王瑞燕尹 濤胡盈盈高 鵬趙庚星陳紅艷

（1 土肥資源高效利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，山東泰安 271018）

（2 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東泰安 271018）

基于低頻探地雷達(dá)的土壤累積入滲量的探測(cè)方法研究*

王瑞燕1，2尹 濤2胡盈盈2高 鵬2趙庚星1，2陳紅艷1，2

（1 土肥資源高效利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，山東泰安 271018）

（2 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東泰安 271018）

農(nóng)田尺度上土壤累積入滲量的準(zhǔn)確獲取是目前土壤入滲研究中的難題。通過土工模擬和灌水實(shí)驗(yàn)，探討利用低頻探地雷達(dá)（GPR）技術(shù)探測(cè)土壤累積入滲量的方法。在分析灌水前后GPR剖面特征的基礎(chǔ)上，分別構(gòu)建和對(duì)比了基于波速法和振幅法的土壤累積入滲量計(jì)算模型。結(jié)果表明，基于振幅的探測(cè)模型在精度和穩(wěn)定性方面均優(yōu)于波速法，反射波振幅模型精度高于地面波模型，利用反射波波谷1構(gòu)建的累積入滲量的GPR探測(cè)模型的決定系數(shù)達(dá)到0.96。因此，使用低頻探地雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤累積入滲量的準(zhǔn)確探測(cè)。研究結(jié)果為農(nóng)田尺度上土壤累積入滲量的探測(cè)方法提供了一種新思路，同時(shí)，也為GPR在土壤學(xué)領(lǐng)域中的進(jìn)一步應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)。

低頻探地雷達(dá)（GPR）；土壤累積入滲量；無損探測(cè)

土壤入滲一般是指水自土表垂直向下進(jìn)入土壤的過程，是水文循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，它決定著降水或灌溉水進(jìn)入土壤的數(shù)量［1-2］。累積入滲量是降水或灌溉過程中的土壤入滲總量，即地表水轉(zhuǎn)化為土壤水的總量，田間灌溉量的設(shè)計(jì)，鹽漬土洗鹽量的控制等均關(guān)系到土壤累積入滲量的計(jì)算［3］，是重要的土壤入滲參數(shù)之一。傳統(tǒng)測(cè)量土壤入滲量的方法主要包括雙環(huán)法、圓盤入滲儀法、人工降雨法、降雨入流積水法、降雨入流產(chǎn)流法和線源入流測(cè)量方法等，但這些方法在野外使用時(shí)，存在耗費(fèi)體力和時(shí)間較多、需水量大且空間連續(xù)測(cè)量困難等弊端［4-8］，亟待研究能在一定的空間范圍內(nèi)快速連續(xù)測(cè)定土壤累積入滲量的方法。

