ERT與TDR聯(lián)合反演層狀土壤水分運(yùn)動過程研究.pdf

1、土壤是由固、液、氣三相組成的獨(dú)立自然體，作為一種多孔介質(zhì)，其構(gòu)成骨架具有形狀不規(guī)則、排列錯綜復(fù)雜、碎散固相顆粒存在等特點(diǎn)，并且顆粒間的孔隙存在著運(yùn)動狀態(tài)的水和空氣，因此，對土壤各部分的研究比較復(fù)雜。土壤水是土壤中最活躍的組成部分，在土壤形成過程中起著極其重要的作用，同時在大氣降水、地表水、土壤水和地下水“四水轉(zhuǎn)化”中占據(jù)重要地位，是聯(lián)系地表水和地下水的紐帶。目前對土壤水分運(yùn)動的大部分研究都將土壤看作是均勻、各向同性介質(zhì)，但是由于自然和人

2、為因素的作用，使得田間土壤常常呈現(xiàn)層狀結(jié)構(gòu)，這種層狀結(jié)構(gòu)將影響土壤水分和溶質(zhì)的運(yùn)移特性。因此探明層狀土壤水分、溶質(zhì)運(yùn)移規(guī)律對準(zhǔn)確預(yù)報(bào)污染物在土壤中運(yùn)移及農(nóng)田土壤水分、養(yǎng)分遷移具有重要理論和實(shí)際意義。
　　為了解水分在層狀結(jié)構(gòu)土壤中的運(yùn)動過程，本研究在青島即墨移風(fēng)店鎮(zhèn)的農(nóng)田里，進(jìn)行了剖面上的注水入滲試驗(yàn)。試驗(yàn)利用DCX-1G多功能高密度電法儀——實(shí)時成像系統(tǒng)（ERT），監(jiān)測在注水入滲前、后土壤電阻率隨時間和空間的變化過程；由于電阻率

3、是土壤所具有的一種基本物理性質(zhì)，同時土壤水分含量的變化能夠引起土壤電阻率的變化，可以結(jié)合時域反射儀（TDR）測得的土壤體積含水量與實(shí)驗(yàn)室測得的其它相關(guān)數(shù)據(jù)，定量化研究垂直二維剖面上的土壤水分運(yùn)動特征；利用HYDRUS-1D軟件對土壤水分的運(yùn)動過程進(jìn)行模擬并與實(shí)測值進(jìn)行比較，以確定用ERT方法在時空尺度上高分辨率監(jiān)測土壤水分運(yùn)動過程的適用性。這對研究溶質(zhì)和污染物在土壤中的運(yùn)移規(guī)律及農(nóng)田節(jié)水灌溉的進(jìn)一步優(yōu)化具有重要的意義。本文的研究得出以下

4、幾點(diǎn)結(jié)論：
　?。?）根據(jù)注水入滲試驗(yàn)過程中用ERT監(jiān)測得到的土壤電阻率和TDR測量得到的土壤體積含水量，建立了電阻率與含水量之間的定量關(guān)系式。由于研究區(qū)土壤呈層狀分布，且各土壤層的基本理化性質(zhì)是不同的，故分別對三層土壤的電阻率與含水量進(jìn)行擬合，得到0-30 cm與60-90 cm層土壤電阻率與含水量之間關(guān)系，確定性系數(shù)R2分別為0.66和0.67，能夠滿足精度要求，相關(guān)性較好。而30-60 cm土層由于土壤中粘粒含量較高，擬合得

5、到的確定性系數(shù)R2為0.509，相關(guān)性差一些。
　　（2）通過對比高密度電阻率法反演的幾種不同算法，發(fā)現(xiàn)時滯反演算法比其它算法能夠更好地反映土壤電阻率的空間分布。在注水入滲試驗(yàn)時表層土壤的電阻率迅速降低；隨著入滲時間的延續(xù)，表層土壤水分含量不斷增加，在土壤表層形成了一個薄的飽和層，使土壤表層電阻率的變化減小，逐漸趨于穩(wěn)定。由于粘土層的存在，水分并不是在到達(dá)土壤界面處后繼續(xù)向下運(yùn)動，而是當(dāng)土壤水分含量積累到一定值后，才繼續(xù)向下層入滲

6、，且水分向下運(yùn)動的速度相比于表層土壤要慢一些。利用已建立的土壤水分含量與電阻率關(guān)系式，推測在兩層土壤交界面處土壤質(zhì)量含水量達(dá)到0.183 g/g時水分開始向下層入滲。從水分入滲過程的電阻率變化圖可以看出，土壤水分的運(yùn)動以向下的垂向運(yùn)動為主，并伴隨著微弱的水平流動。
　?。?）基于測定的土壤剖面質(zhì)量含水量和氯離子含量隨深度的變化情況，得到了土壤水分實(shí)際的最大入滲深度。通過對比土壤質(zhì)量含水量的變化情況，發(fā)現(xiàn)點(diǎn)狀注水試驗(yàn)時水分入滲達(dá)到的

7、最大深度為60 cm，利用ERT推算的入滲最大深度63 cm；線狀注水試驗(yàn)入滲達(dá)到的最大深度為90 cm，用ERT推算的入滲最大深度為81 cm，能夠較好反映出水分入滲的最大深度。
　?。?）利用 HYDRUS-1D軟件對注水入滲試驗(yàn)的過程進(jìn)行模擬，得到每一時刻土壤含水量的變化，并與ERT方法計(jì)算得到的含水量情況進(jìn)行比較，以進(jìn)一步驗(yàn)證ERT方法定量監(jiān)測土壤水分入滲過程的準(zhǔn)確性。通過對比發(fā)現(xiàn)，模擬得到的土壤水分含量隨時間和深度的變化