Indicadores físicos del suelo
I. Tamaño de las partículas del suelo
La distribución del tamaño de las partículas del suelo es una de las propiedades físicas más básicas del suelo y tiene una gran influencia en propiedades físicas importantes como la hidráulica y el calor del suelo. El método de medición de la distribución del tamaño de las partículas del suelo es relativamente simple y conveniente, con alta precisión. Existen diversos grados de datos de análisis del tamaño de partículas en los datos de estudios de suelos convencionales. Por el contrario, la medición directa de las curvas características de la humedad del suelo y de las propiedades hidrotermales del suelo, como la conductividad hidráulica (no)saturada, la conductividad térmica del suelo, la capacidad calorífica del suelo, etc., requiere relativamente mucho tiempo, es costosa, tiene poca precisión y poca reproducibilidad. Por lo tanto, la estimación de otras propiedades hidráulicas del suelo basadas en la distribución del tamaño de las partículas del suelo se ha convertido en un punto de investigación en campos relacionados.
La matriz del suelo está compuesta por partículas (partículas de suelo) en diferentes proporciones. Las partículas tienen diferentes espesores, formas y composiciones. Generalmente se dividen en cuatro categorías: grava, arena, polvo y arcilla. El propósito del análisis del tamaño de partículas es determinar la composición de las partículas del suelo de diferentes diámetros y, por tanto, la textura del suelo. La composición de las partículas del suelo es de gran importancia en la formación del suelo y la utilización agrícola. La textura del suelo afecta directamente la retención de agua, la retención de fertilizantes, la retención de aire, la preservación del calor y el movimiento del suelo, y está estrechamente relacionada con el crecimiento y desarrollo de los cultivos.
1. Métodos de prueba geotécnica
El tamaño de las partículas del suelo varía ampliamente (tamaño de partícula de ﹥60 mm a ﹤0,002 mm), por lo que se utilizan diferentes pruebas para diferentes grupos de partículas. El grupo de grano grueso generalmente adopta el método de análisis de tamiz y el grupo de grano fino utiliza el método del densímetro o el método de la pipeta.
Para suelos de grano grueso con un tamaño de partícula >0,075 mm, el método de análisis de tamiz se utiliza generalmente para analizar el tamaño de las partículas del suelo. El método de análisis de tamiz utiliza tamices analíticos de diferentes tamaños de poro, que se apilan juntos desde tamaños de poro grandes a pequeños de arriba a abajo. Durante la prueba, se puso tierra seca en el tamiz superior y la masa del suelo en los tamices con diferentes aberturas se obtuvo mediante análisis de tamiz y luego se calculó el contenido de grupos de partículas y el contenido acumulativo.
2. Método del analizador de tamaño de partículas por láser
El analizador de tamaño de partículas por láser mide el tamaño de las partículas de polvo basándose en el principio de dispersión de la luz. Es un analizador de tamaño de partículas relativamente versátil. Se caracteriza por un amplio rango dinámico de medición, una velocidad de medición rápida y una operación fácil. Es especialmente adecuado para medir polvos y gotas líquidas con una amplia gama de distribución de tamaño de partículas. Los polvos con un tamaño de partícula uniforme, como los polvos abrasivos de micras, deben elegirse con cuidado.
El analizador de tamaño de partículas láser combina tecnología láser, tecnología fotoeléctrica moderna, tecnología electrónica, maquinaria de precisión y tecnología informática. Tiene las ventajas de una velocidad de medición rápida, un amplio rango dinámico, una operación fácil y una buena repetibilidad. El instrumento de prueba de tamaño de partículas más popular del mundo.
3. Método de la paja
La composición de las partículas (distribución del tamaño de las partículas) se mide comúnmente mediante el método de la paja. Este método combina tamizado y sedimentación estática. La muestra de suelo se procesa químicamente a través de un tamiz de 2 mm. orificio del tamiz y métodos físicos para procesarlo en una suspensión con un volumen fijo. De acuerdo con la ley de Stokes y la ley de sedimentación estática de las partículas del suelo, las partículas de todos los niveles >0,25 mm se tamizan de acuerdo con una determinada apertura, y <0. Después del tamizado, las partículas de suelo en todos los niveles >0,25 mm se tamizan con un tamiz con una cierta apertura. Las partículas de suelo en todos los niveles <0,25 mm se aspiran con una pajita para absorber una cierta cantidad de partículas de suelo en todos los niveles, se secan y Se pesan y se calcula el porcentaje de contenido de partículas del suelo en todos los niveles, determinando así la composición de las partículas del suelo (distribución del tamaño de las partículas) y el nombre de la calidad del suelo.
