探地雷达结合钻孔探测采煤塌陷区土壤剖面层次及含水率

为分析煤层开采对地层结构及含水率的影响,利用探地雷达对西部煤矿开采区开采前后地表浅层土壤剖面、土壤含水率分布特征进行了探测研究。通过钻孔地质编录对雷达探测地层分布进行了矫正,并利用实验室实测含水率验证了雷达探测含水率精度。结果表明:1)雷达探测钻探结果显示,煤矿开采区浅层(10 m)土壤介质结构从上之下主要包含砂层、黏土层和风化层3类。2)探地雷达探测含水率与实测含水率随深度变化规律相似,4个钻孔两种方法探测所得含水率相关系数分别为0.875、0.88、0.94和0.84,表明探地雷达反演浅部地层含水率的可行性,黏土、含砂黏土的含水率远远大于砂层含水率。3)煤矿开采对浅部地层土壤剖面具有一定影响,但土壤剖面整体不变。煤矿开采后浅层土壤含水率下降明显,第1、3次探测L1测线砂层和黏土层含水率损失率平均为28.26%、12.85%。这表明煤层开采对砂层结构土壤含水率影响较大。第二、四次探测砂层平均含水率分别为5.31%,7.44%,含水率增大2.11%,土壤含水率增大范围在5%～56%之间,平均增大范围为27.89%示。黏土层两次探测含水率分别为11.46%、11.96%,含水率增大0.5%,含水率增大范围在-19.13%～19.59%,平均增大范围为4.79%。即黏土类结构层含水量变化较小,砂层结构含水量变化较大,说明黏土类地层受降雨影响较小,砂层结构地层含水量受降雨影响较大,表明浅部地层土壤水分主要受降雨影响。     

基于探地雷达的典型红壤区网纹红土层识别

网纹红土层的识别对于土壤学和第四纪环境等研究均具有重要意义。以位于南方红壤区的江西省鹰潭市孙家流域为例,通过多频率探地雷达图像解译、钻井探测和土壤含水量分析等方法相结合,研究使用不同天线频率雷达对网纹红土层的识别效果及最佳的雷达探测方法。结果表明:共中心点法(CMP)能够准确地计算出电磁波在不同土地利用类型、不同深度的传播速度,电磁波在网纹红土层的传播速度在0.052 m·ns~(-1)～0.065 m·ns~(-1)之间,平均速度为0.058 m·ns~(-1);剖面深度上的含水量变化特征与土壤层次的分布具有协同性,网纹红土层内土壤含水量逐渐递增,至网纹红土层下界面出现最大值,风化层以下土壤含水量随着深度的增加不断减小;应用60 MHz和120 MHz天线的雷达均可识别网纹红土层的上、下界面,深度拟合结果的R~2分别为0.93和0.86;相比较于60 MHz单天线探测网纹红土层厚度的结果,采用组合天线的方法,即200 MHz和60 MHz天线分别获得网纹红土层上、下界面的深度,能够提高探测准确度,试验平均相对误差由16.2%缩小至6.8%;探地雷达技术不仅可以提高野外调查效率,还有利于推进土壤三维制图的发展。     

基于探地雷达的喀斯特峰丛洼地土壤深度和分布探测

[目的]研究喀斯特土壤的深度和分布,为利用探地雷达(GPR)技术开展喀斯特地区峰丛洼地土壤分布的研究提供理论依据。[方法]通过室内模拟试验,建立喀斯特地区3种典型质地土壤(砂质黏壤土、黏壤土、粉(砂)质黏土)中探地雷达电磁波波速和土壤含水量的关系式。通过实地测定土壤质地和含水量,选择合适的关系式,对探地雷达图像进行校准、解译,获得土壤深度,并采用开挖法进行验证。[结果]得到了3种质地土壤中电磁波波速(ν)与含水量(θ)关系的三次多项式。利用该关系式探测的喀斯特土壤理论深度与实地开挖的结果相符,误差为0—10cm。利用探地雷达软件生成了反映测线下不同位置土壤深度的二维图像和样方内土壤深度分布的三维图像,表明土壤主要分布在0—50cm。[结论]利用探地雷达技术探测喀斯特地区土壤深度和分布是切实可行的。     

