一种煤矸石复垦场土壤含水率检测方法
阅读说明：本技术 一种煤矸石复垦场土壤含水率检测方法 (Method for detecting soil moisture content of coal gangue reclamation farm ) 是由 郭亚超 康向南 雷永超 任予鑫 杨恒 吴宜珊 单成方 杜昭 李晓彤 李响 杨旭 于 2021-09-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种煤矸石复垦场土壤含水率检测方法,涉及土地复垦与生态修复技术领域,旨在提出一种土壤含水率高效、快速检测方法,通过在煤矸石复垦场雷达测线的不同深度覆土中预埋“铝锭”,然后利用探地雷达获取并计算经过“铝锭”时反射的电磁波速,并采用水分传感器法探测“铝锭”所处层位土壤含水率,建立雷达电磁波速与土壤含水率间的关系模型,进而测算出矸石复垦场覆土层不同层位土壤含水率的分布,最后采用插值法得到复垦地含水率空间分布图,实现对复垦场地土壤含水率连续、高效探测,提高测量评估效率,具有较强的适应性和推广性。(The invention discloses a coal gangue reclamation field soil moisture content detection method, relates to the technical field of land reclamation and ecological restoration, and aims to provide a method for efficiently and quickly detecting the moisture content of soil.)
技术领域
本发明涉及土地复垦与生态修复技术领域，具体涉及一种煤矸石复垦场土壤含水率检测方法。
背景技术
煤矸石具有高温、自燃以及养分低的特点。矸石作为复垦基质层时，上覆土层也面临土壤持水能力差、土壤质量恶化、植被存活能力低等问题，对表层覆土土壤含水率进行检测，适时进行覆土层灌溉，是保证复垦效果的关键。土壤含水率作为评价土壤质量的直接因子，传统烘干法、水分传感器法(TimeDomainReflectometry，简称TDR法)等测量方法具有工程量大、必须花费较大的人力、物力、破坏土壤结构、效率低、不适用于大范围检测等特点，探地雷达作为一种新兴的探测技术，根据电磁波在地下不同介质界面以及目标体中传播能力不同，能够连续、快速、高效的进行地下目标探测，但由于土壤属于单一介质，利用探地雷达无法直接探测不同层位土壤含水率。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种煤矸石复垦场土壤含水率检测方法，解决了传统的烘干法、TDR法等耗费大量的人力、物力、效率低，无法获取尺度范围内土壤含水率的问题。
为实现上述技术目的，本发明的煤矸石复垦场土壤含水率检测方法，包括如下步骤：
步骤一：根据设计煤矸石复垦场面积大小，按照“五点法”确定雷达测线位置，同时在煤矸石复垦过程中在每条雷达测线位置根据比例x(x为相邻两个反射介质埋深之比)将反射介质预埋在覆土层中；
步骤二：利用探地雷达对煤矸石复垦地每条雷达测线进行探测；
步骤三：对获取的雷达数据进行预处理与雷达波速计算；
步骤四：利用TDR法探测其中一条雷达测线剖面上不同反射介质埋藏深度土壤含水率，并取平均值作为该深度的含水率，将雷达波速与含水率进行拟合得到土壤含水率反演模型；
步骤五：利用土壤含水率反演模型，结合复垦区其他测线雷达波速，得到复垦区每层土壤含水率，同时利用插值法得到复垦地含水率空间分布图。
进一步的，步骤一具体包括：复垦前，根据设计煤矸石复垦场面积大小，按照“五点法”确定雷达测线位置，即根据修复场地面积在修复场东南西北中各布置一条测线，具体范围根据修复场地特征确定，然后在每条测线上预埋反射介质，雷达测线长度不小于10m。同时在煤矸石复垦过程中在每条雷达测线位置根据比例x(x为相邻两个反射介质埋深之比)按台阶状将反射介质等距预埋在覆土层中；按台阶状接收不同层位反射电磁波、进而得到不同层位土壤含水率。
进一步的，步骤一具体包括：土壤属于单一介质，利用探地雷达无法直接探测不同层位土壤含水率，要想探测不同层位土壤含水率，必须在各层位布置相异于土壤的反射介质，可以用区别于土壤的不同介质代替：钢筋、铁块、铝块等；考虑地下长期处于潮湿环境，铁块、钢筋等易锈蚀、重量大，故选择质轻、不易锈蚀的铝锭做反射介质，铝锭直径为8～10cm，高度为6～8cm，预埋时水平间距不小于50cm。