探地雷達(dá)（Ground Penetrating Radar，GPR）是用高頻無線電波來確定介質(zhì)內(nèi)部物質(zhì)分布規(guī)律的一種探測(cè)方法［9-10］。由于GPR具有對(duì)液態(tài)水的敏感性，近二十年的研究表明，GPR特別適合于監(jiān)測(cè)近地面土壤含水量的變化［11］，因此，GPR能對(duì)研究土壤入滲過程提供一種非破壞性的監(jiān)測(cè)手段［12］。許多學(xué)者在探地雷達(dá)監(jiān)測(cè)土壤入滲方面做了很多富有價(jià)值的研究。Saintenoy等［13］通過在沙子中進(jìn)行地下滲灌實(shí)驗(yàn)，利用GPR記錄的剖面圖，分析監(jiān)測(cè)了水分濕潤(rùn)區(qū)的上下界線。Mangel等［14］使用多補(bǔ)償GPR，通過往沙箱中注水實(shí)驗(yàn)分析水文足跡。Léger等［15］基于高頻GPR雷達(dá)天線記錄的水分入滲過程中濕潤(rùn)鋒反射波的旅行時(shí)間為特定沙壤計(jì)算了一整套水力參數(shù)。這些研究大多是利用高頻GPR圖像的剖面特征分析土壤水在低耗介質(zhì)中的擴(kuò)散范圍，有關(guān)土壤入滲累積量的GPR定量探測(cè)研究較少，尤其是在有耗介質(zhì)土壤中的研究更是少見。土壤入滲量本質(zhì)上是由于地表水下滲導(dǎo)致的土壤含水量的增加，有關(guān)土壤含水量的GPR探測(cè)，目前的GPR技術(shù)是通過獲取電磁波在土壤中的運(yùn)行時(shí)間、波速等信息來估計(jì)土壤的介電常數(shù)，進(jìn)而利用土壤介電常數(shù)和土壤含水量的經(jīng)驗(yàn)公式或半理論關(guān)系式如Topp公式等來計(jì)算土壤的含水量［16-19］。目前，土壤含水量GPR探測(cè)是針對(duì)穩(wěn)態(tài)條件下土壤中的含水量，多是采用波速法。而土壤入滲卻蘊(yùn)含著土壤水的運(yùn)動(dòng)，這是與傳統(tǒng)土壤含水量GPR探測(cè)不同的地方。此外，目前研究結(jié)果表明，在估測(cè)土壤表層0～20cm含水量時(shí)，高頻探地雷達(dá)精度高于低頻雷達(dá)［20-21］。但是，當(dāng)有效降水進(jìn)入土壤后，土壤水開始向下入滲并進(jìn)行分配，土壤水分入滲不局限于土壤表層，因此土壤累積入滲量探測(cè)時(shí)，需要使用低頻雷達(dá)。鑒于土壤入滲的上述特點(diǎn)，目前適用于探測(cè)土壤表層含水量的波速法能否運(yùn)用于低頻GPR對(duì)土壤累積入滲量的探測(cè)尚未可知，需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和探索。因此，本文通過模擬灌水實(shí)驗(yàn)，獲取GPR數(shù)據(jù)，在分析累積入滲量的GPR剖面特征基礎(chǔ)上，探索適用于低頻GPR的準(zhǔn)確反演土壤累積入滲量模型的構(gòu)建方法，為低頻GPR在土壤入滲參數(shù)的獲取方面提供方法支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在山東省泰安市山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院實(shí)驗(yàn)站（36°18′N，117°12′E）進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)的土壤類型為棕壤，質(zhì)地為黏壤土，在試驗(yàn)站內(nèi)采集耕層（0～60 cm）土壤240 kg，混合均勻，將供試土壤全部風(fēng)干，過5mm篩備用。混合后的土壤的基本理化性狀為：全氮0. 51 g kg-1，有機(jī)質(zhì)10. 1 g kg-1，堿解氮46. 3 mg kg-1，有效磷22. 5 mg kg-1，速效鉀57.8 mg kg-1，pH 7.27。黏粒15.3%，粉粒44.7%，砂粒40.0%。

采用木制土槽進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。低頻雷達(dá)的探測(cè)深度較深（＞10m），但考慮到模擬實(shí)驗(yàn)的土工量、作物的根系活動(dòng)層深度，將土槽尺寸設(shè)計(jì)為：長(zhǎng)（200 cm）×寬（100 cm）×高（100 cm）。為了模擬土壤分層特性，將模型設(shè)計(jì)為兩層：土體模型高90cm，箱體底部鋪設(shè)厚度為16cm的濕土層，土壤濕度為32%。其上覆蓋74cm的自然風(fēng)干土，土壤濕度為3.1%。箱底下面為水泥地，將其作為計(jì)算波速的反射界面。分層填裝試驗(yàn)土壤，將每層土壤放入土槽內(nèi)并整平，壓實(shí)到設(shè)計(jì)厚度并將裝好的土層用工具打毛，再裝入上一層土壤。覆土結(jié)束后靜置24h后在其表面進(jìn)行模擬降水的灌水實(shí)驗(yàn)，為了研究累積入滲量，濕潤(rùn)土層深度小于干土層。灌水使用去離子水，噴灑方式，均勻噴灑，按1.65L的增量（換算為土壤體積含水量為0.21%）多次灌水，共構(gòu)成0、1.65、3.3和4.95L四個(gè)灌水梯度，灌水后自下而上形成濕土、干土和濕土三層土體模型，每次灌水結(jié)束后，靜置，等土面看不到明水后，進(jìn)行GPR掃描，掃描結(jié)束后，測(cè)量土壤入滲層深度。

1.2 GPR數(shù)據(jù)采集及圖像預(yù)處理

GPR數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為加拿大 Pulse-EKKO 低頻探地雷達(dá)，頻率為250 MHz，介質(zhì)參數(shù)設(shè)置為壤土，采樣間隔0.6 ns?？紤]到農(nóng)田尺度上的應(yīng)用，GPR采集采用固定間距法。采樣時(shí)窗根據(jù)下列公式計(jì)算：