基于高频探地雷达的土壤表层含水量测定

高精度快速探测土壤表层水分状况,对于精准农业生产、水资源精确管理及防治坡耕地水土流失具有重要意义。现有探地雷达(ground penetrating radar,GPR)低频探测技术不能满足表层土壤含水量高精度要求,需要发展和应用高精度探测技术。本研究采集江宁某蔬菜地水稻土表层(0~20cm)土壤(粉砂质黏壤土),通过室内模拟试验,利用高频(1 GHz和2 GHz)探地雷达在不同土壤含水量状况下进行探测,获取GPR数据图像信息,提取电磁波谱特征参数,分析其与土壤含水量之间的定量关系。结果表明:1 GHz和2 GHz频率GPR探测的土壤介电常数ε与实测土壤含水量θ拟合的ε~θ模型决定系数R2分别为0.94与0.97,高频探地雷达技术预测粉砂质黏壤土表层土壤含水量是可行的;与低频探地雷达技术相比,高频探地雷达技术能够高精度探测表层土壤含水量。     

不同水分条件下粗砂土剖面中目标物的GPR 图像特征及其解译

通过粗砂土人工土槽试验,研究了不同水分处理下土壤剖面中目标物探地雷达波形态特征的变化及其解译.结果表明,采用500 MHz中心频率天线采集GPR数据,可以获取不同水分条件下粗砂土1 m土体内介电性质异常的目标物较高分辨率的形态特征和位置信息数据:土壤含水量的增加会导致土壤中目标物界面反射信号强度减弱、双程走时增加以及目标物GPR图像形态特征的变化;在土壤性质、水分条件较均一的情况下,利用GPR数据通过时间一深度转换可以准确地确定目标物的埋藏深度.     

黄土高原坝淤土发生特性与系统分类研究

[目的]黄土高原区沟坝地经过人工筑坝后自然淤积或者拦蓄洪水淤积而形成坝淤土,为了解坝淤土的发生特性及系统分类归属开展研究.[方法]为本文选取5个典型坝淤土剖面,分析坝淤土的成土环境、剖面形态特征理化性质,检索坝淤土在中国土壤系统分类高级及基层分类的归属.[结果]坝淤土剖面土体深厚,成土母质为人为淤积物质,色调以浊黄橙为...     

利用探地雷达低频天线监测滴灌棉田盐渍化土壤盐分迁移研究

盐渍化问题严重制约着新疆地区农业经济的发展,而掌握土壤盐分迁移情况是防治土壤盐渍化的前提。为更好地了解滴灌棉田盐渍化土壤盐分的迁移情况,本文选用一典型滴灌棉田为研究对象,采用探地雷达低频天线（250 MHz）进行土壤剖面的探测,由探地雷达图像中的信息,推测土壤盐分在垂直方向上的迁移情况,再用土壤剖面水盐动态、盐分通量变化等实际观测数据进行验证。结果表明:（1）当土壤盐分浓度具有一定梯度时,采用探地雷达低频天线收集的雷达图像中可以划分出盐分积累带、包气带和蒸发面。（2）在整个研究阶段盐分实际运移情况为先整体向上再整体向下。通过水盐动态和盐分通量等方式的验证,发现探地雷达图像中的蒸发面变化情况与实际盐分运移情况一致。因此,使用探地雷达低频天线监测滴灌棉田土壤盐分在垂直方向上的迁移情况是可行的,并且可以使用探地雷达中蒸发面的变化情况表征盐分的整体运移情况。探地雷达低频天线对蒸发面快速无损的识别,为防治盐分迁移导致的土壤盐渍化问题提供了新思路。     

砒砂岩地区沟道植物“柔性坝”拦沙试验

植物“柔性坝”试验在内蒙古西召沟小流域东一支沟进行 ,共布设 9座“柔性坝”。 1996～ 1998年各坝最大测段平均累计淤积厚度为 0 48m。 1997～ 1999年 ,“柔性坝”坝系总拦沙量为 985 5m3 ,全沟段纵比降比布设“柔性坝”前变小。 1997～ 1999年“柔性坝”坝系拦截大于 0 0 5mm的粗粒泥沙为 765 6m3 ,占该时段“柔性坝”坝系总拦沙量的 78%。试验表明 ,“柔性坝”坝系淤积量、淤积厚度与产沙量、沟道形态、沙棘栽植的株行距及暴雨径流量有关     

