基于低频GPR的土壤累积入渗量的探测方法研究

农田尺度上土壤累积入渗量的准确获取是目前土壤入渗研究中的难题.通过土工模拟和灌水实验,探讨利用低频探地雷达(GPR)技术探测土壤累积入渗量的方法.在分析灌水前后GPR剖面特征的基础上,分别构建和对比了基于波速法和振幅法的土壤累积入渗量计算模型.结果表明,基于振幅的探测模型在精度和稳定性方面均优于波速法,反射波振幅模型精度高于地面波模型,利用反射波波谷1构建的累积入渗量的GPR探测模型的决定系数达到0.96.因此,使用低频探地雷达可以实现对土壤累积入渗量的准确探测.研究结果为农田尺度上土壤累积入渗量的探测方法提供了一种新思路,同时,也为GPR在土壤学领域中的进一步应用提供了科学依据.     

基于AEA法的黄土高原矿区复垦农田土壤含水率特征研究

为了快速、有效的测定复垦区农田尺度上土壤含水率变化以及空间分布特征,评价探地雷达对土壤含水率的探测精度,通过研究雷达信号属性振幅与土壤含水率的关系,采用振幅包络平均值(AEA)法对复垦区农田地块土壤含水率进行反演,并与雷达测线上时域反射仪(TDR)法测量所得土壤含水率结果进行对比。结果表明:探地雷达振幅信号属性与土壤含水率有着显著的关系,在研究的四种关系模型中对数模型的拟合结果最好,R~2达到0.995,根据拟合的曲线得知,振幅越大,含水率越小,只要获取地下相应位置雷达信号的振幅值,就可通过本试验拟合的关系式计算出该位置的土壤含水率。通过对比发现,AEA法所得土壤含水率要高于TDR法所测土壤含水率,两者平均相对误差为0.023 cm~3cm~(-3),两种方法所得土壤含水率变化趋势基本一致,相关系数达到0.98。研究表明,使用探地雷达AEA法用于黄土高原矿区复垦农田浅部地层土壤含水率的探测,可以获得更加连续、准确的土壤含水率分布图。     

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。     

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。     

基于探地雷达的滨海盐渍土表层含水量测定研究

本研究选取了17个植被类型不同或长势不同的典型地块,利用250 MHz中心频率探地雷达,采用固定间距法和共中心点法两种测量方法,分析电磁波信号对土壤剖面特性变异分层的响应特征,提取地面波和表层反射波的传播速度,代入常用的11个土壤介电常数—含水量经验模型,反演表层土壤(0~30 cm)体积含水量。GPR图像可清晰识别0~1m土层的空气波、地面波和反射波信号;GPR反演体积含水量与农田表层土壤实测质量含水量的相关系数可达0.8以上,其中以Topp模型与巨兆强模型的相关系数最高,朱安宁粉砂黏潮土的θ~ε经验模型的平均反演误差为0.012 m~3 m~(-3);对于表层土壤盐分较高的地块,反射波信号反演表层土壤含水量的效果优于地面波;表层土壤扰动越大,雷达波信号提取误差越大,GPR反演含水量的精确度越低。     

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。     

利用GPR多频天线振幅包络平均值法估算滴灌棉田土壤盐分含量

土壤盐渍化问题严重制约着农业经济发展,快速准确地掌握农田土壤的盐渍化信息是盐渍化防治的前提。为准确快速地了解滴灌棉田土壤盐分含量情况,该研究采用探地雷达(Ground Penetrating Radar,GPR)多频天线(250 MHz和1 000 MHz)对典型滴灌棉田土壤进行探测,通过GPR振幅包络平均值法(Average Envelope Amplitude,AEA)获取土壤视在介电常数,以Dobson盐渍土介电模型(Dobson dielectric model of saline soil,Dobson)为理论工具,估算滴灌棉田土壤的盐分含量。同时,将视在介电常数、土壤容重、含水率和土壤黏粒含量5个参数设置为模型输入变量,采用多元线性回归方法(Multiple Linear Regression,MLR),建立膜下滴灌棉田土壤盐分反演模型,并使用BP神经网络(Back Propagation neural network,BP)进行模拟预测。最终,以实测盐分为基准,评价MLR模型、BP模型和Dobson模型反演盐分含量的效果。结果表明:1)探地雷达250 MHz和1 000 MHz频率天线AEA法探测的有效深度均为0～30 cm。2)1 000MHz频率天线AEA法获取的介电常数与实测含水量有较好的多项式关系,且实测含水量和反演含水量拟合效果和精度较好,决定系数R~2为0.96,均方根误差RMSE为1.61%,平均误差率MER为7.25%。3)3种盐分反演模型中,Dobson盐渍土介电模型反演精度明显高于其他2种方法,R~2达到0.91,RMSE为0.313 g/kg。因此,利用GPR多频天线AEA法估算滴灌棉田土壤盐分含量是可行且可靠的。该法为反演土壤盐分含量提供新途径,丰富了盐分含量探测的方法及手段。     

