горизонтальной, так и вертикальной пространственной изменчивости на больших сельскохозяйственных угодьях. Кроме того, в этой системе не требуется настройка или калибровка пользователем. Системы Veris и ARP были разработаны для достижения этих преимуществ и измерения удельного сопротивления или проводимости почвы в качестве мобильных устройств для точного земледелия.Стоимость базовой системы Veris составляет 11 500 долларов США [33]. Однако в литературе нет информации о системе ARP. Однако Andrenelli et al. [34] сообщили, что ежедневная стоимость использования системы ARP составляет 3000 евро. В предлагаемой нами системе исследование проводилось в рамках проекта, и общий бюджет для всей системы составлял 8000 долларов США.

И ARP, и система Veris представляют собой измерительные платформы полунавесного типа, которые крепятся к трактору или любому другому транспортному средству, например квадроциклу. В этом контексте эти системы нуждаются в системе тяги и, по крайней мере, в одном операторе для их работы.К тому же эти системы не легкие и обладают малой маневренностью. С другой стороны, преимущества разработанной системы очевидны: простота изготовления, компактная измерительная система с роботом, легкий вес, низкие производственные и эксплуатационные расходы, высокая маневренность и автономное использование.

Это исследование проводилось на илисто-глинистой почве с использованием разработанной нами измерительной системы. В этом исследовании кажущиеся значения ER почвы были измерены между 30,757 и 70,732 Ом-м. Результаты измерений показали сходство с упомянутой выше литературой для илисто-глинистых почв [25,27,30].В дополнение к нашим результатам, чтобы полученные кажущиеся значения ER почвы были более значимыми, сопротивление проникновению почвы должно быть одновременно измерено и коррелировано с содержанием влаги и насыпной плотностью почвы [35,36,37,38,39,40,41,42 ]. Во время полевых работ отказов в электромеханической части, в части сбора данных и в программном обеспечении системы не обнаружено. Результаты экспериментов показали, что наша измерительная система подходит для приложений точного земледелия на основе карт.

5. Выводы

В этом исследовании была представлена ​​новая конструкция системы измерения видимого ER почвы в реальном времени и ее возможности картирования для приложений точного земледелия на основе карт.Хотя лабораторный анализ обычно является надежным методом определения большинства свойств почвы, измерения в реальном времени для мониторинга свойств почвы имеют преимущества и преимущества для приложений точного земледелия. Метод измерения кажущейся ЭО почвы постоянным током является одним из простейших геофизических методов и до сих пор широко используется из-за его простоты в использовании, не требует калибровки и относительно простой интерпретации во всех инженерных исследованиях. Однако мобильная измерительная платформа Веннера на основе роботов не встречается в сельскохозяйственной литературе.Кажущаяся карта ER почвы, созданная разработанным программным обеспечением, может быть полезным источником для приложений точного земледелия в различных областях. Для исследователей сбор, анализ и интерпретация данных с сельскохозяйственных угодий всегда были трудными, трудоемкими и утомительными исследованиями в сельскохозяйственных приложениях. Результаты исследования показывают, что использование этой системы важно для научных исследований и профессионального применения почвоведения.

Благодарности

Мы очень благодарны техническим специалистам Технического училища Университета Акдениз за их сотрудничество и усилия по поддержке эксперимента.

Вклад авторов

İ.Ü. отвечал за администрирование проекта, концептуализацию, обработку данных, формальный анализ, методологию, программное обеспечение и написание оригинального проекта. OK. отвечал за финансирование приобретения, исследования, ресурсы, проверку и визуализацию. С.С. отвечал за надзор, финансирование и написание – рецензирование и редактирование. Все авторы прочитали и согласились с опубликованной версией рукописи.

Финансирование

Эта работа финансируется Отделом координации научно-исследовательских проектов Университета Акдениз (номер проекта: FBA-2017-1980).

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Ссылки

Оценка удельного электрического сопротивления латеритной почвы, обработанной осадком кальцита, обработанной микробами

Получение химических свойств за счет удельного электрического сопротивления почвы

Омар Фарук Мурад

Департамент гражданского строительства, Всемирный университет Бангладеш, Дакка, 1207, Бангладеш

Для корреспонденции: Омару Фаруку Мураду, Департамент гражданского строительства, Всемирный университет Бангладеш, Дакка, 1207, Бангладеш.

Авторские права © 2012 Научно-академическое издательство. Все права защищены.

Аннотация

На удельное электрическое сопротивление почвы в значительной степени влияют форма частицы почвы, наличие влаги в почве, химические свойства почвы и наличие органических материалов в почве.Химические свойства почвы, такие как pH почвы, емкость катионного обмена (CEC), засоленность почвы, могут быть эффективно определены по удельному электрическому сопротивлению почвы. Основным принципом определения химического сопротивления почвы через удельное электрическое сопротивление является либо измерение тока, протекающего между датчиками, который обратно пропорционален сопротивлению почвы, когда к одному из двух датчиков, помещенных в почву, подается постоянное напряжение, либо для прямого измерения удельного электрического сопротивления с помощью электромагнитных волн разной частоты в почве.С этой целью для измерения электрических свойств почвы использовались методы собственного потенциала (SP), четырехэлектродный зондовый метод, электрическое профилирование (EP), вертикальное электрическое зондирование (VES) и бесконтактное электромагнитное профилирование (NEP).

