Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ НЕЙТРОНОМЕТРИИ ВЛАЖНОСТИ ЗАСОЛЕННЫХ ПОЧВ

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ НЕЙТРОНОМЕТРИИ ВЛАЖНОСТИ ЗАСОЛЕННЫХ ПОЧВ"

- гяю

(

Министерство мелиорации и водного хозяйства СССР

1 - * ^

Всесоюзный научно-исследовательский институт гидротехники г мелиорации им. А.Н. Костакова '

1 ' На правах рукописи

1 Ч.

ЕВСЕЕВ Ю.К. .

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ НЙЙТОНОМВГРИИ ' ВЛАЖНОСТИ ЗАСОЛЕННЫХ ПОЧВ ,

Автореферат диссертации на соискание' ученой степени кандидата - технических наук

I

- Москва 1975

Министерство мелиорации и водного хозяйства СССР

Всесоюзный научно-ясследовательский институт гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костикова

На правах рукописи

ЕВСЕЕВ ЮН-Й КОНСТАНТИНОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ НЕЙТРОНОМЕТРШ ВШИОСТИ ЗАСОЛЕННЫХ ПОЧВ

( Дкссерташш написана на русском языке)

Специальность 06.01.02 - Мелиорация я орошаемое

земледелие

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата, технических наук

Москва 1975

Работе выполнена в лаборатории радиационных исследований Всесоюзного научно-исследовательского института гидротехнике а мелиорации (ШИИШО имени А.Н.Костикова.

Научный руководитель - донтор сельскохозяйственньи

наук, профессор В.А.Еквльанов

Официальные оппоненты:

доктор фязжко-матвматжческих наук А.К. Берэин,

кандидат технических наук В.Д.Бердамев

Ведудая организация - Укргиправодюз

Автореферат разослан " fZ" 1975г.

Защита диссертации сосгожтся " /3 " ¿u^h^juisnbs, на заседали Ученого совета ШИИПЛ1 лыени А.Н. Костикова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Отанв ка автореферат в двух акэемшшрах, ваверенняй пвчатъв -учреждений, просим направлять по адресу: 125006, г.Москва А-в, ул.Преижгнякова, 19, ЕНИИГиИ. Ученому секретарю.

Ученый секретарь Совета, кандидат технических иаук

D.H.JhcoB

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Директивами ШУ съезда КПСС намечена широкая программа гидротехнических мелиорация земель, предуема грквалцая создание обширных зов орошаемого земледелия а Поволжье, на Северной Кавказе» на иге Украины, Молдавия, в Казахстане* а также дальнейшее развитие традиционного орошения в Средней Лева и в Закавказье* В этих районах предусматривается создание гидромелиоративных систем о высокими технико-экономическими показателями.

Два успешного выполнения намеченной программы должны быть проведены в широких масштабах изыскательские, проектные и строительные работы, улучшена эксплуатация гидромелиоративных систем я повышена эффективность использования водннх ресурсов в районах орошаемого земледелия. Ори этом особое значение приобретает получение своевременной и надежной информации о влажности массивов почвогрунтов. Эта информация позволяет рассчитывать и оценивать водные, прочностные, технологические в другие характеристики почвогрунтов, составлять прогнозы о запасах продуктивной влаги в почве в начальных фазах вегетации сельскохозяйственных культур, определять сроки полива, оптимизировать оросительные нормы и т.д.

Из всех известных полевых методов влагсшетрии современным технихо-еконсжическим требованиям в наибольшей мере отвечает нейтронные метода« которым присущи высокая

2-387 3

точность определения влажности да большинстве тяпав почв, большая производительность при малой трудоемкости, воспроизводимость ооределений влажности, возможность автоматизация этих определений и ислользова низ их результатов в системах аэтоматич еского регулирования влажности корнеобитаемого слоя. Однако известные нейтронные влагомеры при применении на засоленных почвах, которые широко распространены в традиционных и перспективных районах орошаемого земледелия, часто определяют влажность с весьма большими погрешностями из-за вариаций содержаний в таких почвах литка, бора, хлора, марганпа в других элементов - аномально-сильных поглотителей тепловых нейтронов. Кроме того, многолетняя практика применении нейтронных влагомеров выявила их ограниченные возможности оря определении влажности пахотного слоя почвы, особенно в случае вертикальной неоднородности атого слои по влажности. Поэтому в настоящее время назрела необходимость в совершенствовании существующих я разработке новых методов иейтронометрии влажности почвогрунтов.

ЦЕЛЬ И ОБЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ* Цель» диссертационной работы является исследование и разработка эффективных способов нейтронометрии влажности засоленных и незаселенных почв применительно к цочвенно-мелиоративныы исследованиям, изысканиям в массовому контроле влажности всего хорнеобитаемого слоя орошаемых земель в производственных условиях* Это позволит выполнять массовые измерения влажности почвогрунтов нейтронными методами на гидромелиоративных объектах в условиях, ныне ограничивающих нейтровометрвю.

