基于原状土柱土壤水分传感器率定方法的研究

土壤水分传感器在现场安装后,需要针对现场土壤状况对其进行率定,以便校准率定关系。在工程实践中,土壤水分传感器现场率定是一项步骤繁杂、操作要求高、现场取土难度大、耗时较长的一项工作,严重困扰工程项目的实施。开展基于原状土柱率定土壤水分传感器研究,通过现场采集原状土柱,在实验室浸泡至饱和后取出,让土壤水分自然散失,用称重法定期称量原状土柱重量,同时记录土壤水分传感器原始测量值,以此来研究土壤水分传感器的工程率定问题,探讨提高现场安装的土壤水分传感器率定效率的方法,具有现实意义。     

斥水性土壤水分入渗试验和模型

为研究斥水性土壤水分入渗规律,并探寻适用于斥水性土壤水分入渗的数学模型,以妫水河流域亲水性和斥水性土壤为研究对象,开展室内一维垂直土柱入渗试验;分别采用Kostiakov分段函数、Fourier级数、一阶Gaussian函数以及Gaussian分段函数对斥水性土壤入渗率进行拟合。试验结果表明:亲水性土壤入渗率随时间呈单调减小变化趋势,斥水性土壤入渗一段时间后累积入渗量会出现翘尾现象,入渗率为先增大后减小的单峰曲线。模型图形分析表明: Kostiakov分段函数入渗率在拐点处同时存在一个极大值和极小值,Fourier级数存在多个波峰,一阶Gaussian函数不能反映入渗率在拐点后大于拐点前的试验现象,因而均难以真实反映斥水性水分入渗过程。忽略水分开始快速入渗过程,Gaussian分段函数模型不仅能够反映入渗率在拐点前的单调增以及拐点后的单调减过程,同时也能够体现入渗率在拐点后大于拐点前的试验现象。     

温度对FDR测量土壤体积含水量的影响

为研究温度对FDR测量土壤体积含水量的影响,采用基于FDR技术的两种土壤水分传感器TDR-3和PR2,在环境温度范围为5～60℃条件下,对南京地区的粘性土土样进行了土壤体积含水量测试分析.结果表明:基于FDR技术的土壤水分传感器测量土壤水分时存在明显的温度效应,两种传感器所测的体积含水量与温度之间均呈线性递增关系,TDR-3的温度修正系数范围为0.2%～0.3%(v/v)·℃-1,PR2的温度修正系数范围为0.1%～0.2%(v/v)·℃-1.研究成果对于提高FDR测量结果的可靠性具有重要意义.     

土壤水分测量方法研究综述

本文简述了土壤水分的形态、分类和表示方法，以及土壤含水量的测定方法。重点对介电法测量土壤水分的方法进行了介绍．提出了我国当前介电法土壤水分传感器参数率定中存在并和值得注意的问题。对几类土壤水分测量方法进行了比较与讨论。     

半导体多点式土壤湿度计的研制

在非饱和土壤水运动的实验研究中,为获得非饱和土壤水分运动与土壤水势能的关系,常用张力计(负压计)来测量土壤水势能与土壤含水量的变化。近年来日本已采用一个压力传感器与一个陶土管相接,来测试土壤含水量,已获得良好效果。美国用一个传感器与扫描阀     

土壤水分与干旱遥感研究的进展与趋势

对土壤水分和干旱遥感监测的国内外发展情况进行了回顾,依据土壤水分和干旱遥感监测的原理,围绕着可见光与近红外、热红外、微波光谱波段的使用,分别以土壤和植被为观测对象,对国内外土壤水分与干旱遥感现状与发展趋势进行讨论。重点对微波遥感土壤湿度的算法发展和研究趋势进行了较详细的论述。在总结国内外土壤水分遥感监测研究实验中所用过的方法与原理的基础上,对目前遥感监测土壤水分研究领域的重点、难点和未来的发展方向进行了评述。土壤水分遥感监测是一个复杂的间接过程,波段及变量选择、传感器的性能等因素对土壤水分监测是至关重要的,土壤的各种理化性状、地形的分异作用以及气候变化和人为的土壤管理措施对土壤水分均有不同的影响,地表特征与土壤水分也存在着一定的相关性。改进的热惯量法和作物缺水指数法是当前土壤水分遥感监测中较为成熟的方法。GIS技术的广泛应用、土壤水分遥感监测模型的优化。微波遥感的应用将是该领域的重点研究方向。     

