Методи вимірювання вологості грунту

Більшість фізичних або хімічних властивостей грунту змінюються зі зміною його вологості. Вимірювання вологості грунту є обов’язковою складовою його аналізу. Вологість грунту зазвичай подається як безрозмірне співвідношення між двома масовими або об’ємними величинами. Також можна вирахувати процентне співвідношення вологості за масою або об’ємом. Якщо не вказується, на базі чого визначається вологість грунту, то зазвичай за замовчуванням подається показник, вирахуваний за масою. Визначення вологості грунту за об’ємом передбачає спочатку визначення за масою. Коли дані за масою визначені, показник за об’ємом вираховується шляхом множення на об’ємну густину. Враховуючи різноманітність грунтів, при визначенні об’ємної густини майже завжди закрадатиметься помилка. Кількість вологи в грунті може бути також подана у вигляді товщини приведеного шару в міліметрах — цим показником оперують зазвичай в іригації. При цьому зазвичай вказують зону: наприклад, товщина приведеного шару води в прикореневій зоні.

Численні методи вимірювання вологості грунту включають в себе прямі, непрямі та дистанційні. Прямі методи включають вилучення води зі зразка грунту шляхом випаровування, вимивання та хімічної реакції. Вологість грунту вираховується на основі маси вилученої води і сухого грунту.

Непрямі методи включають вимірювання деяких характеристик грунту, що залежать від вмісту в ньому води. Також вони можуть вимірювати характеристики певного об’єкту, поміщеного в грунт — зазвичай це пористий абсорбер. На жаль, зв’язок між фізичними й хімічними властивостями грунту і грунтовою вологою не до кінця вивчений.

Дистанційні методи включають безконтактні методи та методи вимірювання з великої відстані. Дистанційне вимірювання вологості грунту базуються на вимірюванні електромагнітного випромінювання поверхні грунту. Зміна інтенсивності електромагнітного випромінювання зі зміною вологості грунту залежить від діелектричних характеристик (індекс відбиття), температури грунту та їх поєднання. Характеристика, що є важливою, залежить від частини спектру електромагнітного випромінювання, яка розглядається. Вимірювання вологості грунту з далекої відстані зазвичай включає супутникове вимірювання відбиття випромінювання у певному спектрі від поверхні грунту.

Гравіметричні методи

Гравіметричні методи вимірювання вологості грунту базуються на вилученні води зі зразка шляхом випаровування, вимивання або хімічної реакції. Кількість вилученої зі зразка води вимірюється і на цій основі вираховується вологість грунту. Вимірювання кількості вилученої води відбувається кількома методами. Найпростіший метод — вимірювання зменшення ваги зразка. Вимірювання кількості вилученої води також може проводитися шляхом дистиляції або вбирання осушувачем. Врешті, вміст води в зразку може бути визначений кількісним вимірюванням продуктів реакції, вилучених зі зразка. За кожного з цих методів відбувається розділення грунту й води з вимірюванням або оцінкою обсягу вилученої води.

Існує багато різних типів приладів для гравіметричного вимірювання вмісту води в грунті, тож якихось спеціальних вимог до них немає. Для вимірювання вологості грунту за допомогою сушильної шафи потрібні контейнери зі щільно прилягаючими кришками, шафи, де можна контролювати температуру та ваги. Сушильна шафа може бути конвективна або з примусовою вентиляцією. Найточніші дані дає вакуумна сушильна шафа. Ваги можуть застосовуватися від аналітичних до великих платформних залежно від величини зразка і потрібної точності вимірювання.

Вимірювання вологості грунту в сушильній шафі вважається стандартом точності. А от визначення вологості поверхневого шару грунту ускладнене через знижену чутливість. Набір обладнання дуже простий: пробовідбірник, ваги і сушильна шафа. Водночас вимірювання вологості цим методом марудне і забирає багато часу: зразок висушується приблизно добу. А виміряти вологість замерзлого грунту цим методом важко. Зате вологість грунту легко вирахувати за масою. Відбирати грунт для аналізу на вологість цим методом можна в будь-якому місці. Визначення вологості грунту гетерогенного профілю ускладнене, як і визначення вологості на певній глибині. Забір зразків недорогий порівняно з іншими методами.

Нейтронне розсіювання

Середнє значення втрати енергії або термалізація нейтронів значно вищі, коли нейтрони стикаються з атомами з низькою атомною вагою, ніж коли з важчими атомами. В грунті атоми з малою вагою представлені переважно воднем. В результаті водень уповільнює швидкі нейтрони значно ефективніше, ніж будь-який інший елемент у грунті. Оскільки найбільшим джерелом атомів водню в грунті є вода, існує зв’язок між вологістю і термалізацією нейтронів.