Ключевые слова: Химические свойства почвы, электрическое сопротивление почвы, связь между химическими свойствами почвы и электрическим сопротивлением

Цитируйте эту статью: Омар Фарук Мурад, “Получение химических свойств за счет электрического сопротивления почвы”, Журнал исследований гражданского строительства , Vol.2 No. 6, 2012, pp. 120-128. DOI: 10.5923 / j.jce.20120206.08.

1. Введение

Определение химических свойств почвы очень важно как для строительства, так и для сельского хозяйства. Чтобы адекватно охарактеризовать разные типы грунтов для основания сооружений, необходимо накопить достаточный объем данных о химических свойствах грунтов. Обычные методы анализа почвы в основном требуют взбалтывания почвы, взятия образцов почвы и их анализа в лаборатории.Электрогеофизические методы, такие как собственный потенциал (SP), метод с четырьмя электродами, электрическое профилирование (EP), вертикальное электрическое зондирование (VES) и бесконтактное электромагнитное профилирование (NEP), позволяют быстро измерять электрические свойства почвы, такие как электропроводность, удельное сопротивление непосредственно с поверхности почвы на любую глубину без нарушения почвы.

2. Химические свойства почвы

2.1. pH

pH почвы известен как «реакция почвы», он указывает на кислотность или щелочность почвы.pH воды влияет на растворимость ионов почвы, что напрямую влияет на рост микробов и растений. Типичный диапазон pH для почвы составляет 4,0–9,0, но 6,0–6,8 идеально подходит для большинства сельскохозяйственных культур, поскольку это диапазон pH оптимальной растворимости наиболее важных питательных веществ для растений. Большинство тяжелых металлов и некоторые второстепенные элементы более растворимы при более низком pH.

2.2. Емкость катионного обмена (CEC)

CEC – это мера способности почвы обменивать ионы. Глина и органическое вещество почвы поставляют отрицательные заряды, противоположности притягиваются, поэтому любой элемент с положительным зарядом притягивается и удерживается.Катионы обладают способностью обмениваться на другой положительно заряженный ион с поверхности глинистых минералов и органических веществ.

Другой термин, который используется в связи с CEC, – это насыщение основанием, которое относится к элементам, которые являются основными или щелочными в их реакции. Эти основные элементы – это в основном калий, магний и кальций. Также могут присутствовать небольшие количества натрия и аммония. Водород является элементом с положительным зарядом и действует как катион, однако почвы со значительным насыщением водородом являются кислыми или имеют более низкий pH.

2.3. Засоление почвы

Термин «засоление» относится к присутствию основных растворенных неорганических растворенных веществ (в основном Na ⁺ , Mg ⁺⁺ , Ca ⁺⁺ , K ⁺ , Cl ^– , SO ₄ , HCO ₃ ^–, NO ₃ и CO ₃ ) в водных пробах. Применительно к почвам он относится к растворимым и легко растворяющимся солям в почве или, с практической точки зрения, в водном экстракте образца почвы.Соленость измеряется количественно с точки зрения общей концентрации таких растворимых солей или, что более практично, с точки зрения электропроводности раствора, поскольку они тесно связаны [1].

3. Удельное электрическое сопротивление почвы

Удельное сопротивление почвы является критическим фактором при проектировании систем, измеряющих степень сопротивления почвы потоку электричества. В зависимости от влажности, температуры и химического состава значение удельного сопротивления почвы может варьироваться в широких пределах.Типичные значения:

1). Обычные значения: от 10 до 1000 (Ом · м)

2). Исключительные значения: от 1 до 10000 (Ом · м)

Удельное электрическое сопротивление почвы может быть получено с помощью низкочастотного переменного тока, при котором ток прикладывается в двух местах, а разность потенциалов измеряется между двумя точками, где определяется разность потенциалов, в физике означает разность напряжений. Согласно этому же способу вместо переменного тока может применяться постоянный ток, вызывая, таким образом, наведенную поляризацию в подповерхностных объектах, при этом оператор подсчитывает, сколько времени сохраняется разность потенциалов после того, как ток снят, с целью идентификации крупных подземных проводников.Эти вышеупомянутые средства считаются активными, поскольку оператор наводит ток в землю с целью измерения разности потенциалов. Удельное сопротивление почвы широко варьируется во всем мире и резко меняется на небольших площадях. Удельное сопротивление почвы в основном зависит от типа почвы (глина, сланец и т. Д.), Содержания влаги, количества электролитов (минералов и растворенных солей) и, наконец, температуры.

3.1. Основные формулы для измерения удельного электрического сопротивления почвы

При обсуждении удельного электрического сопротивления используются четыре основных формулы: ток, плотность тока, закон Ома и удельное сопротивление.Ток определяется зарядом в столбцах за заданный период времени в секундах, где ток представлен как I, столбцы – в q, а время – как t.

