（环境科学专业论文）电阻率法求取土壤水分特征曲线研究.pdf

测量方法中，四极法测量的效果远远好于二极法测量。本研究设计出的实验室内土 壤电阻率四极法测量简易装置，使实验室内土壤电阻率研究更加方便、快捷。 ( 3 ) 建立了土壤电阻率基质吸力模型，为在土壤学、水文地质学和工程地质 学中预测土壤基质吸力提供了一种新的方式。通过电阻率法预测土壤基质吸力，能 够在区域尺度范围内，通过一次性布设电极，在空间上预测非饱和土基质势的值， 尤其是在工程地质中勘查边坡的稳定性方面，带来了目前其他方法无法比拟的优越 性。 ( 4 ) 为土壤水分特征曲线的测定发展了一种新方法。利用电阻率法，能够以非 扰动的方式，方便有效地在区域尺度上，获得空间和时间上较为准确的土壤水分特 征曲线，同时也解决了土壤在水平和垂直方向上空间变异性对土壤水分特征曲线测 定所带来的困难。 关键词：土壤水分特征曲线；电阻率法；含水量；基质吸力 a b s t r a c t s o i lw r a t e rr e t e n t i o nc u r v e ( s w r c lp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei ns o i ls c i e n c e as e r i e s o fi m p o r t a n ts o i lp h y s i c a lp a r a m e t e r s ，s u c ha su n s a t u r a t e dh y d r a u l i cc o n d u c t i v i t y , s o i l m o i s t u r er e g i m ea n dp e r m a n e n tw i l t i n gp o i n tc a nb eo b t a i n e de a s i l yf r o mi t m o r e o v e l s w r cc a np r e d i c tt h em i g r a t i o nb e h a v i o ro fc h e m i c a l sa n dw a t e ri ns o i l h o w e v e ld u e t ot h ec o m p l i c a t e de f f e c t sf r o mt h ee n v i r o n m e n ta n ds o i lf a c t o r s t h ed i r e c tm e a s u r eo f s w r ci st o i l s o m e e x p e n s i v ea n dt i m ec o n s u m i n g t h ei n d i r e c te s t i m a t i o no fs w r c n e e d sag r e a td e a lo fd a t a , a n dt h ea c c u r a c yi sl i m i t e d b e c a u s eo ft h eh o r i z o n t a la n d v e r t i c a ls p a t i a lv a r i a t i o no fs o i l ，t h ep r e d i c t i o no fs w r co nr e g i o n a ls c a l ei sc o n s i d e r a b l e d i f f i c u l t t h u st h ep r e c i s ep r e d i c t i o no fu n s a t u r a t e dz o n es w r co nt h er e g i o n a ls c a l e s p a t i a l l ya n dt e m p o r a l l yi ss i g n i f i c a n ta n di m p o r t a n tf o rm o n i t o r i n ga n dm a n a g i n gt h e m i g r a t i o no fc h e m i c a l sa n dw a t e r m e a n w h i l e ，i tw o u l db eb e n e f i tf o rt h em a n a g e m e n to f f i e l dm o i s t u r e i nt h i sp a p e rt h es o i lr e s i s t i v i t ya n dc o r r e s p o n d i n gm o i s t u r ec o n t e n to ft h es o i l ( s a m p l e df r o mj i m o ，q i n g d a o ) w a ss u r v e y e db yu s i n gs e l f - m a d ee q u i p m e n t s ，a n dt h e s w r ci so b t a i n e df r o mt h