Γεωπονικό Πανεπιστήμιο Αθηνών Τμήμα Αξιοποίησης Φυσικών Πόρων Εργαστήριο Γεωργικής Υδραυλικής

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΗΣ ΑΞΙΟΠΙΣΤΙΑΣ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ ΕΔΑΦΙΚΗΣ ΥΓΡΑΣΙΑΣ ΑΣΠΑΣΙΑ ΚΛΑΔΟΥ ΑΡ.ΜΗΤΡΩΟΥ : Z1575 ΑΝΤΩΝΟΠΟΥΛΟΣ ΣΤΕΡΓΙΟΣ ΑΡ.ΜΗΤΡΩΟΥ : Z15683

Περίληψη Τις τελευταίες δεκαετίες παρατηρείται ραγδαία ανάπτυξη των τεχνολογιών μέτρησης της εδαφικής υγρασίας. Οι πιο δημοφιλείς από αυτές είναι οι τεχνολογίες που μετρούν έμμεσα την εδαφική υγρασία διαμέσου της διηλεκτρικής σταθεράς του εδάφους. Στην παρούσα εργασία εξετάζεται η αξιοπιστία των αισθητήρων (TDR) στην μέτρηση των αλλαγών της εδαφικής υγρασίας με βάση τις αλλαγές της διηλεκτρικής σταθεράς κάτω από σταθερές εργαστηριακές συνθήκες σε διαφορετικά πορώδη μέσα. Στα πορώδη μέσα περιλαμβάνονται δείγματα εδαφών, άμμου, οργανικά υποστρώματα καλλιεργειών και χημικά διαλύματα. Από την εξέταση των αισθητήρων στα παραπάνω πορώδη μέσα συνάγεται ότι απαιτείται συγκεκριμένη βαθμονόμηση του οργάνου σε κάθε πορώδες μέσο για την απόκτηση μετρήσεων ακριβείας. Η προτεινόμενη εργοστασιακή βαθμονόμηση μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε εργασίες ρουτίνας κάτω από ορισμένες προϋποθέσεις.

Εισαγωγή Η χρήση της μεθόδου Time Domain Reflectometry (TDR) για την μέτρηση της κατ’ όγκο εδαφικής υγρασίας (Θ) έχει επεκταθεί σημαντικά από το 1980 όταν οι Topp et al. (1980) έδειξαν την πρακτική εφαρμογή της. Η μέθοδος TDR στηρίζεται στον υπολογισμό των αλλαγών της ταχύτητας ενός ηλεκτρομαγνητικού παλμού που αποστέλλεται διαμέσου ενός αισθητήρα του οποίου οι ράβδοι εισάγονται στο έδαφος, λόγω μεταβολών της εδαφικής υγρασίας. Βασικό σημείο της συνεισφοράς των Topp et al. αποτελεί η προτεινόμενη εξίσωση συσχέτισης της διηλεκτρικής σταθεράς του εδάφους και της περιεχόμενης (Θ). Η διηλεκτρική σταθερά του εδάφους (Κ α ) καθορίζεται ουσιαστικά από την διηλεκτρική σταθερά του νερού η οποία έχει τιμή 80,4 ενώ του αέρα και των ανόργανων συστατικών είναι 1 και περίπου 3 αντίστοιχα. Στην συνέχεια οι Roth et al. (1992) παρουσίασαν δεδομένα από ανόργανα εδάφη με μεταβαλλόμενη περιεκτικότητα σε άργιλο από 2% έως 46% και έδειξαν ότι η σχέση μεταξύ Κ α -Θ δίνεται από τριτοβάθμια εξίσωση η οποία συμφωνεί ουσιαστικά με αυτήν των Topp et al. (1980). Για τα οργανικά εδάφη οι Roth et al.(1992) έδειξαν ότι η σχέση Κ α -Θ δεν αποδίδεται από αυτήν των ανόργανων λόγω της χαμηλής φαινόμενης πυκνότητας. Οι Dirksen and Dasberg (1993) εξέτασαν την επίδραση του δεσμευμένου νερού στα ορυκτά της αργίλου πάνω στην σχέση Κ α -Θ και βρήκαν ότι σε λίγες περιπτώσεις ισχύει η εξίσωση των Topp et al. (1980) λόγω αυτού του γεγονότος. Συνεπώς εμφανίζονται στην βιβλιογραφία αντικρουόμενα συμπεράσματα σε σχέση με την ισχύ της προτεινόμενης εξίσωσης ειδικά για τα διαστελλόμενα αργιλώδη εδάφη. Γενικά πάντως από την βιβλιογραφία φαίνεται ότι αν και η προτεινόμενη εξίσωση μπορεί να ισχύει για τα ανόργανα εδάφη πολλοί ερευνητές τονίζουν την ανάγκη συγκεκριμένης βαθμονόμησης σε κάθε ξεχωριστό έδαφος (Roth et al. 1990; Perin et al. 1991; Tomer et al.1999).

