CN109164033A - 一种基于电阻率法的获取非饱和土壤水力传导力的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及水文地质、地球物理勘探领域，具体的公开了一种基于电阻率法的获取非饱和土壤水力传导力的方法，包括以下步骤：（1）根据待评价区的地形地貌特点，制定视电阻率采集与土壤样品收集方案，采集研究区视电阻率与相应的土壤样品。（2）对采集到的视电阻率数据进行反演计算，得到研究区的土壤真实电阻率分布。（3）根据阿奇公式，建立土壤电阻率与土壤水分之间的定量关系。（4）通过室内实验确定土壤样品的孔隙度，从而得到研究区土壤孔隙度的分布。本发明能够为较大区域的研究中提供便利，极大的缩小了测定误差，参数物理意义明确，测定简单，计算方便，为水文地质、地球物理勘探提供更加准确的参数数据，可行性高。

Description

一种基于电阻率法的获取非饱和土壤水力传导力的方法
技术领域
本发明涉及水文地质、地球物理勘探领域，具体是一种基于电阻率法的获取非饱和土壤水力传导力的方法。
背景技术
土壤水力参数的选取确定是土壤中水分运动和溶质迁移预测的基础和计算机模型计算的关键，也是影响预测准确程度的最主要因素。土壤非饱和水力传导度是土壤水力特性的一个重要参数，与土壤颗粒粒径、孔隙的分布、孔隙形状以及孔隙的连续性都有密切的联系。由于这些参数具有强烈的空间变异性，使得直接测定方法在较大区域的研究中往往比较困难，并且受土壤质地空间结构变异性的影响，测定存在较大的误差。为克服这些缺点，众多研究者试图在土壤结构与水力参数之间建立起一定的函数关系，从而找到一种简易有效预测土壤水力参数的方法。但这类方法存在参数物理意义不明确等缺点，因此，利用新的地球物理勘探手段，建立一种简单的非饱和土壤水力传导力获取方法仍具有较强的理论及现实意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于电阻率法的获取非饱和土壤水力传导力的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于电阻率法的获取非饱和土壤水力传导力的方法，包括以下步骤：
(1)根据待评价区的地形地貌特点，制定视电阻率采集与土壤样品收集方案，采集研究区视电阻率与相应的土壤样品。
(2)对采集到的视电阻率数据进行反演计算，得到研究区的土壤真实电阻率分布。
(3)根据阿奇公式，通过参数率定的方式，确定阿奇公式相关参数，建立土壤电阻率与土壤水分之间的定量关系。
(4)通过室内实验确定土壤样品的孔隙度，从而得到研究区土壤孔隙度的分布。
(5)根据分形理论，建立不饱和传导力与土壤水分、孔隙度的定量模型。
进一步的：阿奇公式涉及的四个参数均使用参数率定的方式获得，使用matlab建立四参数拟合程序。
进一步的：在步骤(1)中采用高密度电阻率仪获得研究区的视电阻率分布。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明能够为较大区域的研究中提供便利，极大的缩小了测定误差，参数物理意义明确，测定简单，计算方便，为水文地质、地球物理勘探提供更加准确的参数数据，可行性高。
附图说明
图1为一种基于电阻率法的获取非饱和土壤水力传导力的方法的流程图。
具体实施方式
请参阅图1，本发明实施例中，一种基于电阻率法的获取非饱和土壤水力传导力的方法，具体步骤如下：
步骤1：根据待评价区的地形地貌特点，针对待测区域建立合理的二维高密度电阻率测量布极方式，使用高密度电阻率仪获得研究区的视电阻率分布，并根据电阻率的测定原理采集对应位置的土壤样品。
步骤2：根据全局牛顿-高斯方程来建立最小化目标方程可以得到电阻率反演的扰动方程(1)：
公式(1)中S为感度矩阵，d为观测数据，ρ为模型的电阻率，G为正演算子，Rdd与Rmm分别表示观测数据与模拟数据的协方差矩阵，ρ0为初始电阻率模型，Δρk为第k此迭代后的模拟电阻率。根据此模型迭代计算后即可得到土壤真实电阻率分布。
步骤3：根据阿奇公式(2)(3)，建立电阻率与土壤水分之间的定量关系。
公式(2)：ρ＝ρ0S-β
公式(3)：
式(2)(3)中ρ为不饱和土壤电阻率，ρ0饱和时的土壤电阻率，θ为土壤含水率，θr和θs分别为饱和土壤含水率与土壤剩余含水率，β为经验参数，与土壤的物理性质有关。
为避免实验测定带来的误差，本发明中的阿奇公式涉及的四个参数均使用参数率定的方式获得，使用matlab建立四参数拟合程序，即可确定阿奇公式的参数，从而确定电阻率与土壤水分之间的定量关系。
步骤4：通过室内实验，确定土壤样品的孔隙度ε。
步骤5：根据土壤分形理论式(4)(5)，确定非饱和土壤的水力传导力；
公式(4)
公式(5)
