Геофизические методы в сельском хозяйстве

Уже пятнадцать лет существует тенденция расширения научных исследований возможностей геофизики в аграрной сфере. Неудивительно: эта наука может обеспечить прогнозируемое земледелие, качественный контроль грунтовых вод, точную оценку засоленности почвы, а также помочь картографировать обследуемую почву. Применение геофизических методов все больше расширяет диапазон – с их помощью уже решаются и дополнительные сельскохозяйственные задачи, такие как возделывание высококачественных зерновых культур, управление отходами животноводства, лесное хозяйство, описание гидрологических характеристик почвы, а кроме того – локализация и оценка подземной инфраструктуры.

Чем дальше, тем больше геофизические методы расширяют способы прикладного применения в агроэкосистемах. Главное преимущество геофизики для сельского хозяйства – малый масштаб величин, порядка сантиметров, полученных геофизическими методами. Это удобно, например, в случае исследования болезней ствола дерева, или когда надо увидеть, как развиваются корнеплоды под землей.

В основном в сельском хозяйстве требуется небольшая глубина исследований, до двух метров: именно в этом слое содержится подробная информация о профиле почвы, включая корневую систему посевов. Сельскохозяйственные геофизические исследования почв могут проводиться на самых разнообразных площадях: начиная от отдельного фермерского хозяйства (или экспериментальных измерений) на 10-100 квадратных метров до обширных фермерских полей, простирающихся на 10 или на 100 гектаров.

Есть ряд сложностей, присущих аграрной геофизике. Одна из них – неустановившаяся природа определенных почвенных условий, влияющих на геофизические измерения.

Так, на электропроводность почвы, которую измеряют методом сопротивлений и индукционными методами, сильно влияют температура и влажность: они могут сильно колебаться в течение дня или даже нескольких часов. На результаты измерения георадарами значительно влияют условия влажности, засоленность и даже уровень питательных веществ в слое почвы. Нужно учитывать, что эти параметры могут изменяться как незначительно за длительный период времени, так и быстро при проведении ирригации почвы или в случае внесения удобрений. Другие свойства почвы, которые влияют на электропроводимость почвы (pH фактор, наличие глинистых минералов, процентное содержание гумуса, специфика поверхности), меняются на порядок медленнее.

Еще одна проблема геофизики сельского хозяйства – то, что параметры почвы, которые определяют точность измерений, изменяются как во времени, так и в пространстве, часто показывая существенные перепады на очень коротких горизонтальных и вертикальных расстояниях.

Георадар в сельском хозяйстве

Что такое георадар? Это современный прибор, решающий большой спектр задач при помощи радиолокации. Он мобилен, компактен, а главная его особенность – возможность проводить неразрушающий мониторинг среды с высокой детальностью, что делает его уникальным среди всего оборудования геофизики.

Георадар позволяет оператору «видеть» сквозь воду, сквозь почву и камень. В любой среде георадар способен показать пустоты и инородные тела, изменения плотности и структуры, скрытые внутренние конструкции, - любые аномалии. Границ успешного использования георадара почти не существует.

Уже много лет георадары широко применяют во многих сферах человеческой деятельности: в том числе, в охране окружающей среды: для обнаружения водопроводных и нефтепроводных утечек, для оценки загрязнения почв, для поиска мест захоронения экологически опасных отходов. Аграрии пользуются георадарами, в частности, для оценки способов восстановления загрязнённых почв, для оптимизации внесения удобрений на полях, в садах и виноградниках, для контроля равномерности полива. С его помощью получают четкие трехмерные модели, наглядно показывающие расположение корневой системы дерева – или инородных включений внутри древесного ствола. Помимо этого, георадаром можно определить характеристики ствола, чтобы определить потенциальное повреждение грибками или насекомыми. Создание карты дренажных труб пахотного поля при помощи георадара не представляет сложности, тогда как традиционный способ (рытье пробных канавок) – трудоемкий и отнимает много времени.