式中，D表示預(yù)期能達(dá)到的探測(cè)深度，m；V為土壤介質(zhì)中的平均雷達(dá)波速度，m ns-1；W為采樣時(shí)間窗，ns。

實(shí)驗(yàn)中，探測(cè)深度為1m；隨著土壤入滲過程的進(jìn)行，土壤含水量增加，土壤介質(zhì)的平均雷達(dá)波速度在變化，根據(jù)從干土到最后灌溉實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)對(duì)應(yīng)的雷達(dá)波速和TOPP模型，得出波速變化范圍為1.66 m ns-1～1.18 m ns-1，對(duì)應(yīng)的時(shí)窗分別為2.2 m和1.57 m。

為了驗(yàn)證探測(cè)模型精度，每次灌水結(jié)束后，分別采用2.2 m和1.57 m兩個(gè)時(shí)窗進(jìn)行掃描，共獲得兩組試驗(yàn)樣本，每組4個(gè)樣本，除含水量外每組控制變量屬性均相同。

調(diào)整好雷達(dá)波的起點(diǎn)后，雷達(dá)的發(fā)射天線和接收天線以固定間距沿測(cè)線同步移動(dòng)，為了避免周圍容器壁的反射所造成的影響，測(cè)線盡量沿模型的中間緩慢前進(jìn)。系統(tǒng)自動(dòng)記錄和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，每次探測(cè)操作重復(fù)三次。土工實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，選用GPR隨機(jī)的EKKO-View和EKKO-View Deluxe軟件進(jìn)行去直流漂移、靜校正、增益等雷達(dá)數(shù)據(jù)預(yù)處理。

1.3 基于波速法的累積入滲量估算

GPR剖面特征顯示，隨著土壤入滲量的增加，水泥反射界面以上的土體介電常數(shù)增加，波速降低，參考目前常用的估算土壤體積含水量的Topp模型，構(gòu)建土壤累積入滲量與介電常數(shù)的關(guān)系模型如下：

式中，g為土壤累積入滲量；ε為介電常數(shù)。

對(duì)于大多數(shù)的低耗土壤，介質(zhì)介電常數(shù)ε可由下式給出：

式中，c為電磁波在空氣中的傳播速度，值為3.0×108ms-1。υ為電磁波在從地面到水泥反射面的傳播速度（m ns-1）。

在已知水泥反射介質(zhì)深度h（m）的情況下，根據(jù)電磁波傳播理論，可以得到電磁波傳播速度υ（m ns-1）：式中，t為雷達(dá)波從地面到水泥反射面的走時(shí)（ns），h為水泥界面距地面的深度（m）；

1.4 基于振幅的土壤累積入滲量的探測(cè)方法

雷達(dá)波在傳播過程中，遇到不同電性介質(zhì)界面時(shí)，電磁波會(huì)發(fā)生反射，經(jīng)由雷達(dá)接收天線接收并記錄下來，電性差異越大，振幅的變化也會(huì)越大。隨著土壤累積入滲量的增大，雷達(dá)回波振幅隨之發(fā)生變化，根據(jù)這一現(xiàn)象，本文選擇地面波和反射波的波峰振幅、波谷振幅以及波峰與波谷的距離等幾個(gè)振幅參量考察振幅與土壤累積入滲量的關(guān)系，其中波峰到波谷的距離示意圖如圖1所示。首先對(duì)振幅參量與土壤累積入滲量進(jìn)行相關(guān)分析，然后通過相關(guān)系數(shù)選擇對(duì)土壤累積入滲量敏感的回波振幅參量，最后根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析擬合兩者的關(guān)系，構(gòu)建土壤累積入滲量的振幅探測(cè)模型。

圖1 電磁波波峰到波谷的距離示意圖Fig. 1 Distance from peak to trough of electromagnetic wave

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Microsoft Excel 2013計(jì)算探地雷達(dá)平均走時(shí)和振幅，繪制GPR剖面圖，并進(jìn)行建模和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤入滲的GPR剖面特征

為了消除箱壁和土壤間隙引起的優(yōu)先流對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響以及模型箱壁對(duì)雷達(dá)波的干擾，將預(yù)處理后的雷達(dá)數(shù)據(jù)去除左右各5道雷達(dá)數(shù)據(jù)后取均值作為每個(gè)樣點(diǎn)的GPR剖面，灌水前后的GPR剖面如圖2所示。