式(4)(5)中k为非饱和水力传导力，θ为土壤含水率，D为分形参数，ε为土壤孔隙度。
将步骤3、4中获得的土壤含水率θ与土壤的孔隙度ε带入到公式(4)(5)中即可获得非饱和土壤水力传导力。
基于电阻率法的非饱和土壤水力传导力获取实例验证：
选取浙江省临安市昌化溪流域附近一块试验场地进行，试验场地面积约9平方米，测点数100个，每个相距0.3m，使用骄鹏E60DN进行视电阻率测定，测量采用二级装置，可通过改变测量电极的距离来获得不同深度的视电阻率值。同时，根据试验采集了对应深度的土壤样品。依据公式(1)对测得二维视电阻率数据进行迭代反演计算。根据电阻率反演结果可以得到每个测点土壤真实电阻率值ρ。根据实测的土壤水分数据与土壤电阻率数据，对阿奇公式(2)(3)进行参数拟合，确定参数ρ0、θr、θs、β的取值，建立土壤电阻率与土壤含水率的转化关系，得到土壤含水率分布。再于室内测定土壤的孔隙度ε，将获得土壤含水率与孔隙度带入公式(4)(5)，得到研究区的非饱和土壤水分传导率为2.321m/d。通过传统双环试验测定与计算得到研究区的土壤水分传导率为2.305m/d，两者相差0.6％，结果可靠，发明方案可行性高。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种基于电阻率法的获取非饱和土壤水力传导力的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据待评价区的地形地貌特点，制定视电阻率采集与土壤样品收集方案，采集研究区视电阻率与相应的土壤样品；
(2)对采集到的视电阻率数据进行反演计算，得到研究区的土壤真实电阻率分布；
(3)根据阿奇公式，通过参数率定的方式，确定阿奇公式相关参数，建立土壤电阻率与土壤水分之间的定量关系；
(4)通过室内实验确定土壤样品的孔隙度，从而得到研究区土壤孔隙度的分布；
(5)根据分形理论，建立不饱和传导力与土壤水分、孔隙度的定量模型。
2.根据权利要求1所述的一种基于电阻率法的获取非饱和土壤水力传导力的方法，其特征在于：在步骤(1)中采用高密度电阻率仪获得研究区的视电阻率分布。
3.根据权利要求2所述的一种基于电阻率法的获取非饱和土壤水力传导力的方法，其特征在于：步骤(2)中电阻率数据反演计算的公式为：
其中S为感度矩阵，d为观测数据，ρ为模型的电阻率，G为正演算子，Rdd与Rmm分别表示观测数据与模拟数据的协方差矩阵，ρ0为初始电阻率模型，Δρk为第k此迭代后的模拟电阻率。
4.根据权利要求3所述的一种基于电阻率法的获取非饱和土壤水力传导力的方法，其特征在于：步骤(3)中建立电阻率与土壤水分之间的定量关系公式为：
ρ＝ρ0S-β，
式中ρ为不饱和土壤电阻率，ρ0饱和时的土壤电阻率，θ为土壤含水率，θr和θs分别为饱和土壤含水率与土壤剩余含水率，β为经验参数，与土壤的物理性质有关。
5.根据权利要求4所述的一种基于电阻率法的获取非饱和土壤水力传导力的方法，其特征在于：阿奇公式涉及的四个参数均使用参数率定的方式获得，使用matlab建立四参数拟合程序。
6.根据权利要求5所述的一种基于电阻率法的获取非饱和土壤水力传导力的方法，其特征在于：步骤(5)中确定非饱和土壤的水力传导力的公式为：
式中k为非饱和水力传导力，θ为土壤含水率，D为分形参数，ε为土壤孔隙度；将步骤(3)中获得的土壤含水率θ与土壤的孔隙度ε带入到公式中即可获得非饱和土壤水力传导力。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109884131A (zh) * 2019-02-23 2019-06-14 机械工业勘察设计研究院有限公司 一种试坑浸水试验中土层浸湿无损连续探测方法
CN110836799A (zh) * 2019-11-15 2020-02-25 辽宁工程技术大学 一种吸力控制型快速非饱和土试样制样控制***及方法
CN110988045A (zh) * 2019-12-24 2020-04-10 西安理工大学 一种基于主动加热光纤法的土体电导率测定方法
CN111208042A (zh) * 2020-02-07 2020-05-29 中国科学院武汉岩土力学研究所 一种反演非饱和垃圾土水力参数的装置及方法
CN112162014A (zh) * 2020-09-02 2021-01-01 塔里木大学 基于电磁感应数据的棉田土壤剖面水分数据处理方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5861750A (en) * 1995-01-09 1999-01-19 Anderson; Dennis M. Geophysical methods and apparatus for determining the hydraulic conductivity of porous materials