环刀称重法介电类土壤水分传感器公式率定

传感器是墒情自动监测仪器设备重要组成部分,是决定墒情监测数据精度的核心器件,科学合理进行传感器精度校准(率定)十分重要。从生产实际出发,依据有关技术规范和文献成果,利用被测介质中表观传感器输出电信号随着土壤含水量变化而改变这一原理,系统阐述了环刀称重法进行介电类土壤水分传感器公式率定方法,为进一步规范实验室土壤水分传感器率定流程和技术要求提供借鉴和参考,为研究土壤物理特性、墒情实验和墒情监测与评价等提供技术支撑。     

中子仪的标定及其在小流域土壤水分监测中的应用

中子仪是目前广泛用于土壤水分动态监测的重要仪器。中子水分仪的优点是方便、快速、不扰动土壤,可在同一地点进行多次测量,测量水分的范围宽,不受滞后影响,还可与自动记录系统和计算机连接,但率定工作曲线确定具有一定的难度,深度分辩不够准确,对表层土壤水分的测定精度低以及具有一定的辐射危害性等。通过在神木六道沟小流域的研究,表明中子仪经过不同质地的土壤标定后,完全可以用于具有不同土壤质地的小流域土壤水分的动态监测。本文在介绍中子仪野外表达常用方法的基础上,在小流域三种不同类型土壤上对中子仪进行了标定。研究结果表明,通过分层标定法中子仪可以得到精确的标定并可应用于小流域不同类型土壤水分动态的准确测量。     

喷灌条件下土壤水分空间分布特性研究

分别在火山灰土和砂壤土两种土壤上进行了不同喷灌均匀系数和灌水量的土壤水分空间分布试验。对土壤干容重空间分布规律的研究表明,干容重在空间的随机分布可用正态分布来表示。为了确定喷灌洒水量和土壤含水率的空间结构,分别计算了它们的半方差和自相关函数。结果指出,喷灌洒水量的相关距离为h～6m,该距离随风速呈增大趋势;灌水停止4h后的土壤含水率的相关距离为5～6m,喷灌均匀系数对该距离无明显影响。田间试验还表明,喷灌洒水在土壤中的分布要比其在地表的分布均匀得多,土壤水分空间分布的均匀性主要取决于土壤初始含水率的均匀程度和灌水量。     

基于分形理论研究土壤结构及其水分特征关系

为定量获得土壤结构对其水力性质的指示作用,室内实验选用华北平原子牙河流域原状土样为研究对象,用张力计法和激光粒度分析仪分别测定土壤水分特征曲线和样品粒度分布,基于分形理论计算土壤粒度分布的分形维数,采用实验测定与模型验证相结合的方法对水分特征曲线进行分析.结果表明,土壤颗粒粒度分布在[10 μm,50 μm]区间内的分段分维值是表征土壤粒度累积分布显著上升段特征的关键参数,与0~80 kPa吸力范围内的土壤水分特征曲线幂函数模型拟合参数(a、b)有极显著相关关系.研究区内土壤水分特征曲线以分形形式表达的幂函数模型为:θ=100.78×(3-D)S(D-3)/3,利用土壤结构分形特征能够有效指示其水力性质.      

旱区不同层状结构土壤的水分运移过程与模拟

针对位于干旱-半干旱气候带的我国西北部矿区生态修复过程中重构层状土壤水分运移规律不清等问题,通过设置不同层状结构土壤进行水分运移入渗试验,监测土壤剖面水分变化,采用Hydrus-1D模拟降雨入渗过程,从土壤水分、水势和水通量3个方面揭示层状土壤水分运移特征,并基于优化后的模型进行情景模拟,探究夹层特征对浅层土壤水分运移的影响。研究结果表明,夹层明显改变了土壤水分的分配与运移过程,土壤水势在夹层界面连续分布,而土壤水分在夹层界面发生突变;虽然黄土夹层和风化砂岩夹层都阻滞了土壤水分的下渗,但其阻滞原理不同,前者表现为黏质夹层渗透性能差导致夹层以上土壤水分滞留,后者归因于粗质夹层土壤基质势小造成水分持留在上部黏质土壤中;根据不同夹层属性的情景模拟结果,提出在风积沙40 cm深度处设置20 cm厚的黄土夹层有利于提高夹层以上土壤水分以供植被利用。研究探明了风积沙区充填黄土对土壤水分运动的影响,并为土壤类型以风积沙和黄土为主的我国西北部矿区在生态修复中的土壤重构方式提供了参考依据。     