В результате выполненных исследований разработаны:

1. нейтрон-нейтронный метод на основе двухразового зонда дла определений влажности засоленных почв;

2. нейтронный влагомер с двухразовым зондом (РВГ-бО);

3. (нейтрон-нейтрон) -сконический метод дла определенна влажности пахотного слоя почв;

4. (нейтрон-нейтрон)-скооический метод на основе двухразового датчика дла определения влажности пахотного слоя засоленных почв;

5. поверхностно-глубинный влагомер с датчиком, работающим по принципу (нейтрон-нейтрон)-скопического метода;

6. методики нейтронометрии влажности засоленных почв и почв с высокими содержанками аномально-сальных доглотителей нейтронов;

7. технические рекомендации по разработке поверхностно-глубинного нейтронного влагомера для засоленных почв.

МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ЖИЩДОВАНИЯ, Исследовании нейтрон-нейтронного метода, основанного на определении отношения скоростей счета тепловых нейтронов, измеренных при двух различных расстояниях между детектором и источником нейтронов (двухразовый зонд), проводились на гетерогенных моделях сред, отличающихся по влажности и позволяющих изменять без нарушения структуры среды ее влажность и содержание аномально-сильных поглотителей тештовнх нейтронов, а также распределение их & объеме среды* Этот метод, кроме того, исследовался на натурных объектах почвогрунтов с различным распределением по слоям влажности и аномально-сильшх поглотителей.

В процессе разработки (нейтрон-нейтрон)-скопяческого метода

определения,влажности пахотного слоя почв, в той числе засоленных, исследование проводились на моделях сред с равномерным распределением влажности к аноыалъно-сильных поглотителей нейтронов по ойьецу, а также на моделях сред с резкими градиентами влажности по глубине пахотного слоя. Влажность, определяемая нейтронными методами, контролировалась тегыостатво-весовым способом.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Найдены эмпирические зависимости между отношением скоростей счета, измеренных нейтрон-нейтронным влагомере« с двухразовым зондом,и влажностью почвы. Показано, что о их помощь!) можно получать достоверные значения влажности почв с различным содержанием аномально-сильных поглотителей тепловых нейтронов.

Установлены зависимости между скоростями счета поверхностного (нейтрон-нейтрон)-скодического влагомера с одноразовым и даухйаэовым датчиками ■ глубиной введения в почву источника быстрых нейтронов. Доказано, что ори введении источника нейтронов на глубину 0, 10 и 20 см влажность пахотного слоя может быть дифференцирована соответственно по слоям мощностью 10, 20 и 30 см.

Заработаны методики нейтронометрнк влажности засоленных почв и влажности пахотного слоя, в частности, и в условиях его засоленности.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ. Использование выполненных методических разработок дозволит повысить точность нейтронных методов г расширит границы их применимости (все типы почв в различных почвенно-кдиматических зонах Советского Союза, кроме торфяных).

Реализация технических рекомендаций по разработке поверг-ностно-гдубинного нейтронного влагомера для засоленных почв будет способствовать созданию метрологически совершенных нейтронных влагомеров я, следовательно, внедрению нейтронных методов в

б

практику почвенно-мелиоративных исследований и изысканий в районах орошаемого земледелия, особенно в практику массового контроля в произволегвекных условиях влажности корнеобитаеиого слоя почв орошаемых земель.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ НА ПРАКТИКЕ. Глубинный нейтронный влагомер РЕГ-60» работающий по принципу нейтрон-нейтронного метода на основе двухбазового зонда, в 1972г. <5ыл выпущен установочной серией в количестве 13 приборов и в настоящее вреш применяется в раде инженерно-геологических организаций.

Опытный нейтронный влагомер с датчиком» работающим по принципу (нейтрон-нейтрон)-скопического метода, был применен в 1972г. на полях совхоза "Зара коммунизма" Московской области для определения запасов влаги, расчетов норм и сроков полива в пахотном слое почв, занятых под кукурузу. Из 120 сравнительных значений влажности, полученных нейтронным я термостатно-весовым методами, 75 имеют погрешность в пределах +1 об.%, 45 - в пределах + 2 об.%.

Облегченный поверхностно-глубинный нейтронный влагомер, действующий по принципу (нейтрон-нейтрон)-скошгческого метода, был применен в 1973г. ва опытно-производственном участке орошения широкозахватной техникой Каховской оросительной системы (Укргвпроводхоз) с целью исследования водного режима грунтов и с той же целью на водобалансовшс площадках ИГАН АН СССР в Курской и Ворошиловградской областях. Этот влагомер положен в основу опытно-конструкторской разработки для последующего серийного выпуска поверхностно-глубинного нейтронного влагомера.

ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ. Экономический эффект от применения поверкностно-глубинного нейтронного влагомера, работа-

3-337 г.

щего по принципу двухразового (нейтрон-нейтрон) -скопяческого метода (поверхностный вариант) и двухразового нейтрон-нейтронного метода (глубинный вариант), ориентировочно составит 5-10 тыс;руб. в год.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 10 работ.

ОБЫМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из Введения, четырех глав и основных выводов, изложенных на 15Э страницах машинописного текста, содержит 34 рисунка и 20 таблиц. Список литературы включает 130 наименований.

