ДИАГНОСТИКА СТЕПЕНИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВ СОЛЯМИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ ПО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМУ ОТКЛИКУ
|
Аннотация 2
Введение 4
1 Диэлектрические свойства сухих и жидких смесей 9
1.1 Основные положения теории диэлектриков 9
1.2 Диэлектрические свойства почвы, как композиционной смеси 12
1.3 Обзор существующих диэлектрических моделей для описания
смесей и границы их применимости 18
1.4 Данные о влиянии на КДП почвы солей, нефтяных загрязнений и
гумуса 27
1.5. Методы измерения ДП почв и жидких смесей 37
1.6. Выводы по литературному обзору 43
2 Экспериментальная часть 47
2.1 Приготовление образцов 47
2.2 Измерения в коаксиальной линии 49
2.3 Результаты измерений 57
2.4 Математическое описание 67
2.5 Тестирование предложенной модели 71
2.6 Выводы 71
Заключение 74
Список использованной литературы 75
Приложение А (обязательное). Отчёт о патентных исследованиях 79
Введение 4
1 Диэлектрические свойства сухих и жидких смесей 9
1.1 Основные положения теории диэлектриков 9
1.2 Диэлектрические свойства почвы, как композиционной смеси 12
1.3 Обзор существующих диэлектрических моделей для описания
смесей и границы их применимости 18
1.4 Данные о влиянии на КДП почвы солей, нефтяных загрязнений и
гумуса 27
1.5. Методы измерения ДП почв и жидких смесей 37
1.6. Выводы по литературному обзору 43
2 Экспериментальная часть 47
2.1 Приготовление образцов 47
2.2 Измерения в коаксиальной линии 49
2.3 Результаты измерений 57
2.4 Математическое описание 67
2.5 Тестирование предложенной модели 71
2.6 Выводы 71
Заключение 74
Список использованной литературы 75
Приложение А (обязательное). Отчёт о патентных исследованиях 79
Известно, что актуальная и своевременно полученная информация о состоянии поверхности Земли востребована в таких научных направлениях, как климатология, метеорология, гидрология, экология, а также в сельском хозяйстве, службах МЧС и природоохранных организациях. В число параметров, используемых в этих областях знаний, входят несколько видов влажности почвы, солёность океана, содержание парниковых газов, температура, индекс биомассы растительного покрова, засоленность почвы и т.п.
Влажность почвы - одна из климатических переменных, рекомендованная Всемирной метеорологической организацией для постоянного наблюдения. Ввиду этих фактов, достоверные и актуальные данные о характере и направлении потоков влаги являются одними из главных входных параметров климатических и гидрологических моделей.
Повышенное содержание солей в почве является как следствием природных процессов, так и имеет техногенные причины. Загрязнение почвы является серьезной проблемой для экосистемы планеты.
Для принятия своевременных мер по улучшению состояния почвы необходимо осуществлять периодический контроль, который позволит фиксировать скорость загрязнения и увлажнения.
Существует два основных класса методов контроля состояния почвенного покрова - наземные и дистанционные. Наземные методы позволяют с высокой точностью определить температуру, объемную и весовую влажность почвы, но не обеспечивают требуемый охват достаточно больших территорий. Также стоит отметить, что обработка экспериментальных данных занимает большое количество времени. С учетом этого, задача периодического контроля решается дистанционными методами, использующими для зондирования электромагнитные волны микроволнового и оптического диапазона.
Характер взаимодействия электромагнитных волн с поверхностью того или иного объекта определяется радиофизическими характеристиками веществ, его слагающих. К основным радиофизическим характеристикам веществ и материалов можно отнести диэлектрическую и магнитную проницаемости, а также, связанные с ними величины. Поскольку значения магнитной проницаемости большинства почв и растительности мало отличаются от единицы, основным параметром, определяющим особенности взаимодействия электромагнитных волн с природными объектами, является комплексная диэлектрическая проницаемость. Данные о комплексной диэлектрической проницаемости подстилающей поверхности позволяют прогнозировать характер распространения земной электромагнитной волны, отражения пространственных электромагнитных волн от подстилающей поверхности, излучения волн антенно-фидерным устройством (АФУ) и др.
Известно, что величина комплексной диэлектрической проницаемости почв и грунтов является функцией многих переменных, основными из которых являются объемная доля влаги, гранулометрический состав и содержание солей. Гранулометрический состав - квазипостоянный параметр, не изменяющийся в течение десятков и сотен лет. Солевой состав почв изменяется при колебании среднегодового уровня грунтовых вод, что обычно происходит в течение нескольких лет. Значения влажности могут меняться крайне быстро, например, в результате выпадения осадков.
