應(yīng)用EM38探測土壤冰凍深度的可行性研究

姜明梁，鄧 忠，李 迎，秦京濤，呂謀超

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所/河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點實驗室，河南 新鄉(xiāng) 453002)

0 引 言

在我國的西北和華北地區(qū)，入冬以后土壤便逐漸凍結(jié)，這種土壤季節(jié)性凍結(jié)的現(xiàn)象，乃是一項重要的氣候特征。同時，凍土氣象觀測資料對建筑、工程施工、交通運輸和農(nóng)田水利建設(shè)都具有重要意義[1]。在開發(fā)森林、礦山，修筑公路、鐵路以及大型水利工程時，凍土現(xiàn)象都是經(jīng)常遇到的主要災(zāi)害，必須在施工前對工區(qū)凍土的分布、厚度等進(jìn)行認(rèn)真的調(diào)查研究，以采取有效的防治措施[2]。然而，凍土資料卻異常缺乏，有關(guān)凍土深度測量的研究也不多。凍土層深度的傳統(tǒng)測定方法是根據(jù)地面氣象觀測場中的凍土器內(nèi)水柱凍結(jié)的部位和長度，來探測凍結(jié)層次的上限和下限深度。該方法測量周期長、檢測過程繁瑣、勞動強度大，在實際工作中由于受到財力、物力、人力的限制，常無法采集足夠數(shù)量的樣品，因此采用較易獲得的土壤表觀電導(dǎo)率以表征土壤信息是快速獲得土壤更多定量化信息的一條行之有效的途徑[3-5]。EM38電導(dǎo)率儀是一種基于電磁感應(yīng)原理的、非接觸式測量儀器，它既可手持測量，又可車載進(jìn)行測量。國內(nèi)外已應(yīng)用EM38在表觀電導(dǎo)率對土壤鹽分、含水量、黏粒含量、緊實度甚至作物產(chǎn)量預(yù)測等性質(zhì)的響應(yīng)特征方面進(jìn)行了大量的研究[6-11]，同時還與空間技術(shù)相結(jié)合，將其擴展到區(qū)域尺度，使其成為研究土壤性質(zhì)的有力工具。

經(jīng)過幾個月的實驗表明，對凍土過程中電導(dǎo)(電阻)的變化特性研究是很有價值的。目前，凍土測試技術(shù)難題之一是不能在實驗過程中直接測出不同時刻各個土層的含水量、含鹽量，同樣也不能直接確定由含水量、含鹽量所決定的凍結(jié)溫度，即凍結(jié)鋒面(凍土深度)的位置。用實驗結(jié)束時取樣測得的含水量、含鹽量來確定某一時刻凍結(jié)鋒面的位置，顯然是不夠方便，亦不夠準(zhǔn)確[12]。為能真實地反映某一時刻凍結(jié)鋒面的位置及凍結(jié)時含水量的情況，本實驗采用自主研制的冰凍傳感器測量系統(tǒng)來測量某一時刻各個剖面土層的含水量，然后通過數(shù)學(xué)方法確定冰凍深度。用電導(dǎo)率儀EM38測量某一時刻土壤的表觀電導(dǎo)率，通過對電導(dǎo)率的動態(tài)分析來研究凍土層深度。

1 材料與方法

1.1 凍土過程中土層結(jié)構(gòu)變化

土壤冰凍過程中，有冰凍和融化兩個過程，可以分為3個階段。首先階段Ⅰ：由于外界環(huán)境溫度的下降，土壤表層開始慢慢凍結(jié)，凍土深度越來越深，此時土層只有2層，即冰凍層和未凍層；Ⅱ：當(dāng)外界環(huán)境溫度慢慢上升時，土壤表層首先開始融化，此時就多了解凍層，土體變成3層，如圖1所示；Ⅲ：到最后融化完成，冰凍土層就消失了，此時也變成了2層。我們的研究目的是研究凍土的深度，應(yīng)該考慮冰凍和融化兩個過程。圖2是凍融交界面和凍土深度在這個冰凍和融化過程中的變化趨勢。

圖1 凍土過程中土層結(jié)構(gòu)Fig.1 Soillayer structure in frozen soil

圖2 冰凍和融化過程兩個交界面3個階段的變化曲線Fig.2 The 3 stages of freezing and thawing processes at the two interfaces