В ПЕРВОЙ главе кратко рассмотрены физические основы л методика нейтроыометрии влажности почвы. Показания нейтронных влагомеров в основном зависят от нейтронных свойств почвы - замедляицих и диффуэионно-поглощащих, вырежаешх физическими величинами, по kotojum можно характеризовать распределение нейтронов в почве вокруг источника. Эти величины обусловливаются влажностью почвы, ее химическим составом и плотностью твердой фазы. Эффективные сечения упругого рассеяния для всех почвооЗразрядах элементов, кроме водорода, составляет 1-5 барн ( I барн я Ю-24 сы2), а эффективные сечения поглощения, если не принимать во внимание аномально-сильные поглотители тепловых нейтронов, - в пределах 0,0002-2,4 барн. Дш водорода сечения рассеянии я поглощения соответственно равны 20-80 и 0,33 барн. Это существенное различие в нейтронных константах почвообразухщих алементов я водорода лежит в основе нейтронных методов определения водородсодерхания почвы, т.е. ее влажности. Но так как эффективные сечения поглощении тепловых нейтронов душ аномально-сильных поглотителей тепловых нейтронов равны десяткам (хлор), соткам (бор) и десяткам тысяч (гадолиний) барн, то нередко даже мякропримеси этих элементов резко влияют на пространственное распределение нейтронов 8

в почве я ген самым на результаты определений влажности нейтронными методами.

В главе приведены основные технические характеристики современных поверхностных и глубинных нейтронных влагомеров отечественного я зарубежного производства два почвогрунтов. В практике полевой нейтровоыетрии влажности нашли применение только те нейтронные влагомеры, принцип работы которых основан на нейтрон-нейтронном методе до тепловым нейтронам с одаобазовыми зондами (датчиками). Следовательно, все они чувствительны к вариациям содержания в почвах аномально-сильных поглотителей тепловых нейтронов. Кроме того, доказывающие слои для большинства поверхностных - приставных - влагомеров не превышают 8-10см (при влажности почвы около 30 об.?), поэтому такие влагомеры и не обеспечивают определения влажности по всей глубине пахотного слоя почвы, мощность которого для большинства типов почв СССР в среднем равна 20-30см.

Особое внимание в главе уделено вопросам содержания в почвах аномально-сильных поглотителей нейтронов. На основании работ А.П.Виноградова, В.Б.Ильина, А.П.Аникиной,В.В.Ковальского, Г.А.Андриановой, О.И.Алкгановой и др. можно выделить семь элементов, имепцих первостепенное значение для практики нейтро-нометряи влажности: литий, бор, хлор, марганец, железо, самарий и гадолиний. В почвах эти элементы часто могут находиться в количествах, намного превышащнх их среднее содержание, особенно это относится к засоленным почвам - объектам настоящего и перспективного орошения в аридной я субарвдвой зовах.

Из известных способов выявления и предотвращения влияния аномально-сильных поглотителей тепловых нейтронов на показания

нейтрокшх влагомеров ш один не является универсальным я не

9

реализован в серийно выпускаемых влагомерах. Исключение составляет влагомер НИВ, работающий по дринцаиу (нейтрон-нейтронвого) +• (нейгронного гамма)-метода, в практически не чувствительный к вариациям в почве хлора и в меньшей «ере, чем другие влагомеры, к аномально-сильным поглотителям тепловых нейтронов, испускающих жесткое захватное гамма-излучение.

ВТОРАЯ глава посвящена исследованию и разработке нейтрон-нейтронного метода определения влажности по зависимости от нее отношение скоростей счета тепловых нейтронов, измеренных двухразовым зондом.

В работе использованы известные формулы Е.Ы.Филиплова доз поглощающих сред, характеризую^е пространственное распределение плотности тепловых нейтронов вокруг источника.

На расстоянии от источника и при плотность

тепловых нейтронов П.т в поглощающей водородсодеряащей среде выражается а .

где ^ в коэффициент, учитывающий поглощение в

среде замедлявшихся нейтронов;

1_3,Ц<- длины замедления в диффузии нейтронов,

А -средняя полная длина свободного пробега нейтронов; А;,/*«- средние длины свободных пробегов нейтронов по отношению к рассеянию и захвату;

и - летаргия;

средняя логарифмическая потере энергии;

Г - среднее время хизяи тепловых нейтронов;

в- мощность источника; ТМ- некоторая функция» заданная графически.

На расстоянии от источника Т2и при тг>| плотность тепловых нейтронов описывается уравнением

^ = (2) Из выражений (I) и (2) следует, что

(уст«) _ -

Кт(га1 - е «)

Отсюда видно, что отношение не зависит от

поглощавдих свойств среды, а зависит лишь от длины замедления 1.« . Действительно, так как длина замедления для почв, главным образом, зависят от содержания водорода и слабо меняется с изменением их химического состава, то отношение плотностей тепловых нейтронов, измеренных на расстояниях и ( базах зонда ), практически обусловливается только водородсодержанием почвы, т.е. ее влажностью.

Это свойство и положено в основу разработанного при непосредственном участии автора нейтрон-нейтронного метода одределе-

„ к

ния влажности почвы по отношению — ■ - , градуировочная

/ ) 1(1 )

зависимость от влажности отношения = ^ устанав-

Пт(Х3) Ц Т-х)

лдвается экспериментально ( I - скорость счета тепловых нейтронов).