Существующие на данный момент модели взаимодействия электромагнитных волн СВЧ диапазонов с подстилающей поверхностью рассматривают ее как однородную изотропную диэлектрическую среду. Так, значения диэлектрической проницаемости или проводимости почв, приведенные на соответствующих тематических картах, считаются неизменной величиной для данного участка поверхности.
Тематические карты могут содержать данные, соответствующие незамерзшим и полностью замерзшим почве или грунту, но они не
проницаемости в течение того или иного сезона.
Целью данной работы является создание методики выявления загрязнения почвы на фоне меняющейся влажности.
Задачи:
а) провести аналитический обзор литературных источников, посвященных диэлектрическим свойствам засоленных и влажных почв;
б) подготовить экспериментальные образцы;
в) освоить методику измерения электромагнитных характеристик дисперсной среды коаксиально-волноводным методом в СВЧ диапазоне;
г) измерить частотные зависимости коэффициента отражения и передачи коаксиальной ячейки, заполненной исследуемым диэлектриком;
д) ознакомиться с численным методом решения обратной задачи для нахождения спектров комплексной диэлектрической проницаемости;
е) рассчитать диэлектрическую проницаемость и построить частотные и влажностные зависимости почв;
ж) провести анализ полученных результатов измерений;
з) разработать методику, позволяющую в лабораторных условиях определять содержание солей тяжелых металлов в почве;
и) обобщить результаты НИР и составить текст диссертационного исследования.
Объектом исследования является процесс распространения электромагнитных волн СВЧ диапазона в образцах почв (супесь, песок), увлажненных солевыми растворами; процессы, приводящие к снижению интенсивности электромагнитной волны.
Предметом исследования являются образцы почв (супесь и песок), пропитанных исследуемыми солевыми растворами сульфата меди и никеля в концентрациях от 0 до 165 мг/кг; математические и физические модели распространения электромагнитных волн в гетерогенных средах; физические величины комплексной диэлектрической проницаемости (е* = е'- i е'').
Для получения частотных зависимостей электромагнитных откликов от образцов почв был использован метод измерения в линии передачи с использованием коаксиальных измерительных ячеек по методике, разработанной в лаборатории радиофизики дистанционного зондирования Института физики СО РАН им. Л.В. Киренского [29]. Измерения производились по схеме «на проход» в диапазоне частот от 10 МГц до 18 ГГц. Для расчета электромагнитных параметров образцов использовалась теория Л.М. Бреховских [30] о распространении волн в слоистых средах и решение обратной задачи методом минимизации целевой функции, описанное в работе [31, 32].
Положения, выносимые на защиту (ПВЗ):
1. Увеличение концентрации солей тяжелых металлов от 0 до 165 мг/кг в песчаных образцах приводит к увеличению максимального количества связанной влаги Жсв max в нем от 0,1138 до 0,1822 для CuSO4, а для N1SO4 - от 0,1138 до 0,1657.
2. Линейная аппроксимация зависимости концентрации CuSO4 и N1SO4 от скорости роста е' при изменении влажности W позволяет определить содержание меди с погрешностью не хуже 10 %, никеля - 7 %.
Достоверность защищаемых положений подтверждается
следующими факторами:
1) тщательным анализом реальных инструментальных и методических
погрешностей использованного измерительного оборудования
(инструментальная погрешность векторного анализатора составляет 0,1 % при измерении коэффициента передачи; погрешность измерения массы на весах 0,0001 г);
2) выполнением серии тестовых измерений диэлектрической проницаемости кварцевого песка с известными свойствами и совпадением полученных результатов с литературными данными [5] в пределах 3-5 %;
3) совпадением результатов, полученных разными методами: вариации
длины коаксиальной ячейки (17, 37, 55 мм), а также методом с использованием объемного многомодового резонатора на основе прямоугольного волновода в пределах 5-6 %;
4) повторяемостью экспериментальных данных, полученных коаксиальным методом. При семикратном повторении эксперимента в одних и тех же условиях: при влажности образца 17 ± 0,1 %, его плотности в измерительной ячейке 1,2 ± 0,05 г/см3, температуре 23 ± 1 °С отличие полученных данных составило не более 7 %.
Обоснование новизны ПВЗ. Получены новые экспериментальные данные о спектрах комплексной диэлектрической проницаемости супеси и песка, в широком интервале содержания ионов меди и никеля (6-165 мг/кг) и влажности образцов (0-45 %). Экспериментально получены количественные оценки влияния содержания ионов меди и никеля на диэлектрическую проницаемость различных видов почв.