灌水前GPR剖面圖顯示，低頻雷達(dá)振幅較強(qiáng)，地面直達(dá)波的波谷值接近15 000，隨著雷達(dá)波向下傳播，能量逐漸衰減，20 ns之后能量很弱。在約10 ns處形成明顯的波形跳動(dòng)，這個(gè)層次對(duì)應(yīng)土體中的干濕界面。水泥界面在12 ns附近。兩種時(shí)窗的波形有所差異，但振幅的基本規(guī)律維持不變。

不同灌水量的GPR剖面圖顯示，隨著灌水量的遞增，地面波振幅增加。灌水后干濕界面形成的反射波的相位相比于灌水前上移，隨著灌水量的增加，界面也隨之向上移動(dòng)，這是由于灌水后，土壤表層濕潤(rùn)，與下面的干土層構(gòu)成了一個(gè)新的層面即濕-干界面，在該界面上電磁波也會(huì)產(chǎn)生反射，該反射波與下層的干濕界面的反射波疊加，從而造成干濕界面反射波的上移，隨著灌水量的增多，濕-干界面的反射增強(qiáng)，因此干濕界面逐漸上移，同時(shí)振幅逐漸增大。在2.2 m時(shí)窗下，灌水量為1.65 L時(shí)，水泥界面的走時(shí)有微量增加，但當(dāng)灌水量增加至3.3 L和4.95 L時(shí)，水泥界面的走時(shí)不增反降，1.57 m時(shí)窗情形與之類似。水泥界面的振幅變化較為明顯，波谷值和波峰值隨著灌水量的增多而增大，這是由于隨著灌水量的增大，水泥界面上方的含水量增大，介電常數(shù)增大，波速變慢，走時(shí)增加，界面下移，但是在其上方干濕界面的上移帶動(dòng)下，水泥界面也隨之上移，電磁波走時(shí)減少，隨著灌水量的增加，干濕界面的上移幅度超過了波速的降低程度，因此水泥界面產(chǎn)生小幅上移。

2.2 基于波速法的累積入滲量的探測(cè)精度

采用波速法計(jì)算2.2 m時(shí)窗和1.57 m時(shí)窗的累積入滲量對(duì)應(yīng)的介電常數(shù)，并擬合兩者關(guān)系，結(jié)果如表1所示，兩種時(shí)窗合并后得到的總樣本的擬合關(guān)系如圖3所示。

圖2 灌水前后雷達(dá)剖面圖Fig. 2 GPR profiles of the soil before and after irrigation

表1 不同時(shí)窗情況下與土壤累積入滲量對(duì)應(yīng)的GPR走時(shí)、速度、介電常數(shù)及其決定系數(shù)Table 1 GPR travel time，velocity，dielectric constant and determination coefficient corresponding to soil cumulative infiltration relative to time window

從表中可以看出，累積入滲量增大后，介電常數(shù)與累積入滲量并沒有構(gòu)成對(duì)應(yīng)的遞增關(guān)系，兩者的關(guān)系依賴時(shí)窗設(shè)置，不同時(shí)窗的決定系數(shù)差異較大，兩種時(shí)窗合并后形成的總樣本的相關(guān)系數(shù)低，說明該模型的精度低、穩(wěn)定性差，不能準(zhǔn)確反映土壤累積入滲量。

2.3 基于振幅法的土壤累積入滲量的探測(cè)精度

地面波和反射波的振幅與土壤累積入滲量的對(duì)應(yīng)關(guān)系和相關(guān)性最高的決定系數(shù)如表2和表3所示，其中Pd表示地面波波峰，Pr1表示反射波波峰1，Pr2表示反射波波峰2，Gd表示地面波波谷，Gr1表示反射波波谷1，Gr2表示反射波波谷2。Ad表示地面波波峰到波谷的距離，Ar1表示反射波波峰到波谷的距離1，Ar2表示反射波波峰到波谷的距離2。

圖3 介電常數(shù)與土壤累積入滲量的擬合曲線Fig. 3 Fitting curve of dielectric constant and soil cumulative infiltration