土的含水率AHFO法测量中分段函数模型建立

主动加热光纤法(Actively Heated Fiber Optic method,简称AHFO)实现了土的含水率大面积连续性测量,但该方法中采用的数学模型还不完善。通过试验测试了AHFO法中采用的几种常用数学模型,在此基础上提出了分段函数模型,并通过试验对分段函数模型的计算结果进行了论证。研究结果表明:指数函数模型获得的土的含水率结果误差较大;幂函数和对数函数模型获得的结果误差较小但整体值偏大;线性模型获得的结果误差最小,但在含水率较小时,测值偏小;分段函数模型对土的整个含水率变化范围内的含水率测定都具有很高的精度,绝对误差平均值达到了1.16%,可以满足土的含水率测试要求。分段函数模型的提出,对提高土的含水率AHFO法测定精度和促进方法的推广具有重要意义。     

土壤水分监测仪器野外对比测试分析研究

近年来,随着抗旱工作的全面深入开展,土壤墒情监测工作日益得到重视。鉴于目前我国土壤墒情自动监测工作起步较晚,部分省(自治区、直辖市)试点建设的墒情自动监测系统的监测数据准确性、稳定性不高等问题,水利部水文局组织对目前在国内应用的国内外主要土壤水分传感器开展了两期土壤水分监测仪器野外对比测试分析研究。根据两期比测研究成果,结合近年来土壤墒情监测工作经验,提出了比测技术方法、评估技术指标,初步分析了不同产品性能,并进一步探讨提出了提高土壤水分监测仪器产品质量和土壤墒情监测数据可靠性的建议。     

漓江流域表层土壤水分物理性质空间异质性

为了解漓江流域土壤水分空间变化特征及其影响因素,基于2'经纬网格,采用地统计学方法对该流域表层（0~10 cm）土壤水分物理性质的空间变异进行分析。结果表明:从空间结构比上,漓江流域表层土壤含水量、容重、最大和最小持水量均具有高度的空间自相关性（各指标空间结构比均大于0.87）,且其空间分布趋势基本一致,由流域上游向中下游逐渐变化。土地利用对流域表层土壤水分物理性质及其空间变异具有显著影响。受时间尺度和土地利用类型等因素的影响,漓江流域表层土壤含水量相比其他土壤水分物理性质,其空间异质性由随机引起的空间变异增加,空间自相关减小,为0.87;而土壤容重最大,为0.92。相关结果对于漓江流域土壤水分动态模拟与预测研究具有一定参考价值。     

称重式蒸渗仪潜水蒸发量的计算

自然环境下的土壤水分入渗、蒸发是相反的过程,入渗是土壤水分经包气带土壤调蓄,垂直下渗补给潜水的运动,蒸发是土壤水分经包气带毛细管及土壤根系层的作用,向土壤表面的运动。本文利用自动称重式蒸渗仪—模拟野外大田生态水文实验环境的大型实验装置,通过设定地下水埋深1.5 m,及垂向剖面上安装的土水势、土壤水分、土壤温度传感器监测资料,气象观测资料,分析土壤水蒸发机理,依据土壤蒸发的确定可采用水量平衡原理,求得实验时段裸面条件下潜水蒸发量计算成果,为平原区浅层水资源计算,精准灌溉试验的研究提供服务。     

胡杨根系分布特征与根系吸水模型建立

依据2006年和2007年6~7月在极端干旱区额济纳的实测资料,利用分形和概率统计的方法对胡杨根系分布与根区土壤水分的关系进行了分析研究。引入土壤含水率期望(cm·g/g)的概念,建立了含水率期望值与根系分维值之间的函数关系,并求出了适宜胡杨生长的土壤含水率期望值的范围。同时建立了初版的根系吸水模型,并进行验证,得到较好的结果。     