Обоснование практической значимости ПВЗ. Полученные в данной работе результаты способствуют расширению области применения радиофизического метода для исследования фундаментальных свойств материалов. Предложена методика определения содержания солей тяжелых металлов в почве на основе увеличения приращения диэлектрической проницаемости при изменении влажности в СВЧ диапазоне. Определены границы применимости диэлькоскопического метода определения содержания тяжелых металлов (меди и никеля) в почве: влажность почвы не менее 12 %, содержание ионов солей от 6 мг/кг. Результаты работы могут быть применены для дистанционного оперативного мониторинга территорий вблизи крупных промышленных предприятий.
Влажность почвы - одна из климатических переменных, рекомендованная Всемирной метеорологической организацией для постоянного наблюдения. Ввиду этих фактов, достоверные и актуальные данные о характере и направлении потоков влаги являются одними из главных входных параметров климатических и гидрологических моделей.
Повышенное содержание солей в почве является как следствием природных процессов, так и имеет техногенные причины. Загрязнение почвы является серьезной проблемой для экосистемы планеты.
Для принятия своевременных мер по улучшению состояния почвы необходимо осуществлять периодический контроль, который позволит фиксировать скорость загрязнения и увлажнения.
Существует два основных класса методов контроля состояния почвенного покрова - наземные и дистанционные. Наземные методы позволяют с высокой точностью определить температуру, объемную и весовую влажность почвы, но не обеспечивают требуемый охват достаточно больших территорий. Также стоит отметить, что обработка экспериментальных данных занимает большое количество времени. С учетом этого, задача периодического контроля решается дистанционными методами, использующими для зондирования электромагнитные волны микроволнового и оптического диапазона.
Характер взаимодействия электромагнитных волн с поверхностью того или иного объекта определяется радиофизическими характеристиками веществ, его слагающих. К основным радиофизическим характеристикам веществ и материалов можно отнести диэлектрическую и магнитную проницаемости, а также, связанные с ними величины. Поскольку значения магнитной проницаемости большинства почв и растительности мало отличаются от единицы, основным параметром, определяющим особенности взаимодействия электромагнитных волн с природными объектами, является комплексная диэлектрическая проницаемость. Данные о комплексной диэлектрической проницаемости подстилающей поверхности позволяют прогнозировать характер распространения земной электромагнитной волны, отражения пространственных электромагнитных волн от подстилающей поверхности, излучения волн антенно-фидерным устройством (АФУ) и др.
Известно, что величина комплексной диэлектрической проницаемости почв и грунтов является функцией многих переменных, основными из которых являются объемная доля влаги, гранулометрический состав и содержание солей. Гранулометрический состав - квазипостоянный параметр, не изменяющийся в течение десятков и сотен лет. Солевой состав почв изменяется при колебании среднегодового уровня грунтовых вод, что обычно происходит в течение нескольких лет. Значения влажности могут меняться крайне быстро, например, в результате выпадения осадков.
Существующие на данный момент модели взаимодействия электромагнитных волн СВЧ диапазонов с подстилающей поверхностью рассматривают ее как однородную изотропную диэлектрическую среду. Так, значения диэлектрической проницаемости или проводимости почв, приведенные на соответствующих тематических картах, считаются неизменной величиной для данного участка поверхности.
Тематические карты могут содержать данные, соответствующие незамерзшим и полностью замерзшим почве или грунту, но они не
проницаемости в течение того или иного сезона.
Целью данной работы является создание методики выявления загрязнения почвы на фоне меняющейся влажности.
Задачи:
а) провести аналитический обзор литературных источников, посвященных диэлектрическим свойствам засоленных и влажных почв;
б) подготовить экспериментальные образцы;
в) освоить методику измерения электромагнитных характеристик дисперсной среды коаксиально-волноводным методом в СВЧ диапазоне;
г) измерить частотные зависимости коэффициента отражения и передачи коаксиальной ячейки, заполненной исследуемым диэлектриком;
д) ознакомиться с численным методом решения обратной задачи для нахождения спектров комплексной диэлектрической проницаемости;
е) рассчитать диэлектрическую проницаемость и построить частотные и влажностные зависимости почв;
ж) провести анализ полученных результатов измерений;
з) разработать методику, позволяющую в лабораторных условиях определять содержание солей тяжелых металлов в почве;
и) обобщить результаты НИР и составить текст диссертационного исследования.