Лабораторные исследования ме*ода отношения* проведены на трех гетерогенных моделях сред, ямитирупцих по влажности я содержанию аномально-сильных поглотителей тепловых нейтронов почво-грунты. Диаметр моделей равнялся 60, высота - 80 см. По центру

х &цесь и в дальнейшем под методом отношения имеется в виду нейтрон-нейтронный метод на основе двухбазового зонда.

4-387

II

модели проходила обсадная тонкостенная (1мм) дюралюминиевая труба диаметром 50 мм и высотой 140 см. Исходная влажность сред в моделях соответственно равнялась 0, 37 и 93,5 Конструкция

моделей позволяла изменять как влажность среды (на 2 об.?), так и содержанке аномально-сильных поглотителей тепловых нейтронов. В исследованиях использовались соли и кис-

лота ИгЬ0}, Измерения на моделях выполнялись нейтронным влагомером с двухразовым зондом ( детектор - борный счетчик СШ-И, гелиевые счетчики СНМ-17 и СНЦ-54).

На моделях исследовалось пространственное распределение нейтронов в слабо- и сильнопоглодахчцих средах» влияние на показания влагомера, работающего по методу отношения, переменных содержаний в среде акомалъно-сильншс поглотителей тепловых нейтронов л чувствительность такого влагомера к влажности.

Как видно из табл.1 , значении отношения скоростей счета о пределах погрешностей эксперимента ($£) близки, хотя, как показано в диссертации, влияние этих элементов на скорость счета, измеренную зондам с базой или 1г , весьма существенно (свыше 50 отн./О . Чувствительность влагомера с двухбазовым зондом к влажности повышается с увеличением разницы в базах зондов. Но рационально максимальную базу зонда ограничивать инверсионным расстоянием между детектором я источником, т.е. базой, ва которой влагомер теряет чувствительность к влажности. База же доинвер-сионного зонда должна быть минимальной. В атом случае можно определять влажность в диапазоне 0-100^.

Лабораторные исследования были подтверждены исследованиями, проведенными автором на натурных почвенногрунтовнх объектах.

Далее в главе излагается разработанная автором методика

Экспериментальные значения отношений скоростей счета телловых нейтронов,

измеренных пра базовых расстояниях зонда 2, 39 и 95,5 обЗ

-г, я 1г

для сред с влажностью

—I-

„ I , V !

си { см

I

—1-

¡Концентрация 01(1, ,мг/б131 Концентрация

!_, I,,. у | в, ^сР^

! О 10,01510,153 ¡1,528 } ! 1 1

] 0,075!0,241

Конце:

мг/смд

0,20010,890 I

а ,

{Концентрация-^_мг/см -

Ы?,

■г*

Среднее ;отклонение

14,070 0,972!4,858 ¡10,000

Влажность 2 об.£

16 1,06 1,10 1,10 1,09 1,10 1,08 - 1,08 1,07 1,10 1,07 1,08 1,085*0,012

20 1,18 1,22 1,18 1,20 1,20 1,20 - 1,18 1,20 1,19 1,20 1,19 1,181+0,010

12 24 1,26 1,28 1,23 1,27 1,26 1,26 - 1,25 1,28 1,27 1,25 1,27 1,263*0,012

28 1,38 1,37 1,38 1,38 1,37 1,37 - 1,35 1,36 1,36 1,40 1,34 1,371*0,012

30 1,40 1,46 1,40 1,40 1,42 1,45 - 1,40 1,43 1,46 1,43 1,42 1,424*0,019

Влажность 39 ой,%

16 1,28 1,29 1,26 1,31 1,26 1,27 1,27 1,25 1,28 1,25 1,29 1,30 1,274*0,016

20 1,75 1,76 1,72 1,73 1,72 1,73 1,74 1,71 1,71 1,68 1,73 1,75 1,727*0,016

12 24 2,38 2,45 2,43 2,40 2,38 2,41 2,38 2,43 2,38 2,38 2,41 2,46 2,407*0,024

28 3,47 3,48 3,46 3,40 3,45 3,40 3,38 3,40 3,40 3,38 3,46 3,422*0,034

30 4,15 4,29 4,18 4,20 4,16 4,15 4,16 4,15 4,16 4,23 4,18 4,25 4,18^0,037

Елахность 95,5 об.%

16 1,45 1,45 1,46 1,4Э 1,48 1,45 1,46 1,47 1,44 1,47 1,47 1,48 1,465*0,013

20 2,26 2,28 2,27 2,27 2,28 2,28 2,27 2,26 2,26 2,27 2,30 2,29 2,274+0,010

12 24 3,54 3,60 3,57 3,60 3,62 3,63 3,53 3,55 3,57 3,57 3,63 3,60 3,584^0,031

28 5,57 5,66 5,62 5,71 5,67 5,57 5,55 5,56 5,62 5,59 5,65 5,61440,042

30 96 7,03 7,06 7,00 6,9С 6,85 6,95 6,78 7,05 7,00 6,Ж 6,07 6,91й0,084

глубинных определений влажности заселенных почв нейтронным влагомером с двухбазовым зондом. Методика основана на проведении двух

измерений скоростей счета и /а на заданной глубине введения зонда. Первое измерение выполняет, когда источник нейтронов находится на доинверсиоином расстоянии от детектора ( 7,< II см), второе измерение - когда источник находится на инверсионном расстоянии (7г = 25*35 см) .