В сельском хозяйстве георадар обычно применяется для изображения поверхности почвы, и чтобы показать локализацию любых объектов в пределах двух метров от поверхности земли.

Как работает георадар?

Георадар излучает сверхширокополосные импульсы в метровом и дециметровом диапазоне электромагнитных волн и принимает сигналы, отраженные от неоднородностей, предметов или других включений в почве, которые имеют отличную от среды диэлектрическую проводимость. Отраженные сигналы преобразуется в цифровой вид и выводятся на дисплей георадара. Результаты можно просмотреть и обработать на компьютере. Для того чтобы получить данные с разных глубин, применяют антенные блоки, которые работают на разных частотах. Нужно учитывать общее правило: чем ниже рабочая частота антенны, тем выше глубина проникновения сигнала, но тем меньше разрешающая способность антенны. Правило действует и наоборот: чем выше рабочая частота антенны, тем ниже глубина проникновения сигнала, и тем больше разрешающая способность антенны.

На георадарах, используемых в сельском хозяйстве, обычно установлены антенны с диапазоном частот от 100 МГц до 1.5 ГГц. Этот диапазон подходит для большей части сельскохозяйственных исследований, которые проводятся на глубине до двух метров. Использование той или иной частоты антенны зависит от предполагаемой глубины залегания объекта и его размера. Так, если требуется определить расположение подпочвенных дренажных труб диаметром 20 см, залегающих на глубине полтора метра в суглинистой или илистой почве, нужно использовать антенну на 250 МГц. А если надо исследовать в истощенной, песчаной почве корни дерева толщиной полсантиметра на глубине до полуметра, то используют антенну на 1.5 ГГц.

Большинство георадаров совмещены с GPS-приемниками, чтобы быстро и качественно привязать измерения к карте. Благодаря высокой скорости процесса измерения георадары с GPS-приемниками могут зондировать за короткий срок большие площади.

Главные преимущества георадара перед другими методами

Компактность и экологичность. Георадар не создаёт неудобств при проведении исследований в местах плотной застройки и густонаселенных районах. Применение георадара не причиняет вреда окружающей среде, исключая нарушение экологического баланса;

Автономность. Георадарные исследования не требуют дополнительного оборудования и мощных источников энергии. Этот прибор одинаково эффективен при исследованиях горизонтальных, наклонных и вертикальных поверхностей. Измерения могут быть проведены на любом ландшафте, любой поверхности – будь то земля, глина, камень, снег или лёд.

Современность. Георадиолокационный метод диагностики, на котором основан принцип работы георадара, сейчас является самым перспективным с точки зрения точности определения характеристик объекта исследования. По сравнению с другими геофизическими методами, георадиолокационная диагностика характеризуется высоким быстродействием наряду с низкою энергозатратностью;

Экономичность. Георадиолокация относится к неразрушающим методам контроля. Благодаря этому при использовании георадара на порядок сокращаются исследовательские и производственные затраты.

Основные производители георадаров

Разработку георадарных технологий в России производят ООО «ВНИИ СМИ», ЗАО «ТАЙМЕР», , ООО «Геологоразведка» и Научно-Производственный Центр Георадарных Технологий, НПЦ ООО «ГЕОТЕХ». На Украине георадары разрабатывают и производят компании Transient Technologies и ООО «Спецавтоматика». Лидеры зарубежных производителей — IDS Ingegneria Dei Sistemi S.p.A. (Италия), GSSI (США), Sensor and Software Inc. (Канада), Era Technology (Великобритания), Geoscanners AB и MALA Geoscience (Швеция), RADIANT-EM (Германия), Radar Systems (Латвия), OYO corporation (Япония) и Geozondas (Литва). Отечественный георадар можно приобрести по цене порядка 300 тысяч рублей, тогда как георадары зарубежного производства стоят от 800 тысяч и выше. Однако для разовых работ покупать георадар не обязательно: выездные услуги по зондированию оказывают многие компании.

© Людмила Старостина