Объектом исследования является процесс распространения электромагнитных волн СВЧ диапазона в образцах почв (супесь, песок), увлажненных солевыми растворами; процессы, приводящие к снижению интенсивности электромагнитной волны.
Предметом исследования являются образцы почв (супесь и песок), пропитанных исследуемыми солевыми растворами сульфата меди и никеля в концентрациях от 0 до 165 мг/кг; математические и физические модели распространения электромагнитных волн в гетерогенных средах; физические величины комплексной диэлектрической проницаемости (е* = е'- i е'').
Для получения частотных зависимостей электромагнитных откликов от образцов почв был использован метод измерения в линии передачи с использованием коаксиальных измерительных ячеек по методике, разработанной в лаборатории радиофизики дистанционного зондирования Института физики СО РАН им. Л.В. Киренского [29]. Измерения производились по схеме «на проход» в диапазоне частот от 10 МГц до 18 ГГц. Для расчета электромагнитных параметров образцов использовалась теория Л.М. Бреховских [30] о распространении волн в слоистых средах и решение обратной задачи методом минимизации целевой функции, описанное в работе [31, 32].
Положения, выносимые на защиту (ПВЗ):
1. Увеличение концентрации солей тяжелых металлов от 0 до 165 мг/кг в песчаных образцах приводит к увеличению максимального количества связанной влаги Жсв max в нем от 0,1138 до 0,1822 для CuSO4, а для N1SO4 - от 0,1138 до 0,1657.
2. Линейная аппроксимация зависимости концентрации CuSO4 и N1SO4 от скорости роста е' при изменении влажности W позволяет определить содержание меди с погрешностью не хуже 10 %, никеля - 7 %.
Достоверность защищаемых положений подтверждается
следующими факторами:
1) тщательным анализом реальных инструментальных и методических
погрешностей использованного измерительного оборудования
(инструментальная погрешность векторного анализатора составляет 0,1 % при измерении коэффициента передачи; погрешность измерения массы на весах 0,0001 г);
2) выполнением серии тестовых измерений диэлектрической проницаемости кварцевого песка с известными свойствами и совпадением полученных результатов с литературными данными [5] в пределах 3-5 %;
3) совпадением результатов, полученных разными методами: вариации
длины коаксиальной ячейки (17, 37, 55 мм), а также методом с использованием объемного многомодового резонатора на основе прямоугольного волновода в пределах 5-6 %;
4) повторяемостью экспериментальных данных, полученных коаксиальным методом. При семикратном повторении эксперимента в одних и тех же условиях: при влажности образца 17 ± 0,1 %, его плотности в измерительной ячейке 1,2 ± 0,05 г/см3, температуре 23 ± 1 °С отличие полученных данных составило не более 7 %.
Обоснование новизны ПВЗ. Получены новые экспериментальные данные о спектрах комплексной диэлектрической проницаемости супеси и песка, в широком интервале содержания ионов меди и никеля (6-165 мг/кг) и влажности образцов (0-45 %). Экспериментально получены количественные оценки влияния содержания ионов меди и никеля на диэлектрическую проницаемость различных видов почв.
Обоснование практической значимости ПВЗ. Полученные в данной работе результаты способствуют расширению области применения радиофизического метода для исследования фундаментальных свойств материалов. Предложена методика определения содержания солей тяжелых металлов в почве на основе увеличения приращения диэлектрической проницаемости при изменении влажности в СВЧ диапазоне. Определены границы применимости диэлькоскопического метода определения содержания тяжелых металлов (меди и никеля) в почве: влажность почвы не менее 12 %, содержание ионов солей от 6 мг/кг. Результаты работы могут быть применены для дистанционного оперативного мониторинга территорий вблизи крупных промышленных предприятий.
В процессе выполнения работы был составлен набор необходимых материалов для эксперимента, подготовлены образцы почв с различным содержанием тяжелых металлов и влаги, проведены измерения комплексных параметров матрицы рассеяния в диапазоне частот от 0,1 до 18 ГГц, при помощи метода минимизации целевой функции рассчитана комплексная диэлектрическая проницаемость исследуемых образцов.
В результате работы:
- проведен литературный обзор по методам измерения комплексной диэлектрической проницаемости почв, а также по моделям диэлектрической проницаемости структурных смесей;
- построены частотные и влажностные зависимости мнимой и действительной частей комплексной диэлектрической проницаемости для оценки влияния влажности и концентрации солей на электромагнитные характеристики;
- в соответствии с полученными экспериментальными данными, была разработана и протестирована методика выявления содержания тяжелых металлов Ni, Cu в исследуемых образцах.