(1)

Плотность тока – это величина тока, протекающего через определенную область, в которой плотность тока представлена ​​aj, а площадь представлена ​​A.

( 2)

Закон Ома – это соотношение напряжения, сопротивления и тока.Впервые это представил немецкий физик Георг С. Ом. В этой формуле термин V представляет напряжение, а R представляет сопротивление.

(3)

Удельное сопротивление – это отношение сопротивления, площади и тока, которое записывается как:

(4)

3.2. Подходящее место для проверки удельного электрического сопротивления почвы.Есть две проблемы, которые могут вызвать низкое качество показаний:

4. Методы

Для получения химических свойств почвы с использованием удельного электрического сопротивления можно эффективно использовать несколько процессов.Это:

1). Собственный потенциал (SP)

2). Метод четырехэлектродного зонда

3). Вертикальное электрическое зондирование (ВЭС)

4). Электрическое профилирование (EP)

5). Бесконтактное электромагнитное профилирование

Методы вертикального электрического зондирования (VES) и электрического профилирования (EP) позволяют измерять удельное электрическое сопротивление или проводимость почвы на любой глубине, когда на поверхности искусственно создается постоянное электрическое поле. Методы VES и EP, а также лабораторный метод измерения удельного электрического сопротивления в образцах почвы основаны на четырехэлектродном принципе, но значительно различаются по длине и расположению электродных решеток, что делает эти методы пригодными для различных применений.Методами ВЭЗ, ЭП и СП оцениваются параметры стационарных электрических полей в почвах. Все методы стационарного электрического поля требуют заземления электродов на поверхности почвы; поэтому измерения с помощью этих методов можно проводить только на сельскохозяйственных полях, в сельской местности или в лаборатории на образцах почвы. Методы электромагнитной индукции (EM), бесконтактное электромагнитное профилирование (NEP) и георадар (GPR) вводят в почвы электромагнитные волны различной частоты.EM, NEP и GPR оценивают свойства нестационарных электромагнитных полей в почвах. Все методы нестационарных электромагнитных полей мобильны. Эти методы не требуют физического контакта с поверхностью почвы и позволяют измерять удельное электрическое сопротивление или проводимость в почвах, покрытых твердым покрытием. Метод NEP, который мы использовали в этом исследовании, был специально разработан в России для изучения окружающей среды на мелководье [2].

4.1. Метод самопотенциала (SP)

Метод самопотенциала (SP) измеряет естественно существующие стационарные электрические потенциалы в почве.Он основан на измерении естественных разностей потенциалов, которые обычно существуют между любыми двумя точками на земле. Эти потенциалы связаны с электрическими токами в почве. В нашем исследовании нас особенно интересует измерение электрических потенциалов, создаваемых в почвах в результате процесса почвообразования и движения воды / ионов. Электрические потенциалы в почвах, глинах, мергелях и других водонасыщенных и ненасыщенных отложениях можно объяснить такими явлениями, как ионные слои, электрофильтрация, разность pH и электроосмос.Процессы почвообразования могут создавать электрически изменяющиеся горизонты в профилях почвы. Еще одно возможное экологическое и инженерное применение метода собственного потенциала – изучение движения подземных вод [3]. В методе SP используются два электрода (ведомый и ведущий), потенциометр и соединительный провод. В традиционной геофизике предлагаются два метода измерения: фиксированная база (или полное поле) и градиент (или чехарда). Мы использовали метод неподвижного основания, чтобы получить распределения электрических потенциалов в профилях почвы.Измерения проводились на стенках карьеров открытого грунта. Базовый или ведомый электрод постоянно устанавливали в месте с высоким потенциалом, обычно в аллювиальном, влажном, мелкозернистом или засоленном горизонте почвы. Для получения карт электрического потенциала использовалась градиентная техника. Использование неполяризующих электродов обязательно, когда метод SP применяется в исследованиях почвы и окружающей среды. Неполяризующий электрод состоит из металлического элемента, погруженного в раствор соли того же металла с пористой мембраной между раствором и почвой (Corwin and Butler, 1989).Из-за легкого разрушения мембраны и утечки электродного раствора мы использовали прочные неполяризующие электроды (углеродные стержни из разряженных электрических ячеек.

4.2. Четырехэлектродный метод зонда

Все методы электросопротивления, применяемые в геофизике. и почвоведение основаны на стандартном четырехэлектродном принципе, предложенном Веннером в 1915 г. для минимизации проблем с контактом грунта с электродами. Четырехэлектродный принцип проиллюстрирован на лабораторной кондуктометрической ячейке (рис. 1).Ячейка представляет собой прямоугольную пластиковую коробку с токовыми электродами A и B в виде латунных пластин на меньших сторонах. Потенциальные электроды M и N представляют собой латунные стержни в середине длинной стороны ячейки. Постоянный ток (I) подается на два внешних электрода (A и B), и возникающая разность потенциалов (Δu) измеряется между двумя внутренними электродами (M и N). Удельное электрическое сопротивление (ER) рассчитывается по закону Ома как,

(5)

