干湿交替下基于超声波速度的土壤含水率估算模型

发布时间：2021-01-23 03:08

　　为探究不同墒情需求的农田耕作层土壤含水率与超声波速度的变化关系,采用室外模拟降雨的方式,使土壤样本初始含水率分别为15%、20%、25%和30%,之后置于自然环境下干燥直到土壤含水率达到5%结束干燥,每种处理进行共4次干湿交替,利用超声波土壤含水率原位检测装置对土壤样本进行超声波速度测定。结果表明:土壤样本在各次干湿交替过程中随着土壤含水率的不断下降,土壤容重及超声波速度均呈非线性的增加。随着干湿交替次数的增加,土壤含水率变化对超声波速度的影响减弱,土壤样本初始含水率越高,干湿交替次数对超声波速度的影响越小。采用自适应加权数据融合算法将多次干湿交替过程中的土壤样本超声波速度加权融合,并利用非线性回归分析构建适用于经历多次干湿交替作用下的超声波速度-土壤含水率关系模型,预测误差在6%左右,表明该模型可用于描述不同墒情需求的农田耕作层土壤含水率与超声波速度的关系。研究结果可为利用超声波速度特性实现不同灌溉性质农田土壤含水率的持续监测及预测提供参考。 

【文章来源】：农业工程学报. 2020,36(08)北大核心

【文章页数】：6 页

【部分图文】：

土壤样本实物及容器结构示意图

利用超声波土壤含水率原位检测试验装置对土壤样本进行超声波速度测试，如图2所示，该试验装置主要包括支架、丝杆、滑轨、手动摇柄和非金属超声波检测仪，其中手动摇柄与丝杠连接，压力传感器固定在压力传感器安装滑块上，安装滑块穿过丝杠安装在滑轨上，换能器安装盒安装在压力传感器与样本之间。将超声波换能器安装在换能器安装盒中，超声波耦合剂涂抹在换能器与土样接触面之间，调整换能器安装盒的高度，使超声波换能器位于土壤样本容器两侧的换能器安装口中，其中超声波换能器安装孔为土壤样本测试点。设置压力传感器最大压力限值（25 N），转动手动摇柄带动丝杠使超声波换能器与土样紧密接触，直到压力传感器测得的压力值与设定值一致时停止转动手动摇柄，通过滑轨上的刻度尺读取土壤样本有效长度d，设置ZBL-U510型非金属超声波检测仪的采样周期为0.8μs、采样长度1 024 mm、发射电压500 V、发射脉冲0.04 ms、超声波换能器频率50 kHz，测距为被挤压后土样的有效长度d。启动ZBL-U510非金属检超声波检测仪驱动超声波发射换能器发射超声波，测量超声波透过土样的声速值。每个土样的测试点测量10次，采用分批估计将每个测试点的10个测量数据进行分批数据融合[18]，融合值作为该测试点的声速值。

土壤容重是土壤的基本物理性质之一，可直接反映出土壤密实度及结构状况的变化，是一个综合性较高的土壤结构指标[20-21]。在干湿交替过程中，由于水分流动、水的吸附力和毛管力等相互作用，导致土壤颗粒破碎并重新分布、组合，形成新的结构体系，进而影响土壤团聚体的形成、水分的保持和结构的稳定，会显著改变土壤容重及有效压力[22-23],4种不同干湿交替处理的土壤样本在4次由湿到干的过程中，土壤容重变化如图3所示。总体上，随着土壤含水率的下降，容重均呈先快后慢的非线性增加趋势。在高含水率阶段含水率变化对容重的影响较大，当土壤含水率分别达到8%、9%、12%、13%左右，容重对含水率变化的响应减小。第1次土壤在湿-干过程中含水率变化对土壤容重的影响最大，之后随着干湿交替次数的增加土壤含水率变化对容重的影响减弱，其中初始含水率为30%的土壤容重较快达到稳定，其次为初始含水率为25%和20%土壤样本，初始含水率为15%的土壤容重达到稳定历时最长，表明干湿交替处理时初始含水率越高，土壤结构稳定趋于稳定的速度越快。2.2 超声波速度随土壤含水率的变化趋势

【参考文献】：
期刊论文
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博士论文
[1]干湿交替过程中土壤容重、水分特征曲线和热特性的动态变化特征[D]. 张猛.中国农业大学 2017

硕士论文
[1]下蜀黄土超声波波速与物理力学性质试验研究[D]. 王峥辉.河海大学 2007



本文编号：2994429