圖3 EM38結(jié)構(gòu)和原理示意圖Fig.3 Measurement principle of EM38

1.2 EM38工作原理簡述

電磁感應(yīng)法的測量原理如圖3所示[13]，它主要由一對線圈構(gòu)成。其中線圈之一(簡稱發(fā)射端)的功能是發(fā)射電磁波，發(fā)射出的電磁波穿過土壤介質(zhì)與另一個線圈(簡稱接收端)構(gòu)成電磁回路，兩線圈之間的相隔距離為s，感應(yīng)出的電壓大小與土壤表觀電導(dǎo)率ECa成確定性函數(shù)關(guān)系，即：

(1)

式中：Hp為發(fā)射端的磁場強度，A/m；Hs為接收端的磁場強度，A/m；ω為發(fā)射電磁波的角頻率，s-1；μ0為真空下的導(dǎo)磁率，H/m。

EM38隨線圈的放置形式有2種可選探測模式，其中水平偶極模式的有效探測深度約為0.75 m，而垂直偶極模式的有效探測深度可達(dá)1.5 m，在本文中這兩種測量模式均有采用。兩種模式下的測量靈敏度函數(shù)為：

(2)

(3)

式中：z表示為垂直深度除以線圈距離s的值。

函數(shù)φ給出了儀器從深度為z的、厚度為dz的水平面測量讀數(shù)的響應(yīng)部分?？梢钥闯鲈诖怪迸紭O模式下，靠近地表材料的靈敏度關(guān)系很低(在表面接近零)，隨著深度的增加，靈敏度增加，在深度達(dá)0.4 m時達(dá)到最大值，然后隨著深度的繼續(xù)增加，靈敏度逐漸下降；在水平偶極模式下，靠近地表材料的靈敏度關(guān)系最高，然后隨著深度的增加而下降。這兩種線圈結(jié)構(gòu)對靠近地表材料響應(yīng)的巨大差異是很重要的，水平偶極模式會對靠近地表的變化產(chǎn)生感應(yīng)關(guān)系，而垂直偶極模式會對距地表一定深度的變化產(chǎn)生感應(yīng)關(guān)系。

進(jìn)一步，由靈敏度函數(shù)可積分求得每層的貢獻(xiàn)系數(shù)，其為不同深度土壤層的電導(dǎo)率反映到表層時對計算土壤復(fù)合表觀電導(dǎo)率所作出的貢獻(xiàn)。

(4)

(5)

1.3 測量可行性理論分析

在自然狀態(tài)下，凍土的電阻率受到多種因素的影響：

(1)凍結(jié)土壤含冰量的多少對其電阻率有決定性的影響，對于同一種土質(zhì)的凍結(jié)地層而言，含冰量越多，凍結(jié)程度越高，其電阻率越高。

(2)不同的土質(zhì)，凍結(jié)前后電阻率的變化相差很大。有的電阻率可相差10～30倍，而有的凍結(jié)前后其電阻率差異僅為1～5倍。

(3)溫度對電阻率的影響。一般地溫下降到0 ℃以下，凍結(jié)地層的電阻率急劇上升。如圖4所示[14]。

圖4 土樣電阻與溫度的關(guān)系線Fig.4 Relationship between resistance and temperature of soil sample

綜上所述，無論是哪種地質(zhì)體，在凍結(jié)后，其電阻率均發(fā)生急劇增加。而電導(dǎo)率是電阻率的倒數(shù)，所以在土壤凍結(jié)后，電導(dǎo)率會急劇下降。這也是因為水的電導(dǎo)率和冰的電導(dǎo)率差異很大所引起的結(jié)果。這是用電導(dǎo)率法預(yù)測凍土層深度的可信前提和理論基礎(chǔ)。

1.4 利用冰凍深度傳感器確定凍土深度

如圖5(a)所示是本實驗室自主研制的冰凍深度傳感器，即土壤水分剖面測量系統(tǒng)。它可快速獲取 0～200 cm 深度范圍內(nèi)土壤剖面含水率。其中水分傳感器工作原理為基于電容邊緣場效應(yīng)測量電極周圍介質(zhì)的介電常數(shù)，與土壤接觸采用 PVC 套筒式滑動結(jié)構(gòu)，深度測量為霍爾磁敏傳感器陣列，測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理平臺為 PDA，它可以測量同一點土壤不同層次的土壤容積含水率，適用于多種質(zhì)地類型的土壤[15]。

在本研究中，設(shè)同一個測量點的所有實驗數(shù)據(jù)中，最小水分值為P1，最大值設(shè)為P2，則門限值P0=(P1+P2)/2，當(dāng)一個點一次測量的容積含水率P