, где K – геометрический коэффициент (м), зависящий от расстояния между электродами, Δ U – разность потенциалы (мВ), а I – величина тока (мА).Геометрический коэффициент для ячейки получается из калибровочных растворов с известным удельным сопротивлением (проводимостью). Образец почвенной пасты или суспензии помещается в ячейку для измерения удельного электрического сопротивления по показаниям напряжения и тока. Конструкция ячейки, показанная на рисунке 1, обеспечивает индукцию статического однородного электрического поля в ячейке. Поле накладывается на однородный образец почвы для точного измерения удельного электрического сопротивления образца. Изменение во времени и разница в удельном электрическом сопротивлении меньше 0.5% при измерении в одном и том же образце почвы ячейками с разным расстоянием между электродами. Измерения в четырехэлектродной лабораторной ячейке были использованы для установления взаимосвязи между различными свойствами почвы и электрическим сопротивлением.

Рисунок 1 . Схема четырехэлектродной лабораторной кондуктометрической ячейки. Линии электрического поля показаны тонкими прямыми линиями (однородное электрическое поле)

Существует другой процесс получения ER почвы, в котором используются четыре электродных зонда, но в другой конфигурации.

Рисунок 2 . Схема, показывающая метод электросопротивления с массивом из четырех электродов: два токовых электрода ( c 1 и c 2) и два потенциальных электрода ( p 1 и p 2), модифицированные из Rhoades and Halvorson 1977 [ 6]. когда электроды расположены на равном расстоянии от до , как показано, электродная решетка называется решеткой Веннера

Фрэнк Веннер в США для оценки наземного ER [4].Конфигурация электродов называется решеткой Веннера, когда четыре электрода расположены на равном расстоянии друг от друга по прямой линии на поверхности почвы, причем два внешних электрода служат в качестве токовых или передающих электродов, а два внутренних электрода служат в качестве потенциальных или принимающих электродов (рис. . 2; [5]). Глубина проникновения электрического тока и объем измерения увеличиваются по мере увеличения расстояния между электродами, a . Для однородной почвы измеренный объем почвы составляет примерно π a 3.Часто используются дополнительные конфигурации электродов, как обсуждали Добрин (1960), Телфорд и др. (1990) и Бургер (1992).

Методы измерения удельного электрического сопротивления и ЭМ хорошо подходят для полевых приложений, поскольку их объемы измерений велики, что снижает влияние изменчивости в локальном масштабе. Однако ER – это инвазивный метод, который требует хорошего контакта между почвой и четырьмя электродами, вставленными в почву; следовательно, он дает менее надежные измерения в сухих или каменистых почвах, чем неинвазивное измерение ЭМ.Тем не менее, ER обладает гибкостью, которая оказалась полезной для применения в полевых условиях, то есть глубину и объем измерения можно легко изменить, изменив расстояние между электродами. Кроме того, измерения EC _a с ER линейны по глубине, в отличие от измерений EC _a , которые являются функцией функции отклика, взвешенной по глубине. Это позволяет легко рассчитать EC _a для дискретного интервала глубины почвы с помощью матрицы Веннера путем измерения EC _a последовательных слоев для увеличения расстояния между электродами и с использованием следующего уравнения [6]:

(6)

, где a _i – межэлектродное расстояние, равное глубине отбора проб, a _{i – 1} – предыдущее расстояние между электродами, которое равно глубине предыдущего отбора проб, а EC _x – кажущаяся электрическая проводимость почвы для определенного интервала глубин.Электромагнитная индукция также может измерять EC _и на переменных глубинах, определяемых высотой ЭМ-прибора над поверхностью почвы, но глубину проникновения определить не так просто, как для ER. В отличие от ER, глубинное профилирование EC _a с EM математически сложно ([7], [8], [9]). Измерения EC _и на переменных глубинах с помощью ЭМ обычно достигаются путем размещения прибора ЭМ на поверхности почвы в вертикальном (EMv) или горизонтальном (EMh) дипольном режиме, который измеряет глубину до 0.75 и 1,5 м соответственно.

4.3. Электрическое профилирование (EP)

В полевых условиях можно создать однородное статическое электрическое поле для измерения удельного электрического сопротивления или проводимости почвы на месте. Однако большинство современных геофизических методов, таких как четырехэлектродное профилирование и вертикальное электрическое зондирование, применяют к почвам неоднородное электрическое поле через точечные электроды (рис. 2). Удельное электрическое сопротивление, измеренное этими методами, называется кажущимся или объемным удельным сопротивлением, чтобы отличать его от удельного сопротивления, измеренного в лаборатории в однородных образцах с однородным электрическим полем.Метод электрического профилирования основан на том же четырехэлектродном принципе, что и кондуктометрическая ячейка (рис. 2). Электрическое поле распределено в объеме почвы, размер которого можно оценить по расстоянию между электродами AMNB. Геометрический фактор ( K ) может быть точно получен из геометрии массива на основе закона распределения электрического поля. Используя уравнение Лапласа в полярных координатах, Келлер и Фришкнехт (1966) вывели функции электрического потенциала вокруг электродов источника (A и B) и измерительных (M и N) электродов.Геометрический коэффициент K может быть получен для центрального симметричного четырехэлектродного массива конфигурации AMNB (Рисунок 2) как

(7)

, где [ AM ], [ AN ] и [ MN ] – расстояния (м) между соответствующими электродами.