4. Método del hidrómetro
Utilice métodos químicos y físicos para procesar muestras de suelo en una suspensión de un cierto volumen. De acuerdo con la ley de Stokes, utilice un hidrómetro de suelo para que la suspensión burbujee. la profundidad efectiva promedio después de reposar durante diferentes tiempos, use un hidrómetro de suelo para leer directamente la masa de partículas en todos los niveles contenidas en cada litro de suspensión, calcular su porcentaje de contenido y determinar el nombre de la textura del suelo. El nombre de la textura del suelo. El método del hidrómetro es más fácil de operar, pero tiene poca precisión, por lo que puede seleccionarse según las necesidades.
2. Contenido de humedad absoluta del suelo
El contenido de humedad absoluta del suelo se refiere a la cantidad de agua que contiene el suelo, es decir, cuántos gramos de agua hay en 100g de suelo seco. suelo, también conocido como contenido de agua del suelo. El contenido de humedad del suelo es un parámetro importante en la producción agrícola. Sus principales métodos incluyen el método de pesaje, el método del tensiómetro, el método de resistencia, el método de neutrones, el método de rayos gamma, el método de relación de ondas estacionarias, el método de reflectometría en el dominio del tiempo y el método óptico. El contenido de humedad del suelo generalmente se expresa de dos maneras: contenido de humedad en masa (θg) y contenido de humedad volumétrico (θυ).
1. Método de pesaje
También conocido como método de secado, es el único método que puede medir directamente la humedad del suelo y también es el método estándar internacional actual.
Utilice una perforadora de suelo para tomar una muestra de suelo, pese la masa de la muestra de suelo con una balanza de precisión de 0,1 g, regístrela como el peso húmedo de la muestra de suelo (M-MH), hornee la muestra de suelo en un horno a 105 °C. durante 6-8 horas hasta peso constante y luego medir. La muestra de suelo seca se registró como el peso seco de la muestra de suelo (MS-MH). La fórmula de cálculo del contenido de humedad del suelo es la siguiente:
Métodos tecnológicos de monitoreo del entorno geológico y sus aplicaciones
En la fórmula: θ-contenido de humedad del suelo M-caja de aluminio y masa del suelo; antes del secado (g); MS - masa de caja de aluminio y suelo después del secado (g); MH - masa de caja de aluminio (g);
2. Método del tensiómetro
También conocido como método del medidor de presión negativa, mide la succión del agua del suelo. Su principio de medición es el siguiente: cuando se introduce la cabeza de arcilla en el. suelo a medir, el interior del tubo El agua libre entra en contacto con el agua del suelo a través de la pared de arcilla porosa y alcanza el equilibrio del potencial hídrico después del intercambio. En este momento, el valor leído en el tensiómetro es el valor de succión del agua del suelo (. en la cabeza de arcilla), es decir, ignorando el potencial de gravedad y el valor de la matriz después. valor, y luego el contenido de humedad del suelo se puede determinar basándose en la relación entre el contenido de humedad del suelo y el potencial matricial (curva característica del agua del suelo).
3. Método de resistencia
La conductividad de los medios porosos está relacionada con su contenido de agua y su constante dieléctrica. Si se ignora la influencia del contenido de sal, existe una cierta relación entre el contenido de agua. y su resistencia de. El método de resistencia consiste en enterrar dos electrodos en el suelo y luego medir la resistencia entre los dos electrodos. Pero en este caso, es probable que la resistencia de contacto entre el electrodo y el suelo sea mucho mayor que la resistencia del suelo. Por lo tanto, para resolver este problema, los electrodos deben estar incrustados en un medio poroso permeable (yeso, nailon, fibra de vidrio, etc.) para formar un bloque resistivo.
