Загрязнение почв — серьезная проблема экологии. Периодический контроль над состоянием почв позволяет отслеживать скорость и степень их загрязнения и осуществляется при помощи дистанционных методов с применением электромагнитных волн микроволнового и оптического диапазонов.
Для правильной интерпретации получаемой информации необходимы данные о комплексной диэлектрической проницаемости почв, от которой зависит коэффициент собственного радиотеплового излучения, измеряемого микроволновым радиометрическим методом.
В свою очередь комплексная диэлектрическая проницаемость почвы зависит от многих параметров: влажности, температуры, степени загрязненности и так далее. Учет тех или иных параметров позволит получить с разной степенью точности полезную информацию о состоянии поверхностного слоя почвы.
Данная работа посвящена исследованию влияния продуктов загрязнения почвы на ее электромагнитный отклик.
В районе глиноземного комбината в городе Ачинске были взяты образцы почв и проведен их химический анализ. Получено следующее содержание ионов тяжелых металлов: меди – 3,342 мг/кг, никеля – 0,454 мг/кг, марганца – 48,28 мг/кг, цинка – 1,472 мг/кг, свинца – 2,654 мг/кг.
Ионы тяжелых металлов содержатся в почве в виде солей CuSO4, NiSO4, MnSO4, ZnS, Pb(NO3)2, которые были использованы в эксперименте. За основу была выбрана легкая суглинистая почва, распространенная в Красноярском крае. Почва увлажнялась водными растворами солей и выдерживалась в течение не менее 5 дней для равномерного пропитывания.
Для измерения электромагнитного отклика почв в широком микроволновом диапазоне выбран коаксиально волноводный метод, так как он является широкополосным, неразрушимым, подходящим для испытуемых материалов с большими потерями.
Эксперимент проведен на основе методики, представленной в [1]. Диэлектрические измерения производились с помощью векторного анализатора цепей PNA Е8663В, измеряющего компоненты матрицы рассеяния в диапазоне частот от 0,01 ГГц до 18 ГГц.
Образец в виде почвы помещается в коаксиальную ячейку между двумя шайбами из фторопласта. Объекты для размещения в ячейке подготавливались с высокой точностью, так как воздушные зазоры между образцом и проводниками ячейки могут приводить к увеличению погрешности измерений.
В ходе эксперимента были измерены модуль и фаза комплексного коэффициента передачи образцов при различной концентрации солей и влажности. Построены частотные зависимости действительной части диэлектрической проницаемости в диапазоне 0,1 ГГц до 18 ГГц.
В результате работы было установлено влияние тяжелых металлов на диэлектрическую проницаемость почв. С ростом содержания примеси диэлектрическая проницаемость увеличивается.
Показано, что количество влаги в образце влияет на поведение диэлектрической проницаемости загрязненной почвы. При значениях влажности, соответствующих рыхлосвязанному и свободному состоянию, диэлектрическая проницаемость загрязненных образцов нелинейно возрастает, в то время как при увеличении связанного состояния влаги, диэлектрическая проницаемость практически не изменяется, либо линейно нарастает.
Построение диэльковлажностных зависимостей позволяет определить приблизительное содержание тяжелых металлов в почве по значениям связанной влаги в загрязненном образце.
Скорость изменения диэлектрической проницаемости при увлажнении зависит от степени засоления почвы. Чем больше содержание солей, тем быстрее растет диэлектрическая проницаемость. На основе этой особенности можно разделить влияние засоленности и влажности на диэлектрическую проницаемость.
Предлагаемая методика оценки загрязнения почвы солями тяжелых металлов: необходимо знать значение диэлектрической проницаемости при двух значениях влажности. По этим данным оценить скорость изменения. Чем она больше, тем более засолена почва.