e “k u p fa p p a r a t u s ”v i at h er a t i ob e t w e e nb u l kr e s i s t i v i t yo f s a t u r a t e ds o i la n dm e a s u r e dd a t a , w ee x c l u d e dt h ei n f l u e n c ef r o mt h er e s i s t i v i t yo f p o r e - w a t e r , p o r es i z ed i s t r i b u t i o n ，s o i lp a r t i c l ec o m p o s i t i o na n do t h e rp r o p r i e t i e so fs o i l ， s i m p l i f i e dc o n v e n t i o n a lm e t h o dw h i c hc o n c e r n sr e s i s t i v i t yo fp o r e w a t e r , f a c i l i t a t e dt h e i n v e s t i g a t i o na n da p p l i c a t i o no fr e s i s t i v i t ym e t h o d f i r s t l y , ls t o p ts o f t w a r ew a su s e dt of i tt h em e a s u r e dd a t at oo b t a i nt h ep a r a m e t e r s o fr e s i s t i v i t y m o i s t u r em o d e la n ds w r cg a r d n e rm o d e l s e c o n d l y ，t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nr e s i s t i v i t ya n dm a t r i cs u e t i o nw a sc o n s t r u c t e dt h r o u g hm o i s t u r ec o n t e n t ，a n dt h e r e s i s t i v i t y m a t r i cs u c t i o nm o d e lw a sp r o p o s e dw h i c hw o u l db ea l la l t e r n a t i v em e t h o dt o p r e d i c tt h es o i lm a t r i cs u c t i o n t h e n c o m b i n e dr e s i s t i v i t y m a t f i cs u c t i o nm o d e la n d r e s i s t i v i t y m o i s t u r e m o d e l t h ea p p l i c a t i o no fr e s i s t i v i t yi na s s e s s i n gs 佩cw a s d i s c u s s e d i ti sc o m p l e t e l yc o i n c i d e n c eb e t w e e nt h es w r cf r o mt e s t e dr e s u l ta n d r e s i s t i v i t ym e t h o d t h u st h er e s i s t i v i t ym e t h o dm a k e st h ep r e d i c t i o no fs w r cp o s s i b l e o nt h er e g i o n a ls c a l es p a t i a l l ya n dt e m p o r a l l y , a n dt h ea p p l i c a t i o no f r e s i s t i v i t ym e t h o di n s o i ls c i e n c ei se x p a n d e d t h er e s e a r c hr e s u l t sa r el i s t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h es w r co fl o a ma n dc l a yi nt h i sr e g i o nw e r eo b t a i n e d ，w h i c hc a np r o v i d ea s e r i e so fi m p o r t a n ts o i lp h y s i c a lp a r a m e t e r s ，s u c ha su n s a t u r a t e dh y d r a u l i cc o n d u c t i v i