ERT与TDR联合反演层状土壤水分运动过程研究

发布时间：2017-08-22 21:57

  本文关键词：ERT与TDR联合反演层状土壤水分运动过程研究

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【摘要】：土壤是由固、液、气三相组成的独立自然体,作为一种多孔介质,其构成骨架具有形状不规则、排列错综复杂、碎散固相颗粒存在等特点,并且颗粒间的孔隙存在着运动状态的水和空气,因此,对土壤各部分的研究比较复杂。土壤水是土壤中最活跃的组成部分,在土壤形成过程中起着极其重要的作用,同时在大气降水、地表水、土壤水和地下水“四水转化”中占据重要地位,是联系地表水和地下水的纽带。目前对土壤水分运动的大部分研究都将土壤看作是均匀、各向同性介质,但是由于自然和人为因素的作用,使得田间土壤常常呈现层状结构,这种层状结构将影响土壤水分和溶质的运移特性。因此探明层状土壤水分、溶质运移规律对准确预报污染物在土壤中运移及农田土壤水分、养分迁移具有重要理论和实际意义。为了解水分在层状结构土壤中的运动过程,本研究在青岛即墨移风店镇的农田里,进行了剖面上的注水入渗试验。试验利用DCX-1G多功能高密度电法仪——实时成像系统(ERT),监测在注水入渗前、后土壤电阻率随时间和空间的变化过程;由于电阻率是土壤所具有的一种基本物理性质,同时土壤水分含量的变化能够引起土壤电阻率的变化,可以结合时域反射仪(TDR)测得的土壤体积含水量与实验室测得的其它相关数据,定量化研究垂直二维剖面上的土壤水分运动特征;利用HYDRUS-1D软件对土壤水分的运动过程进行模拟并与实测值进行比较,以确定用ERT方法在时空尺度上高分辨率监测土壤水分运动过程的适用性。这对研究溶质和污染物在土壤中的运移规律及农田节水灌溉的进一步优化具有重要的意义。本文的研究得出以下几点结论:(1)根据注水入渗试验过程中用ERT监测得到的土壤电阻率和TDR测量得到的土壤体积含水量,建立了电阻率与含水量之间的定量关系式。由于研究区土壤呈层状分布,且各土壤层的基本理化性质是不同的,故分别对三层土壤的电阻率与含水量进行拟合,得到0-30 cm与60-90 cm层土壤电阻率与含水量之间关系,确定性系数R2分别为0.66和0.67,能够满足精度要求,相关性较好。而30-60 cm土层由于土壤中粘粒含量较高,拟合得到的确定性系数R2为0.509,相关性差一些。(2)通过对比高密度电阻率法反演的几种不同算法,发现时滞反演算法比其它算法能够更好地反映土壤电阻率的空间分布。在注水入渗试验时表层土壤的电阻率迅速降低;随着入渗时间的延续,表层土壤水分含量不断增加,在土壤表层形成了一个薄的饱和层,使土壤表层电阻率的变化减小,逐渐趋于稳定。由于粘土层的存在,水分并不是在到达土壤界面处后继续向下运动,而是当土壤水分含量积累到一定值后,才继续向下层入渗,且水分向下运动的速度相比于表层土壤要慢一些。利用已建立的土壤水分含量与电阻率关系式,推测在两层土壤交界面处土壤质量含水量达到0.183 g/g时水分开始向下层入渗。从水分入渗过程的电阻率变化图可以看出,土壤水分的运动以向下的垂向运动为主,并伴随着微弱的水平流动。(3)基于测定的土壤剖面质量含水量和氯离子含量随深度的变化情况,得到了土壤水分实际的最大入渗深度。通过对比土壤质量含水量的变化情况,发现点状注水试验时水分入渗达到的最大深度为60 cm,利用ERT推算的入渗最大深度63 cm;线状注水试验入渗达到的最大深度为90 cm,用ERT推算的入渗最大深度为81 cm,能够较好反映出水分入渗的最大深度。(4)利用HYDRUS-1D软件对注水入渗试验的过程进行模拟,得到每一时刻土壤含水量的变化,并与ERT方法计算得到的含水量情况进行比较,以进一步验证ERT方法定量监测土壤水分入渗过程的准确性。通过对比发现,模拟得到的土壤水分含量随时间和深度的变化趋势与用ERT方法计算得到的水分含量变化趋势一致,但因土壤水分入渗过程的数值模拟部分由于时间关系还没有完全做好,两者之间误差显得较大。
【关键词】：ERT TDR 层状土壤 水分运动 HYDRUS-1D模型
【学位授予单位】：青岛大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S152.7
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-8
• 第一章 绪论8-16
• 1.1 研究的目的和意义8-10
• 1.2 国内外研究现状10-14
• 1.2.1 土壤水分入渗研究现状10-11
• 1.2.2 ERT研究现状11-12
• 1.2.3 TDR研究现状12-13
• 1.2.4 ERT与TDR结合研究现状13-14
• 1.3 研究内容和实验方案14-16
• 第二章 实验材料及方法16-26
• 2.1 研究区概况16-17
• 2.1.1 气候特征16
• 2.1.2 地下水概况16-17
• 2.2 实验材料与方法17-26
• 2.2.1 田间试验17-18
• 2.2.2 室内实验18-19
• 2.2.3 土壤基本物理性质的测定19-20
• 2.2.4 高密度电阻率法基本原理20-26
• 第三章 层状土壤水分含量与电阻率的定量关系26-34
• 第四章 ERT与TDR联合反演层状土壤水分入渗过程34-55
• 4.1 田间测量的准备与数据采集34-36
• 4.2 数据处理36-41
• 4.3 ERT与TDR方法反演土壤入渗过程41-53
• 4.4 土壤分层界面处水分运动特征53-55
• 第五章 ERT反演土壤水分运动过程的数值模拟验证55-62
• 5.1 HYDRUS-1D模型简介55-58
• 5.1.1 模型的建立55-57
• 5.1.2 模型参数的选择57-58
• 5.2 模拟结果的分析58-62
• 第六章 结论与展望62-64
• 6.1 结论62-63
• 6.2 研究的不足之处及展望63-64
• 参考文献64-69
• 攻读学位期间参加的科研项目及研究成果69-70
• 致谢70-71

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本文编号：721225