一种探测煤矸石充填复垦地土壤含水率的方法

摘要

本发明涉及土地复垦与生态修复技术领域，具体的是一种探测煤矸石充填复垦地土壤含水率的方法，具体包括以下步骤：一、利用探地雷达和网络并行电法仪对煤矸石复垦地进行探测；二、对获取的雷达数据和电法数据进行预处理；三、对两种图像数据进行对比分析，确定土壤‑煤矸石界面及深度；四、对TDR探测的不同深度土壤含水率取平均值，作为该深度下的含水率并与介电常数进行拟合模型公式；五、利用该模型公式结合雷达图像计算含水率，并再ArcGIS软件进行插值得到复垦地含水率分布图。本发明具有连续、快速、高效等优点，结合网络并行电法，一定深度范围内二者的界面曲线基本一致，使确定的土壤‑煤矸石界面更加准确，具有说服力，结果更加可靠。

说明书

技术领域

本发明涉及土地复垦与生态修复技术领域，具体的是一种探测煤矸石充填复垦地土壤含水率的方法。

背景技术

土壤的含水率是评价土壤质量的一项重要指标，较传统的烘干法、电容器传感法以及张力法等方法而言，探地雷达是一种新型的探测土壤含水率的方法，能够连续、快速、高效的探测出土壤的含水率。利用反射波法来探测土壤的含水率，需要确定一个电异性有明显差异的界面，通过探地雷达结合网络并行电法技术进行对比分析、相互验证，能够有效的确定分界面。

探地雷达的硬件系统主要由主机、发射天线、接收天线和PC端组成，通过主机产生一定范围内(1MHz～2GHz)的高频电磁波，由发射天线向介质层发射，在地下传播的过程中遇到具有不同电性的目标体或者界面时会发生发射、折射和透射等，并由接收天线对回波进行接收。目前，利用探地雷达探测土壤含水量常用的方法有反射波法、地面波法、地表反射系数法和钻孔雷达法四种。

网络并行电法主要探测系统包括测量主机、电缆系统、电极阵列和PC端，是一种全电场观测技术，其最大的优势在于任何一个电极供电，其余的电极均可同时进行电位测量。主要有AM和ABM两种采集方式，AM法采集：如测线上布设了n个电极，则任一单电极(A极)供电时，其余n-1个电极(M极)同时采集电位，一次采集的数据可进行所有点场源的电阻率反演，包括二极、三极等装置。而ABM法是基于异性点场源，由任2个电极组成偶极供电(AB极)，其余n-2个电极(M极)同时采集电位数据，一次采集的数据可进行所有双点电场源电阻率反演，包括偶极、对称四极、微分装置。

发明内容

为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的是提供一种探测煤矸石充填复垦地土壤含水率的方法，以解决传统的烘干法、TDR法等耗费大量的人力物力、大量破坏土壤结构、效率低，无法获取中尺度范围内土壤含水率的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种探测煤矸石充填复垦地土壤含水率的方法，具体包括以下步骤：

一、利用探地雷达和网络并行电法仪对煤矸石复垦地进行探测；

二、对获取的雷达数据和电法数据进行预处理；

三、对两种图像数据进行对比分析，确定土壤-煤矸石界面及深度；

四、对TDR探测的不同深度土壤含水率取平均值，作为该深度下的含水率并与介电常数进行拟合模型公式；

五、利用该模型公式结合雷达图像计算含水率，并再ArcGIS软件进行插值得到复垦地含水率分布图。

进一步地，所述步骤一具体包括：对地面进行平整后在复垦地南北方向上布设一条12m的测线，采用中心频率为500MHz的探地雷达和网络并行电法仪对煤矸石复垦地进行探测，获取雷达数据和电法数据。

进一步地，所述步骤二具体包括：对获取的探地雷达数据进行预处理：包括去零点漂移、静校正、AGC能量增益、带通滤波、去除背景和反褶积处理；对获取的电法数据进行去除异常点、白化处理，得到探地雷达图像和土壤断面的电阻率图像。

进一步地，所述步骤二中的预处理通过对获取的探地雷达数据导入Refelxw软件中并在Processing模块下预处理。

进一步地，所述步骤三具体包括：查阅复垦地施工工程的相关资料中关于覆土厚度的原始记录，并通过现场挖土壤剖面，测量出土壤-煤矸石界面的深度，再根据探地雷达图像和土壤断面电阻率图像进行对比分析，相互验证，对比二者的界面分界线的形状和基本走向趋势，确定土壤-煤矸石界面及其深度范围。