Природа нейтронного розсіяння і процесу термалізації накладають суттєві обмеження на точність вимірювання вологості. Об’єм грунтового зразка залежить від концентрації розсіяних ядер, тобто, насамперед від вмісту води, а також від енергії швидких нейтронів.

При використанні деяких серійних моделей інструментів можна виміряти вологість із точністю більше, ніж 0,1%. Водночас вимірювання вологості залежить від багатьох фізичних і хімічних властивостей грунту, які складно виміряти. Метод не дозволяє точно виміряти вологість на або біля поверхні грунту.

Прилади компактні і прості у використанні. Вологість може бути виміряна незалежно від фізичного стану грунту. Прилади можуть бути інтегровані з базою даних, що дає змогу автоматичного збору і запису показників. Завдяки цій методиці легко виявити швидкі зміни вологості грунту. Дані про вологість грунту прилади видають порівняно швидко — протягом 1–5 хв.

Вимірювання можна повторити на тому самому місці. Налаштування відповідно до місцевих особливостей грунту може бути складним. Також складно виміряти абсолютні показники вологості. Та одним з найбільших недоліків є висока вартість обладнання.

Згасання гамма-випромінювання

Метод згасання гамма-випромінювання можна використовувати для вимірювання вологості грунту в шарі 1–2 см. Принцип поглинання гамма-випромінювання речовиною добре відомий. Ступінь зниження інтенсивності гамма-променів під час їх проходження через грунт залежить від складу грунту та його щільності. Розсіяння і поглинання гамма-променів залежить від щільності речовини, через яку вони проходять.

На точність вимірювання може вплинути те, що в грунтах строкатої будови можуть виникати великі похибки у вимірюванні загальної густини та вологості. Метод також не підходить, якщо вода в грунті замерзла, замерзає або тане. Точність вимірювання вологості на поверхні грунту така сама, як і на різних глибинах.

Обладнання для польових аналізів порівняно дороге і складне у використанні. Система може бути налаштована на можливість автоматичного зчитування даних. Швидкі зміни вологості грунту легко від слідкувати.

Зразок відбирається швидко — протягом 10 секунд. Під час аналізу зразок не руйнується. Для специфічних умов можуть знадобитися спеціальні налаштування.

Електромагнітні методи

Сюди входять методи, які базуються на впливі вологості на електричні властивості грунту. За допомогою цих методів можливий як контактний, так і дистанційний аналіз вологості грунту. Розроблено цілий асортимент вбудованих сенсорів, які реагують на опір, поляризацію або на обидві ці характеристики. Ці сенсори виявились дуже перспективними в плані вимірювання вологості в поверхневому шарі грунту. На жаль, вимірювання датчиками електричних характеристик грунту глибше поверхневої зони не показали чіткої кореляції з вологістю. Та, хоча певні проблеми й залишаються, останніми роками спостерігається помітний прогрес у розробці датчиків, розташованих безпосередньо в грунті, що використовують ці методи. Втім, якщо відібрати пробу просто, то електроніка, що використовується для зняття даних, залишається дорогою.

Опір грунту залежить від його вологості. Однак неоднорідність грунту заважає вимірюванню опору прямими методами. Багато проблем вимірювання електричного і термічного опору грунту вирішують пористі блоки. Ці однорідні блоки, які містять вбудовані електроди, вміщують у грунт до досягнення рівноважної з грунтом вологості. Тоді їхні електричні та теплові характеристики приймають за однозначні з характеристиками грунту. Однак опір таких пористих блоків залежить від концентрації електроліту, тому електромагнітні методи не дозволяють досягти точності вимірювання більше, ніж 2% в той чи інший бік, а інколи похибка може скласти і 100%.

Втім, загалом методика підходить для вимірювання абсолютних показників вологості. Точність датчиків вважається високою, однак вони нездатні виміряти вміст зв’язаної води, особливо на глинистих грунтах. Крім того, складність калібрування може спричинити великі похибки при вимірюванні на поверхні грунту.

Обладнання і процес відбору зразків досить прості. Але датчики слід встановлювати правильно, з мінімальними порушеннями цілісності грунту. Надійність калібрування в довгостроковій перспективі викликає сумніви, оскільки концентрація іонів у грунті змінюється.

Датчики можна встановлювати на будь-яку глибину, а їх асортимент достатньо широкий — від маленьких до великих. Вартість приладів та програмного забезпечення для дистанційного збору даних може бути високою.

Тензіометричний метод

Найвідоміший метод вимірювання капілярної або загальної вологоємності грунту базується на здатності останнього вбирати воду. Прилади, що використовують цей метод, здатні фіксувати зміни вологоємності грунту, що є наслідком інфільтрації води, поливу, підйому грунтових вод, випаровування та транспірації. Нуль на шкалі тензіометра означає, що грунт повністю насичений вологою. Водночас максимальний показник тензіометра — 1 бар. Таким чином, діапазон вологості грунту, в якому тенізометр може працювати, обмежений. І на грунтах високої потенційної вологоємності у дуже сухих умовах тензіометри зашкалювали і ламалися.