t y , s o i lm o i s t u r er e g i m ea n dp e r m a n e n tw i r i n gp o i n t t h ed a t ao fm o i s t u r ec o n t e n ta n d m a t r i cs u c t i o ni so b t a i n e df r o mt h e “k u p fa p p a r a t u s ”，w h i c hw a sf i t t e db y1s t o p t 埘t h g a r d n e rm o d e l t h es w r co fl o a n la n dc l a yi n t h i s r e g i o np r o v i d et l l e b a s i s f o r p r e d i c t i n gt h em i g r a t i o nb e h a v i o ro fc h e m i c a l si ns o i la n dm a n a g i n gt h em o i s t u r eo f f i e l d ( 2 ) t h ep a r a m e t e r ，玎i nr e s i s t i v i t y - m o i s t u r ec o n t e n tm o d e la n ds a t u r a t e ds o i l r e s i s t i v i t yp so fl o a mw e r eo b t a i n e d ，w h i c hp r o v i d er e f e r e n c e sf o rt h er e s i s t i v i t y a p p l i c a t i o n t h er e s i s t i v i t y - m o i s t u r em o d e li sn o ts u i t e di nc l a y , b e c a u s et h ee l e c t r i c c o n d u c t i v i t yo fp a r t i c l es u r f a c ei nc l a yi sn o ti g n o r a b l ei nt h eq u a n t i f yr e s e a r c h t h e f o u r - e l e c t r o d e sm e t h o di sb e t t e rt h a nt l l et w o e l e c t r o d e sm e t h o di nt h em e a s u r e m e n ti n s o i lr e s i s t i v i t y a ne q u i p m e n tw a sd e s i g n e du s i n gf o u r - e l e c t o r d e sm e t h o dt od e t e r m i n e s o i l r e s i s t i v i t y i nl a b o r a t o r y , w h i c hm a k e st h em e a s u r eo fs o i l r e s i s t i v i t y m o r e c o n v e n i e n t ( 3 ) t h es o i lr e s i s t i v i t y - m a t r i cs u c t i o nm o d e lw a sp r o p o s e d w h i c hm i g h tb ea l l a l t e m a t i v em e t h o di np r e d i c t i n gt h es o i lm a t r i cs u c t i o ni ns o i ls c i e n c e ，h y d r o g e o l o g ya n d e n g i n e e r i n gg e o l o g y i nh er e g i o n a ls c a l e ，u s i n gt h er e s i s t i v i t ym e t h o dt h r o u g ht h e o n e - t i m el a i de l e c t r o d e si ns p a c e ，t h es o i lm a t r i cs u c t i o nc a nb ep r e d i c t e di ns p a c e w h i c h i sm o r ea d v a n t a g e st h a no t h e rm e t h o d ，e s p e c i a l l yi nd e t e r m i n i n gt h es t a b i l i t yo fs l o p ei n e n g i n e e r i n gg e o l o g i c a le x p l o r a t i o ns l