Αξιολόγηση της τροποποίησης του γραμμικού μοντέλου των Malicki and Walczak (1999) για τη πρόβλεψη της αλατότητας σε εδάφη της περιοχής Δύστου Ευβοίας με τη βοήθεια δεδομένων διηλεκτρικών αισθητήρων

Abstract

Ο προσδιορισμός της ηλεκτρικής αγωγιμότητας του εδαφικού διαλύματος (σp), με σκοπό την εκτίμηση της εδαφικής αλατότητας, μπορεί να γίνει έμμεσα με τη χρήση των διηλεκτρικών συσκευών. Τα τελευταία χρόνια, οι διηλεκτρικοί αισθητήρες που επιτρέπουν τη ταυτόχρονη μέτρηση της φαινόμενης ηλεκτρικής αγωγιμότητας (σb) και της φαινόμενης διηλεκτρικής διαπερατότητας (εs), στον ίδιο εδαφικό όγκο και η ανάπτυξη των μαθηματικών μοντέλων έχουν συμβάλει σημαντικά στην πρόληψη της αλάτωσης του εδάφους. Το μοντέλο των Malicki and Walczak (1999) που προϋποθέτει τη γνώση της τιμής του «δείκτη αλατότητας» (Xs), ως τη μερική παράγωγο της φαινόμενης ηλεκτρικής αγωγιμότητας προς τη φαινόμενη διηλεκτρική διαπερατότητα, αποτελεί μια ελκυστική και εύκολη μέθοδο πρόβλεψης της σp. Ωστόσο, η άμεση εφαρμογή του δείκτη αλατότητας έχει αποδειχτεί πως οδηγεί σε αποκλίσεις, όταν τα πειραματικά δεδομένα προέρχονται από αισθητήρες διαφορετικής συχνότητας λειτουργίας από τη TDR. Στην παρούσα διατριβή εξετάζεται μια τροποποιημένη εκδοχή του μοντέλου, που στηρίζεται σε δεδομένα τα οποία αποκτώνται από ένα διηλεκτρικό αισθητήρα χαμηλής συχνότητας λειτουργίας (WET) και στην χρησιμοποίηση μιας εμπειρικής σχέσης για τον υπολογισμό του πραγματικού μέρους της φαινόμενης διηλεκτρικής διαπερατότητας, εs. Έτσι, αντί της φαινόμενης διηλεκτρικής διαπερατότητας εs στο μοντέλο των Malicki and Walczak (1999) χρησιμοποιείται το πραγματικό μέρος της εs. Η αξιολόγηση της βελτιωμένης μεθόδου πραγματοποιήθηκε σε 4 πορώδη μέσα και σε 4 διαφορετικά επίπεδα αλατότητας (ECi = 0.28, 1.2, 3 και 6 dSm-1) σε εύρος εδαφικής υγρασίας θ από 0 cm3/cm3 έως κοντά στον κορεσμό. Τα πειραματικά δεδομένα έδειξαν πως ο αισθητήρας WET οδηγεί σε υπερεκτίμηση των τιμών της εs σε όλες τις περιπτώσεις των εδαφών και των επιπέδων αλατότητας έως 6 dSm-1. Παρόλα αυτά, η εφαρμογή της εξίσωσης τροποποίησης των Robinson et. al, 1999 με την οποία μπορούμε να υπολογίσουμε το πραγματικό μέρος της διηλεκτρικής σταθεράς, εr΄ οδήγησε στην αποτελεσματική εφαρμογή του δείκτη αλατότητας, Χs, ακόμα και με δεδομένα από τον αισθητήρα WET. Ειδικότερα, διαπιστώθηκε πως η σχέση σb- εr΄ είναι ισχυρά γραμμική για τις τιμές σp και σb μέχρι 7.4 και 1.74 dSm-1 αντίστοιχα και αποδείχτηκε πως ο προσαρμοσμένος δείκτης αλατότητας, Χs παραμένει ανεξάρτητος της εδαφικής υγρασίας, θ. Παράλληλα, από την αύξηση του μεγέθους των κλίσεων της γραμμικής σχέσης με την αύξηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας του διαλύματος ECi, καταλήξαμε στο συμπέρασμα πως ο δείκτης αλατότητας επηρεάζεται από την αλατότητα. Τέλος, παρατηρήθηκε πως οι νέες υπολογισμένες τιμές της σp ήταν αρκετά κοντά στις πραγματικές τιμές 4 αλατότητας εμφανίζοντας μια τάση υπερεκτίμησης με την αύξηση των τιμών της σp (0.37<RMSE <2.25). Από την ανάλυση των πειραματικών μετρήσεων και την ερμηνεία των αποτελεσμάτων προέκυψε πως η ενσωμάτωση του πραγματικού μέρους της διηλεκτρικής σταθεράς εr΄, στο εμπειρικό μοντέλο των Malicki and Walczak (1999) μπορεί να δώσει ικανοποιητικές προβλέψεις της σp σε όλα τα επίπεδα αλατότητας και για όλα τα υπο μελέτη πορώδη μέσα. Κατά συνέπεια, η βελτιωμένη μέθοδος του δείκτη αλατότητας Χs με μετρήσεις από τον χαμηλής σε συχνότητα λειτουργίας αισθητήρα WET, μπορεί να χρησιμοποιηθεί με αξιοπιστία στην εκτίμηση της εδαφικής αλατότητας σε χοντρόκοκα εδάφη, αλλά χρήζει περαιτέρω διερεύνησης σε διαφορετικούς τύπους εδαφών.

