基于探地雷达的复垦土壤压实与工程质量评价

发布时间：2017-09-18 01:13

  本文关键词：基于探地雷达的复垦土壤压实与工程质量评价

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【摘要】：煤炭是我国乃至世界最主要的能源,由煤矿开采产生的地表裂缝、塌陷等问题,导致耕地面积减少,生态环境恶化。土地和煤炭均是人类生存不可或缺的两大重要资源,如何解决农业生产与煤矿开采之间的矛盾是亟待解决的一项重要课题。土地复垦是当前增加耕地面积、缓解人地矛盾的主要途径之一。对土地复垦工程进行科学有效的质量评价和监控,对于创新复垦技术、改良复垦土地利用模式、提高复垦土地生产力都具有重要的意义。在对复垦土壤进行农业利用的过程中,土壤压实已经成为影响复垦土壤质量的最主要因素;覆土厚度是复垦土壤质量检验中农、牧、林业主要测试项目之一,灌溉渠道的防渗性能、田间道路的稳定性及承载力也是复垦工程质量检测的重要内容。当前,对于复垦土壤质量和工程质量的测定多采用传统方法,虽然准确度较高,但是费时费力且不能全面反映复垦项目区的整体状况;对渠道和道路的检测具有一定的破坏性,不宜大面积进行,因此探索快速、可靠、简便的测试方法势在必行。本文以此为切入点,在总结前人研究的基础上,通过对方案设计、研究方法和研究内容等方面进行创新,将探地雷达作为检测手段,对复垦实验区的土壤质量和工程质量进行无损检测,并针对检测过程中的关键技术及其涉及的理论方法进行了深入研究,取得了一些有益的成果。主要工作及成果如下:(1)探明了不同复垦工艺下土壤紧实度的变化规律及其影响因素。基于统计学理论,采用2×5×4混合试验设计并建立模拟复垦实验区,模拟2种复垦机械对土壤进行不同次数(1、3、5、7、9次)的压实。通过测定各组合中不同层次厚度的土壤紧实度值并进行变量的方差分析和多重比较,研究了土壤紧实度的变化规律及其影响因素。实验证实,土地复垦过程中,压实机械、压实次数和土层厚度都是影响土壤紧实度的显著性因素,各因素的贡献率均在97%以上。不同的压实机械,质量不同,接地面积不同,会产生不同的压实效果,自卸汽车压实5次之后即可使上层土壤紧实度达到最大值,而履带式推土机需要压实7次。深度越大,土壤紧实度越小;随着压实次数的增加,各土层厚度之间土壤紧实度差异减小,中间10~30cm的土壤紧实度相对较高。过多的压实还会使土壤先板结后破碎,影响严重。上述研究成果为改良复垦工艺提供了依据。为减轻土壤压实状况,一方面,选择质量较小、承重轮面积较大的机械有助于减轻对土壤的压实;其二,即使单次压强较小,多次碾压对土壤造成的压实仍不容忽视,应尽量避免对相同位置土壤的反复碾压,碾压次数应控制在5~7次之内。(2)构建了压实指标与土壤介电常数关系模型。以土壤容重作为压实指标,通过相关性分析,证实土壤介电常数与土壤压实指标具有较好的相关性,相关系数绝对值均大于0.89,可以表征土壤压实状况。以现有的复合介电常数模型为基础获取土壤介电常数计算值,基于探地雷达获取土壤介电常数实测值,对比发现二者虽然存在不同程度的误差(21.85%~138.80%),但相关性较好,相关系数大于0.99;通过其相关方程对复合介电常数模型进行了修正,结果表明基于修正后的模型获取的土壤容重数据准确度较高,误差范围在0.79%~0.98%之间,并且野外实验证明模型通用性较好。