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。     

土壤含水率对季节性冻土入渗特性影响的试验研究

基于季节性冻融期不同土壤含水率条件下的冬小麦田单点入渗试验,讨论了土壤含水率对冻融土壤水分入渗能力和入渗率的影响以及不同冻融阶段土壤入渗特性的变化。结果表明季节性冻融期土壤含水率对冻融土壤入渗特性的影响显著。土壤入渗能力随土壤含水率的升高而减小;冻融土壤累积入渗量随土壤含水率的变化符合幂函数规律;高土壤含水率导致的水力传导度减小是冻土入渗能力降低的主要原因。研究结果对于季节性冻土分布区农田冬春灌溉、确定合理灌水技术参数及水资源合理利用提供了参考。     

低频探地雷达地波法测定土壤含水量的可行性研究

利用地波法来探讨低频探地雷达(GPR)在土壤含水量测定方面的可行性。分别采用50 MHz和100 MHz天线的探地雷达地波法对黄淮海平原潮土地区砂壤土和砂土中的含水量进行了探测研究。结果表明,50 MHz天线GPR分辨率过低,在砂土和砂壤土中均无地波信号。100 MHz天线在砂壤土中无地波信号,但在砂土中可清晰读取出空气波和地波。TDR测得含水量为6.3%的砂土,用100 MHz天线地波法3次测定结果分别为5.9%,6.2%和6.5%,绝对误差均在0.4%以内。采用共中点法(CMP)和固定间距法(FO)相结合探测土壤含水量,在FO最佳天线间距1 m时测得灌水前后的砂土含水量分别为6.5%和20.2%,与TDR测定结果6.3%和19.7%相比,绝对误差在0.5%以内。100 MHz天线CMP和FO相结合的方法兼顾了CMP法读取地波的精确和FO法的快速便捷,在砂土的含水量测定应用中是可信、可行的。     

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。     

基于土壤入渗变异性的畦灌单宽流量优化

农田土壤入渗变异性给畦灌系统的设计和管理带来了困难.为进一步提高畦灌灌水质量,该研究利用已有考虑土壤变异条件下的畦灌灌水质量计算模型,采用数值模拟与理论分析相结合的方法,扩展了模型的使用范围,并结合畦灌试验资料对其进行了验证;在此基础上分析了土壤入渗变异性对畦灌灌水质量的影响,提出了考虑农田土壤入渗变异条件下入畦单宽流量的确定方法.结果表明,文中扩展后的模型可用于计算异质土壤和均质土壤情景模式下的畦灌灌水质量指标,其计算值与田间实测值和WinSRFR软件模拟值一致性较好,相对误差均值分别为10％;土壤入渗变异对畦灌灌水质量的影响显著,贡献度高达56.71％～95.68％,其对灌水均匀度的影响最为敏感,其次为灌水效率和储水效率;基于均质土壤入渗条件下优化的入畦单宽流量,可用于异质土壤畦灌灌水流量设计,两者符合1∶1的线性关系.研究结果可为考虑农田土壤变异性的畦灌系统设计和管理提供理论依据和技术支撑.     

土壤有机质含量对土壤入渗能力及参数影响的试验研究

基于土壤质地为壤土的大田水分入渗试验,分析了有机质含量对大田土壤水分入渗能力和考斯加科夫入渗模型参数的影响。研究表明：土壤有机质对大田土壤入渗能力和入渗模型参数的影响都比较明显,土壤累积入渗量随着土壤有机质含量的增加而增大;入渗模型参数k和α值随土壤有机质含量的增加而减小。研究结果对于土壤入渗能力预测模型的建立和地面灌水技术参数的优化具有一定价值。     

基于主成分分析单一参数入渗模型的BP神经网络模型

利用标定理论建立较大尺度上的单一参数入渗模型,在此基础上基于主成分分析建立其BP神经网络模型。结果表明:利用主成分分析可将研究区域土壤容重、有机质含量、砂粒含量、粗粉粒含量和粘粒含量综合成3个主成分;基于主成分分析建立的BP神经网络模型预测的标定因子的RMSE为0.4186,除偏大或偏小的标定因子,利用预测的标定因子预测的累积入渗量与实测值比较接近,可利用所建模型对较大尺度上的单一参数入渗模型进行预测。     