Влажность почвы определяется по единому для различных типов почв градуировочному графику, построенному как зависимость отношения скоростей счета от влажности .

При градуировке влагомера с двухбазовым зондом применительно к почвам, в которых можно ожидать высокие содержания аномально-сильных поглотителей тепловых нейтронов,дла определенного диапазона влажности следует строить две градуировочные зависимости:

где 1КГГ- скорость счета в контрольно-транспортном устройстве

влагомера.

Влажность, найденная по отношению ^ , соответствует реальной влажности почвы. Влажность же, найденная по отношению

I

— , является "кажущейся" влажность», при этом ока отражает

-1кту

влияние аномально-сильных поглотителей нейтронов. Следовательно, сравнивая результаты обоях измерений влажности, можно дать качественную (а при специальной градуировке и количес тв еннув) оценку суммарного содержания в почве аномально-сильных поглотителей или одного из них, например,бора или хлора.

Палевые исследования влагомера с двухбазовым' зондом со вышеописанной методике были проведены на хлопковых далях Вахпюкой долины Таджикской ССР. Почвы под хлопчатником представлены свет-14

лыми сероземами, образованными на ирригационных наносах. По дан-нам О.И.Алихановой, дош ©тих дочв характерна большая меэопестрота по валовому содержанию бора ( от 15 до 100 мг/кг сухой почвы и выше). Влажность, найденная влагомером с двухразовым зондом, контролировалась термостатно-весовым способе« (табл.2). Рассогласования между термостатно-весовым способом л нейтрон-нейтронным методом (влагомер с одноразовым зондом) достигают по абсолютной величине от 2,6 (разрез 4) до 8,0 об.% (разрез 3), тогда как данные, полученные по методу отношения, хорошо согласуются с данными термостатно-весового способа. Среднеквадратичное отклонение из 32 определений влажности не превышает + 0,75 ой.%.

ТРЕТЬЯ глава посвящена усоверпенствованию методики и техники нейтронометрии влажности пахотного слоя почвы.

Для определения влажности этого слон обычно используются приставные нейтронные влагомеры, у которых детектор и источник нейтронов находятся на поверхности почвы. В неоднородной по влажности почвенном слое такие влагомеры показывают некоторую "кажущуюся" влажность, обусловленную пестротой естественной влажности в слое, адекватном пояазывалцему слою нейтронного влагомера (под показывающим слоем понимается слой, который обеспечивает 95$ скорости счета тепловых нейтронов в однородном слое бесконечной мощности). Но так как мощность доказывающего слоя оказывается в зависимости от влажности и для большинства известных приставных влагомеров не превышает 8-10см, а скорость счета тепловых нейтронов зависит от знака и величины градиентов влажности при анизотропном ее распределении в пахотном слое, то при поверхностных измерениях влажности приставными влагомерами могут иметь место значительные погрешности.

Результаты сравнительных определений влажности лессовых почвогрунтов методами н ейтрон-нейтрсншш, нейтрон-нейтронным по отношении скоростей счета и термостатно-весовым способом (колхоз им. В,И.Ленина Колхозабад-ского района Таджикской ССР)

Т

Почва

Глубина,I_Влажность. обЛ

см !термостатно-'нейтрон-

[весовой [способ

1 метод1 ! (нейтронный!отношения!

¡метод

I

Отклонения. 8.6с Л нейтрон- ! „_„П71

| оДния

Светлый серозем орошаемый то же

Светлый серозем то же

30 40 50 60 70 80 90 100

30 40

50 60 70 80 90 100

24,3 25,1 24,8

25.6 27,1

27.0

27.7 28,3

11.3

12.4

12.5 13,5

15.1 15,4

16.2

17,4

Разрез 3

16.3

18.4

18.3 21,0

22.4 21,6

23.5

23.4

Разрез 4 6,2 5,9 8,0 8,3

10.5 II,4 13,0 14,8

23.8

25.3 25,2 26,2

26.9

26.4

28.5

29.7

13,1

13.0

13.1

13.6 14,5 14,9

15.8 17,5

-8,0 -6,7 -6,5 -4,6 -4,7 -5,4 -4,2 -4,9

-5,1 -6,5 -4,5 -5,2 -4,6 -4,0 —3,2 —2,6

-0,5 +0,2 +0,4 +0,6 -0,2 -0,6 +0,8 +1,4

+1,8 +0,6 +0,6 +0,1 -0,6 -0,5

М

Увеличить мощность показывающего елок и уменьшить градиентные погрешности на показании влагомеров можно, если источник нейтронов вводить в почву на заданные глубины в пределах пахотного слои, а детектор располагать на ее поверхности. Как следует из теоретических положений нейтронной физики, при такой схеме измерения мощность показывающего слоя дайна несколько превышать глубину ьведенш источника, а влияние градиентов влажности додано быть уменьшено* Такой принцип измерения предложен В*А.Емельяновым и условно назван (вейтрон-нейтрон)-скошгчес-ким в отличие от обычного нейтрон-нейтронного.