o p e s ( 4 ) an e wm e t h o dw a sd e v e l o p e df o rt h es w r cm e a s u r e m e n t u s i n gr e s i s t i v i t y , a n a c c u r a t es w r cc a l lb eo b t a i n e ds p a t i a l l ya n dt e m p o r a li nu n d i s t u r b e dw a y m e a n w h i l e ， t h ed i f f i c u l t i e sr e s u l t e df r o mh o r i z o n t a la n dv e r t i c a ls p a t i a lv a r i a t i o n so fs o i lw e r es o l v e d k e y w o r d s ： s o i lw a t e rr e t e n t i o nc u r v e ；t h e r e s i s t i v i t ym e t h o d ；m o i s t u r ee o n t e n gm a t r i c s u c t i o n 第一章绪论 1 1 研究目的及意义 第一章绪论 土壤是整个水文循环的重要组成部分，是水分和化学物质进入地下水的过渡 带。随着工业和农业的日益发展，人类活动与其对地下环境所带来的影响是密不可 分的，尤其是最近频发的含有重金属的污水和带有核辐射的海水的排放，对土壤和 地下水的污染，已经严重威胁到人们的健康和生命。因此，更准确更及时地监测和 管理化学物质和水分在非饱和土壤中的运移行为是非常必要的。数值模型是该研究 领域中广泛采用的研究手段。这些模型通常需要输入大量的参数，其中，土壤水分 特征曲线( s o i lw a t e rr e t e n t i o nc u r v e ，s w r c ) 就是最为重要的参数之一。土壤水 分特征曲线提供了土壤水吸力和土壤含水量之间的转换关系，在田间通过土壤吸力 的测定可间接而快速地获得土壤水分状况的信息；此外，土壤水分特征曲线可以间 接地反映土壤孔隙大小的分布状况，从而可以用来分析不同质地土壤的持水性和有 效性。因此，土壤水分特征曲线一直是土壤学界研究的热点和重点问题之一。 长期以来，实验获取土壤水分特征曲线耗时耗力：完成一条完整的土壤水分特 征曲线一般需要l 2 个月的时间，并且只限于实验室尺度的测定，难以实现野外 大尺度范围内的定位测定。目前，国内外大量学者对土壤水分特征曲线的测定方法 及仪器设备进行了研究，但几乎所有的已经采用的方法在测量水势范围和精度方面 均存在一定的缺陷。鉴于土壤水分特征曲线测定的复杂性，许多学者提出了利用间 接方法预测土壤水分特征曲线。这些间接方法主要是根据土壤的基本性质，如粒径 分布、有机质含量、容重、冻融特性等，通过某种经验或者半经验的公式来预测土 壤水分特征曲线。这些方法主要包括建立在统计分析基础之上的土壤转换函数方 法、利用土壤水分特征曲线和土壤颗粒累计分布曲线的相似性建立起来的分形模型 方法、根据土壤水势和土壤水分冰点降低的关系及土壤冻融特征曲线获得的土壤冻 融法等。但是，无论哪种间接方法，都不能够全面地反映土壤中不同水分含量与土 壤固相颗粒之间的相互作用机制，而且有较大误差。它和水力传导率决定了水分和 化学物质在土壤中的运移速度，其可靠性直接影响着模型的预测结果l l j 。 总之，土壤水分特征曲线受多种环境和土壤因素的影响。对其直接进行测定耗 时、费力、花费高。对其间接估计，需要大量的数据资料，并且在准确性和精度方 面有一定的局限性。由于土壤在水平方向和垂直方向上的空间变异性，在流域尺度 上对土壤水分特征盐线进行准确预测相当困难。 因此，必须寻求一个在不同水分含量下都能与土壤基质吸力密切相关的土壤物 理特性，利用该物理特性与土壤水分及土壤基质吸力之间的关系得到一条土壤水分 青岛大学硕士学位论文 特征曲线，并且能够在野外区域尺度范围内空间和时间上进行土壤水分特征曲线的 测定。 电阻率法，作为地球物理手段中常用的方法，能够以非扰动的形式，通过在土 壤表面一次性布设电极，就能够获得区域尺度上，地下多孔介质的电阻率在空间上 分布，还能达到长期监测的目的。土壤电阻率是土壤各物理特性的综合表征，能够 反映土壤水分含量、孔隙度、饱和度、渗透系数及土壤基质吸力等情况【2 吲。本研究 利用电阻率法，得到了电阻率基质吸力模型，为基质吸力的预测提供了新的方法。 通过对电阻率法预测土壤水分特征曲线的研究，为电阻率法在区域尺度上的空间和 时间上对土壤水分特征曲线进行较为准确的测定提供了方法和可靠的依据，解决了 土壤在水平和垂直方向上空间变异性对土壤水分特征曲线测定所带来的困难，为监 测和管理化学物质和水分在非饱和土壤中空间和时间上的运移行为提供准确和可 靠的模型参数，能够更好地管理这些已进入地下环境中的化学物质，使其对地下水 的潜在危害降到最低限度，同时对田间水分的管理也具有重要意义。 1 2 电阻率法的基本理论 1 2 1 电阻率法的原理 使用电阻率法勘测的目的就是为了得到土壤电阻率在空间上的分布情况。