Η αιτία για το γεγονός αυτό αποδίδεται στο ότι το εκπεμπόμενο ηλεκτρομαγνητικό κύμα-παλμός μπορεί να επηρεαστεί από διάφορους παράγοντες. Υλικά με μεγάλη ειδική επιφάνεια μπορούν να επηρεάσουν τις μετρήσεις λόγω της μεγάλης ποσότητας προσροφημένου νερού, ειδικά σε εδάφη με περιεκτικότητα σε άργιλο μεγαλύτερη από 40% και σε οργανικά εδάφη με περιεκτικότητα σε οργανική ουσία μεγαλύτερη από 10%. Επίσης οι μεταβολές της φαινόμενης πυκνότητας προκαλούν σημαντικές αλλαγές της διηλεκτρικής σταθεράς (Jacobsen and Schjonning, 1993; Dirksen and Dasberg, 1993; Ponizovsky et al. 1999; Zegelin et al.1992). Σημαντική επίδραση στον υπολογισμό της Θ έχει και η ηλεκτρική αγωγιμότητα (EC) του εδαφικού διαλύματος (White et al. 1994). Έτσι σε πολλές περιπτώσεις προτείνονται διαφορετικές εξισώσεις βαθμονόμησης ανάλογα με την περιεκτικότητα σε άλατα. Επίσης επίδραση στην Κ α εξασκούν το μήκος των καλωδίων της συσκευής, η συχνότητα του παλμού καθώς και η θερμοκρασία του πορώδους μέσου (McMichael and Lascano, 2003).

Στην παρούσα εργασία εξετάζεται η αξιοπιστία των αισθητήρων TDR κάτω από ελεγχόμενες εργαστηριακές συνθήκες. Στα πορώδη μέσα περιλαμβάνονται εδαφικά δείγματα, οργανικά υποστρώματα, άμμος και χημικά διαλύματα. Επίσης πραγματοποιείται και ειδική βαθμονόμηση των TDR για κάθε δείγμα και εξετάζεται η προκύπτουσα βελτίωση στην ακρίβεια των μετρήσεων.

Οι αισθητήρες TDR αποτελούνται από 2 κυλινδρικά ραβδία μήκους 12 cm κ 8 cm από ανοξείδωτο χάλυβα. Οι τιμές των μετρήσεων προέρχονται από το εδαφικό δείγμα πού περιλαμβάνεται μεταξύ των 2 ραβδίων.

ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ Η διαδικασία που ακολουθείται είναι η εξής : 1.Συλλογή διαφόρων ειδών καθαρών χωμάτων και ξήρανση τους, όπου θεωρείται αναγκαίο. 2.Τοποθέτησή τους σε ειδικό κύβο ο οποίος έχει σταθερές διαστάσεις κ σταθερό όγκο.

4.Διαβροχή του χώματος με συγκεκριμένες ποσότητες νερού με σταθερό αυξανόμενο βήμα, έτσι ώστε η πραγματική υγρασία να είναι γνωστή σε κάθε στάδιο. 5.Ομοιογενοποίηση του δείγματος.

6.Τοποθέτηση του οργάνου στο κεντρικό σημείο του όγκου εδάφους ώστε η μέτρηση να είναι πιο αντιπροσωπευτική. 7.Ανάγνωση των αποτελεσμάτων του οργάνου κ καταγραφή τους.

ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΠΟΥ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠIΣΑΜΕ 1. Λόγω της υψηλής περιεκτικότητας του αργιλώδους εδάφους σε άλατα οι ενδείξεις του οργάνου δεν ήταν αξιόπιστες κ χρειάστηκε η επανάληψη της διαδικασίας 2. Σε κάθε στάδιο διαβροχής θα έπρεπε η ανάμειξη του δείγματος να γίνεται με επιτυχία, να έχει όλο το έδαφος την ίδια υγρασία, κ μετά στην τοποθέτηση του στον κύβο να γίνεται με τέτοιο τρόπο ώστε να έχει ομοιόμορφη πυκνότητα.