土壤水的监测技术方法与运移规律研究

摘要

土壤水作为水文生态系统中的重要因子，是保持良好水文生态系统的重要条件之一，对土壤水分进行动态监测十分必要。当代先进的土壤水分传感器技术为土壤水的监测提供了便利的方法，但研发者与使用者的在技术和应用上的脱节致使当代监测技术不能很好的得到应用，土壤水分的监测仍以人工监测为主，耗时费力。同时，当代土壤水分监测技术为科研人员从事土壤水分研究提供了更有力的手段，基于自动化技术，进一步揭示土壤水分的运动规律对水资源的合理利用具有重要的意义。
　　本文分析了土壤水分监测技术原理、特点、安装方法及在应用中存在的问题，研究了土壤水分监测技术在泾惠渠灌区土壤的适用性，建立并评价了基于无线传输网络的土壤水分自动监测系统，剖析了裸地土壤水分的动态变化特征，完成了土壤水、汽、热耦合模型的构建和计算，总结了土壤水分的运移模式，主要取得以下研究成果：
　　(1)探讨了TDR、TDT、FD、SWR法测量土壤水分的原理，总结了不同土壤水分传感器的特点，具体为TDR、TDT传感器精度较高，成本较高，FD、SWR传感器精度较低，成本低，通过现场标定，与TDR传感器精度相当。
　　(2)分析了传感器的结构及测量土体的空间尺度，总结了传感器的三种安装方法，即垂直剖面法、阶梯法、单点法，并对其应用中存在的问题及解决方法进行了探究。
　　(3)研究了TDR、FD、SWR土壤水分传感器在泾惠渠灌区土壤的适用性，结果表明，三种土壤水分传感器的稳定性和灵敏度较好，准确性较高，能够适用灌区土壤的测量，并采用一元方差分析法对其测量土壤水分的显著性进行了分析，分析结果显示，三种原理传感器对泾惠渠灌区土壤水分的测量无显著差异。
　　(4)设计了基于无线网络的土壤水分自动监测系统的总体结构，完成了无作物种植区八层土壤水分自动监测系统硬件的安装，构思了监测软件的架构，完成了数据库的建立和监测软件的开发工作，并对所建立的监测系统性能进行了评价。
　　(5)分析了地面以下0~500cm土壤水分的日变化及年内变化特征。日分析结果显示：无人为干扰的情况下，唯有在降雨条件下，土壤水分才会发生较大的日变化，并随着土层深度的增加，日变化幅度减小且存在一定的滞后性。年内分析结果显示，土壤垂直剖面可分为活跃层(0~20cm)、次活跃层(20~50cm)、过渡层(50~200cm)、相对稳定层(200~500cm)。其中，活跃层、次活跃层土壤水分在12月~3月中旬处于相对稳定期、3月下旬~5月中旬处于缓慢下降期、5月下旬~9月中旬处于增失交替期、9月下旬~11月末处于持续下降期。过渡层土壤水分在12月~3月末先减小后增大，4月初~8月中旬有一定的波动，8月下旬~11月末缓慢下降。相对稳定层土壤水分年内表现出振幅较小的正弦曲线趋势的变化特征。
　　(6)建立了土壤水、汽、热耦合模型，采用试验与理论计算相结合的方法，确定了土壤水热参数，利用hydrus-1D软件对模型进行求解，计算结果与实测值基本吻合，所建立的模型能够反映野外试验的实际情况。
　　(7)计算了水势和温度梯度下的土壤水分通量，分析了降雨前后土壤水分通量的变化特征，研究出降雨前后土壤水分日运移模式，同时，分析了各层土壤水分通量的年内变化特征，研究出土壤水分的年内运移模式。

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第一章 综述

1.1研究背景

1.2研究意义

1.3土壤水监测方法的研究进展

1.4土壤水运移规律研究进展

1.5研究内容及技术路线

1.6论文创新点

第二章 土壤水分监测技术理论与方法

2.1 介电法的理论基础

2.2土壤水分传感器的原理

2.3土壤水分传感器的特点

2.4土壤水分传感器测量尺度分析

2.5土壤水分传感器安装方法

2.6存在问题及解决方法探究

2.7小结

第三章 土壤水分监测技术的应用

3.1研究区概况

3.2土壤水分监测技术的的适用性研究

3.3基于无线网络的土壤水分自动监测系统的构建

3.4土壤水分自动监测系统性能评价

3.5小结

第四章 土壤水分动态变化特征

4.1试验场地及仪器设备

4.2土壤物理性质

4.3气象要素分析

4.4地下水动态分析

4.5土壤温度动态特征分析

4.6土壤水分动态变化

4.7小结

第五章 土壤水分运动的数值模拟

5.1模型的概化

5.2模型的建立

5.3模型参数

5.4模型求解及结果分析

5.5小结

第六章 土壤水分运移模式研究

6.1土壤水分通量的计算

6.2土壤水分通量的日动态分析

6.3土壤水分通量的年内动态分析

6.4小结

第七章 结论及展望

7.1结论

7.2展望

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