该部分为探地雷达在土壤压实状况的无损检测提供了有效途径。(3)揭示了土壤压实状况在不同土地利用类型和复垦年限的时空变异特征。分别选取于不同时期复垦完成的3种土地利用类型复垦实验区,使用探地雷达连续4个年度对每个复垦实验区进行土壤质量监测并获取其土壤容重值,通过对土壤容重值进行统计分析,揭示了不同土地利用类型在不同复垦年限的土壤压实状况时空变异特征及其影响因素。研究发现,土壤容重总体上呈现出随复垦年限增加而逐渐下降的趋势,其下降速度和规律各有不同。耕地复垦8年后土壤容重达到最低值(1.30g/cm3),草地(1.46g/cm3)和林地(1.39g/cm3)分别于复垦后12年和15年左右基本达到原地貌土壤状态。同时期耕地土壤容重最小,草地次之,林地最高。受人为活动及植物根系作用的影响,3种土地利用类型在不同土壤层次的容重变化规律也存在差异。综合来看,复垦年限和土地利用类型都是导致土壤容重产生显著性差异的因素,其中土地利用类型在各年度均是土壤容重的主要变异来源(因素贡献率为72.4%~97.7%),复垦年限在整体变异中的比重随时间的延长而逐渐减小。不同土地利用类型的土壤容重在时间尺度上的变化趋势各有不同;土地利用类型对容重的影响程度也随着复垦年限的变化而产生变化,复垦中期采取不同的利用模式对土壤压实状况的改良具有积极意义(因素贡献率为82.3%~95%)。以上研究成果一方面为复垦后土壤的有效利用及制定土壤改良措施提供了依据,同时实现了对复垦土壤质量的长期动态监测。(4)论证了探地雷达检测复垦工程质量的关键技术。选取覆土厚度、路面厚度和渠道衬砌厚度作为复垦工程质量的检测指标,通过探地雷达获取介质的剖面图像,实现了对上述指标的无损检测,并对地面位置定位、电磁波传播速度标定和反射层拾取等关键技术进行了重点分析;与传统检测数据进行对比,对探地雷达检测的准确性及其原因进行了分析。结果显示:本试验项目区覆土厚度稍有不足(平均厚度48cm),但变异程度较小(变异系数为9.375%);路面厚度起伏较大(变异系数为27.94%)且部分区段低于设计标准;渠道衬砌分布均匀(变异系数为12.86%),厚度达到设计标准(平均厚度15.57cm)。研究发现波形图中第一个正峰的位置与地面位置最为接近,Hilbert变换可以较好地解决多种因素导致的反射相位识别困难问题,同时探地雷达的工作方式对于检测结果的准确性至关重要。土壤由于其结构的复杂性,在探地雷达的使用方面存在诸多影响因素,在数据处理时应注意弱化地下介质对电磁波的衰减作用。综上所述,本文一方面通过探地雷达获取土壤的介电常数,在对已有介电常数模型进行修正的基础上实现了对土壤压实状况的无损检测;另一方面借助于探地雷达获取介质的剖面图像,通过对地面位置定位、电磁波传播速度标定和反射层拾取等关键技术的处理实现了对复垦工程质量的无损检测;研究过程中同时对土壤压实状况的变异规律及其影响因素进行了分析。研究成果丰富了探地雷达在土壤复垦领域的应用技术,为复垦质量的无损检测提供了理论依据和技术手段,对革新复垦工艺、实现复垦土壤的有效利用及制定复垦土壤改良措施具有借鉴意义。
【关键词】：复垦土壤质量 复垦工程质量 无损检测 探地雷达
【学位授予单位】：山东农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN959;TD88
【目录】：

