ERT與TDR聯(lián)合反演層狀土壤水分運動過程研究.pdf

1、土壤是由固、液、氣三相組成的獨立自然體，作為一種多孔介質，其構成骨架具有形狀不規(guī)則、排列錯綜復雜、碎散固相顆粒存在等特點，并且顆粒間的孔隙存在著運動狀態(tài)的水和空氣，因此，對土壤各部分的研究比較復雜。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。目前對土壤水分運動的大部分研究都將土壤看作是均勻、各向同性介質，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)層狀結構，這種層狀結構將影響土壤水分和溶質的運移特性。因此探明層狀土壤水分、溶質運移規(guī)律對準確預報污染物在土壤中運移及農田土壤水分、養(yǎng)分遷移具有重要理論和實際意義。
　　為了解水分在層狀結構土壤中的運動過程，本研究在青島即墨移風店鎮(zhèn)的農田里，進行了剖面上的注水入滲試驗。試驗利用DCX-1G多功能高密度電法儀——實時成像系統(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，同時土壤水分含量的變化能夠引起土壤電阻率的變化，可以結合時域反射儀（TDR）測得的土壤體積含水量與實驗室測得的其它相關數(shù)據(jù)，定量化研究垂直二維剖面上的土壤水分運動特征；利用HYDRUS-1D軟件對土壤水分的運動過程進行模擬并與實測值進行比較，以確定用ERT方法在時空尺度上高分辨率監(jiān)測土壤水分運動過程的適用性。這對研究溶質和污染物在土壤中的運移規(guī)律及農田節(jié)水灌溉的進一步優(yōu)化具有重要的意義。本文的研究得出以下

4、幾點結論：
　　（1）根據(jù)注水入滲試驗過程中用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是不同的，故分別對三層土壤的電阻率與含水量進行擬合，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，水分并不是在到達土壤界面處后繼續(xù)向下運動，而是當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系式，推測在兩層土壤交界面處土壤質量含水量達到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，土壤水分的運動以向下的垂向運動為主，并伴隨著微弱的水平流動。
　?。?）基于測定的土壤剖面質量含水量和氯離子含量隨深度的變化情況，得到了土壤水分實際的最大入滲深度。通過對比土壤質量含水量的變化情況，發(fā)現(xiàn)點狀注水試驗時水分入滲達到的

7、最大深度為60 cm，利用ERT推算的入滲最大深度63 cm；線狀注水試驗入滲達到的最大深度為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的過程進行模擬，得到每一時刻土壤含水量的變化，并與ERT方法計算得到的含水量情況進行比較，以進一步驗證ERT方法定量監(jiān)測土壤水分入滲過程的準確性。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