Тензіометр напряму вимірює водовбирну здатність грунту, але лише непрямо — власне вологість грунту. Щоб розуміти зв’язок між вологоємністю і вологістю, необхідно знати водні характеристики грунту.

Прямі виміри на поверхні грунту неможливі. Систему приладів легко сформувати, і вона довго служить, якщо правильно налаштована. За температур близько і нижче нуля можна використовувати інші рідини, наприклад, етиленгліколь. Вологість мерзлого грунту система не вимірює.

Інформацію про насиченість грунту вологою можна отримувати майже в режимі реального часу. Реакція системи на зміни характеристик грунту дуже швидка. Прилади легко розміщуються в грунті.

При калібруванні приладів необхідно розуміти водовбирну здатність різних типів грунтів. Вартість системи приладів порівняно низька.

Мікрохвильові методи

Вода має унікально низькі електро- та теплопровідність. Відповідно, електричні й теплові характеристики грунту, зокрема, показники випромінювання і відбивання, залежать від його вологості. Випромінювання тепла поверхнею грунту в мікрохвильовому діапазоні можна визначити дистанційно відповідними вимірювальними приладами — пасивними (радіометричними) або активними (радар) методами. Роздільна здатність пасивних систем обмежена розмірами антени і на практиці обмежується 5–10 км. Робота активних систем базується на тому, що здатність голого грунту розсіювати мікрохвильове випромінювання залежить від його вологості, нерівності поверхні та електропровідності. Рослинний покрив знижує потужність відбитого випромінювання до 40% порівняно з голим грунтом. Обмежуючим фактором є здатність методу вимірювати вологість грунту лише в верхньому шарі: для активного методу — до 5–10 см, для пасивного — кілька сантиметрів.

Таким чином, точність методу знижується за нерівності поверхні або наявності рослинного покриву. За точністю метод поступається прямим методам вимірювання і обмежується тільки верхнім шаром грунту. За вартістю метод дуже дорогий, оскільки часто вимагає за діяння супутників або принаймні літальних апаратів.

Ядерно-магнітний резонанс

Базується на здатності резонансу виявити концентрацію атомів водню і, відповідно, вологи в грунті. Недоліки у нього майже ті самі, що у нейтронного розсіювання. Перевагою є здатність фіксувати атоми водню й молекули води різного ступеня зв’язаності: міцно зв’язаної (у складі гідратів),  слабо зв’язаної (абсорбованої) і вільної. Здатен аналізувати зразки малого об’єму і забезпечувати високу швидкість аналізу.

Практичному застосуванню методу в полях перешкоджають габарити та дорожнеча обладнання.

Термічні методи

Базуються на зв’язку теплової інерції грунту та його вологості. Ускладнює зв’язок зниження чистого поглинання сонячної енергії грунтом внаслідок випаровування з поверхні. Випаровування також знижує добову амплітуду коливань температури поверхні грунту. Таким чином, різниця денної й нічної температури відбиває вологість грунту і випаровування з його поверхні.

Численні дослідження показали, що для певних грунтів добові коливання температури поверхні є хорошим індикатором вмісту вологи в верхньому (до глибини 4 см) шарі грунту.

Водночас даний метод не підходить для полів, вкритих рослинним покривом. Також він залежить від грунтово-кліматичних умов і в більшості випадків працює тільки в поверхневому шарі грунту. Датчики температури поверхні портативні за розміром. Процедура відбору зразків порівняно проста. Вартість коливається в широкому діапазоні.

Рефлектометричний метод

Один з найновіших методів вимірювання вологості грунту. Полягає у вимірюванні часу проходження електричного імпульсу по кабелю, який залежить від електропровідності, а, отже, вологості, грунту. Кореляція з гравіметричним методом вимірювання вологості перевищує 0,9. Досягається точність вимірювання у 2%.

Обладнання дуже складне, зате сам аналіз дуже простий і може бути проведений менш ніж за 5 секунд. Прилад може утримувати в пам’яті результати аналізів за тривалий час. Метод дає змогу досягти дуже високої точності, але дуже дорогий.

Оптичні методи

Метод поляризованого світла базується на тому, що за наявності вологи на поверхні світло, відбите від неї, поляризується. Ближній інфрачервоний метод базується на поглинанні молекулами води в поверхневому шарі ІЧ-випромінювання на певних частотах. Не підходить для випадків, коли волога розподілена дуже нерівномірно. Технологія забезпечує швидке проведення вимірювань, але залежить від нерівності поверхні і показує тільки поверхневу вологість.

Застосовуються також гігрометричні, електролітичні методи та математичне моделювання.

Переклав Богдан Малиновський, b.malinovskiy@univest-media.com