CN101105489A (zh) * 2006-07-12 2008-01-16 中国农业大学 土壤入渗性能实时自动测量***
CN103439237A (zh) * 2013-08-30 2013-12-11 山东大学 管涌土地基中透水性混凝桩堵塞试验装置与方法
CN105785476A (zh) * 2016-05-17 2016-07-20 浙江水利水电学院 一种高密度电阻率成像方法
CN105938204A (zh) * 2016-06-27 2016-09-14 浙江水利水电学院 一种基于电阻率勘探法的地下水脆弱性评价方法
CN206208821U (zh) * 2016-11-01 2017-05-31 西安理工大学 一种土水特征和电阻率联合测试装置
CN108204939A (zh) * 2017-12-15 2018-06-26 东南大学 一种评价污染物扩散的透水性分析探测仪及工作方法
CN108267394A (zh) * 2018-03-09 2018-07-10 浙江省水利河口研究院 一种土石坝渗流场监控***及其预警方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5861750A (en) * 1995-01-09 1999-01-19 Anderson; Dennis M. Geophysical methods and apparatus for determining the hydraulic conductivity of porous materials
CN101105489A (zh) * 2006-07-12 2008-01-16 中国农业大学 土壤入渗性能实时自动测量***
CN103439237A (zh) * 2013-08-30 2013-12-11 山东大学 管涌土地基中透水性混凝桩堵塞试验装置与方法
CN105785476A (zh) * 2016-05-17 2016-07-20 浙江水利水电学院 一种高密度电阻率成像方法
CN105938204A (zh) * 2016-06-27 2016-09-14 浙江水利水电学院 一种基于电阻率勘探法的地下水脆弱性评价方法
CN206208821U (zh) * 2016-11-01 2017-05-31 西安理工大学 一种土水特征和电阻率联合测试装置
CN108204939A (zh) * 2017-12-15 2018-06-26 东南大学 一种评价污染物扩散的透水性分析探测仪及工作方法
CN108267394A (zh) * 2018-03-09 2018-07-10 浙江省水利河口研究院 一种土石坝渗流场监控***及其预警方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
G. E. ARCHIE: "The Electrical Resistivity Log as an Aid in Determining Some Reservoir Characteristics", 《DALLAS MEETING》 *
周明耀 等: "基于孔隙分形维数的土壤大孔隙流水力特征参数研究", 《水科学进展》 *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109884131A (zh) * 2019-02-23 2019-06-14 机械工业勘察设计研究院有限公司 一种试坑浸水试验中土层浸湿无损连续探测方法
CN110836799A (zh) * 2019-11-15 2020-02-25 辽宁工程技术大学 一种吸力控制型快速非饱和土试样制样控制***及方法
CN110988045A (zh) * 2019-12-24 2020-04-10 西安理工大学 一种基于主动加热光纤法的土体电导率测定方法
CN111208042A (zh) * 2020-02-07 2020-05-29 中国科学院武汉岩土力学研究所 一种反演非饱和垃圾土水力参数的装置及方法
CN111208042B (zh) * 2020-02-07 2021-06-29 中国科学院武汉岩土力学研究所 一种反演非饱和垃圾土水力参数的装置及方法
CN112162014A (zh) * 2020-09-02 2021-01-01 塔里木大学 基于电磁感应数据的棉田土壤剖面水分数据处理方法

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