基于探地雷达早期信号振幅包络值的黏性土壤含水率探测

为了验证探地雷达探测黏性土壤含水率的精确性,利用探地雷达早期信号振幅包络法平均值方法(average amplitude envelope, AEA)对降雨前后野外农田表层(0.3 m)土壤含水率进行探测,并利用TDR探测土壤含水率以作对比。研究结果显示,土壤水分含量与黏粒含量具有一定相关性。在大面积范围内(1 000 m长测线),TDR2次探测土壤平均含水率分别为14.16、16.91 cm~3/cm~3;AEA方法 2次探测土壤平均含水率分别为14.62、17.88 cm~3/cm~3,与TDR实测含水率差值分别为0.46、0.97 cm~3/cm~3,2种方法探测所得含水率具有极显著的相关性(P0.01),相关系数分别为0.825、0.814。小范围内(40 m×40 m)降雨前后TDR 2次探测黏性土壤含水率分别为14.11、16.77 cm~3/cm~3。AEA 2次探测土壤平均含水率分别为14.86 cm、17.46 cm~3/cm~3,比TDR实测含水率分别大0.74、0.69 cm~3/cm~3。AEA与TDR探测所得含水率相关系数分别为0.701、0.827(P0.01),研究结果表明利用探地雷达AEA方法能够获得与TDR实测精度相近的黏性土壤含水率。利用常规探地雷达共中心点法及共偏移距方法对研究区黏性土壤含水率探测结果显示,这2种方法均不能有效地探测黏性土壤含水率。     

露天矿区排土场复垦地土壤容重差异、GPR特征识别与反演

为揭示复垦地不同剖面土壤容重的总体特征和深度差异,以中煤平朔安太堡露天矿南排土场为研究对象,基于探地雷达(GPR)图像特征分析土壤容重差异,构建介电常数与土壤容重之间的关系。分析方法采用环刀采样称重法、探地雷达探测法、方差分析法、拟合分析法等。结果表明:矿区排土场平台土壤容重大于边坡,边坡坡度越大,土壤容重越小。在土壤含水率较小时,各个剖面0～30 cm处有较多大振幅信号,土壤容重较小,探地雷达信号图上大振幅信号的多少与土壤容重大小成反比。土壤容重随介电常数的增大而呈线性增加趋势,且二者拟合后的R~2值达0.813 9,相伴概率小于0.01。研究表明,矿区排土场不同位置及同一剖面不同深度土壤容重大小差异明显,通过探地雷达可对土壤容重差异进行分析。     

Applicability of ground‐penetrating radar as a tool for nondestructive soil‐depth mapping on Pleistocene periglacial slope deposits

Soil depth plays a decisive role in determining soil properties in mountainous regions for ecological site assessment. To evaluate the use of ground‐penetrating radar (GPR) for fast and high‐resolution mapping within mountainous regions, we examined the possibilities and limitations of GPR to determine soil depth over bedrock and to delineate individual substrate layers formed during the Pleistocene in a periglacial environment (Pleistocene periglacial slope deposits, PPSD). Selected catenae in representative subregions of the study area (Dill catchment, SE Rhenish Massif, Germany) have been successfully mapped using GPR. A practicable method was developed using a 400 MHz antenna to reach a mean penetration depth of 1.5 m and to map different substrates and layers of PPSD based on calibrations of the GPR at soil pits along 12 catenae. Colluvium, the three types of PPSD layers, as well as the in situ bedrock could be distinguished in most sections of the GPR surveys. Characteristic GPR facies caused by intrinsic material properties of the different substrates, such as stone content and soil moisture content, could be distinguished in different geomorphologic and lithological settings. A layer‐based velocity distribution was determined for characteristic substrate layers at soil pits enabling us to considerably enhance the accuracy of soil‐depth prediction. Compared to traditionally surveyed soil profiles, our results demonstrate an accuracy of layer thickness surveying within a standard deviation of approx. 0.1 m. It is demonstrated that the combination of GPR with conventional soil‐pit mapping is an efficient and valid method to produce high‐resolution data of substrate distribution.     

Using ground-penetrating radar to detect layers in a sandy field soil

Pollutant transport in sandy soils can be very complex due to the presence of coarse sand lenses. Water flows laterally over the coarse material and, subsequently, breakthrough occurs in concentrated pathways, called fingers. This (funneled) flow process is a form of preferential flow reducing solute travel time and degradation of organic chemicals.

In this paper, we test ground-penetrating radar (GPR) as a tool for detecting layers in the soil. Several GPR transects were established on a fine sandy loam soil throughout the growing season and subsequent fall period to find the best time to reveal layer structures. The effect of the spatially varying moisture content on the radar velocity was determined from actual measurements with soil samples and by using the Common Mid-Point (CMP) technique. The optimal time to find coarse layers with GPR in this soil was at the end of the fall season when the soil was wetted and evaporation had decreased. The depth of layers, as indicated by GPR, was highly sensitive to the soil moisture content and could be in error by as much as ±0.4 m on a depth scale of 1.5 to 2 m if an average propagation velocity was used. A satisfactory depth prediction of textural interfaces was obtained non-destructively by collecting data in both reflection and CMP mode.     