The electrical conductivity of the soil solution (σp) determination, in order to estimate the soil salinity status, may be achieved indirectly with the means of dielectric devices. Nowadays, dielectric sensors allowing simultaneous measurements of the bulk soil electrical conductivity (σb) and the apparent soil dielectric permittivity (εs), in the same soil volume and also the development of mathematical models have contributed substantially in the prevention of the soil salinity The Malicki and Walczak (1999) model which requires the value of “salinity index”, (Xs) defined as the partial derivative of the bulk soil electrical conductivity with respect to the apparent soil dielectric permittivity is an attractive and easy method to determinate the σp. However, the direct application of the salinity index has been proved to lead to divergences, when the data are obtained by sensors with lower frequency operation than the TDR. In the present study, a modified version of this model, based on data obtained from a low operating frequency dielectric sensor (WET) and the adaptation of an empirical expression for the estimation of the real part of the apparent dielectric permittivity, εs, was examined. The evaluation of the modified method was conducted in 4 porous media, at 4 different levels of soil salinity (ECi = 0.28, 1.2, 3 και 6 dS m-1), in a range of volumetric water content θ from 0 cm3/cm3 to close saturation. The experimental data exhibited the WET sensor leads to an overestimation of εs values in all cases of soils and salinity levels up to 6 dS/m. Nevertheless, the Robinson et. al, 1999 modification equation from which we can calculate the real part of the apparent dielectric permittivity, εr΄ resulted in the efficient application of salinity index, even with the WET data. More specifically, t was observed that the relationship of σb- εr΄ is strongly linear for σp and σb values up to 7.4 and 1.74 dSm-1, respectively and thus the modified salinity index remains independent of soil moisture θ.Furthermore, from this linear relationship and the increase of the magnitudes of its slopes with the increase of the salinity level ECi, it was approved that the salinity index depends mainly on the soil salinity. Finally, it has been shown that the new measured values of σp are close enough to the actual values of σp and are followed by an overestimation trend with the increase of σp values (0.37<RMSE <2.25). From the analysis of the experimental measurements and the interpretation of the results, it was concluded that the fitting of the dielectric constant εr΄ to the empirical model of Malicki and Walczak (1999) can give reasonably good predictions for all levels of soil salinity and for all porous media. As a consequence, the improved method of the salinity index Xs, applied for the low frequency operating WET measurements, may be reliably used in the soil salinity estimation of the coarse porous media, but it needs a further examination for different soil types.