典型岩溶山坡土壤剖面水分对降雨响应过程研究

为揭示岩溶石山山坡降雨入渗补给机制,选取典型岩溶石山山坡土壤剖面为研究对象,于2015年7-10月期间对不同深度土壤水分进行高分辨率连续监测,研究典型场雨条件下土壤剖面水分对降雨的响应过程,分析土壤剖面水分的动态变化规律及其可能影响因素。研究结果表明:土壤剖面水分对降雨的响应受前期土壤含水量、降雨量、降雨强度的影响,还与土壤所处的地形地貌有关;表层土壤水分对首次次降雨响应的滞后时间与前期土壤含水量有关,响应时间在0.5~4.75 h之间,旱季响应时间比雨季长;降雨阈值是引起土壤水分降雨响应的重要条件,旱季6 mm降雨量是土壤水分响应的降雨阈值。当降雨量补充土壤水分亏缺后,土壤剖面水分对降雨响应迅速,响应时间最小为0.25 h,不同深度土壤水分对降雨的响应时间一致,说明下层土壤水分可能受到优先流或侧向径流补给影响。土壤含水量的变化幅度随土层深度的增加而减小,不同深度土壤水分变化主要受土壤-大气界面、土壤-植被、土壤-基岩界面控制下的气候条件、植被蒸散发和介质渗透性差异影响。      

利用探地雷达观测分析早春融雪前后沙丘表层土壤含水量的时空分布

积雪融水是古尔班通古特沙漠春季植物发育的重要水源, 快速获取早春沙丘的土壤水分变化具有十分重要的生态学意义. 2010年3、 4月分别使用探地雷达进行了多次测量实验, 结果显示: 1)融雪初期, 沙丘顶部土壤的自由水含量最大, 阳坡次之, 且融雪水在重力作用下沿坡面侧向缓慢流动, 在坡底汇集, 主导了融雪初期乃至整个春季沙丘表层土壤水分的分布格局; 2)融雪后期, 由于阴坡积雪和冻土消融相对滞后, 表层土壤含水量略高于阳坡, 而沙丘顶部由于融雪最早且融雪期间水分转移最多而表面最为干燥; 3)通过与时域反射仪的同步测量结果对比, 探地雷达的测量精度被有效控制在0.03范围内, 且探地雷达提供的连续数据更有利于从细节上把握土壤含水量的变化趋势, 为中小尺度土壤水分的动态研究提供了一种科学、 有效的技术手段.     

土壤水分对土壤参数的敏感性及其参数优化方法研究

利用2008年1月1日至2009年9月31日黑河流域阿柔冻融观测站的气象和土壤水分数据,采用基于方差的多参数敏感性分析方法研究通用陆面模型(Common Land Model,CoLM)模拟的土壤水分对土壤质地(砂土和黏土)的敏感性,进而采用SCE-UA参数优化算法分别优化土壤质地和土壤水力参数,分析不同优化策略对土壤水分模拟结果的影响。研究结果表明,浅层土壤水分对土壤质地较为敏感,敏感性系数达到了0.45以上,并且砂土含量对土壤水分的影响更为显著;利用SCE-UA算法优化土壤质地或土壤水力参数都可以有效地提高土壤水分的模拟精度,优化土壤水力参数易产生"异参同效"现象,而优化土壤质地能够使土壤水力参数的取值范围更加合理。     

沟灌土壤水分运动数值模拟与入渗模型

为进一步探明沟灌二维土壤水分运动规律,以非饱和土壤水分运动理论为基础,建立了沟灌土壤水分运动数学模型,用多组试验资料对模型模拟结果进行验证,两者基本吻合,表明模型可用于模拟沟灌二维土壤水分入渗过程.用所建模型对不同因素组合下沟灌土壤湿润体特性进行模拟分析,结果表明:土壤初始含水率、沟间距对沟灌累积入渗量影响较小,土壤质地、容重、沟底宽和沟中水深对其影响较为显著;沟底宽、土壤初始含水率对土壤湿润体水分分布影响较小,土壤质地、容重对其影响较大,沟间距、沟中水深对其影响主要在零通量面附近,当入渗发生交汇后,零通量面处垂向湿润锋运移加快.以此为基础,建立了包含湿周在内的沟灌累积入渗量计算模型.