人 为地向地下通电，然后测量两电极之间的电势差。电势差体现的是地下土壤的异质 性和电阻率特性【9 】。土壤的电阻率是土壤的各种物理性质的表征【4 】。电阻率法勘测 过程中，地下电流的分布状况与所勘测的地下介质的性质有关，导电性越好，其电 流密度越大。 由欧姆定律知，一个圆柱导电体的电阻r ( q ) 可由通过它的电流，0 ) 和其两端 的电势差u ( y ) 来表示： r ：u i 1 - 0 ) 一个物体的导电性能，既可以用电阻率p ( q m ) 还可以用电导率仃两一1 ) 来表 示。电阻率p ( q 朋) 的计算方法： p ：尺( 粤) l 2 1 - ( 2 ) 第一章绪论 其中：r 为该物体的电阻( q ) ；a 为物体的横截面积，即通过电流的横截面 积( m2 ) ；l 为物体的长度，即通过电流的长度( m ) 。 电导率仃渤一1 ) 为电阻率p ( q 肌) 的倒数，即： 1 仃= 一 p 1 - ( 3 ) 若电流电极安置在土壤表面( 如图1 1 ) ，在地下土壤是匀质各向同性的条件下， 电位等势面是个半球面【1 0 1 。 图1 1电流在各项同性土壤中的分布 距电极为厂的球面上的电流密度j ( a m 2 ) 可表示为： ，= 嘉 z 厶nf 半径为，处的等势面的电势u ( v ) 为： u ：旦 2 7 r ， l - ( 4 ) 1 - ( 5 ) 电阻率法的测量通常有4 个电极：两个供电电极a 和b ，两个测量电极m 和n ( 图1 2 ) 。由a 、b 电极向地下供电流，在电极m 、n 之间测得电位差u 。 3 青岛大学硕士学位论文 图1 2电阻率法测量原理示意图 m ，n 之间的电位差u = 删一) 一 川一u 删) ，即： u ：丛f ，上一上一上+ 土、1 2 j r 心枷r 喇r a nr b n1 式中：勺为i 点与_ ，点之间的距离，即各电极之间的距离。 由上式可得土壤电阻率为： p = 2 万等匕一上i b m 一古+ 古) - 1 = k 等 1 - ( 6 ) 1 - ( 7 ) 其中k ：2 7 r ，上一上一土+ 上 一，为装置系数，与四个电极a ，b ，m ，n r 删 r b mr n r 8 n ) 的排列位置有关。 根据测量的实际需要，供电电极( a 和b ) 、测量电极( m 和n ) 既可以插入 n + - 壤的表面，又可以埋入土壤中。把电极埋入土壤的方法能在深度上得到更高的 分辨率1 1 1 。在实验室测量中，电极插入土壤的深度可以是任意的，这并不影响实验 室尺度的研究【1 2 】。 1 2 2 土壤电阻率与土壤物理性质之间的关系 土壤电阻率是土壤一系列特性的总体表征，包括土壤的机械组成、孔隙大小及 其分布情况、孔隙水的电阻率、含水量、渗透系数、基质势和温度等。电阻率法实 验就是要建立土壤电阻率与土壤各物理性质之间的关系。 4 第一章绪论 电流在土壤中的传导路径有两条：( 1 ) 通过孔隙水传导；( 2 ) 通过土壤颗粒表 面上的阳离子传导。因此控制土壤导电性能大小有两个主要参数：一是孔隙水饱和 度、含盐量及孔隙连接状况，二是颗粒表面吸附特性和颗粒之间的连接特性。影响 土壤电阻率的因素很多，如土壤颗粒的成分及排列、孔隙率与结构特征、孔隙水的 电阻率、饱和度、温度等。土壤电阻率与以下几种土壤性质之间的关系如下： ( 1 ) 土壤颗粒的成分及孔隙度 在土壤颗粒表面电流的传导受土壤颗粒的大小及其排列影响。盐碱土的电阻率 可以达到l f 2 m ，而附着在结晶岩表面的干土的电阻率可以达到1 0 5 f 2 m1 1 3 j 。粘土表 面存在双电层，双电层中的阳离子与阴离子对电流的传导有很大贡献。一般认为， 土体中通常存在的阳离子导电能力大小顺序为：n 矿 l i + q 0 i 拍+ c s + m 9 2 + c e + b a 2 + u 2 + a 1 3 + f e 3 + ha0 见一， 3 - ( 3 ) 3 - ( 4 ) 式中：0 是土壤体积含水量；p ，为残余体积含水量；臼。为饱和体积含水量；h 为土壤吸力；为进气吸力；n 为形状系数。 为方便研究，本实验采用参数较少，形式较为简单的g a r d n e r 模型。 3 3 实验数据分析 为了说明研究的准确性和可靠性，我们对实测和模拟结果均进行复相关系数 和均方根误差r m s e 统计分析。 3 3 1 土壤水分特征曲线参数拟合 对“k u 非饱和导水率测量系统”采集的数据结果查看，发现数据可用的有1 号、2 号、6 号、8 号、1 0 号数据，其他的数据结果数值上偏差较大，明显不可用， 造成这种现象的原因有两点：( 1 ) 张力计与土样接触不好，实验过程中，数值变化 不大：( 2 ) 天气较干燥，加之白天实验室内人员流动大，导致室内空气流动较大， 致使土样开裂较快，导致张力计部分暴露在空气中影响了测量结果。 对可用的数据，采用g a r d n e r 模型进行拟合，拟合结果见表3 1 ： 表3 1g a r d n e r 模型参数拟合结果 2 8 青岛大学硕士学位论文 鲁 o 竹昌 。 