Лабораторные исследования (нейтрон-нейтрон)-скояического метода проведены на шести моделях однородных сред с влажностью 0,9; 9,4; 16; 22; 34 и 100 обД. Измерения выполнялись приставным влагомером НБУ-I, в качестве источника использовался цдутоний-беряллкевый источник быстрых нейтронов с выходом 1,3 . 10 нейтрон/сев. Источник вводится в среду на глубину до 50 см.

В результате проведенных исследований получены зависимости скорости счета тепловых нейтронов от глубины введения в среду источника нейтронов, дающие представление о плотности тепловых нейтронов вблизи поверхности раздела почва - воздух. Были получены также зависимости скорости счета тепловых нейтронов от влажности, из которое следует» что дла глубин введения источника К =0*10сы оти зависимости практически прямолинейны в интервале влажности 0-100 По мере дальнейшего заглубления

источника задача определенна влажности в общем случае становится неоднозначной, так как экстремальные значения скоростей счета наблюдаются при влажности, меньшей 100 об.£. Так, при k =20ск

экстремальные значения скорости счета соответствуют 50 об.% влажности. Отсюда следует, что для песчано-глинистых.почв, влажность которых, как правило, не превншает 50 об.#, оптимальная глубина введения источника в почву равна 20 см и для (нейтрон-нейтрон)-скопяческого метода явлнетсн предельной.

(Нейтрон-нейтрон)-сконический метод был исследован также на восьми двух- и трехслойных моделях сред с резкими вертикальными градиентами влажности с целью выяснения мощности показывающих слоев при различных глубинах введения источника в почву ( до 20см) в его дифференцирующей способности.

В табл.3 приведены измеренные ( нейтрон-нейтрон)-скодическим влагомером величины влажности для глубин введения источника 0, 10 и 20 см я расчетные средние значения влажности для слоев толщиной 10, 20 и 30 см , исхода из заданной влажности каждого слоя модели. Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что среднеквадратичные погрешности при определении влажности в слое 0-10, 0-20 и 0-30 см при глубине введения источника 0, 10 и 20 см не превышают 1 об.%.

Таким образом, представляется возможным при помощи (нейтрон-нейтрон) -сконического влагомера с хорошей для практики точностью определять средние значения влажности в слоях 0-10, 0-20 и 0-30 см в случае неравномерно распределенной влаги по вертикали во всей толще 0-30 см. Для этого достаточно провести измерения при глубине зведенш источника 0, 10 и 20 см. Более детальная дифференциация влажности в пахотном слое почвы ( например, по слоям 0-10, 10-20 и 20-30 см), может быть осуществлена интерпретацией полученных результатов.

И.

Расчетные в найденные средаие величины влажности слоя

0-10» 0-20 я 0-30 см

-скопаческда методами двух-? трехслойных объектов

Варианта опыта

Расчета влажность.

обЛ

çjpfj

Г 0-10см|0-20CM;0-30см

; i ! Г

_!_!_

Измерения нейтрон-} нейтронный методом. в слое О-ХОсм i*

oö;SE

Измерения (нейтров-нейтрон) -скошчесшш методам ■ cftoa

отклонения! .от расчет-! IhoS, об4 !

O-IOcM

0—2

обД

!нш от 1 расчетной,!

ioníáoi&J

ТОГКЛОНе- I ^ О ПЫТОК* nft ¿i

! ОТ ! °°*SlEBH от

¡расчет-!

JMA

!расчет-

I Щ1 17;7 I9¿8 7;6 "-3,5 11,-7 ■»0,6 17,? 0 20,0

2 10,3 17,1 19,4 7*3 -3,0 IT, 4 +1,1 16,1 -1,0 19,5 +0,1

3 5;1 8,0 9¿0 3;0 -2,1 6,5 +1.4 8,1 +0,1 8,6 -0,4

4 14,4 I9¡2 20,8 13,2 13,9 -0;5 17,3 -1,9 20,1 -0,7

5 12,8 11,9 11,6 14,0 ♦1,2 12,6 -0,2 11,9 0 11,1 -0,5

6 26,4 25,2 24,6 28,0 +1,6 26,5 +0,1 25^7 +0,5 24,0 -0,6

7 17,2 18,3 20,2 25i5 +8,3 19,8 +2,6 17,7 -0¿6 19,1

8 17,2 H,5 15,6 21,3 +4,1 17,4 +0¿2 II¿9 +0,4 12,7 -2,9

В главе приводятся разработанные автором методические я технические рекомендации до определению влажности пахотного слоя почвы приставными влагомерами, работавшими по принцяду (нейтрон-нейтрон)-скопического метода.

(Нейтрон-нейтрон) -скошгзескям методом на основе двухйазового датчика можно изыерагь и влажность пахотного слоя почв с высокими содержаниями аномально-сильных поглотителей тепловых нейтронов. Схема таких измерений приведена в диссертации.

