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非饱和土壤介电特性测量理论与方法的研究

孙宇瑞  
【摘要】: 自20世纪90年代以来,随着旱作农业与节水灌溉应用研究热潮的兴起, 含水土壤介电行为及测量方法的研究引起了人们的极大关注。土壤物理学的研 究结果表明,含水土壤介电行为包含了反映土壤物理与化学性质的丰富信息。 深入研究含水土壤介电行为及测量方法,可以直接为农田土壤含水率快速测量 技术提供理论上的依据。本文将介质物理、无线电工程和光学测量的理论与实 验方法相结合,对非饱和含水土壤介电常数测量方法做了系统的研究并得出了 一系列重要的结论。概括起来本文的研究内容主要有以下四点: (1)对基于驻波比原理的土壤水分测量方法从理论与实验两方面进行了深 入探讨。理论研究与实验均表明,基于驻波比(SWR)原理的土壤水 分测量方法是一种颇有实用价值的测量方法,尤其是它的研制成本大 大低于TDR仪器的研制成本,有利于今后在我国节水农业体系实施过 程中广泛推广应用。本文在深入进行理论分析的基础上,研制了一种 适于田间使用的土壤水分快速测试仪,其测量精度为±3%。虽然在测 量精度上该仪器略低于商品化的TDR土壤水分测试仪,但在绝大多数 情况下完全能够满足实际工程测量的要求。 (2)土壤多针探头作为一类非规则传输线,研究它的阻抗计算方法不仅对 电磁波长从米至分米变化范围内实现土壤介电常数的高精度测量具有 重要的理论价值,而且可以由此派生出新的测量方法。尽管多针探头 的阻抗计算由于电磁场边界条件的不确定性而变得异常复杂,本文仍 然通过分析探针电磁场分布的物理模型建立了土壤多针探头的数学模 型。该模型不仅证明了它的阻抗计算存在着周期性间断点,而且证明 在测试频率与探针长度确定的情况下阻抗变化既可能呈纯电感又可能 呈纯电容特性。将这些重要研究结果引入基于TDR、FD及SWR等测 量原理的仪器化设计可以有效地避免测量过程中出现多对一映射现 工学博十论文 象。本文在理论分析的基础上进行了大量的针对性实验。实验结果表 明,该模型完全能够如实地刻划土壤探针阻抗的变化特性,比澳大利 冬 亚学者S·J·Zegelin的关于土壤探针电磁特性的研究成果(198)大大 推进了一步。此外,探针阻抗计算模型的理论分析与实验结果一致证 明,等长结构探针阻抗随土壤含水率的变化存在着严重的非线性,这 种非线性导致了土壤含水率接近30%以后探针阻抗变化趋于饱和,而 此时对大多数类型的农业土壤本身来说土壤水吸力尚未为零。本文为 此通过采取改进探针结构与并联阻抗两种方案对探针阻抗进行了线性 化校正并取得了明显的效果。 (3)反射光偏振法是测量电介质介电常数的又一方法。本文将此方法尝试 性地用于土一水混合物介电常数的测量,成功地设计了一种基于虚拟 仪器平台之上的连续测量实验系统,导出了一个关于连续测量系统中 反射光偏振度计算的新算法一谱分解法。尽管实验结果表明反射光偏 @振法用于含水土壤介电特性的测量存在着某些固有缺陷,但是通过 Fourier谱分解依然能够有效地滤除测量过程中引入的各种频谱噪声分 量,从而大大提高了测量精确度。因此,该方法对于某些水分均匀分 布的多孔介质介电常数的测量问题仍然具有很高的应用价值。 (4)在现有的各种含水土壤介电损耗测量方法中,本文着重定量分析了电 流一电压四端法。分析方法的创新之处体现在建立数学模型过程中将 点源叠加与椭圆型偏微分方程的五点差分格式相结合,由此既反映了 士壤电导率宏观分布的差异性,又体现了采样点局域内土壤电导率可 视为常数的特点。在与土壤电导率相关的诸多因数中,土壤含水率与 土壤盐分是影响土壤电导率变化的两个最主要因素,本文也对此进行 了实验研究并通过实验数据分析给出了相应的结论。


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