Результаты научно-исследовательской работы по теме исследования были опубликованы в рецензируемых журналах:
1) Kochetkova T.D., Volkova M.A. Determination of the degree of soil pollution by heavy metals by electromagnetic response in microwave range // Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering. 2020. Vol. 11533. P. 1115331S-1 - 115331S-8. DOI: 10.1117/12.2574106
2) Kosyrev N.N., Volkova M.A., Kochetkova T.D., Ul’yanova O.A. Ecological soils diagnosis of the educational farm “Kanonerovskoye” // International agricultural journal. 2022. Vol. 65. ISSN 2588-0209. DOI: 10.55186/25876740-2022-6-1-21
3) Волкова М.А. Определение степени загрязнения почв тяжелыми металлами по электромагнитному отклику / Кочеткова Т.Д., Волкова М.А. // Актуальные проблемы радиофизики АПР-2021. Сборник трудов IX Международной научно-практической конференции. Томск, 2021. - С.43-44.
4) Волкова М.А. Метод оценки загрязнения почв солями тяжелых металлов / Град. Э.Я., Кочеткова Т.Д., Косырев Н.Н., Ульянова О.А., Волкова М.А. // Научно-образовательный потенциал молодежи в решении актуальных проблем 21 века. Сборник IX международной студенческой научной конференции Том. 9. - Ачинск, 2021. - С. 58¬62.
Работа представлена на Всероссийской открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса», Москва, ИКИ РАН, 18.12.2019.
Измерения электромагнитных характеристик проводились на оборудовании Центра коллективного пользования «Центр радиофизических измерений, диагностики и исследования параметров природных и искусственных материалов» (директор В.И. Сусляев).
В результате работы:
- проведен литературный обзор по методам измерения комплексной диэлектрической проницаемости почв, а также по моделям диэлектрической проницаемости структурных смесей;
- построены частотные и влажностные зависимости мнимой и действительной частей комплексной диэлектрической проницаемости для оценки влияния влажности и концентрации солей на электромагнитные характеристики;
- в соответствии с полученными экспериментальными данными, была разработана и протестирована методика выявления содержания тяжелых металлов Ni, Cu в исследуемых образцах.
Результаты научно-исследовательской работы по теме исследования были опубликованы в рецензируемых журналах:
1) Kochetkova T.D., Volkova M.A. Determination of the degree of soil pollution by heavy metals by electromagnetic response in microwave range // Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering. 2020. Vol. 11533. P. 1115331S-1 - 115331S-8. DOI: 10.1117/12.2574106
2) Kosyrev N.N., Volkova M.A., Kochetkova T.D., Ul’yanova O.A. Ecological soils diagnosis of the educational farm “Kanonerovskoye” // International agricultural journal. 2022. Vol. 65. ISSN 2588-0209. DOI: 10.55186/25876740-2022-6-1-21
3) Волкова М.А. Определение степени загрязнения почв тяжелыми металлами по электромагнитному отклику / Кочеткова Т.Д., Волкова М.А. // Актуальные проблемы радиофизики АПР-2021. Сборник трудов IX Международной научно-практической конференции. Томск, 2021. - С.43-44.
4) Волкова М.А. Метод оценки загрязнения почв солями тяжелых металлов / Град. Э.Я., Кочеткова Т.Д., Косырев Н.Н., Ульянова О.А., Волкова М.А. // Научно-образовательный потенциал молодежи в решении актуальных проблем 21 века. Сборник IX международной студенческой научной конференции Том. 9. - Ачинск, 2021. - С. 58¬62.
Работа представлена на Всероссийской открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса», Москва, ИКИ РАН, 18.12.2019.
Измерения электромагнитных характеристик проводились на оборудовании Центра коллективного пользования «Центр радиофизических измерений, диагностики и исследования параметров природных и искусственных материалов» (директор В.И. Сусляев).
Подобные работы
- ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ
ПО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМУ ОТКЛИКУ
Бакалаврская работа, физика. Язык работы: Русский. Цена: 4300 р. Год сдачи: 2020 - БИОТЕСТИРОВАНИЕ ПОЧВ ТЕХНОГЕННЫХ ЗОН ГОРОДСКИХ ТЕРРИТОРИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАСТИТЕЛЬНЫХ ОРГАНИЗМОВ
Диссертация , экология и природопользование. Язык работы: Русский. Цена: 500 р. Год сдачи: 2005