Рисунок 3. Схема четырехэлектродного метода. Линии электрического поля показаны тонкими криволинейными линиями (неоднородное электрическое поле)

Массивы различной геометрии подходят для различных применений.Для измерения удельного электрического сопротивления стенок открытых грунтовых ям использовались расположенные на одинаковом расстоянии решетки ( AM = MN = NB = a ) в конфигурации Веннера с небольшими расстояниями и от 2 до 6 см. Массивы с и от 15 до 80 см применялись для картирования боковых изменений удельного электрического сопротивления на поверхности почвы. Электродная решетка перемещается по исследуемой линии, и электрические измерения приводят к получению горизонтального профиля кажущегося сопротивления. Окончательные результаты включают значения кажущегося подземного сопротивления из измеренных местоположений.Результаты могут быть нанесены в виде линий профиля или контурных карт (карта удельного сопротивления изоплет) или в других представлениях в соответствии с конкретными потребностями. Этот метод более точен, чем электромагнитное профилирование, но более медленный и более трудоемкий.

4.4. Вертикальное электрическое зондирование (ВЭЗ)

Вертикальное электрическое зондирование (ВЭЗ). Аналогично методу электрического профилирования, основано на четырехэлектродном принципе. Набор VES состоит из серии комбинаций электродов AMNB с постепенно увеличивающимся расстоянием между электродами для последующих комбинаций.Глубина зондирования увеличивается с расстоянием между электродами A и B. Результатом измерений VES с центрально-симметричными решетками является кажущееся (объемное) электрическое сопротивление как функция половины расстояния между токовыми электродами, то есть ER = f ( AB / 2 ) (Beck, 1981). Связь между ER и AB / 2 может быть преобразована в соотношение между удельным электрическим сопротивлением и фактической глубиной почвы с помощью компьютерной интерпретации.

Поздняков и др. . (1996a) разработали программы для интерпретации VES почвы на основе обновленной R-функции [10]. Мы модифицировали традиционный метод VES для адекватной оценки горизонтов почвы, разработав специальные наборы с меньшими расстояниями между электродами. Другие модификации традиционного метода включали уменьшенные размеры и вес электродов, группы с фиксированными расстояниями между электродами и автоматический коммутатор для комбинаций электродов. Оборудование с такими характеристиками позволяет измерять подробный профиль VES в течение примерно 15 минут в одном месте.

4.5. Бесконтактное электромагнитное профилирование

Традиционные методы ЭМ затрудняют фокусировку на цели, находящиеся на глубине менее 5 м, и могут обеспечить только локальные измерения электропроводности или удельного сопротивления. С другой стороны, большинство георадиолокационных систем, хотя и генерируют непрерывные электрические профили, могут исследовать только верхний измеритель или около того, когда в почве присутствуют соли или глинистые минералы. Следовательно, во многих приложениях существует диапазон глубин, в котором ни традиционные электромагнитные, ни георадарные системы не подходят.Преимущества метода NEP заключаются в том, что он автоматически записывает непрерывные профили удельного электрического сопротивления и позволяет легко изменять расстояние между катушками для исследования различных глубин почвы. Генератор постоянно возбуждает электромагнитное поле через две излучающие антенны. Антенны образуют передающую катушку через почву. Параметры вторичного электрического поля, создаваемого в почве, принимаются приемной катушкой и автоматически записываются в графическом виде непрерывного профиля удельного электрического сопротивления в блоке приемно-регистрационного блока.Оборудование NEP работает на задаваемых пользователем частотах основного электромагнитного поля в диапазоне от 12,5 до 14,5 кГц. Из-за низкой частоты свойства создаваемого электромагнитного поля аналогичны свойствам стационарного электрического поля, создаваемого методами постоянного тока (ВЭС и ЭП). Таким образом, мы можем легко изменять глубину электромагнитного профилирования, изменяя расстояние между излучающей и приемной антеннами. Минимальная глубина 0,4 м может быть исследована методом на 5 м.

Все методы, использованные в этом исследовании, имеют разные преимущества и ограничения. Следовательно, ни один метод нельзя априори рекомендовать как универсальный для всех почвенных приложений. Три метода стационарных (SP, EP и VES) и один метод нестационарных электрических полей (NEP) были испытаны в различных приложениях в исследованиях генезиса почв, гражданском и экологическом строительстве, сельском хозяйстве и мониторинге почв.

5. Результаты и обсуждение

Исследование проводилось в лаборатории с использованием семи различных типов почвы, собранных с разных строительных площадок.Удельное электрическое сопротивление грунта измеряется для каждого уплотненного образца грунта с изменением процентного содержания воды в грунте.