啦： * 缸 鼷 肇 ，_ 、 竹吕 之 竹巨 o 、_ 一 删 * 把 蛙 o3 8 o 3 7 基质吸力( c m ) 图3 11 号环刀样的实测曲线与拟合曲线 3 0 04 5 0 06 0 07 基质吸力( c m ) 图3 28 号环刀样的实涓曲线与拟合曲线 弘 第三章土壤水分特征曲线的测定 0 5 0 0 4 9 0 伯 昌 u o 4 7 鲁 o 0 4 4 基质吸力( c m ) 图3 32 号环刀样的实测曲线与拟合曲线 01 0 02 0 0 3 0 04 0 05 0 06 0 07 0 0 8 0 0 基质吸力( c b ) 图3 46 号环刀样的实测曲线与拟合曲线 mu11哪。)蟛*舡 惦 0 0 嘲繁托 青岛大学硕士学位论文 昌 o 昌 。 咖 妥 赶 图3 51 0 号环刀样的实测曲线与拟合曲线 3 3 2 壤土和粘土水分特征曲线的确定 ( 1 ) 壤土水分特征曲线的拟合确定 对壤土环刀样1 号和8 号拟合结果取其平均值且保留两位有效数字，可得 a = o 4 3 ，b = 0 0 3 8 。得到壤土的水分特征曲线： 0 ：0 4 3 h 加0 3 8 3 l 3 - ( 5 ) 第三章土壤水分特征曲线的测定 p 目 之 3 拯 * 把 图3 6 壤土水分特征曲线与实测值对比图 拟合分析所得壤土水分特征曲线与实测值对比见图( 图3 6 ) 。该模型与实测值 吻合较好，说明该模型能够表征壤土水分特征曲线。 ( 2 ) 粘土水分特征曲线的拟合确定 对粘土土样2 号、6 号和1 0 号环刀的拟合结果取平均值且保留两位有效数字， 得到a = o 5 4 ，6 = 0 0 2 7 ，可得到第二层粘土水分特征曲线： 乡：0 5 4 h - o 0 2 7 3 2 3 - ( 6 ) 青岛大学硕士学位论文 竹e u u 啦； * 缸 基质吸力( c m ) 图3 7 粘土水分特征曲线与实测值对比图 拟合分析所得粘土水分特征曲线与实测值对比见图( 图3 7 ) 。该模型与实测值 吻合也较好，说明该模型能够体现粘土水分特征曲线。 3 3 青岛大学硕士学位论文 第四章土壤电阻率和含水量相关性分析 本实验对用土柱取的原状土进行二极法测量，即在土柱两端进行电压的测量。 在二极法测量过程中，对土柱两端的铜片施加一定的压力，尽量使其与所装土样接 触良好，以减少接触电阻。对所装土样盒的土样，进行四极法测量，即测量的电压 是插入土样中的两测量电极之间的电压。 4 1 电阻率测量和土壤水分含量测定 4 1 1 土柱的电阻率测量和含水量测定 本实验首先采用了两相电极法对所取土柱进行电阻率的测量，均采用交流电法 测量，为土样提供电流的为2 8 v 的交流电适配器。 由于所取原样土已接近饱和，在土柱自然变干的过程中测量土柱的电阻率和其 所应用的含水量。每次测量，须用天平称出土柱的质量，然后再用万用表测量该土 柱两端的电压和通过土柱的电流，记录数据即可。让土柱在自然条件下蒸发变干， 2 4 小时后再测量一组数据。土柱的体积含水量是根据土柱的初始含水质量与土柱前 后两次的质量变化计算出来的，公式为： ? ，。 t t 口：m o - ( i m 芦o - m j ) ：_ t ：j ，j ；l _ ( 1 ) 其中：m 。为土柱初始含水质量，可由土柱体积和初始体积含水量求得； 肘。为第一次土柱称重的质量；m 为第f 次土柱称重的质量。 土柱的电阻率计算： u 彳 p = 了z 其中：三是整个土柱的高度；彳是土柱的横截面积。 4 1 2 土样盒的电阻率测量和含水量测定 4 一( 2 ) 四极法测量，是针对装填的土样盒进行的测量电阻率的方法。首先对取回来的 壤土，碾碎过2 0 目筛( 孔径为0 8 3 m m ) ，在1 0 5 c 温度下烘干。土样盒规格为长x 宽x 高= 2 2 c - m x 3 e r a x，可计算出土样盒的体积为2 6 4 0 n 3 , ，按照容重胪1 6 5 9 , c m ， ，3 4 第四章土壤电阻率和含水量相关性分析 计算出所需装干土量为4 3 5 眙。分别填装到1 - 6 号土样盒，在层层填装过程中， 每一层都要压实再填装下一层。然后慢慢加水至饱和。在饱和过程中，所装土壤开 始膨胀，并且溢出土样盒，饱和过程失败。 采用先加水使土样饱和再装土样盒的办法进行装土。同样通过计算得出每 4 3 5 6 9 的干土所需加水量为13 7 6 9 ，配制均匀后装入7 1 2 号土样盒。装土前，在 土样盒两端放入大小合适的铜片作为通电电极，装土过程中使土样与铜片电极接触 良好。在距土样盒两端各有5 c m 处分别居中插入一个长为4 c m 的铜针作为测量电极， 插入深度为3 c m 。 填装好土样盒及安装好电极后，给其称重并记录数据。连接电路，把电压加在 土样盒两端的铜片电极上，然后用万用表分别测量两电极间的电压及整个电路中所 流通的电流大小，即通过土样盒的电流大小，并记录数据。保持室温在2 0 ，让土 样自然蒸发变干，每隔两个小时给土样盒称重一次，发现质量变化在2 3 9 左右， 说明土样含水量减少了2 - - 3 9 左右，故可把2 小时当作一个测量周期。每天早上8 点打开空调，调节温度到2 0 ，由于土样盒温度变化较慢，此时并不急于测量，而 是等到l o 点开始测量，保证了土样盒的温度在2 0 c ，减少了每次测量时温度对电 阻率的影响。