利用高含沙洪水治沙淤地的土壤养分、粒径分布特征分析

对公乌素引洪灌区风沙地（对照）、新淤地、淤后耕地的0～100cm剖面分层取样，进行土壤养分含量、土壤颗粒粒径组成的测定，以分析利用高含沙洪水淤地治沙后土壤养分、粒径的分布特征。结果表明，新淤地的速效磷含量是原状风沙土的4．2倍，速效钾的2．5倍，碱解氮的2．4倍，全氮的2．7倍，全磷的1．3倍，有机质的3．3倍，其中速效钾、速效磷含量分别达到了全国第二次土壤普查养分标准的极高、丰富等级。将高含沙洪水引人沙漠盆地，经过多年多次淤积，淤积层累计达到或超过耕作层厚度，可以将沙漠变成高质量的农田。利用高含沙洪水淤地、治沙，是减少黄河河床淤积、治理沙漠、开发农田十分有效的途径。     

潮土区农田土体构型层次的探地雷达无损探测试验

为探究探地雷达对自然土壤土体构型进行快速无损探测的可行性,该文首先利用基于时域有限差分法的Gpr Max2D软件模拟4种具有不同介电特性差异的土壤层次的土体模型,识别雷达电磁波在具有不同土壤介电特性差异的土壤层次中传播时反射波振幅和相位的客观变化规律;然后于2016年在位于黄淮海平原潮土区的河北省曲周县选择夹黏型和底漏型2种土壤层次较明显的农田土体构型进行GPR探测试验,并挖掘土壤剖面,通过雷达图像处理软件和MATLAB编程处理雷达图像并提取波形数据,根据模拟获取的规律进行土壤层次识别,对比探测层厚与实际剖面层厚。研究结果显示,雷达电磁波在不同介质分界面处发生反射,两侧介电特性差异越大,反射波振幅越大;上层介质介电常数小于下层会发生正反射,反之发生负反射;实测波形比模拟波形杂乱;通过电磁波振幅和相位变化识别层次界面清晰的夹黏型土体构型中较厚层次的厚度的相对误差(9%)要小于识别层次界面不清晰的底漏型土体构型各层厚度的相对误差(9%);可识别的层次界面反射系数均大于0.02,两侧土壤具有较大介电特性差异;通过客观判读依据可以判别农田潮土的层次结构,但层次界面的整齐清晰程度、界面两侧介电特性差异程度和相邻层次的厚度大小影响着探地雷达探测效果。该文可以为相关研究提供参考,为实现土体构型这一重要耕地质量指标的快速监测提供借鉴。     

沙棘“柔性坝”对土壤水分调控作用的试验研究

沙棘植物“柔性坝”拦沙淤积效果明显，为了探求沙棘“柔性坝”对土壤水分的调控作用，在内蒙古准格尔旗西召沟东一支沟小流域内对5座沙棘“柔性坝”开展了野外试验研究，同时在东一支沟左岸一未种植沙棘“柔性坝”的小支沟进行了对比试验。沿沟道及“柔性坝”坝体纵向设置若干断面，每个断面设2～3个采样点，每个采样点在1 m深度范围内分9层采集土样测定土壤含水率。试验结果表明：降雨后，沙棘“柔性坝”坝体土壤水分的垂向分布呈现降低型(土壤含水率随土层深度的增加而降低)；而对比沟各断面的土壤含水率的垂向分布则为增长型或波动型。这表明沙棘“柔性坝”有利于雨水下渗和增加土壤含水率，进而起到保水固土和促进植被生长的作用。从“柔性坝”坝体中部至上游淤积体，平均土壤含水率呈现纵向递增趋势；并基于达西定律探讨了断面平均土壤含水率与纵向距离之间的关系。     

黄土丘陵区小流域淤地坝泥沙沉积特征

了解淤地坝泥沙沉积特征是坝地泥沙输移过程及规律研究的基础和前提。该文通过对黄土丘陵区小流域淤地坝不同位置泥沙沉积剖面中各沉积旋回层厚度及粒径组成变化的分析,研究了淤地坝次洪水沉积过程中泥沙的再分布特征。结果表明:坝地内次洪水泥沙沉积过程为非均匀分布,各沉积旋回层厚度在纵剖面和横剖面都存在一定差异,早期沉积层厚度的起伏变化要大于后期的起伏变化。坝地泥沙粒径组成以粉粒为主,黏粒、粉粒和沙粒的平均含量分别为4.66%、58.78%和36.56%。坝地泥沙沉积过程中,各旋回层中黏粒、粉粒和沙粒的平均含量变化较小,但在坝地不同位置,土壤粒径组成发生了一定程度的分选。从坝尾到坝前,土壤质地粗化度显著下降,土壤粒径组成呈逐步细化的趋势。     