4. Método de neutrones
El método de neutrones utiliza un instrumento de neutrones para medir el contenido de humedad del suelo. El instrumento de medición de neutrones consta de: una fuente de neutrones rápidos, un detector de neutrones lentos, un contador de dispersión para monitorear el flujo de neutrones lentos del suelo, una caja de protección y un tubo duro para realizar pruebas. La fuente de neutrones rápidos irradia continuamente neutrones rápidos penetrantes en el suelo. Cuando choca con los núcleos de hidrógeno, pierde la mayor cantidad de energía y se convierte en neutrones lentos (neutrones térmicos), que se difunden en el medio y al mismo tiempo son absorbidos por el medio. tiempo, por lo que la densidad de la lenta nube de neutrones formada alrededor de la sonda cambia muy rápidamente durante la prueba.
5. Método de rayos γ
El principio básico del método de rayos γ es utilizar rayos γ emitidos por isótopos radiactivos (los más utilizados ahora son 137Cs y 241Am) para penetrar. el suelo. Aumenta con el aumento del peso de humedad del suelo.
6. Método de la relación de ondas estacionarias
Desde 1980, Topp et al. propusieron que existe una relación polinómica definida de un solo valor entre el contenido de humedad del suelo y la constante dieléctrica del suelo, proporcionando así una Nuevo método para medir la humedad del suelo. El estudio abre una nueva dirección de investigación, que es obtener el contenido de humedad del suelo midiendo la constante dieléctrica del suelo. Desde una perspectiva electromagnética, todos los aislantes pueden considerarse medios y, en el caso del suelo, es una mezcla de tres medios: sólidos del suelo, agua y aire. A temperatura normal, la constante dieléctrica del agua es aproximadamente 80, la constante dieléctrica de los materiales sólidos del suelo es 3-5 y la constante dieléctrica del aire es 1. Se puede ver que el principal factor que afecta la constante dieléctrica del suelo es el contenido de agua. Roth et al propusieron utilizar la relación de distribución espacial de los materiales trifásicos de suelo, agua y aire para calcular la constante dieléctrica del suelo, que fue mejorada por. Gardner et al. y proporcionaron bases teóricas adicionales y la aplicación de estos principios a la medición del contenido de humedad del suelo.
7. Método de medición óptica
El método de medición óptica es un método sin contacto para medir el contenido de humedad del suelo. La reflexión, transmisión y polarización de la luz también están relacionadas con el contenido de humedad del suelo. Primero encuentre la constante dieléctrica del suelo para inferir aún más el contenido de humedad del suelo.
8. Reflectometría en el dominio del tiempo
La reflectometría en el dominio del tiempo (TDR) también es un método para obtener el contenido de humedad del suelo midiendo la constante dieléctrica del suelo. El principio de TDR es: la velocidad de las ondas electromagnéticas que se propagan a lo largo de la línea de transmisión en medios no magnéticos es υ = c/ε. Para una longitud conocida L, existe υ = L/t, que es la velocidad de transmisión. Hay υ = L/t, por lo que podemos obtener ε = c × t/L, donde c es la velocidad de propagación de la luz en el vacío, ε es la constante dieléctrica del medio no magnético y t es el tiempo de transmisión del medio electromagnético. ondas en cables. Cuando la onda electromagnética se transmite a un extremo del cable, parte de la onda electromagnética se refleja hacia atrás a lo largo del cable, de modo que se forma la diferencia de tiempo T entre la incidencia y la reflexión.
Por lo tanto, midiendo la diferencia de tiempo T entre la incidencia y la reflexión de ondas electromagnéticas en cables enterrados en el suelo, se puede obtener la constante dieléctrica del suelo y, por tanto, se puede obtener el contenido de humedad del suelo.
9. Cómo utilizar los sensores de humedad del suelo
Los sensores de humedad se pueden dividir en dos categorías según sus métodos de visualización: uno es el método de visualización directa y el otro es la detección secundaria. método.