В таблице ниже показано процентное содержание частиц почвы (таких как гравий, песчаный ил и глина), значение pH почвы и удельное электрическое сопротивление почвы при оптимальном содержании влаги, которое было получено путем тестирования значения pH и испытания удельного электрического сопротивления почвы в лаборатории. В данной работе измерения удельного сопротивления уплотненного грунта выполняются с помощью прецизионного цифрового мультиметра Fluke 8846A с мегаомной шкалой для облегчения считывания.Использование четырехточечной схемы цифрового мультиметра Fluke повысило точность измерения удельного сопротивления уплотненного грунта.

Таблица 1. Связь между удельным электрическим сопротивлением и pH почвы и Глина Процентное содержание гравия Процентное содержание гравия Значение pH почвы в лаборатории Удельное сопротивление при оптимальном содержании влаги (мегаом-м) в лаборатории 25 60 15 4.05 0,95 12 70 18 3,44 0,51 18 72 10 4,74 0,503 5,12 0,15 6 40 54 4,32 0,07 10 44 46 6,10 1 5 31 64 5,92 0,05

По результатам наблюдений за различными типами оценки характеристик почвы при оптимальной влажности

можно сделать вывод

1). Высокое кислотное значение pH в почве с большим количеством частиц, таких как гравий, песок и т. Д., И меньшим количеством частиц глины, имеет большее удельное электрическое сопротивление.

2). Когда в почве присутствует высокое содержание органических веществ, разложение их приводит к увеличению значения H ⁺ в почве, которое, как предполагается, вызывает высокое кислотное значение pH, но в практических органических почвах с меньшим количеством примесных частиц и высоким содержанием глинистых частиц наблюдается низкий уровень pH. кислотное значение pH.Это связано с тем, что изменение размера частиц в большей степени влияет на изменение значения pH.

Объемная плотность электрических зарядов пропорциональна количеству электрически заряженных частиц в элементарном объеме среды. Объемная плотность мобильных электрических зарядов означает содержание ионов, нейтрализующих заряды на свободной поверхности. Поскольку поверхностный заряд в почвах образован орбированными (обменными) катионами и анионами (Sparks, 1997), ионообменная емкость эквивалентна плотности обменных поверхностных зарядов.Ионообменная способность почвы является произведением удельной поверхности почвы и плотности поверхностного заряда [11].

Заряд почвы определяется ионным обменом, который, в свою очередь, зависит от трех факторов:

1). изоморфные замещения в глинистых минералах

2). разрыв ионных связей в органо-минеральных комплексах и

3). Изменение распределения заряда в макромолекулах органического вещества почвы.

Следовательно, химические свойства почвы, такие как содержание гумуса, насыщенность основаниями, емкость катионного обмена (CEC), минеральный состав почвы и количество растворимых солей, влияют на ионный обмен в почвах.Эти свойства почвы связаны с объемной плотностью мобильных электрических зарядов в почвах и, в свою очередь, с электрическими параметрами почвы. Химические свойства почв, ответственные за формирование ионообменной способности почвы, связаны с общим количеством доступных зарядов в почвах. Физические свойства почвы, такие как содержание воды и температура, влияют на подвижность электрических зарядов в почве. Из наших исследований взаимосвязи между удельным электрическим сопротивлением и объемной плотностью почвы или содержанием влаги в почве (рис. 4) в лабораторных условиях с использованием метода четырехэлектродных зондов, подвижность электрических зарядов экспоненциально увеличивается с увеличением этих свойств [12].Другие физические свойства почвы, такие как структура, текстура и объемная плотность почвы, изменяют распределение мобильных электрических зарядов в почвах. Таким образом, объемная плотность мобильных электрических изменений связана со многими физическими и химическими свойствами почвы.

Рисунок 4 . Пример экспериментальной зависимости между удельным электрическим сопротивлением (ER) и содержанием воды в торфяной почве (W) в лабораторных условиях

Электрические параметры, такие как удельное сопротивление и потенциал, экспоненциально связаны с объемной плотностью мобильные электрические заряды на основе закона распределения Больцмана:

(8)

Где – отношение плотности мобильных электрических зарядов в локальном объеме кстандартные условия, ν _i – валентность i -го иона, e – заряд электрона, k – универсальная газовая постоянная и T – абсолютная температура. Следовательно, из уравнения [8] объемная плотность мобильных электрических зарядов экспоненциально связана с электрическим потенциалом. Согласно закону Ома электрический потенциал прямо пропорционален удельному электрическому сопротивлению. Если изменение свойств почвы, таких как содержание воды, объемная плотность или содержание соли, вызывает пропорциональное изменение объемной плотности мобильных электрических зарядов, взаимосвязь между электрическими параметрами и свойствами почвы ( SP ) может быть выражена как

(9)

Где a ₁ , a ₂ , b ₁ ,

97

97 6,

97

97 9005 – эмпирические параметры; – электрический потенциал, а ER – удельное объемное электрическое сопротивление почвы.Некоторые отношения между свойствами почвы и объемной плотностью мобильных электрических зарядов могут не подчиняться одному экспоненциальному уравнению во всем диапазоне изменения свойств. Например, зависимость между содержанием влаги в почве и удельным электрическим сопротивлением была аппроксимирована различными показателями в разных диапазонах содержания влаги в почве из-за влияния удержания влаги в почве [13].