水蚀风蚀交错带小流域淤地坝泥沙沉积特征

淤地坝泥沙沉积特征是小流域土壤侵蚀及坝地内泥沙运移沉积过程的信息载体。通过对水蚀风蚀交错带典型坝地内不同剖面中泥沙沉积旋回厚度及粒径组成变化的分析,初步探讨了坝地内泥沙沉积空间分布特征及对小流域土壤侵蚀和泥沙运移沉积过程的响应。结果表明:坝地泥沙沉积旋回厚度从坝尾到坝前呈现不均匀变化,但沉积旋回厚度总体呈逐渐变薄的趋势,沉积旋回中沙层厚度普遍大于粘层厚度;坝地内不同剖面沉积旋回泥沙主要由细砂粒组成,其平均含量为59.8%,其次为粉砂粒（23.4%）,黏粒（11.2%）和粗砂粒（5.6%）含量较少;从坝前到坝尾各个剖面中沉积泥沙颗粒组成粗化度逐渐增大,且沉积旋回中沙层的粗化度变化大于粘层的变化。初步揭示了淤地坝沉积泥沙从坝尾到坝前的沉积规律,可以为以后相关工作的开展提供参考。     

GPR测量滨海盐渍土剖面分层的实验研究

土壤剖面分层是GPR调查研究工作的主要内容,也是时域信息提取和定量反演的基础。使用250 MHz的pulse EKKO PRO探地雷达,探测不同植被覆盖或同一植被长势差异的地块,开挖剖面实测对比GPR的分层结果,剖析电磁波信号对土壤水分、盐分、粒径组成3个因子的响应特征。结果表明,从GPR波谱特征中可以区分表层盐渍化程度不同的地块,误差多小于0.5 m;综合波谱影像和振幅变化数据,能够辨晰0~1 m的土层信息,分层误差可达0.1 m;土壤盐分对电磁波信号的影响特征在该地区表现得十分显著。     

基于探地雷达波振幅包络平均值确定土壤含水率

为了评估探地雷达探测地表土壤含水率的准确性,该研究使用雷达波振幅包络平均值(average envelope amplitude,AEA)方法在室内对含水率为0.05、0.15及0.25 cm3/cm3的砂质土壤进行了探测,并与时域反射仪(time domain reflectometry,TDR)所得土壤含水率进行了对比。结果表明,在实验室内,在0.05、0.15及0.25 cm3/cm3的土壤含水率条件下,使用AEA方法探测所得土壤含水率均比TDR所得含水率大,均方根误差分别为0.026、0.015及0.01 cm3/cm3,这3个含水率条件下,AEA方法探测土壤水分的有效深度分别为0.9、0.6和0.3 m。利用AEA方法在野外进行地表含水率探测,并与TDR和钻孔取样探测的地表含水率进行对比。野外探测结果表明,AEA方法所得含水率与TDR探测所得含水率的均方根误差为0.020 cm3/cm3,与取样实测所得含水率的均方根误差为0.031 cm3/cm3,使用AEA方法能够得到与TDR及钻孔取样精度相近的土壤含水率分布图。研究表明利用探地雷达AEA方法在探测浅部地层土壤含水率是可行的。     

王茂沟流域淤地坝系土壤颗粒与有机碳分布特征研究

为了研究黄土高原丘陵沟壑区坝系坝地土壤颗粒与有机碳的分布特征,以陕北绥德县王茂沟小流域为研究对象,选取了47个土壤剖面,采集土样940个,分析了分形维数、粗化度、有机碳与各粒径组成之间的关系。结果表明:（1）研究区坝地的土壤粒径分布中,粉粒含量占主导地位,依次为砂粒、黏粒;（2）王茂沟坝地土壤颗粒的分形维数在2.674~2.829之内变化,垂直剖面上变化很微小,坝前、坝中、坝后土壤颗粒分形维数分别为2.803 3,2.783 6,2.795 8;（3）王茂沟坝地土壤质地粗化度在0.27~0.58,平均值为0.44,坝前（0.40） < 坝后（0.45） < 坝中（0.46）;（4）坝地土壤颗粒在0.05~0.002 mm和 < 0.002 mm范围内与土壤颗粒的分形维数成极显著正相关,在2.0~0.05 mm范围内与土壤颗粒的分形维数成极显著负相关;坝地土壤有机碳与粉粒和黏粒呈正相关,与细砂粒和极细沙粒含量呈负相关。