Los métodos de visualización directa se pueden dividir en tres tipos: uno es el método de visualización del medidor de presión negativa de succión (también conocido como tensiómetro de presión negativa) el otro es el método de visualización del medidor de vacío de contacto eléctrico, que se usa comúnmente; en sensores de humedad tipo alarma; el tercero es el modo de visualización de columna de mercurio en forma de tubo. 3 Entre los tipos de visualización directa, el tipo de visualización de columna de mercurio en forma de U tiene la mayor precisión, la lectura más precisa, el error más pequeño y puede tener una precisión de milibares. La desventaja es que si la tubería en forma de U se rompe cuando se usa en tierras de cultivo, el mercurio contaminará las tierras de cultivo y provocará contaminación ambiental. La elección de 3 modos de visualización suele depender de las necesidades específicas del usuario.
El método de visualización de detección secundaria consiste en mostrar directamente la lectura de presión en el sensor y convertirla en contenido de agua. Por ejemplo, la parte de indicación de mercurio del tubo en forma de U se puede reemplazar por un sensor piezorresistivo. Detección secundaria de humedad del suelo digital. El instrumento de medición puede mostrar directamente el valor de succión del sensor al suelo a través de la digitalización. La detección secundaria también se puede aplicar a la detección remota del potencial hídrico del suelo. Por ejemplo, el tensiómetro de humedad del suelo (parte del sensor) está enterrado dentro de la profundidad requerida del suelo en el campo. La succión de presión negativa del agua del suelo se transmite a través de la película de agua en la sonda de arcilla porosa, lo que hace que el sensor de humedad genere presión negativa. Esta presión negativa se transmite al sensor de transmisión piezoresistivo que emite una señal eléctrica, que se transmite al termómetro de telemetría remota a través del cable y se puede transmitir a la computadora a través de la línea de interfaz, completando así la medición remota del potencial hídrico del suelo. en el campo. telemetría. Sin embargo, el uso de un tensiómetro de presión negativa sólo puede medir el rango de succión bajo. En el rango de succión alto, la cabeza de arcilla será "penetrada" por el aire, por lo que no se puede medir el potencial hídrico del suelo en el rango de succión alto.
El método sensor para medir la humedad del suelo tiene las ventajas de medición in situ en el campo, lecturas rápidas y directas, sin daños a la estructura del suelo, bajo precio, sin sustancias radiactivas, seguridad y confiabilidad, y conveniencia para la observación a largo plazo y la acumulación de datos de potencial hídrico de campo. En particular, el sensor secundario tiene la ventaja de ser digital y puede conectarse a una interfaz de computadora, de modo que la medición de la humedad del suelo puede monitorearse automáticamente. Por ejemplo, la esclusa de riego puede controlarse automáticamente basándose en los resultados de la medición para lograr un riego automático. Este moderno método de medición se ha convertido en una nueva tendencia en la investigación de métodos de determinación de la humedad.
10. Radar de penetración terrestre (GPR)
El principio de funcionamiento del radar de penetración terrestre es que cuando un pulso de radar de alta frecuencia alcanza dos capas con propiedades dieléctricas significativamente diferentes en la interfaz del material , parte de la señal es recibida por el dispositivo receptor y la señal reflejada se amplifica. El tamaño de la señal reflejada depende de la diferencia en las constantes dieléctricas de los dos materiales y de la profundidad de penetración de la onda del radar. El contenido de humedad del suelo es el principal factor que afecta la constante dieléctrica del suelo, y la profundidad de penetración del pulso del radar se ve muy afectada por el contenido de humedad del suelo.
GPR determina el contenido de humedad del suelo mediante diferentes métodos. Un método utiliza el llamado método de separación de antenas de ondas terrestres, que solo puede determinar el contenido de agua de la capa superficial (10 cm) del suelo; el otro método utiliza ondas reflejadas para determinar la velocidad de las olas en el suelo y así determinar la velocidad de las olas; diferencia entre la capa reflectante y el contenido de humedad de la capa superficial.