Как показали лабораторные исследования на моделях с влажностью 5, 15, 37,5 об*% в содержанием бора, равным 0,02 вес.£, отношение скоростей счета, измеренных влагомером с двухбаэовым датчиком, от содержания в среде бора зависит слабо.

В главе приводится сравнение влажноетей, измеренных (нейтрон-нейтрон) -скопическим методом о однобазовым я двухбазовым датчиками на средах с высоким содержанием бора, которое показывает, что применение приставного влагомера с двухразовым датчиком на почвах с высокий содержанием аномально-сильных поглотителей также обеспечивает надежные определения влажности пахотного слоя почвы.

3 ЧЕТВЕРТОЙ главе даны разработанные в лаборатории радиационных исследований ШШГиМ при непосредственном участив автора технические рекомендации к созданию поверхностно-глубинного нейтронного влагомера для засоленных почв.

Основные технические характеристики влагомера: диапазон измерения влажности, сб.£ 1-60

основная среднеквадратичная погрешность, абс.#;

а) в диапазоне 1-30 % ¿1,0

б) а диапазоне 30-60% +1,5

вреда единичного определенна влажности'» мин ке более 5 глубины определений влажности:

а) повершостным датчикш, си 0-10^ 0-20; 0-30

б) глубинным зондом," ы 0,3-6,0

диаметр глубинного зонда; им не болевЗб

источник нейтронов -илутоняй-берилляевый

о выходом, нейтрон/сек не более 5.10

детектор нейтронов," тип СШ-16

источник питания, элемент типа 373

вреш работы на одном комплекте элементов,чао не менее 50

диапазон рабочих температур); °С -30 ♦ +50

масса влагомера^ кг не более 12

Предусиатравается поверхностные определения влажности выполнить влагомером с двухразовым датчиком,' работающим по принципу (нейтрон-нейтрон)-скопического метода: Для этого конструкция поверхностного датчика должна обеспечивать измерения скоростей счета при двух положениях датчика в горизонтальной плоскости на поверхности почвы относительно источника нейтронов.

Глубинные измерения можно будет проводить влагомером на основе двухразового зонда, работающим по принципу неЯтроп-нейтроп-ного метода. Два этого в конструкции глубинного зоцда должно быть предусмотрено устройство, обеспечивающее перевод источника нейтронов из положения доинверсионного зонда в положение инверсионного зойда.

Основные положения этих рекомендаций были одобрены совещанием ведущих разработчиков нейтронных влагомеров (ШИИГиМ, ШШОСИ; Укргшгроводгоз и др.) при главней инженере Всесоюзного

объединения "ИЗОТОП" в мае 1974г.

В настоящее время ведется подготовка к серийному производству вов ерхносгно-глубинных нейтронных влагомеров дня почвенно-мелиоративных исследований и изысканий.

осношие вывода

1. Нейтронные влагомеры с детекторами тепловых нейтронов с каждым годом все шире применяются для быстрых массовых определений влажности почвогрунтов при почв енно-меляоратявных исследованиях, изысканиях и при контроле влажности зоны аэрации орошаемых земель.

2. На показания известных нейтронных влагомеров (с одноба-зовыми зондами) влияют повышенные содержания в почвах аномально-сильных поглотителей тепловых нейтронов, что часто приводит к трудно учитываемым погрешностям определений влажности, иногда столь большим; что абсолютная нейтроноиетрия влажности оказывается невозможной. Это сдерживает внедрение нейтроноыетрии влажности в практику орошаемого земледелия,

Для нейтронометрля влажности почв первостепенное значение имеют такие аномально-сильные поглотители нейтронов, как литий, бор , хлор, марганец, железо; самарий и гадолиний, которые в почвах могут находиться в концентрациях, резко влияших на показания нейтронных влагомеров. Аномально-сильные поглотители'; как правило, содержатся в засоленных и подверженных засолению почвах, но иногда иохут встречаться и в суглинистых и глинистых не засоленных почвах; например, в гумидной зоне.

3; Из теоретических положений нейтронной физики следует;

что если влажность находить по зависимости от нее отношения скоростей счета тепловых нейтронов; измеренных при двух различных расстояниях между источником нейтронов г детектором ( двухразовый зонд), содао из которых близко к инверсионному, то вариации концентраций аномально-сильных поглотителей нейтронов на показания влагомера не должны влиять.

4. Экспериментальное изучение пространственного распределения тепловых нейтронов в слабо- к сшпьно^поглощащих средах выявило;' что связь между влажностыз я отношением скоростей счета; яамеренннг двухразовым зондом,™ в диапазоне влажности 0-100 ой.% близка к линейной. Это позволит создать широкодиапазонный нейтронный влагомер.

5: Экспериментально подтверждено очень слабое влияние ва показания влагомера с двухбазовым зондом ( нахождение влажности по отношении скоростей счета) вариаций содержания аномально-сильных поглотителей* Обоснованы технические предпосылки нейтро-нометряя влажности засоленных почв.