坡度、雨强对塿土入渗特征的影响研究

利用室内人工降雨试验研究降雨强度和坡度对塿土水分入渗状况的影响及其作用机理,并用数学方法对土壤入渗率与累积入渗量随时间变化过程进行数学模拟。试验结果表明:雨强对降雨入渗率及累积入渗量有显著影响。雨强在20~90 mm h-1之间,雨强越大,塿土初始入渗率越高,达到稳定的时间越短,土壤的稳定入渗率由于主要受制于土壤特性,因而各降雨强度间差异不显著;累积入渗量变化表现为随降雨强度增大而减少;坡度对土壤入渗率及累积入渗量基本无影响。运用数学模型对土壤入渗率及累积入渗量的变化过程进行模拟,结果表明,Kostiakov经验模型与自回归移动平均模型(ARIMA)两种模型均可用于模拟土壤入渗性能的变化过程,拟合精度均较高。     

由膜孔灌田面灌水参数推求基于Kostiakov模型的点源入渗参数

利用膜孔灌大田灌水试验实测资料,基于水量平衡原理,提出了利用膜孔灌大田水流推进和消退曲线参数推求基于Kostiakov入渗模型的膜孔灌单点源入渗参数的方法,这一方法能简单而有效地求得大田膜孔灌平均入渗参数,有效消除农田土壤空间变异性对单膜孔入渗参数的影响,研究成果为膜孔灌技术要素设计和灌水质量评价提供了科学基础。     

探地雷达技术探测土壤特性的研究进展

总结了探地雷达技术(Ground Penetrating Radar,简称GPR)使用反射波、地波、反射系数、全波形反演和早期信号分析进行土壤特性研究的方法,在详细介绍基本原理的基础上,通过分析近年来的研究实例展示GPR探测土壤特性的能力和局限性:基于信号速度的分析方法应用广泛,数据获取和处理简单,但结果具有主观性,受...     

基于SIRMOD模型的畦灌入渗参数估算及灌溉模拟

土壤入渗参数是地面灌溉中制定灌溉制度、评价灌水质量的重要指标。针对现有估算方法存在计算工作量较大、精度不高的现状,根据田间实测资料,利用SIRMOD模型,对小麦畦灌条件下田间土壤入渗参数进行了估算。与用Maheshwari法计算结果较为接近,差异均在2.0%以内。根据估算的土壤入渗参数,应用SIRMOD模型进行了多组合灌溉模拟,在保证灌水质量较高的条件下,得出了在不同亏缺水量时的适宜灌水量和灌水流量,通过田间实例验证表明模拟效果较好。     

基于WinSRFR模拟灌溉农田土壤入渗参数年变化规律

土壤入渗参数是确定地面灌溉灌水技术参数的主要依据之一,而农田土壤入渗特性随着灌水与耕作存在着周期性变化。为了探究这种周期性变化规律,在冬小麦-夏玉米轮作体系下,基于泾惠渠灌区2012-2015年不同灌水时期的灌水资料,利用Win SRFR4.1软件与拟合度检验相结合的方法对考斯加科夫土壤入渗模型参数值进行模拟反推得出最佳优化结果,结果表明模拟与实测的水流推进及水流消退过程的均方根误差分别为0.15~2.1和2.5~7.8 min,决定系数均在0.7以上(P0.05)。在此基础上,根据影响土壤水分入渗的主导因素土壤容重及土壤质量含水率,建立考斯加科夫土壤水分入渗模型2参数值与影响因素间的定量关系,分析土壤入渗参数在年内的变化规律,结果表明:在冬小麦-夏玉米轮作体系下,不同灌水时期的土壤入渗系数和入渗指数变化明显,变化范围分别在95.0~210.0 mm/h和0.42~0.67之间,土壤水分入渗模型两参数值与土壤含水率及土壤表层容重之间存在较好地复合对数关系,决定系数分别为0.846和0.741(P0.05)。研究结果可为年内不同灌水时期确定农田地面灌水技术参数提供依据。     

利用GPR早期信号振幅属性监测土壤含水率

为了研究GPR早期信号振幅属性与土壤含水率的关系,建立物理模型并配制了7组不同含水率的土壤,采用300、400和900 MHz GPR天线进行探测.选取GPR第一峰值信号、第一正半周期、第一半周期3种典型时段早期信号,利用希尔伯特变换计算平均振幅包络并求倒数,与烘干法测量所得土壤含水率结果进行对比,拟合出平均振幅包络倒...