11. Teledetección (RS)
La teledetección (RS) es un método de monitoreo de la humedad del suelo multitemporal, de gran superficie y sin contacto. El monitoreo de la humedad del suelo por teledetección depende de la determinación de la energía electromagnética emitida o reflejada por la superficie del suelo, y los cambios en la intensidad de la radiación electromagnética de la humedad del suelo dependen de sus propiedades dieléctricas o de la temperatura, o de una combinación de ambas. Los métodos de detección remota implican una variedad de bandas de ondas, desde luz visible, infrarrojo cercano, infrarrojo térmico hasta microondas. En particular, se han logrado avances prometedores en el monitoreo de la humedad del suelo mediante sensores remotos por infrarrojos térmicos y microondas. La teledetección por microondas no se ve afectada por las condiciones atmosféricas, puede obtener imágenes de alta resolución y puede penetrar el suelo hasta cierto punto, lo que la convierte en una de las herramientas más prometedoras para la teledetección de la humedad del suelo. Aunque la teledetección por microondas tiene las ventajas de ser resistente a todo tipo de clima, multipolarización y ciertas características de penetración, hay muchos factores que afectan los cambios de humedad del suelo, como la textura del suelo, la soltura, la rugosidad de la superficie, la pendiente de la superficie y la cobertura de vegetación. etc., también tiene un impacto en el monitoreo de la humedad del suelo mediante teledetección por microondas como el radar, por lo que el monitoreo de la humedad del suelo por teledetección sigue siendo un problema difícil en la teledetección agrícola.
El método más eficaz debería ser utilizar múltiples métodos de detección remota en paralelo para aprovechar al máximo sus respectivas ventajas, como el uso de luz visible e información del infrarrojo cercano para estimar la cobertura vegetal, el uso de microondas activas para estimar la rugosidad y, en consecuencia, el uso de microondas pasivas. información para estudiar la humedad del suelo. Métodos integrados de teledetección.
Este método de detección remota solo es adecuado para la investigación dinámica en tiempo real de las condiciones de humedad de la superficie del suelo a escala regional y no es adecuado para monitorear la humedad profunda del suelo a escala de campo. Por lo tanto, es necesario realizar un análisis. su modelo teórico, mecanismo de obtención de imágenes y método de polarización. Se estudió en profundidad la relación entre la humedad del suelo, la rugosidad de la superficie y la cobertura vegetal.
12. Método de trazador zonal
Los métodos tradicionales de medición de la humedad del suelo (como el método de pesaje por secado en horno, el método del medidor de neutrones, el método TDR, etc.) solo se pueden utilizar en un rango pequeño El contenido de humedad del suelo se mide dentro de un rango determinado, mientras que el método Partition Tracer puede medir el contenido de humedad del suelo en un rango mayor. Este método consiste en colocar el trazador de no separación y el trazador de separación en el sistema de fase gaseosa. El trazador de separación se disuelve en el agua, de modo que su migración en la fase gaseosa va por detrás de la del trazador de no separación. está relacionado con el contenido de humedad del suelo y con la constante de Henry. Debido a factores que influyen como la heterogeneidad espacial del suelo, la distribución desigual de la humedad del suelo y la presencia de un flujo dominante en el suelo, los resultados del método de trazador separado tienden a subestimar el contenido de humedad del suelo.
El método del trazador de separación puede medir la humedad del suelo desde pequeña escala hasta escala regional y profundidad infinita, y puede adaptarse a necesidades especiales. El método del trazador de separación puede determinar la distribución regional de la humedad del suelo a escala de campo y también puede determinar la distribución vertical de la humedad del suelo. Sin embargo, cuando se utiliza el método del trazador de separación para medir la humedad del suelo regional, la cantidad de trazador aumentará inevitablemente, lo que resultará en costos de prueba más altos. Además, el método del trazador de separación tiene una mayor precisión de los resultados del contenido de humedad en condiciones ideales (como suelo homogéneo). Se necesita más investigación para mejorar la precisión de su medición en suelos heterogéneos.
3. Conductividad eléctrica del suelo (CE)
La solución del suelo tiene conductividad eléctrica y la fuerza de la conductividad eléctrica se puede expresar mediante la conductividad eléctrica. La conductividad del suelo es un indicador para medir el contenido de sal soluble en agua del suelo, y el contenido de sal soluble en agua del suelo es un atributo importante del suelo y un factor que determina si los iones de sal en el suelo limitan el crecimiento de los cultivos. La conductividad eléctrica del suelo se utiliza generalmente como un indicador importante. Puede reflejar directamente el contenido de sales mixtas, por lo que a menudo se utiliza como uno de los métodos para la determinación de la sal del suelo, especialmente en los últimos años, muchos estudiosos nacionales y extranjeros han sugerido su uso. conductividad eléctrica para expresar directamente el contenido de sal del suelo.