1.5 農(nóng)田實驗

農(nóng)田實驗時間為2015年2-4月。由于2014年11月-2015年1月一直處于下雪期，積雪太厚，沒辦法測量。所以本次實驗沒有詳細(xì)記錄土壤凍結(jié)的過程，主要是土壤融化過程。實驗環(huán)境如圖5(b)～圖5(c)所示，位于北京市小湯山精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)示范基地，實驗地塊的質(zhì)地為壤土，埋設(shè)6根約1.5 m長的PVC套管，通過冰凍傳感器確定凍土的深度，用EM38測量相對應(yīng)的土壤表觀電導(dǎo)率，研究土壤表觀電導(dǎo)率ECa與凍土深度之間的關(guān)系。實驗過程中EM38采用人工手動模式(Manul)，測量者手持著EM38，在6個試驗點周圍分別進(jìn)行垂直和水平模式的單點測量。一般實驗間隔為2～3 d。

圖5 實驗環(huán)境Fig.5 Experimental environment

2 結(jié)果與分析

2.1 電導(dǎo)率ECa與土壤含水量的總體對比

數(shù)據(jù)的采集和記錄主要是從2015年2月2日開始，到2015年3月26日結(jié)束。從冬天的整體氣象來看，2月初是最冷的時候，也就是凍土深度最大的時候。所以，本實驗沒有記錄凍土實驗中凍的過程，只能分析融化的過程。從圖6中可以看出，土壤1.5 m內(nèi)的平均容積含水量先稍降低然后緩緩上升，說明先經(jīng)過一段凍土過程，然后就進(jìn)入融化階段。電導(dǎo)率的總體趨勢和平均含水量是一致的，具有一定的相關(guān)性，其都是緩緩上升，最后趨于平坦，表明了凍土融化的過程。圖中QV1～QV6分別指1～6號試驗點在垂直模式下的土壤表觀電導(dǎo)率。

圖6 所有試驗點過程趨勢圖Fig.6 All the test point process chart

2.2 電導(dǎo)率ECa與凍土深度的統(tǒng)計分析

圖7和圖8是2號與5號試驗點的統(tǒng)計分析圖。主要研究了土壤表觀電導(dǎo)率(ECa)與凍土深度(Frozen depth)、平均容積含水量(θV)之間的相關(guān)性。

從6個試驗點中隨機挑選了2個進(jìn)行成圖分析可知，土壤表觀電導(dǎo)率ECa(無論是垂直模式還是水平模式)與凍土深度均具有極大的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)很高。其中5號試驗點去掉一個異常點。這為用電導(dǎo)率來預(yù)測凍土深度提供了可行性。

表1是6個試驗點的統(tǒng)計分析后的相關(guān)系數(shù)。

表1 統(tǒng)計分析相關(guān)性Tab.1 Correlation of statistical analysis

圖7 2號試驗點的相關(guān)性統(tǒng)計分析圖 Fig.7 Statistical analysis of correlation of No. 2 test sites

圖8 5號試驗點的相關(guān)性統(tǒng)計分析圖 Fig.8 Statistical analysis of correlation of No. 5 test sites

3 結(jié) 語

由表1中可以看到，所有試驗點的相關(guān)系數(shù)都較高，表明電導(dǎo)率ECa不僅與容積含水率有關(guān)，而且與凍土深度有關(guān)。其實兩者表達(dá)的意思是一致的，因為在凍土實驗中，容積含水率實際上主要是指土壤中未被凍的水分，其和冰凍的程度有關(guān)，這也恰好體現(xiàn)了土壤的冰凍程度和凍土深度。由于土壤融化過程比較復(fù)雜，前面已經(jīng)分析過，融化過程是上下一起進(jìn)行的。所以在預(yù)測凍土深度過程中，上層融化土壤對凍土深度的預(yù)測會造成一定困擾。同時，由于操作上的原因，該研究是建立表觀電導(dǎo)率值與土壤物理特性之間的單因子回歸關(guān)系，這種回歸關(guān)系往往只針對特定地塊，一旦推廣到其他具有不同土壤性質(zhì)的區(qū)域時，預(yù)測模型需要重新建立或校正。

理論分析與初步試驗結(jié)果一致表明，應(yīng)用電磁感應(yīng)式電導(dǎo)率測量裝置EM38在凍土實驗中快速預(yù)測凍土深度是可行的，所有的統(tǒng)計相關(guān)系數(shù)均介于0.776 8≤R2≤0.962 8，具有極顯著的相關(guān)性。該方法的一個突出優(yōu)點是不破壞表層土壤，它為凍土深度的預(yù)測，提供了一種有效、簡捷的工程檢測手段。

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