每隔2 小时测一次，直到晚上8 点，每个样一天共测6 组数据。在土 样盒自然变干的过程中，发现土样有微缩现象，使得土样与两端电极片接触不够紧 密，导致接触电阻变大，使得实验数据不够准确。虽然在两端插入多个电极片使其 与土样接触紧密，但是当含水量减小到一定程度，土样电阻较大，所测电压和电流 也变得很小，因读数引起的误差较大，停止测量，此时实验过程中共得到3 2 组数 据。 4 2 电阻率和含水量相关性分析 为了描述电阻率和含水量之间的关系，可以用阿尔奇经验公式3 1 ： 墨：俐抽 lp 4 - ( 3 ) 其中，是土壤水分饱和度( ：旱) ；风为土壤1 0 0 饱和时的电阻率；p 为实测 9 土壤的电阻率；疗为经验常数，又称为饱和度指数，其取值随岩石类型的不同而不 同，并且变化范围在1 0 - 2 5 之间【7 0 1 。 用土壤饱和时的电阻率与实测土壤电阻率的比值，作为一个整体来处理，消除 了土壤孔隙水电阻率、孔隙结构和土壤颗粒组成等对拟合结果的影响，大大简化了 3 5 青岛大学硕士学位论文 电阻率法求取含水量在非饱和土壤中的应用，也为电阻率法估计土壤水分特征曲线 提供了可靠的便捷的研究手段。 壤土的孔隙度为0 3 7 8 ，根据公式4 ( 3 ) 可得到电阻率- 含水量模型： 8 俐伽 对所测数据，用l s t o p t 软件进行拟合电阻率含水量模型参数的拟合： 4 2 1 二极法测量数据拟合分析 4 - ( 4 ) 对土柱所测数据，用l s t o p t 软件进行拟合。l s t o p t 软件拟合出的风在4 0 q m 左右，刀值在1 1 3 3 4 之间，其n 值的变化在1 1 左右，相关系数r 在0 6 左右。 对粘土土柱的拟合结果极差，复相关系数f 较小，r m s e 均较大，用改模型拟合明 显失败。验证了该模型对粘土类型的不适用性，这可能与粘质土壤的固体颗粒表面 所带电荷对土壤电阻率的影响较大。颗粒表面的导电性对土壤电阻率有较大影响， 但对于土壤基质吸力有怎样的影响，目前还不清楚，有待于进一步的研究。这里不 再对粘土的相关实验做继续的探讨和研究。 对壤土土柱的拟合结果分析发现，土柱内径越大，拟合出的风和接近饱和的电 阻率相差相差越大，这说明两级法测量引起的接触电阻较大且有较大的波动，结果 不够准确。拟合效果不理想，除了接触电阻较大之外，绝大一部分原因在于用自制 的有机玻璃管取原状土的困难：( 1 ) 有机玻璃管的厚度太薄，抗敲击力不强，易破 裂；管壁太厚，土柱进入土壤的阻力就大，需要较大的敲击力，势必会震动较大， 破坏了土柱的自然特性。( 2 ) 土柱管壁不够光滑湿润，取样过程中的摩擦阻力使土 样出现了许多环状裂纹，使土样的孔隙度变大。 4 2 2 四极法测量数据拟合分析 对7 1 2 号土样盒所得的电阻率及体积含水量的数据，用l s t o p t 软件，采用麦 夸特法和通用全局优化法结合的算法拟合，拟合结果见表4 1 ： 3 6 第四章土壤电阻率和含水量相关性分析 由上表可以看出，实测值均比拟合值要大，这是因为在实际测量中，土样盒两 端供电电极及测量电极与土样的接触，产生的接触电阻所导致的，测量结果要大于 真实值。该测量结果再与二极法相比较，四极法产生的接触电阻要远远小于二极法。 二极法产生的接触电阻较大，在定量分析中不可用忽略。因此，四极法较二极法有 较大的优势。 拟合效果较好的为7 号、9 号和1 2 号。分析拟合结果不完全一样的原因主要是 因为所装土样盒之间的差异。在装土样的过程中，不同的土样盒之间难免有压实情 况不同，会导致孔隙度有差别，并且所装土样的量也是会有差异的。这些都不是不 可避免的土样间差异。 取7 号、9 号和1 2 号拟合参数值，可得风= 1 7 5 8 1 4 8 7 0 m ，m = 1 0 7 0 0 4 7 3 ， 参数取平均值，可得电阻率含水量的模型： 删刀8 吲埘 3 7 4 - ( 5 ) 青岛大学硕士学位论文 竹吕 u 勺 o 、- 一 嘲 缸 桧 蛏 0 4 0 0 3 5 0 3 0 0 2 5 0 2 0 0 1 5 0 1 0 0 0 5 0 0 0 t 壤电阻率值( qm ) 图4 1电阻率一含水量模型曲线与实测值对比 土样实测值与该模型曲线对比( 图4 1 ) ，发现该曲线能很好的代表电阻率和含 水量的定量关系，拟合参数可靠。 3 8 青岛大学硕士学位论文 第五章电阻率法预测土壤水分特征曲线 5 1 土壤电阻率和土壤基质吸力相关性分析 本研究试图通过含水量的变化来探讨粘质土壤电阻率和基质势的相关性，但实 验失败。 利用土样盒的电阻率含水量实验所得数据，与搿k u 非饱和导水率测量系统一 所测得的壤土水分特征曲线相结合来探讨土壤电阻率和土壤基质吸力在数量上的 关系。为了降低转换中的误差，将崔k u 非饱和导水率测量系统一所测得的含水量 带入所得电阻率含水量模型，从而获得与土壤基质吸力相对应的电阻率。根据 g a r d n e r 公式和a r c h l e 公式，推出了土壤基质势电阻率模型： 胁蚓， 其中：a 为土壤的饱和电阻率：及、多为拟合参数。 通过对实验数据的拟合计算，得到了壤土的电阻率和土壤基质吸力的关系： 心7 ( 志) 埔瑚 计算值l 型盒堕垡j 。 