进一步地，所述步骤四具体包括：利用TDR在土壤剖面上每间隔2cm探测一次土壤含水率，取每个深度的平均值作为该深度的含水率，将含水率与介电常数进行拟合得到新的土壤含水率模型。

进一步地，所述步骤五具体包括：利用拟合的模型公式结合从探地雷达图像上提取出的双程走时计算出含水率，通过ArcGIS软件的插值方法来反演复垦地含水率分布图。

本发明的有益效果：

本发明较传统方法而言，具有连续、快速、高效等优点；较单方面使用探地雷达而言，难以确定土壤-煤矸石界面，且不具有说服力；结合网络并行电法，一定深度范围内二者的界面曲线基本一致，使确定的土壤-煤矸石界面更加准确，具有说服力，结果更加可靠。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明探测方法流程示意图；

图2是本发明探地雷达探测土壤剖面图；

图3是本发明电法仪探测土壤电阻率断面图；

图4是本发明复垦地浅地表含水率分布图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是确定一种在中大尺度范围内能够快速、无损、连续、便捷地探测出土壤含水率的方法，因此本发明提出的一种探测煤矸石充填复垦地土壤含水率的方法，下面将结合具体实例和附图对本发明做进一步详细说明。

一、利用探地雷达和网络并行电法仪对煤矸石复垦地进行探测，所述步骤具体包括：

由于复垦地地面不平整，为了探地雷达能与地面充分耦合，对地面进行平整。接下来在复垦地南北方向上布设一条12m的测线，采用中心频率为500MHz的探地雷达和网络并行电法仪由北向南对煤矸石复垦地进行探测，获取雷达数据和电法数据。设置探地雷达时窗为35ns，采样点数为274；由北向南方向布设电极并且每间隔25cm处布设一电极，共布设49根电极。

二、对获取的雷达数据和电法数据进行预处理，所述步骤具体包括：对获取的探地雷达数据导入Refelxw软件中并在Processing模块下进行预处理，包括去零点漂移、静校正、AGC能量增益、带通滤波、去除背景和反褶积处理，处理后图像如图2所示；对获取的电法数据导入WBD3.0网络并行电法数据处理软件进行去除异常点、白化处理，得到探地雷达图像和土壤断面的电阻率图像，如图3所示。

三、对两种图像数据进行对比分析，确定土壤-煤矸石界面及深度，所述步骤具体包括：查阅复垦地施工工程的相关资料中关于覆土厚度的原始记录，并通过现场挖土壤剖面，测量出土壤-煤矸石界面的深度，再根据探地雷达图像和土壤断面电阻率图像进行对比分析，相互验证，对比二者的界面分界线的形状和基本走向趋势，确定土壤-煤矸石界面及其深度范围。

四、对TDR探测的不同深度土壤含水率取平均值，作为该深度下的含水率并与介电常数进行拟合模型公式，具体包括：利用TDR在土壤剖面上10～40cm深度范围内每间隔2cm探测一次土壤含水率，取每个深度的平均值作为该深度下的土壤含水率，如探测第n个数据时，取n次探测数据的平均值作为第n个数据的值；根据反射波法原理和速度与介电常数之间的模型公式，计算不同深度下的土壤介电常数，将含水率与介电常数进行拟合得到新的土壤含水率模型；

表1：TDR探测10～40cm土壤含水率

五、利用该模型公式结合雷达图像计算含水率，并再ArcGIS软件进行插值得到复垦地含水率分布图，具体包括：在雷达图像上提取不同深度下的双程走时，根据几何关系求出传播速度，再根据传播速度和介电常数之间的关系计算出介电常数，利用拟合出的模型公式来计算土壤的含水率，最后通过ArcGIS软件中插值分析模块里的克里金插值方法来反演复垦地含水率分布图，如图4所示。

综上，本发明具有连续、快速、高效等优点；较单方面使用探地雷达而言，难以确定土壤-煤矸石界面，且不具有说服力；结合网络并行电法，一定深度范围内二者的界面曲线基本一致，使确定的土壤-煤矸石界面更加准确，具有说服力，结果更加可靠。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。