امکان سنجی و ارزیابی برآورد رطوبت حجمی نیمرخ خاک با استفاده از داده‌های رادار زیرسطحی در دامنه جنوبی البرز

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانش آموخته کارشناسی ارشد گروه خا کشناسی دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

2 دانشیار گروه خا کشناسی دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

3 دانشیار پژوهشکده حفاظت خاک و آبخیز داری، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، تهران، ایران

4 کارشناس پژوهشکده حفاظت خاک و آبخیزداری سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، تهران، ایران

چکیده

اخیراً رادار نفوذی به زمین (ژئورادار،GPR )، برای شناسایی شرایط زیرسطحی، به ویژه، بررسی­های ژئوفیزیک اکتشافی و اندازه­گیری مقدار رطوبت حجمی بدون تخریب ساختمان خاک به عنوان روشی سریع و غیر تهاجمی، در مقیاس مزرعه تا زیر حوضه به کار گرفته شده است. این پژوهش با هدف امکان­سنجی و ارزیابی دقت استفاده از ژئورادار به منظور برآورد مقدار رطوبت حجمی خاک در مقیاس مزرعه و مقایسه روش رادار زیرسطحی نسبت به دو روش اندازه­گیری رطوبت حجمی در آزمایشگاه و انعکاس­سنجی دامنه زمانی انجام گرفته است. به این منظور از یک دستگاه رادار زیرسطحی مجهز به آنتن 700 مگاهرتز استفاده گردید. داده­ها بکمک دستگاه ژئورادار به صورت آفست معمول و در خاک­هایی که شامل سه نوع بافت لوم، لوم شنی و لوم سیلتی بود، برداشت شد. مقادیر رطوبت حجمی خاک با اندازه­گیری رطوبت وزنی خاک و جرم وی‍ژه ظاهری خشک در آزمایشگاه به دست آمدند. به­منظور محاسبه سرعت سیگنال­های رادار و ثابت دی­الکتریک خاک از روش برازش توابع هذلولی به عوارض آشکار­شده در رادارگرام­ها استفاده شد. سپس با استفاده از یک رابطه ریاضی، مقادیر ثابت دی­الکتریک به مقادیر رطوبت حجمی خاک مرتبط شدند. با مقایسه نتایج حاصل از روش رادار زیرسطحی با اندازه­گیری­های آزمایشگاهی، مقادیر
آماره­های ریشه میانگین مربعات خطا و حداکثر خطا به ترتیب برابر با 32/3 و 8/5 درصد محاسبه شد. با مقایسه نتایج حاصل از روش رادار زیرسطحی و مقادیر حاصل از روش انعکاس­سنج دامنه­ی زمانی، مقادیر ریشه میانگین مربعات خطا و حداکثر خطا به­ترتیب برابر با 4/2 و 5 درصد به دست آمد. همچنین، ضریب همبستگی بین مقادیر حاصل از روش رادار زیرسطحی با نتایج بدست آمده از اندازه­گیری­های آزمایشگاهی برابر با 86/0 محاسبه شد. بر اساس نتایج به دست آمده، روش رادار زیرسطحی به­دلیل سهولت استفاده و فراهم کردن حجم بالایی از وضعیت رطوبت نیمرخ خاک، می­تواند به عنوان روشی سریع (بدون تخریب ساختمان خاک) و اقتصادی، برای برآورد رطوبت حجمی نیمرخ خاک در مقیاس­های مزرعه تا زیر حوزه­ی آبخیز مورد استفاده قرار گیرد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Estimating soil profile volumetric water content using ground penetrating radar in southern slopes of Alborz Mountain

نویسندگان [English]

  • Hadi Esmaeilpour 1
  • Hossein Ali Bahrami 2
  • Forod Sharifi 3
  • Mehdi Rahmani Jevinani 4
1 MSc, Soil science department, faculty of Agriculture, Tarbiat Modares University,Tehran, Iran
2 Assistant Professor, Soil science department, faculty of Agriculture, Tarbiat Modares University,Tehran, Iran
3 Assistant Professor, Soil Conservation and Watershed Management Research Institute, Agricultural Research, Education and Organization (AREEO), Tehran, Iran
4 MSc, Soil Conservation and Watershed Management Research Institute, Agricultural Research, Education and Organization (AREEO), Tehran, Iran
چکیده [English]