• 中文摘要9-12
• Abstract12-17
• 1 绪论17-28
• 1.1 研究背景与意义17-19
• 1.2 研究进展19-24
• 1.2.1 国内外土地复垦研究进展19-22
• 1.2.2 探地雷达在土壤领域的应用22-24
• 1.3 研究目标、研究内容和技术路线24-27
• 1.3.1 研究目标24
• 1.3.2 研究内容24-25
• 1.3.3 技术路线25-27
• 1.4 课题来源与背景27
• 1.5 小结27-28
• 2 试验设计28-43
• 2.1 模拟试验设计28-29
• 2.1.1 试验目的28
• 2.1.2 试验方案28-29
• 2.1.3 试验数据获取29
• 2.2 野外试验设计29-35
• 2.2.1 实验区概况29-32
• 2.2.2 典型复垦试验区选择原则32-34
• 2.2.3 试验复垦区概况34-35
• 2.3 试验设备35-42
• 2.3.1 探地雷达35-42
• 2.3.2 土壤紧实度仪42
• 2.3.3 其他设备42
• 2.4 小结42-43
• 3 探地雷达应用于复垦领域的理论基础43-58
• 3.1 物质材料的电磁性质及其对电磁波的影响44-45
• 3.2 土壤的电磁性质45-48
• 3.2.1 土壤的介电特性参数45-46
• 3.2.2 影响探地雷达性能的土壤特性46-48
• 3.3 电磁波在土壤中的传播规律48-50
• 3.3.1 电磁波在地面的反射和折射48-50
• 3.3.2 电磁波在多层水平层状结构土壤中的反射和折射50
• 3.4 探地雷达简介50-51
• 3.5 探地雷达的探测方式51-54
• 3.5.1 反射式探测52-53
• 3.5.2 折射式探测53
• 3.5.3 透射式探测53-54
• 3.6 探地雷达的探测性能54-57
• 3.6.1 探测深度54-55
• 3.6.2 分辨力55-57
• 3.7 小结57-58
• 4 基于土壤紧实度的土壤压实状况影响因素分析58-66
• 4.1 机械压实对土层下降深度的影响58-59
• 4.2 不同处理方式下土壤紧实度的变化59-61
• 4.3 土壤紧实度影响因素分析61-62
• 4.4 不同处理方式下土壤紧实度影响因素的多重比较62-65
• 4.5 小结65-66
• 5 土壤压实状况评价中复合介电常数模型的构建66-80
• 5.1 复合介电常数模型66
• 5.2 土壤的复合介电常数模型66-71
• 5.2.1 TOPP公式67
• 5.2.2 介电混合模型67-71
• 5.3 不同复垦模式下探地雷达图像分析71-72
• 5.4 介电常数表征土壤压实状况的可行性分析72-73
• 5.5 土壤压实状况评价中复合介电常数模型的构建73-78
• 5.5.1 选取介电常数模型73
• 5.5.2 介电常数模型修正73-77
• 5.5.3 模型通用性检验77-78
• 5.6 小结78-80
• 6 基于介电常数模型的土壤压实状况时空变异及其影响因素分析80-96
• 6.1 试验方案80-82
• 6.1.1 复垦实验区概况80
• 6.1.2 研究方法80-82
• 6.2 基于介电常数模型的土壤容重时空变异特征分析82-92
• 6.2.1 不同土地利用类型土壤容重时间变异特征82-85
• 6.2.2 土壤容重时空变异影响因素分析85-92
• 6.3 不同深度的土壤容重变异特征分析92-94
• 6.4 小结94-96
• 7 基于探地雷达的工程质量无损检测技术96-116
• 7.1 基于探地雷达的厚度检测原理96-98
• 7.2 探地雷达中电磁波速度参数的求取98-101
• 7.2.1 介电常数法98-99
• 7.2.2 已知目标深度法99
• 7.2.3 共中心点（CMP）法99-100
• 7.2.4 反射系数法100-101
• 7.3 电磁波传播时间参数的确定101-105
• 7.3.1 电磁波初至时间的确定101-102
• 7.3.2 反射层拾取102-105
• 7.4 覆土厚度及田间道路、灌溉渠道面层厚度检测105-111
• 7.4.1 项目区概况及数据采集105-106
• 7.4.2 覆土层波速标定106-108
• 7.4.3 道路和渠道面层波速标定108-110
• 7.4.4 探地雷达厚度检测准确性分析110-111
• 7.5 检测结果及分析111-115
• 7.5.1 果园覆土厚度分析结果112-113
• 7.5.2 田间道路面层及基层厚度分析结果113-114
• 7.5.3 灌溉渠道面层及基层厚度分析结果114-115
• 7.6 小结115-116
• 8 研究成果与创新点116-119
• 8.1 研究成果116-118
• 8.1.1 土壤质量方面116-117
• 8.1.2 工程质量方面117-118
• 8.2 创新点118-119
• 8.2.1 实验设计方面118
• 8.2.2 研究方法方面118
• 8.2.3 研究内容方面118-119
• 参考文献119-126
• 致谢词126-127
• 攻读学位期间科研情况127

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本文编号：872495