1. Método de conductividad interior
El método de laboratorio tradicional consiste en recolectar muestras de suelo a la profundidad objetivo del campo y medir la conductividad del agua lixiviada en el interior utilizando el método de conductividad eléctrica. (CE). El principio de medición es: las sales solubles del suelo se combinan con el lixiviado del agua del suelo en una determinada proporción utilizando el método de equilibrio. Estas sales solubles son electrolitos fuertes y su solubilidad en agua tiene un efecto conductor de la fuerza de su conductividad. se puede expresar por conductividad. Dentro de un cierto rango de concentración, el contenido de sal soluble se correlaciona positivamente con la conductividad. Cuanto mayor es el contenido de sal, mayor es la presión osmótica de la solución y mayor es la conductividad. El valor de conductividad del lixiviado del suelo se puede medir con un conductímetro y el valor de conductividad se utiliza directamente para indicar el contenido de sal del suelo.
2. Método del sensor de conductividad
Aunque el método de laboratorio tradicional para medir la conductividad del suelo es preciso, el proceso es engorroso e inconveniente para la práctica de la ingeniería. En la actualidad, los sensores de medición rápida de la conductividad del suelo utilizados en la agricultura en el país y en el extranjero se pueden dividir aproximadamente en dos tipos: tipo de contacto y tipo sin contacto. El sensor de conductividad del suelo por contacto es un tipo de sensor de electrodo. Generalmente utiliza el "método de cuatro terminales de corriente y voltaje", es decir, una fuente de corriente constante, un voltímetro, un electrodo y el suelo forman un bucle sin contacto. El tipo utiliza el principio de inducción electromagnética.
3.Medidor de conductividad del suelo EM38
El medidor de conductividad del suelo EM38 puede medir directamente la conductividad aparente del suelo superficial, lectura directa sin contacto, adecuado para la salinización de tierras en grandes áreas Medición, después el EM38 está conectado al cable colector de datos DlfaO0, la velocidad de medición es 100 veces más rápida que el método convencional y las mediciones convencionales generales se pueden completar de manera conveniente y rápida.
La longitud total del medidor de conductividad geodésica EM38 es de 1 m. Se compone principalmente de dos puertos (Figura 4-1): transmisión de señal (Ts) y recepción de señal (R). una cierta distancia (S). La frecuencia del transmisor es de 14,6 kHz. La profundidad de medición efectiva es de hasta 1,5 m.
Durante la operación, la intensidad del campo magnético generado por el primer terminal transmisor de señal disminuye gradualmente a medida que aumenta la profundidad de la formación. La intensidad del campo magnético original cambia dinámicamente con el tiempo. Por lo tanto, aparecerá una corriente inducida por CA muy débil en la formación, induciendo así. un campo magnético secundario (Hs). El terminal receptor de señal recibe la información del campo magnético original y del campo magnético secundario al mismo tiempo. Generalmente, el campo magnético primario Hp y el campo magnético secundario Hs son una función compuesta de la distancia (S) entre los dos terminales, la frecuencia de la corriente alterna y la conductividad de la tierra, y la relación entre el campo magnético secundario y el campo magnético primario. la intensidad está relacionada linealmente con la conductividad de la tierra. Se puede expresar como
EC0 = 4(Hs/Hp)/ωμ0S2
En la fórmula, EC0-tierra EC0-conductividad de la tierra (. mS/m); Hs - extremo receptor de la señal; Intensidad del campo magnético; Hp - intensidad del campo magnético primario en el extremo receptor de la señal; μ0 - coeficiente de conducción del campo magnético espacial; ω - frecuencia angular, ω = 2π?, ? S - distancia entre el extremo transmisor de la señal y el extremo receptor (m).
Figura 4-1 Diagrama esquemático del principio de la tecnología de inducción electromagnética