從表中可以看出，不同的時(shí)窗設(shè)置下，兩者的相關(guān)系數(shù)略有差異，但兩者的總體規(guī)律不變，相關(guān)系數(shù)低的，在分時(shí)窗及總樣本中的相關(guān)系數(shù)均低，反之，均高，三種情況下，與累積入滲量相關(guān)性高的GPR電磁波的振幅主要包括：反射波波谷1＞反射波波谷2＞地面波波谷，說明電磁波波谷對(duì)土壤累積入滲量變化響應(yīng)最為劇烈，三個(gè)振幅中以反射波波谷1的相關(guān)性最高，在三種情況下決定系數(shù)均在0.96以上，其次是反射波波谷2，這三個(gè)參量與累積入滲量的總樣本擬合關(guān)系見圖4。

通過比較決定系數(shù)的高低，選擇反射波波谷1的振幅作為累積入滲量的建模變量，兩者的擬合關(guān)系如下式所示：

表2 不同累積入滲量對(duì)應(yīng)的地面波和反射波的振幅Table 2 Amplitudes of ground wave and reflection wave relative to soil cumulative infiltration

表3 不同時(shí)窗及總樣本情況下累積入滲量與GPR振幅的決定系數(shù)Table 3 Determination coefficient of cumulative infiltration（R2）and GPR amplitude relative to time windows and total samples

圖4 波谷振幅與累積入滲量的總樣本擬合關(guān)系Fig. 4 Fitting relationship between trough amplitude and total of the soil cumulative infiltration samples

式中，ΔW為累積入滲量（L）；Ar1為反射波波谷1振幅

3 討 論

相比于波速法，基于振幅法的估測(cè)模型可以更準(zhǔn)確地估測(cè)土壤累積入滲量。這與目前土壤含水量的GPR探測(cè)研究結(jié)果有所不同，Wijewardana等［22］用帶有200 MHz天線的GPR系統(tǒng)（脈沖EKKO Pro）測(cè)定菜園土壤（質(zhì)地類型為砂質(zhì)黏壤土）0.1m 深范圍內(nèi)土壤水分含量，采用波速法構(gòu)建的介電常數(shù)與土壤含水量的模型的決定系數(shù)為0.754。Weihermüller等［21］使用450MHz天線的GPR系統(tǒng)對(duì)德國(guó)萊茵省南部農(nóng)田土壤（粉砂質(zhì)黏壤土）1m深范圍內(nèi)土壤含水量探測(cè)實(shí)驗(yàn)表明，采用波速法構(gòu)建的介電常數(shù)與土壤含水量的模型的決定系數(shù)為0.79。周立剛等［20］分別采用1GHz和2GHz頻率的GPR系統(tǒng)探測(cè)土壤模型箱中厚度為0.25m的粉砂質(zhì)黏壤土的土壤水分含量，采用波速法構(gòu)建的兩種雷達(dá)頻率的介電常數(shù)與土壤含水量的模型的決定系數(shù)分別為0.94和與0.97。而本文采用250MHz的探地雷達(dá)，通過波速法構(gòu)建的土壤累積入滲量的探測(cè)模型的決定系數(shù)卻只有0.119，因此，雖然波速法可以用于土壤含水量的探測(cè)，但其用于低頻雷達(dá)探測(cè)土壤累積入滲量卻不理想。分析其原因，土壤累積入滲量的變化，對(duì)土壤的GPR電磁波的影響體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是在土壤剖面的表層形成了濕干界面，二是增加了土壤含水量。GPR介電常數(shù)與土壤體積含水量關(guān)系最為密切，但是當(dāng)探測(cè)的土壤體積較大時(shí)，入滲量的增量對(duì)提升土壤體積含水量作用微弱，本文中入滲量的增量為1.65L，換算為整個(gè)實(shí)驗(yàn)土體中的土壤體積含水量的增量約為0.2%，這樣小的增量，對(duì)介電常數(shù)的貢獻(xiàn)是微弱的，因此，要想準(zhǔn)確計(jì)算土壤累積入滲量，必須準(zhǔn)確獲取介電常數(shù)，然而，由于低頻雷達(dá)的空間分辨率低，無法獲取準(zhǔn)確和穩(wěn)定的波速，因此波速法構(gòu)建的累積入滲量模型精度較低，此外，波速法模型的精度與采樣時(shí)窗設(shè)置密切相關(guān)，隨著土壤累積入滲量的變化，采樣時(shí)窗需要隨之調(diào)整，這樣無疑增加了操作的難度和不確定性。但是由于低頻雷達(dá)具有高能量特性，振幅對(duì)累積入滲量變化響應(yīng)敏感，且與采樣時(shí)窗的設(shè)置無關(guān)，模型的穩(wěn)定性高，構(gòu)建的模型優(yōu)于波速法，因此，在使用低頻雷達(dá)探測(cè)土壤累積入滲量時(shí)應(yīng)使用基于振幅的模型。