При измерении электрических параметров на месте трудно отдельно изучить взаимосвязь между свойствами почвы и электрическими параметрами.Следовательно, соотношение уравнения [4] может быть менее сильным при одновременном изменении многих свойств почвы. Тем не менее, общие экспоненциальные зависимости были получены для многих свойств почвы, таких как общее количество растворимых солей, ЕКО, насыщенность основаниями, содержание гумуса и т. Д. Как в лабораторных, так и в полевых условиях.

По качественному строению подвижных электрических зарядов почвы можно условно разделить на две группы. Первая группа – это почвы с малорастворимыми солями и ЕКО, заполненные Ca ⁺² , Mg ⁺² , Al ⁺³ , H ⁺ .Эти почвы образуются в результате процессов оподзоливания, лессиважа, элювиации-иллювиации, гумификации, минерализации и оглеения во влажных районах (Wilding et al ., 1983). К почвам первой группы можно отнести сподосоли, альфизоли, гелисоли, гистосоли, ультисоли и моллизоли. Процессы кальцификации, засоления, алканизации, педотурбации, гумификации и минерализации в засушливых и семиаридных районах образуют вторую группу почв с ЕКО, заполненными Ca ⁺² , Mg ⁺² и Na ⁺ , а в некоторых почвы, высокая засоленность.Почвы второй группы представлены аридозолями, вертисолями и некоторыми моллисолями. Инсептозоли и энтисоли можно отнести к первой или второй группе в зависимости от преобладающих в почвах преимущественно почвенных процессов.

Для почв первой группы наиболее сильные экспоненциальные зависимости были получены для обменной емкости и базовой насыщенности. Коэффициенты корреляции для отношений с насыщением основаниями достигли 0,90 и 0,88 для почвенных и коллоидных суспензий соответственно.Коэффициенты корреляции зависимости катионообменной емкости от электросопротивления составили 0,89 для почвенной суспензии и 0,87 для коллоидной суспензии. Эти два свойства характеризуют количество обменных катионов в почвах. Поскольку почвы во влажных районах имеют низкое количество растворимых солей, обменные катионы играют важную роль в электропроводности почвы. Базовые обменные катионы почвы относительно подвижны и в основном проводят электричество в почвах влажных территорий. Содержание гумуса также увеличивает катионообменную способность почв.Таким образом, относительно сильная зависимость (r = -0,78) была обнаружена для общего содержания гумуса и электрического сопротивления коллоидной суспензии. Высокий коэффициент корреляции (r = -0,78) был также получен для промысловой влажности и удельного электрического сопротивления коллоидной суспензии. Содержание воды в почвах влажных территорий не ограничивается осадками и обычно определяется водоудерживающей способностью почв. Следовательно, почвы с высоким содержанием глины и гумуса имеют тенденцию иметь высокую насыщенность основаниями и высокое содержание полевой воды.

Таким образом, для почв во влажных районах основным источником мобильных электрических зарядов является обмен и удерживающая способность почвы. Удельное электрическое сопротивление имеет сильную экспоненциальную связь со свойствами почвы, характеризующими ее обменную способность, такими как насыщенность основаниями, содержание воды и гумуса и емкость катионного обмена. Аналогичные зависимости были получены для удельного электрического сопротивления, измеренного на месте вдоль карьеров открытого грунта и на поверхности почвы методами EP и VES.Связь была не такой сильной, как в почве и коллоидных суспензиях, но, тем не менее, оказалась экспоненциальной. Поскольку CEC и органическое вещество являются преобладающими источниками мобильных электрических зарядов в почвах первой группы, существует общая экспоненциальная зависимость между этими свойствами и электрическими параметрами (такими как V и ER), измеренными на месте (Рисунок 5)

Обменная емкость почв аридных территорий (вторая группа) наполнена катионами кальция, магния, одия, причем в почвенном растворе преобладают эти же катионы.Следовательно, электрические параметры показывают сильную связь с этими катионами. Была получена сильная экспоненциальная зависимость между электрическим потенциалом, измеренным на поверхности почвы методом собственного потенциала, и суммой Ca, Mg и Na (r = 0,810). Для содержания натрия и электрического потенциала зависимость также экспоненциальна с r = 0,599. Отношение Na / (Ca + Mg + Na) связано с электрическим потенциалом линейной зависимостью с r = 0,543. Электрический потенциал уменьшается с увеличением относительного количества натрия в аридозолях.Такой же тип линейной зависимости с r = 0,356 был получен для отношения Al / (Ca + Mg + Al) и электрического потенциала в альфизолях влажных областей. Такие соотношения важны для изучения генезиса почв, так как они указывают на степень содержания натрия в аридизолях и на степень элювиации (оподзоленности) в альфизолях и сподозолях. Полученные соотношения могут быть использованы для изучения почвообразовательных процессов в этих почвах. Поскольку засоление почв второй группы является суммарной характеристикой имеющихся электрических зарядов, электрические параметры сильно связаны с общим засолением почвы.(Рисунок 6) показывает схематическую криволинейную зависимость между удельным электрическим сопротивлением или потенциалом и засоленностью почвы для почв второй группы.

