一种原位监测土壤水入渗量和湿润锋推进的方法技术

本发明专利技术公开了一种原位监测土壤水入渗量和湿润锋推进的方法，将TDR探针垂直插入土壤；利用时域反射仪高频测量入渗前和入渗过程中的TDR反射信号；在TDR反射信号波形中提取探针首部、尾部和湿润锋对应的表观位置信息，进而计算TDR探针和湿润区的表观长度；利用电磁波传输理论计算总入渗水量和湿润锋位置。本发明专利技术操作简单，只需将探针插入入渗区域即可实现入渗过程的监测；方式灵活，无需准备特别的入渗装置，适于任意形式的田间入渗条件；集成度高，无需其他测量，一根探针即可同时实现累积入渗量和湿润锋推进的高频监测；适用性强，可用于不同质地土壤。本发明专利技术为土壤水文特性调查，多尺度土壤水文过程研究提供强有力的工具。壤水文过程研究提供强有力的工具。壤水文过程研究提供强有力的工具。

【技术实现步骤摘要】
一种原位监测土壤水入渗量和湿润锋推进的方法


[0001]本专利技术涉及到一种原位监测土壤水入渗量和湿润锋推进的方法，属于农田水利和土壤水文测量


技术介绍

[0002]入渗是最基本的土壤水文循环环节之一，不仅决定着一次降水过程中，多少水会形成径流进入江河湖泊，多少水会形成净雨进入土壤，而且决定着一次灌溉时，多少水会进入土壤湿润根区，多少水会流出根区形成渗漏。对于入渗过程中入渗量和湿润锋的测量有助于确定土壤入渗能力，以及湿润锋到达整个根区的临界时间，为农田灌溉系统的设计提供合理的参数，也可以为农田灌溉管理提供即时的参考数据。此外，完整而准确的田间入渗过程观测数据可用于预测田间多尺度的土壤水力特性(Ma et al.,2017)，为土壤水文过程的准确模拟提供参数，为多尺度土壤水文过程研究提供有效工具。
[0003]目前，野外条件的土壤入渗过程观测主要有两种类型：一种是采用专用的入渗试验装置，如圆盘入渗仪、单/双环入渗仪、圭夫仪等，在降水与灌溉前单独开展入渗试验，通过入渗装置供水管水位的变化观测获取土壤累积入渗量，但这类方法无法获取湿润锋推进过程。一种是通过预埋的土壤剖面水分观测管，或者土壤水分传感器，利用中子仪或剖面式水分仪器观测自然降水或灌溉过程，及灌溉前后的土壤水分变化获知累积入渗量及粗略的湿润锋位置，其手动模式的观测频率低，难以满足土壤水力特性预测的需求，自动模式成本太高，且前期安装复杂，不宜多点应用。
[0004]最近引入的地球物理观测方法，如高密度电法仪，探地雷达等可在更大的尺度上通过无损观测入渗引起的土壤剖面上电阻率和介电常数的二维、甚至三维变化获取土壤累积入渗量和湿润锋推进，监测尺度大，代表性强。但其监测精度有限，价格昂贵，且技术应用要求高，应用受限。其他单独测定湿润锋位置的方法包括电导方法(Rohit et al.,2000)、温度方法和贯穿度方法(Wells et al.,2007)等，但其无法同时测量累积入渗量。时域反射仪(TDR)是当前最为可靠的自动测量土壤含水量的方法之一，事实上人们很早就发现TDR可以监测沿探针方向的非均质性变化信息，这一特性使其有应用于土壤入渗过程监测的很大潜力，然而目前的方法需要波形拟合，操作过于复杂，且其在不同土壤中应用的效果未知，更没有在野外工作中应用的记录。总体而言，目前仍缺乏一种简便可靠，经济高效，可同时测定田间土壤入渗过程中累积入渗量和湿润锋推进，以及原位多点同时观测的方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是克服现有技术的不足，提供一种原位监测土壤水入渗量和湿润锋推进的方法。
[0006]本专利技术采用的技术方案为：一种原位监测土壤水入渗量和湿润锋推进的方法，其步骤包括：
[0007](1)在入渗前，将长度为L的TDR探针基本垂直的插入待测土壤；
[0008](2)进行入渗实验，水入渗开始前即用时域反射仪以一定频率测量收集TDR探针反射信号，持续收集到湿润锋超过探针长度，探针监测土层达到饱和状态；
[0009](3)入渗前和入渗结束时TDR所测区间没有湿润锋，从TDR反射信号波形中提取入渗前探针首部和尾部的表观位置，进而获取初始TDR探针监测土层的表观长度L
ad
，以及入渗结束时探针首部和尾部的表观位置，进而获取饱和时TDR探针监测土层的表观长度L
as
，利用电磁波传输理论计算监测土层初始平均介电常数K
ad
＝(L
ad
/L)2和饱和时的平均介电常数K
as
＝(L