在振幅法建模中，基于反射波的建模精度要高于地面波的精度。分析其原因，地面波是由發(fā)射天線橫向傳輸?shù)浇邮仗炀€，它對(duì)空氣和土壤界面的含水量敏感，而天線接收的反射回波是來自土體中，土體中形成的濕潤(rùn)鋒面由于介質(zhì)干濕度的強(qiáng)烈差異會(huì)造成很強(qiáng)的回波能量，而土壤表層含水量的變化相對(duì)緩和，因此反射波對(duì)土壤累積入滲量較地面波更敏感。第二個(gè)原因可能是淺反射對(duì)地面波的干涉，在土壤灌水試驗(yàn)中，當(dāng)灌水量較少時(shí)，會(huì)在土壤表層形成一個(gè)濕土薄層，由于該薄層與下方干土的介電常數(shù)的差異較大，從而對(duì)電磁波形成強(qiáng)反射，該回波信號(hào)與地面波疊加，從而對(duì)地面波產(chǎn)生影響。這與前人的研究結(jié)論一致，Huisman等［23］通過在3 600 m2的農(nóng)田土壤中（質(zhì)地類型為砂壤土）進(jìn)行灌溉實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，利用225 MHz天線和地波方法估計(jì)土壤表層體積含水量時(shí)被高估，他認(rèn)為淺表層反射是造成這一現(xiàn)象的原因之一。

本文所提方法的適宜性可能會(huì)受到計(jì)劃濕潤(rùn)層中的土壤初始含水量的影響。本實(shí)驗(yàn)是利用風(fēng)干土構(gòu)建的土體模型，因此會(huì)在土壤表層濕潤(rùn)后，形成明顯的濕干界面，從而會(huì)有振幅的強(qiáng)烈響應(yīng)，但是，如果在土壤初始濕度較大的情況下進(jìn)行灌水，這時(shí)，濕潤(rùn)后形成的濕干界面不明顯，反射波的振幅變動(dòng)可能不會(huì)對(duì)累積入滲量產(chǎn)生顯著響應(yīng)，因此該模型的使用具有一定的局限性，它適用于土壤初始含水量較小的情況。當(dāng)然，在農(nóng)田灌溉管理實(shí)踐中，只有在耕層土壤缺水時(shí)才進(jìn)行灌溉，這時(shí)灌溉，會(huì)形成明顯的濕干界面，因此，模型還是具有較強(qiáng)的實(shí)踐應(yīng)用性。

4 結(jié) 論

使用低頻探地雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤累積入滲量的定量探測(cè)，基于振幅的探測(cè)模型在精度和穩(wěn)定性方面均優(yōu)于波速法。兩個(gè)采樣時(shí)窗下的波速法和建模法的累積入滲量的精度分析結(jié)果表明，振幅法對(duì)入滲的濕潤(rùn)界面具有明顯的反射能量變化，因此，對(duì)累積入滲量的響應(yīng)更加敏感和明顯，波速法依賴于時(shí)窗和土壤體積含水量。因此，在使用低頻雷達(dá)探測(cè)土壤累積入滲量時(shí)應(yīng)使用基于振幅的模型。就地面波和反射波而言，反射波對(duì)土壤累積入滲量變化的敏感性要高于地面波，這是與高頻探地雷達(dá)不同和需要注意的地方。與高頻雷達(dá)相比，低頻雷達(dá)存在探測(cè)深度大、能量強(qiáng)但分辨率低的特點(diǎn)，盡管濕潤(rùn)層較薄時(shí)，無法精細(xì)探測(cè)其范圍，但在表面灌水情況下，卻可以通過濕干界面上形成的強(qiáng)烈能量反射準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)累積入滲量的探測(cè)。因此利用低頻雷達(dá)實(shí)現(xiàn)土壤累積入滲量探測(cè)是可行的。同時(shí)，本文所提方法更符合自然土壤的剖面特征，適宜性更廣。因此，本研究針對(duì)低頻雷達(dá)應(yīng)用于土壤累積入滲量的探測(cè)提供了一種有效的方法，可為農(nóng)田灌溉管理提供技術(shù)參考。