6; йьзработаяа методика нейтронометрея влажности засоленных почв и почв-* могущих содержать повышенные концентрация аномально-сильных поглотителей тепловых нейтронов, влагомером с двухразовым эондои. Эта методика проверена на засоленных почвах Бахшской долины Таджикской ССР;

7. Несмотря на перспективность массового вейтронометрячес-кого контроля влажности корнеобятаешого слоя ородаешх земель; вклхяая и пахотный слой, в орошаемом земледелии приставные нейтронные влагомеры широкого применения не нашли, так как не обеспечивавт точных измерений влажности пахотного слоя почв. В связи с атим разработан (нейтрон-нейтрон)-скопический метод,

который обеспечивает определение влажности пахотного слое почв как во всей его толще 0-30 см, так и по слоем: 0-10; 0-20 см,

8. Показано, что (нейтрон-нейтрон)-скошгчесхяй метод можно реализовать и в двухбазовом варианте. Таким образом,решена задача определения влажности пахотного слои и ори наличии в нем повышенных концентраций аномально-сильных поглотителей тепловых нейтронов,

9. При непосредственном участии автора разработан поверхностно-глубинный влагомер с двухразовым зондом. На основе этой разработки, с учетом рекомендаций автора по нейтронометрии влажности засоленных почв и пахотного слоя, подготавливается серийный выпуск поверхностно-глубинного влагомера с двухбазовым зондом, предназначенного для контроля влажности всего корнеобитаемого слоя почв орошаемое земель в производственных условиях, а также

и для массовых определений влажности дочв при мелиоративных исследованиях в изысканиях. Этот влагомер заменит ныне выпускаемый нейтронный влагомер НИВ-2.

Результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на конференциях и семинарах;

1. Всесоюзной научной конференции по применению изотопов и излучений в сельском хозяйстве, 20-24 июня 1967г., г.Москва.

2. Всесоюзной конференции по совершенствованию методов определения влагосодержания в различных средах на основе применения новых влагомерннх приборов, 6-10 декабря 1970г.,г.Киев,

3. Всесоюзном семинаре "Радиоизотопные метода и средства в гидротехнике и мелиорации**, 9-13 марта 1971г., г.Москва.

4. Всесоюзной конференции по использованию радиационной техники в сельском хозяйстве, октябрь 1972г., г.Кишинев.

5. Всесоюзном научном совещании по исследованию структур!

водного баланса экосистем (биогеоценозов), 3-14 июля 1973г..г.Курск.

6, И Всесоюзном семинаре "Радиоизотопные методу и средства в гидротехнике и мелиорации", 24-28 июня 1974г., г.Москва.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах;

1. Измерение влажности пахотного слоя почв нейтронным методом. Всесоюзная научная конференция но применению изотопов я излучений в сельском хозяйстве, 20-24 июня 1967г., М., БАСХНиЛ, 1968. Соавтор - Бескин Л.И.

2. Нейтронометрия влажности пахотного слоя. "Атомная энергия", 26, № I, 1969. Соавторы: Инельянов В.А., Сяницын В.И., Бескин Л.И.

3. Нейтронометрия влажности засоленных почв двухразмерным зондом. "Изотопы в СССР", № 14, 1969. Соавторы: йлельянов В.А,, Бескин Л.И.

4. Нейтронометрия влажности сред, содержащих аномальные поглотители тепловых нейтронов. Тезисы докладов и сообщений на конференции по совершенствованию методов определения влагосодержания в различных средах на основе применения новых влагомерных приборов. Киев, 1970.

5. К вопросу о влиянии аномальных поглотителей медленных нейтронов на показания нейтронных влагомеров. Материалы Всесоюзного семинара "Еадиоизотопные методы и средства в гидротехнике

и мелиорации", М., 1971.

6. Нейтронный измеритель влажности почв для автоматизированных оросительных систем. Труды ШШГиМ, т.51, 1972. Соавторы: Емельянов В.А., Бескин Л.И.

7. Нейтронометрия - эффективный метод определения влажности пахотного слоя почв* Тезисы докладов Всесоюзной конференции по использовано» радиационной техники в сельском хозяйстве,т.П,

25

Кишинев, 1972. Соавтор!: Вдельянов В.А., Бескив Л.И., Дершян Г.А.

8. Облегченный поверхностно-глубинный нейтронный влагомер

и гамма-плотномер. Материалы Всесоюзного семинара "1&диоизотоддае метода л средства в гидротехнике и мелиорации". И.у 1974. Соавторы: Наедьянов В.А., Еескин Л.И.*; Калошин В. И.»' Спиридонов Г. К.

9. Полевая калибровка нейтронных влагомеров. Материалы Всесоюзного семинара "Радаоизотопные методы и средства в гидротехнике и мелиорации". М.; 1974. Соавторы: Бескив Л.И.; Калошин В. П.

10; Методика измерений влажности засоленных почв нейтронный влагомером с двухразмерным зондом. Материалы Всесоюзного семинара "Тйдиоиэогопные метода и средства в гидротехнике я меляорадяя"; М., 1974.

/

Л-28993. Подп. к печ. 2 5/1У-7 5г. Зак. 387. Тир.200. Ротапринт ВНИИГйМ.