Электрические параметры, измеренные геофизическими методами на месте , связаны с различными свойствами почвы, легко измеряются и могут использоваться для изучения многих проблем с почвой. Для трех типов задач следует учитывать разные принципы применения. Проблемы первого типа – это мониторинг свойства почвы, которое может меняться только во время измерений.В таких задачах измеренное удельное электрическое сопротивление или потенциал могут напрямую указывать на изменение свойств почвы на месте. Такой принцип использовался для измерения разницы в уплотнении торфяной почвы под сезонной дорогой и мониторинга весеннего таяния почвы.

Рисунок 5 . Схематическая взаимосвязь между электрическими параметрами (такими как V и ER) и свойствами почвы (такими как CEC и содержание гумуса), показывающая приблизительное распределение данных для почв во влажных районах в условиях in-situ

Рисунок 6 . Схематическая взаимосвязь между электрическими параметрами (такими как V и ER) и содержанием соли, показывающая приблизительное распределение данных для почв в засушливых районах в лабораторных условиях

Проблемы второго типа включают исследования свойств почвы, которые преимущественно влияют на измеренные электрические параметры. Следовательно, измеренные электрические параметры полностью демонстрируют сильную связь с такими свойствами даже в полевых условиях. Например, поскольку изменение содержания камня влияет на электрическое сопротивление почвы намного сильнее, чем изменение каких-либо других свойств в почвах полуострова Крым, метод VES смог точно выделить слои с различным содержанием камня в этих почвах и оценить объемное содержание камней.Загрязнение нефтепродуктами сильно увеличивает удельное электрическое сопротивление гелисолей на северо-западе Сибири, в то время как солевые горные растворы снижают удельное сопротивление почв. Следовательно, методы EP, VES и NEP могут быть использованы для картирования загрязнения этих почв. Чрезвычайная засуха Histosol в некоторые сезоны сильно увеличивает удельное электрическое сопротивление в верхней части профиля, тогда как изменение содержания влаги в почве в зависимости от полевой емкости обычно не изменяет типичное профильное распределение удельного электрического сопротивления в почвах.Возмущение почвы Изменение измеренного удельного электрического сопротивления в почвах влажной зоны достаточно значительно для обнаружения скрытых захоронений для судебно-медицинских и археологических исследований

Проблемы третьего типа требуют тщательного рассмотрения взаимосвязей между многими свойствами почвы и электрическими параметрами, измеренными на месте . Хотя электрические параметры почвы зависят одновременно от многих свойств почвы, таких как содержание соли, воды, гумуса или камней, ЕКО, текстуры и температуры, во многих ситуациях влияние некоторых свойств почвы может считаться незначительным, если они колеблются вокруг своих максимальных значений, исходя из по закону распределения Больцмана.Например, влажность почвы, близкая к полевой, практически не влияет на изменение удельного электрического сопротивления (Рисунок 3). Следовательно, измерения электрических параметров почвы во влажных районах на месте не зависят от изменения содержания воды и могут использоваться для оценки эллювиально-иллювиальных горизонтов в профиле почвы и более стабильных свойств почвы, таких как ЕКО, текстуры почвы, и содержание гумуса (Рисунок 4). С другой стороны, высокая вариация влажности почвы во всем возможном диапазоне в профилях аллювиальных почв Астраханской области позволяет локализовать уровень грунтовых вод (Позднякова, и др., ., 2001). Одновременное влияние различных свойств почвы на измеренную электропроводность было успешно изучено методами геостатистики, которые учитывают не только взаимозависимые, но и пространственные отношения.

С точки зрения гражданского строительства, удельное электрическое сопротивление грунта может быть использовано для оценки характеристик уплотнения грунта

6. Выводы

Для определения влияния химических характеристик проводятся различные программы лабораторных испытаний характеристик грунта. через электрическое сопротивление.Многие типы физических факторов оказывают значительное влияние на получение химических свойств через электрическое сопротивление почвы, таких как размер частиц, содержание влаги и т. свойства почвы, такие как соленость, текстура, содержание камней, глубина грунтовых вод и последовательность горизонтов в профилях почвы; однако проведение измерений почвы с высокой плотностью отбора проб является дорогостоящим и требует много времени.Традиционные методы анализа почвы очень вредны для нынешнего состояния почвы, поскольку в большинстве случаев они требуют взбалтывания почвы, взятия образцов почвы и их анализа в лаборатории. С помощью этих методов исследования удельного электрического сопротивления почвы можно легко проанализировать требуемые свойства почвы на строительных площадках или полях, не нарушая и не удаляя образец почвы из его фактического состояния. Это исследование поможет провести дальнейшие исследования по получению химических свойств почвы без нарушения почвы на участках.

БЛАГОДАРНОСТИ

Я также хочу поблагодарить С.М. Таохидул Исламу за максимальную помощь и координацию в выполнении этой работы.

Каталожные номера