进一步的，步骤二具体包括：采用中心频率为200-1000MHz的探地雷达，对复垦矸石场的雷达测线进行探测，获取雷达数据，主要为反射波波形；发射天线将高频短脉冲电磁波定向送入地下,电磁波在传播过程中遇到存在电性差异的地层或目标体就会发生反射，接收天线收到反射波信号并将其数字化然后由电脑以反射波波形的形式记录下来。
进一步的，步骤三具体包括：对获取的雷达数据进行的预处理包括滤波、小波变换、自动增益控制(AGC增益)及背景去噪处理。探地雷达波在每层土壤层中传播速度可根据以下公式计算得出：其中：V1为雷达波在第1层土壤中传播速度，S1为第1层反射介质土壤埋深，t1为探地雷达波从地表发射经第1个反射介质反射后被接收所需要的时间； 其中：Vi为雷达波在第i层土壤中传播速度，Si-1为第i-1层反射介质土壤埋深，ti为雷达波从发射经第i个反射介质反射后被接收所需要的时间，Si为第i层反射介质土壤埋深，x为第i层反射介质土壤埋深与第i-1层反射介质土壤埋深的比值。
进一步的，步骤四具体包括：利用TDR探测其中一条雷达测线剖面上不同铝锭埋藏深度土壤含水率，每个深度探测3次，并取平均值作为该深度的含水率，将雷达波速与含水率进行拟合得到土壤含水率反演模型。
进一步的，步骤五具体包括：利用土壤含水率反演模型，结合复垦区其他测线雷达波速，得到复垦区每层土壤含水率，同时利用ArcGIS软件进行插值法得到复垦地含水率空间分布图。
本发明的有益效果是：本发明克服了传统监测时的难题，通过在煤矸石复垦场雷达测线的不同深度覆土中按台阶状预埋“铝锭”，然后利用探地雷达获取经过“铝锭”时反射的电磁波速，并采用水分传感器法探测“铝锭”所处层位土壤含水率，建立雷达电磁波速与土壤含水率间的关系模型，进而测算出矸石复垦场覆土层不同层位土壤含水率的分布，最后利用插值法得到复垦地含水率空间分布图。本发明可实现矸石复垦场土壤含水率的多次检测，保证了检测结果的可靠性，满足了现代化快速测量的要求。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是本发明雷达测线布置示意图；
图3是本发明土壤含水率反演模型；
图4是本发明复某垦场地表(0-25cm)含水率分布图；
图中：1-煤矸石复垦场，2-雷达测线，3-反射介质，4-探地雷达，5-覆土层，6-矸石层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施案例进行详细说明，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
某煤矿矸石大量堆积，对其表面平整后需进行覆土并评价复垦效果，采用本发明煤矸石复垦场土壤含水率检测方法，根据图1技术流程对复垦场地土壤含水率进行多次探测。
1)根据复垦地施工工程的设计资料，煤矸石复垦场1面积0.24km2，覆土厚度为1.0m，按照“五点法”在煤矸石复垦场东南西北中确定五条雷达测线2，雷达测线2长度10m，同时在煤矸石复垦过程中，在每条雷达测线2位置按台阶状将直径为10cm，高度为8cm的4个反射介质3(采用铝锭)等间距预埋在覆土层5中，相邻两个预埋“铝锭”的垂直间距为25cm，水平间距设置为3m。如图2所示。
2)采用中心频率为500MHz的探地雷达4，对煤矸石复垦场1的每条雷达测线2进行探测，设置探地雷达时窗为20ns；每条测线每间隔25cm处布设一电极，共布设40根电极，获取雷达数据。
3)对获取的雷达数据进行进行滤波、小波变换、AGC增益、背景去噪预处理，3#测线上探地雷达4发射雷达波经不同深度“铝锭”反射后被探地雷达4接收所需要的时间依次为：t1＝1.00ns,t2＝2.05ns,t3＝3.12ns,t4＝4.58ns，并计算得到雷达波速为：v1＝5×108m/s，v2＝4.76×108m/s，v3＝4.67×108m/s，v4＝3.42×108m/s。
4)在3#雷达测线2位置开挖土壤剖面，利用TDR探测不同铝锭埋藏深度(25cm、50cm、75cm、100cm)土壤含水率，每个点测3次，并取平均值作为该深度的含水率，将雷达波速与土壤含水率进行拟合得到土壤含水率反演模型:
如图3所示。
5)利用土壤含水率反演模型，结合复垦区其他测线雷达波速，得到复垦区每层土壤含水率，同时利用ArcGIS软件进行插值法得到复垦区不同深度含水率分布图，如图4所示。
表1 TDR探测3#雷达测线不同深度土壤含水率
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