as
/L)2，然后利用土壤含水量与介电常数之间的关系将K
ad
和K
as
转换为土壤初始含水量θ
i
和饱和含水量θ
s
；
[0010](4)在入渗开始后，湿润锋在TDR所测区间，从湿润锋到达探针尾部前的TDR反射信号波形中提取探针首部、湿润锋和探针尾部对应的表观位置Z
h
、Z
w
和Z
e
，分别计算TDR探针监测土层的表观长度L
a
，和湿润区的表观长度L
aw
，再计算得到整个监测土层的平均介电常数K
a
＝(L
a
/L)2，和湿润区的平均介电常数
[0011]K
w
＝(L
aw
/L)2；
[0012](5)利用土壤含水量与介电常数之间的关系将TDR探针监测土层的表观长度L
a
转换为实时平均含水量θ，进而计算出土壤累积入渗水量I＝L*(θ
‑
θ
i
)；
[0013](6)利用电磁波传输理论和土壤水分运动理论计算湿润区实际长度L
w
。
[0014]优选的，步骤(4)中的湿润锋和探针尾部在TDR波形中的表观位置采用二阶导数法提取，具体如下：对波形数据分别求一阶和二阶导数，在一阶导数最大值出现位置之后，确定波形数据一阶导数的第一个零点即为TDR探针首部对应的表观位置Z
h
；二阶导数在Z
h
之后出现的第二个和第三个局部最大值出现的位置分别是湿润锋对应的表观位置Z
w
和TDR探针尾部对应的表观位置Z
e
，监测土层的表观长度L
a
为探针首部和尾部表观位置之间的距离Z
e
‑
Z
h
，湿润锋的表观长度L
aw
为探针首部和湿润锋表观位置之间的距离Z
w
‑
Z
h
。
[0015]优选的，所述步骤(6)中湿润区实际长度的计算公式为：L
w
＝L*(L
ad
‑
L
a
+L
aw
)/L
ad
。
[0016]优选的，时域反射仪测量收集TDR探针反射信号的频率为10s
‑
2min。
[0017]本专利技术可以采用单探针模式，也可以采用多探针模式，同时对多个点位进行测量。其中步骤(4)
‑
(6)是从一个TDR波形中同时解译出累积入渗量和湿润锋位置信息，而非各自独立测量。
[0018]本专利技术基于电磁波传输理论，TDR导电波在异质性介质中传播，电介质的介电性质及介电性质的空间异质性都会在发射波中造成信号的变化。由于水有远大于土壤固相的介电常数(水：80；固相：2～3)，在土壤水分入渗过程中，水分进入土壤，造成土壤各层的含水量增加，进而导致土壤介电常数变化是TDR信号反射波波形变化的主要原因，因此通过信号的变化可以获取土壤含水量和干湿分区位置的变化。本专利技术解决了入渗过程中异质性介质TDR反射波形的解析问题，操作简单，灵活度高，方便田间多点布设，可以实现累积入渗量和湿润锋推进的同时测量，是一种高效实用，准确度高的土壤入本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种原位监测土壤水入渗量和湿润锋推进的方法，其特征在于其步骤包括：(1)在水入渗前，将长度为L的TDR探针垂直的完全插入待测土壤，直到探针首部与土壤齐平；(2)水入渗开始前即用时域反射仪以一定频率测量收集TDR探针反射信号，持续收集到湿润锋超过探针长度，探针监测土层达到饱和状态；(3)入渗前和入渗结束时TDR所测区间没有湿润锋，从TDR反射信号波形中提取入渗前探针首部和尾部的表观位置，进而获取初始TDR探针监测土层的表观长度L
ad
，以及入渗结束时探针首部和尾部的表观位置，进而获取饱和时TDR探针监测土层的表观长度L
as
，利用电磁波传输理论计算监测土层初始平均介电常数K
ad
＝(L
ad
/L)2和饱和时的平均介电常数K
as
＝(L
as
/L)2，然后利用土壤含水量与介电常数之间的关系将K
ad
和K
as
转换为土壤初始含水量θ
i
和饱和含水量θ
s
；(4)在入渗开始后，湿润锋在TDR所测区间，每个时刻从湿润锋到达探针尾部前的TDR反射信号波形中提取探针首部、湿润锋和探针尾部对应的表观位置Z
h
、Z
w
和Z
e
，分别计算TDR探针监测土层的表观长度L
a
，和湿润区的表观长度L
aw
，再计算得到整个监测土层的平均介电常数K
a
＝(L
a
/L)2，和湿润区的平均介电常数K
w
＝(L
aw
/L)2；(5)利用土壤含水量与介电常数之间的关系将T...

【专利技术属性】
技术研发人员：马东豪，张佳宝，
申请(专利权)人：中国科学院南京土壤研究所，
类型：发明
国别省市：