［1］ 劉目興，聶艷，于婧. 不同初始含水率下黏質(zhì)土壤的入滲過程. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2012，32（3）：871—878

Liu M X，Nie Y，Yu J. The infiltration process of clay soil under different initial soil water contents（In Chinese）. Acta Ecologica Sinica，2012，32（3）：871—878

［2］ 張婧，雷廷武，張光輝，等. 環(huán)式入滲儀測(cè)量土壤初始入滲率效果試驗(yàn)方法研究. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2014，45（10）：140—146

Zhang J，Lei T W，Zhang G H，et al. A new experimental method for observing the initial soil infiltration under ring infiltrometer（In Chinese）. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2014，45（10）：140—146

［3］ 姚建中. 紅壤水分入滲率和累積入滲量的確定. 土壤通報(bào)，1991，22（7）：61—63

Yao J Z. Measurement of infiltration rate and cumulative infiltration in red loam（In Chinese）. Chinese Journal of Soil Science，1991，22（7）：61—63

［4］ Bouwer H. Intake rate：Cylinder infiltrometer//Methods of soil analysis，Part Ⅰ：Physical and mineralogical methods. Madison：American Society of Agronomy，1986 ：825—844

［5］ Perroux K M，White I. Designs for disc permeameters. Soil Science Society of America Journal，1988，52（5）：1205—1215

［6］ Peterson A E，Bubenzer G D. Intake rate：Sprinkler infiltrometer//Methods of soil analysis，PartⅠ：Physical and mineralogical methods. Madison：American Society of Agronomy，1986：845—870

［7］ Lei T W，Pan Y H，Liu H，et al. A run off-onponding method and models for the transient infiltration capability process of sloped soil surface under rainfall and erosion impacts. Journal of Hydrology，2006，319（1）：216—226

［8］ 曾昭發(fā)，劉四新，王者江，等. 探地雷達(dá)方法原理與應(yīng)用. 北京：電子工業(yè)出版社，2006

Zeng S F，Liu S X，Wang Z J，et al. Theory and application of ground penetrating radar（In Chinese）. Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2006

［9］ 楊峰，彭蘇萍. 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理與方法研究. 北京：科學(xué)出版社，2010

Yang F，Peng S P. Theory and application of ground penetrating radar（In Chinese）. Beijing：Science Press，2010

［10］ 王升，陳洪松，付智勇，等. 基于探地雷達(dá)的典型喀斯特坡地土層厚度估測(cè). 土壤學(xué)報(bào)，2015，52（5）：1024—1030

Wang S，Chen H S，F(xiàn)u Z Y，et al. Estimation of thickness of soil layer on typical karst hillslopes using ground penetrating radar（In Chinese）. Acta Pedologica Sinica，2015，52（5）：1024—1030

［11］ Steelman C M，Endres A L. Assessing vertical soil moisture dynamics using multi-frequency GPR commonmidpoint soundings. Journal of Hydrology，2012，436：51—66

［12］ Alsharahi G，Driouach A，F(xiàn)aize A. Performance of GPR influenced by electrical conductivity and dielectric constant. Procedia Echnology，2016，22（19）：570—575

［13］ Saintenoy A，Schneider S，Tucholka P. Evaluating ground penetrating radar use for water infiltration monitoring. Vadose Zone Journal，2008，7（1）：208—214

［14］ Mangel A R，Moysey S M J，Ryan J C，et al. Multioffset ground-penetrating radar imaging of a lab-scale infiltration test. Hydrology & Earth System Sciences Discussions，2011，8（6）：10095—10123

［15］ Léger E，Saintenoy A，Coquet Y. Hydrodynamic parameters of a sandy soil determined by groundpenetrating radar inside a single ring infiltrometer. Water Resources Research，2014，50（7）：5459—5474

［16］ Grote K，Hubbard S，Rubin Y. Field-scale estimation of volumetric water content using ground penetrating radar ground wave techniques. Water Resources Research，2003，39（11）：1321—1334

［17］ Lunt I A，Hubbard S S，Rubin Y. Soil moisture content estimation using ground-penetrating radar reflection data. Journal of Hydrology，2003，307（1/4）：254—269

