基于GPR的复垦土壤压实探测模型研究

摘要

我国人地矛盾突出，采矿引起环境质量下降和土地的大量破坏，土地复垦任务十分紧迫而艰巨。我国实行“占一补一”的占用耕地补偿制度保护耕地，实现耕地总量占补平衡，这种补偿行为是通过土地开发、土地复垦或土地整理增加耕地实现的。土地复垦工程需要大量的机械设备来完成，机械作业造成了土壤压实，水分和营养物质的储存和供应将被减少，从而使土壤硬度增加，土壤肥力降低，减少营养循环，降低土壤中微生物的活性，最终阻碍作物根系的生长，甚至造成土壤结构退化。
　　 传统的土壤紧实度测定方法对土地的破坏比较严重，费时费力，且多需要熟练的人工。探地雷达(GPR)是一种近年来发展迅速的无损探测手段，在土壤侵蚀动态过程和土壤水分含量测定等领域得到了有效应用，本文旨在研究探地雷达在土壤紧实性测定过程中的应用效果。论文针对矿区复垦后的土壤压实状况，在土壤不饱和水分条件下，利用250MHz高频探地雷达进行探测，对压实土壤的分布特性进行数据分析。选择土壤容重和土壤穿透阻力作为反映土壤紧实性的关键指标，选取了体积含水量、有机质含量、可溶性盐分含量等相关因子与电磁波传播速度和振幅的相关关系，对不同复垦区域和土壤类型的压实程度和特点、演变规律进行研究分析。主要结论有:
　　 (1)利用探地雷达电磁波信号测定土壤容重时，选取了媒质的含水量、有机质含量、含盐量三个相关影响因子，建立了电磁波速度、介电常数与土壤容重、体积含水量、有机质含量、可溶性盐分含量之间的回归方程，并通过传统方法得到的土壤容重数据进行检验，反演土壤容重。分析证明:探地雷达探测土壤容重的准确度可达到70％以上。在土壤非饱和水分情况下，探地雷达电磁波的传播速度与土壤容重存在明显的正相关关系，偏相关系数达到0.933。体积含水量与电磁波波速呈负相关关系，试验模型设计的各个地块土壤中体积含水量值是一致的，排除了水分对电磁波的干扰。
　　 (2)通过分析土壤穿透阻力与电磁波振幅变化关系，发现二者呈明显负相关关系，相关系数为-0.719。选择了土壤体积含水量、有机质含量、可溶性盐分含量等三个因子和土壤穿透阻力共同作用下对电磁波振幅的影响情况，结果表明，电磁波平均振幅与土壤穿透阻力呈明显负相关，偏相关系数为-0.818。
　　 (3)复垦过程中的机械压实主要影响复垦后的新土层，离地表20cm的表层土壤受到的影响最大，对离地表40cm（主要根系活动层）以下的土壤紧实度的影响可以忽略不计。利用探地雷达电磁波的传播速度反演土壤容重，通过电磁波振幅变化反演土壤穿透阻力变化情况，说明在大规模复垦工程中应用探地雷达进行土壤紧实度探测方便快捷，是行之有效的探测方法。
　　 (4)针对不同的复垦年限的典型区域土壤紧实度分析发现，与未扰动的土壤相比，复垦后1年的土壤紧实度最大，复垦区土壤板结、皲裂情况严重，不宣耕作。复垦后10年的土壤紧实度与未扰动的土壤紧实度相比变异不大，这说明，田间耕作可以缓解和改善土壤压实情况，但是这个过程较长。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 研究背景

1．2 国内外研究状况

1．2．1 土壤压实的研究现状

1．2．2 土壤紧实度测量方法

1．2．3 GPR无损探测的研究现状

1．3 土壤的紧实度研究意义及研究目标

1．3．1 土壤的紧实度研究意义

1．3．2 土壤紧实度的研究目标

1．4 研究内容和技术路线

1．4．1 研究内容

1．4．2 技术路线

1．5 本章小结

2 研究区概况及试验设计

2．1 模拟试验区概况和采样布置

2．1．1 模拟试验区概况

2．1．2 试验场地内人工土槽采样布置

2．2 典型复垦区选择和采样布置

2．2．1 典型复垦区选择

2．2．2 典型土地复垦区采样布置

2．3 试验设备

2．3．1 探地雷达的选择

2．3．2 测量参数的选择

2．3．3 土壤紧实度仪的选择

2．3．3 其他设备选择

2．4 本章小结

3 探地雷达的工作原理

3．1 概述

3．1．1 探地雷达的基本概念

3．1．2 探地雷达的测量方式

3．2 电磁波在土壤中的传播特点

3．2．1 土壤电性特征

3．2．2 电磁波在土壤中的传播

3．3 电磁波在分层土壤中的传播

3．3．1 电磁波在介质中的传播理论

3．3．2 电磁波在多层结构中得传播

3．4 本章小结

4 不同复垦情况土壤的GPR图像特征分析

4．1 不同复垦工艺复垦土壤的GPR图像特征分析

4．2 不同施工机械下复垦土壤的GPR特征分析

4．2．1 自卸汽车施工土壤GPR特征分析

4．2．2 履带式推土机土壤GPR特征分析

4．3 不同复垦年限复垦土壤的的GPR特征分析

4．4 本章小结

5 电磁波速度反演土壤容重

5．1 探地雷达数据提取与分析

5．2 土壤容重数据采集

5．3 相关关系分析建立反演模型

5．4 反演模型的检验

5．5 本章小结

6 电磁波振幅模拟土壤紧实度

6．1 土壤紧实度数据提取

6．2 电磁波振幅与土壤紧实度相关关系分析

6．3 电磁波振幅模拟土壤穿透阻力

6．4 反演模型的建立

6．5 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新之处

7．3 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表论文情况