ESTIMATES OF SOIL WATER CONTENT USING GROUND PENETRATING RADAR IN FIELD CONDITIONS

Abstract

ABSTRACT. Electromagnetic methods play an important role in the study of soil water content, mainly because electromagnetic properties in the shallow subsurface area are primarily controlled by the presence of water. This work analyzes the effectiveness of Ground Penetrating Radar (GPR) as a tool for estimating soil water content in field conditions, introduces a calibration equation to estimate average soil moisture of the area studied from the analysis of GPR wave velocity, and evaluates the process used to create it. Methodologies for collecting GPR data seeking the determination of soil moisture from the velocity of the electromagnetic wave and the use of equations proposed in the literature, Topp and Roth, are also discussed. The GPR common-offset methodology (400 MHz antennas) was utilized in a study in Cuiarana, Salin´opolis, Par´a State, in northern Brazil and the resulting data compared with data from TDR (Time Domain Reflectometry) (0.12 m double probe) methodology. The data were then statistically analyzed enabling the establishment of a calibration equation for water content determination in terms of electromagnetic wave
velocity obtained with GPR. The study successfully showed the feasibility and limitations of estimating water content using GPR. Also is discussed the possibility of calibration equation to the soil water content analysis with GPR data using, as parameter, data obtained by other indirect method, in this case, the TDR.

Keywords: soil water content, relative permittivity, GPR, TDR, wave velocity.

RESUMO. Os métodos eletromagnéticos são uma importante ferramenta no estudo da umidade do solo, principalmente porque as propriedades eletromagnéticas da subsuperfície rasa são controladas pela presença de água. Este trabalho, além de analisar a eficácia do Radar de Penetração no Solo (GPR) como ferramenta de medição da umidade do solo in situ sob condições de campo não controladas, introduz uma equação de calibração para estimar a umidade do solo da área estudada a partir da análise da velocidade da onda do GPR e avalia o processo da sua criação. São também discutidas as metodologias comumente empregadas na coleta de dados com o GPR, visando a determinação da umidade do solo a partir da velocidade da onda eletromagnética, assim como a utilização das equações propostas na literatura, Topp e Roth. A metodologia common-offset (GPR com antenas de 400 MHz) foi empregada em um estudo realizado em Cuiarana, município de Salinópolis, Pará, no norte do Brasil e os dados comparados com medidas de umidade realizadas com TDR (sonda dupla de 0,12 m). Os dados foram estatisticamente correlacionados permitindo o estabelecimento de uma equação de calibração para a determinação de umidade em termos da velocidade da onda eletromagnética obtida com o GPR. O estudo demonstrou com sucesso a viabilidade, a rapidez e as limitações do GPR na estimativa do conteúdo de água no solo. Também é discutida a possibilidade da calibração de equação para análise de umidade com o GPR usando como parâmetro dados obtidos por outro método indireto, neste caso, o TDR.

Palavras-chave: umidade do solo, permissividade relativa, GPR, TDR, velocidade da onda.