Ground penetrating radar (GPR) is a rapid and non-destructive technique that has been proposed for measuring soil water content (SWC) at intermediate scales from field scale to sub-watershed. The objectives of this study were: i) to test the capability of GPR technique for predicting profile of SWC at field scale, and ii) evaluate GPR techniques compared with both the laboratory measurements and time domain reflectometry (TDR) method to provide accurate SWC. Consequently, a GPR apparatus (Akulla 9000) equipped with 700 MHz antennas was used as a common-offset to collect the data at three soils texture classes (sandy loam, loam and silty loam). Volumetric soil water content was obtained from laboratory measurements of gravimetric soil moisture and dry bulk density. A hyperbolic curve was fitted to the radar gram to estimate the velocity and dielectric constant of GPR signals. The dielectric constant values were then feed to the experimental function suggested by Topp et al. (1980). Comparing the GPR and laboratory measurement results, the root mean square error (RMSE) and maximum error (ME) were equal to 3.32 and 5.8, respectively. Regarding to the TDR results, as the target values, the RMSE and ME values were equal to 2.4 and 5, respectively. The correlation coefficient between the GPR values and the laboratory measurements were 0.86. In conclusion, GPR method, due to a higher sampling density, could be used as a rapid, cost-effective and non-destructive technique to estimate profile of SWC at scales from fields to sub-watershed.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Time domain reflectometry
  • hyperbolic fitting؛ dielectric constant؛ ground penetrating radar؛ soil water content

Bello, Idi and Md. Y., Kamarudin, N., 2011, Ground Water Estimation and Water Table Detection with Gourand Penetrating Radar. Asia Journal of Earth Sciences 4(3): 193-202.

Bodaghjamali, J., Ahmadian, J., Javanmard, S., Golmakani, T., and Malakizadeh. S., 2002. The necessity of monitoring the state of soil moisture in increasing the productivity of agricultural water. Eleventh Conference of Iran's National Irrigation and Drainage Committee. No. 25, 375-390 (in Persian).

Galagedara, L.W., Parkin, G.w., Redman, J.D., von Bertoldi, P., Endres, A.L., 2005. Field studies of the GPR ground wave method for estimating soil water content during irrigation and drainage. Journal of Hydrology 301 (2005) 182–197.

Homaee, M., Dirksen, C., and Feddes, R., 2002. Simulation of root water uptake: I. Non-uniform transient salinity using different macroscopic reduction functions. Agricultural Water Management, 57(2): 89-109.

Huisman, J.A., Sperl, c., Buoten, W., Verstraten, J.M., 2001. Soil water content measurements at different scales: accuracy of time domain reflectometry and ground-penetrating radar. Journal of Hydrology 254 (1–2), 48–58.

Jahed, R., Jalal Kamali, N., and Babazadeh, H., 2011. Verification of performance of
atmosphere-ocean general circulation model (AOGCM) in simulating of temperature data in kerman region. Journal of Water Resources Engineering, No.2 (in Persian).

Lunt, I.A., Hubbard, S.S., Rubin, Y., 2005. Soil moisture content estimation using
ground-penetratin radar reflection data. Journal of Hydrology 307 (2005) 254–269.

Minet, J., Bogaert, P., Vanclooster, M., Lambot, S., 2012. Validation of ground penetrating radar full-waveform inversion for field scale soil moisture mapping. Journal of Hydrology, 424-425: 112-123.

Pan, X., Zhang, J., Huang, P., Roth, K., 2012. Estimating field-scale soil water dynamics at a heterogeneous site using multi-channel GPR. Hydrol. Earth Syst. Sci. Discuss., 9, 8027–8062.

Saradjian, M.R., Hosseini, M., 2011. Soil moisture estimation by using multipolarization SAR image. Advances in Space Research 48 (2011) 278–286.

Seger, M.A., Nashait, A.F., 2011. Detection of water-table by using ground Penetration radar (GPR). Eng. & Tech. Journal, Vol.29, No.3.

Steelman, C.M., Endres, A.L., 2012. Assessing vertical soil moisture dynamics using multi-frequency GPR common-midpoint soundings. Journal of Hydrology 436–437 (2012) 51–66.

Weihermuller, L., Huisman, J.A., Lambot, S., Herbst, M., Vereecken, H., 2007. Mapping the spatial variation of soil water content at the field scale with different ground penetrating radar techniques. Journal of Hydrology (2007) 340, 205– 216

  1. Wijewardana, Y.G.N.S., Galagedara, L.W., 2010. Estimation of spatio-temporal variability of soil water content in agricultural fields with ground penetrating radar. Journal of Hydrology 391 (2010) 24–33.