j 1 ：j l ，61 8 0 ， 图5 1电阻率崔质吸力拟合曲线与计算值比较 3 9 5 - ( 1 ) 5 - ( 2 ) 第五章电阻率法预测土壤水分特征曲线 该公式的得出为用电阻率法求取土壤基质吸力提供了一种新方法。利用电阻率 法预测土壤基质吸力，能够在区域尺度范围内，通过一次性布设电极，在空间上预 测非饱和土基质势的值，尤其是在工程地质中勘查边坡的稳定性方面，带来了目前 其他方法无法比拟的优越性。 5 2 电阻率法预测土壤水分特征曲线 鉴于土壤水分特征曲线在实际工作中获取非常困难和繁琐，本研究通过研究电 阻率法得到非饱和土基质吸力与电阻率的定量关系，这就为用电阻率法估计土壤水 分特征曲线提供了可能。 通过实验和分析，我们分别得到了电阻率含水量和电阻率基质吸力之间的模 型，利用电阻率法结合这两个模型，我们就能分别获得同一空间位置上的含水量和 其对应的基质势，进而我们就可以估计出同一种土壤类型下的土壤水分特征曲线。 结合土壤电阻率含水量模型和土壤电阻率基质吸力模型，通过含水量这一中 间量，得到了同一电阻率下对应的土壤基质吸力和含水量的值。 图5 2 同一土壤屯驵率下对应的含水量和基质吸力 青岛大学硕士学位论文 0 1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 0 基质吸力( c m ) 图5 3 预测曲线与实测曲线对比 对同一电阻率下的土壤基质吸力与含水量进行拟合分析，预测出土壤水分特征 曲线。得到的预测曲线与实测的壤土水分特征曲线进行对比( 图5 3 ) 发现，两条 曲线几乎一致，这表明利用土壤电阻率来估计土壤水分特征曲线是可行的。利用电 阻率法来预测土壤水分特征曲线，不仅拓宽了电阻率法的应用，更重要的是能够得 到尺度上，空间和时间上的较为准确的土壤水分特征曲线，这将为土壤水分特征曲 线的预测带来革命性的改变，具有重大的实际意义。 4 1 第六章结论和展望 6 1 结论 第六章结论和展望 本文以青岛市即墨市蓝村镇王家屋子村后田间土壤为研究对象，对其分别进行 电阻率与含水量、含水量与基质势的测定。本研究分别对粘土和壤土的电阻率特性 与水分特征曲线相关性进行分析。由于粘土颗粒表面的导电性对实验的影响较为复 杂，对粘土电阻率与含水量的定量关系研究失败。针对壤土，利用电阻率法预测出 了其土壤水分特征曲线，并且探讨了该方法的有效性。 通过对壤土电阻率与含水量的数据分析，拟合出了壤土在饱和时的电阻率风值， 与实测值进行比较分析，结果吻合，说明拟合有效。把实验过程中所测定的土样电 阻率p 与土壤饱和电阻率风的比值作为一个有效整体来进行分析，剔除了土壤的孔 隙度、孔隙结构、颗粒的排列组成、有机组成、孔隙水电阻率等对实验结论的影响， 增强了结论的适用性，同时去除了应用过程中对土壤孔隙水电阻率测定的困难和繁 琐，提高了实验操作的便捷性。在此基础上，进行了电阻率和基质吸力之间的相关 性关系，并且用电阻率法得到了壤土水分特征曲线，为土壤水分特征曲线的求取提 供了一种新方法，使得在区域尺度空间和时间上获得较为准确可靠的土壤水分特征 曲线成为可能，同时也拓展了电阻率法在土壤学中的应用。主要结论如下： ( 1 ) 得到了壤土和粘土的水分特征曲线，为获得非饱和导水率、土壤水分状况、 永久萎焉点等一系列重要的土壤物理参数提供依据，为预测土壤溶质运移行为及管 理田间水分提供参考。 ： ( 2 ) 获得了壤土的电阻率含水量模型中参数刀值和土壤饱和电阻率风值，为 电阻率法的应用研究提供参考。验证了该电阻率含水量模型不适用于粘土类型的土 壤，在土壤电阻率定量关系的研究中，粘土颗粒表面的导电性对土壤的导电性是不 可忽略的。设计出的实验室内土壤电阻率四极法测量简易装置，使实验室内对土壤 电阻率研究更为方便。 ( 3 ) 提出了土壤的电阻率基质吸力模型。利用该模型，可以根据土壤的电阻 率值来预测土壤的基质吸力，为土壤学、水文地质学和工程地质学中预测基质吸力 提供了一种新的方式。 ( 4 ) 为土壤水分特征曲线的测定发展了一种新方法。利用电阻率法求取土壤水 分特征曲线，能够以非扰动的方式，方便有效地在区域尺度上，获得空间和时闻上 的土壤水分特征曲线，同时也能够解决土壤在水平和垂直方向上的空间变异性对土 壤水分特征曲线测定所带来的困难。 青岛大学硕士学位论文 6 2 研究展望 就本研究所做的工作及在工作中体会到的不足，需要在以下几方面进行进一步 探讨和研究f ( 1 ) 要想更准确地研究电阻率和基质势之间的定量关系，还需要进一步研究残 余含水量对电阻率的影响，并且要在全范围土壤水分特征曲线方面进行研究。有研 究表明【2 l 】，在低含水量的状态下，很小的含水量变化能够引起土壤电阻率较大的变 化，这种变化显著高于高含水量区域的变化情况。这是否与残余含水量有关，这个 变化的拐点是否与土壤水分特征曲线的拐点一致，还需要进一步探讨。 ( 2 ) 电阻率含水量模型中的饱和度指数n 与土壤类型有关，同一种土壤的疗 值是不变的，其取值变化有一定的范围。那么电阻率基质吸力模型中的参数卢是否 也与土壤类型有关，同一种土壤类型，其参数值是否变化。 ( 3 ) 所得到的电阻率含水量模型是否适用于其他的土壤类型，有待于进一步 验证和研究。 ( 4 ) 发展新的电阻率法测量技