［18］ Stoffregen H，Zenker T，Wessolek G. Accuracy of soil water content measurements using ground penetrating radar：Comparison of ground penetrating radar and lysimeter data. Journal of Hydrology，2002，267（3/4）：201—206

［19］ Topp G C，Davis J L，Annan A P. Electromagnetic determination of soil water content：Measurements in coaxial transmission lines. Water Resources Research，1980，16（3）：574—582

［20］ 周立剛，于東升，王璽洋，等. 基于高頻探地雷達(dá)的土壤表層含水量測(cè)定. 土壤學(xué)報(bào)，2016，53（3）：621—626

Zhou L G，Yu D S，Wang X Y，et al. Determination of top soil water content using high-frequency ground penetarting radar（In Chinese）. Acta Pedologica Sinica，2016，53（3）：621—626

［21］ Weihermüller L，Huisman J A，Lambot S，et al. Mapping the spatial variation of soil water content at the field scale with different ground penetrating radar techniques. Journal of Hydrology，2007，340（3/4）：205—216

［22］ Wijewardana Y G N S，Galagedara L W. Estimation of spatio-temporal variability of soil water content in agricultural fields with ground penetrating radar. Journal of Hydrology，2010，391（1）：24—33

［23］ Huisman J A，Snepvangers J J J C，Bouten W，et al. Mapping spatial variation in surface soil water content：Comparison of ground-penetrating radar and time domain reflectometry. Journal of Hydrology，2002，269（3/4）：194—207

Method for Measurement of Soil Cumulative Infiltration Based on Low Frequency GPR

WANG Ruiyan1，2YIN Tao2HU Yingying2GAO Peng2ZHAO Gengxing1，2CHEN Hongyan1，2
（1 National Engineering Laboratory for Efficient Utilization of Soil and Fertilizer Resources；Tai’an，Shandong 271018，China）
（2 College of Resources and Environment，Shandong Agricaltural University，Tai’an，Shandong 271018，China）

【Objective】Accurately assessing soil cumulative infiltration is essential to many field irrigation management and saline soil amelioration projects. However，the measurement of soil cumulative infiltration using the conventional methods has a number of defects，like costly，destructive and timeconsuming. In addition，because soil infiltration is spatially variable，these point measurement techniques are of limited value in assessing the soil cumulative infiltration over a large area. The technique of Ground Penetrating Radar（GPR）can be used to collect the data non-destructively and instantly over a large area. Therefore，the technique is much higher than the conventional methods in potentiality and applicability for use to assess soil cumulative infiltration on a field scale.【Method】In order to show that soil cumulative infiltration can be extracted from low frequency GPR data in the case of a loamy soil，a controlled soil and irrigation experiment was carried out. During the experiment，a 250 MHz antenna was used to collect GPR data for analysis of radargrams before and after the irrigation. Based on the radargrams obtained a soil infiltration estimation model was constructed using the electromagnetic wave amplitude recorded by the GPR. Then the model was compared with the electromagnetic wave speed model in accuracy and time window stability.【Result】Results show that the determination coefficient of electromagnetic wave speed and soil cumulative infiltration was 0.8，0.1 and 0.12 in the 2.2 m time window，1.57 m time window and total of the samples，respectively，indicating that the electromagnetic wave speed model depends on time windows，and is low in stability and precision，so the model is not good enough to reflect soil cumulative infiltrations. While GPR amplitude was found to be more sensitive to variation of soil cumulative infiltration. Among the electromagnetic wave amplitude parameters，the determination coefficient of trough amplitude of Reflection Wave I and soil cumulative infiltration was 0.999，0.986 and 0.962 in the 2.2 m time window，1.57 m time window and total of the samples，respectively，and the determination coefficient of the trough amplitudeof Reflection Wave II and soil cumulative infiltration was 0.981，0.999 and 0.925，respectively. while the determination coefficient of trough amplitude of the ground direct wave and soil cumulative infiltration was 0.920，0.965 and 0.943，respectively. By following the principle of the highest determination coefficient，this paper selected the trough amplitude of Reflection Wave I in constructing the GPR model for detection of soil cumulative infiltration，thus bringing the determination coefficient up to 0.96.【Conclusion】In brief，the electromagnetic wave amplitude model is higher than the wave speed model in precision and stability，and can be used to monitor and estimate soil cumulat iveinfiltration.The trough amplitude of Reflection Wave I is an ideal indicator to be used to effectively monitor soil cumulative infiltration. Therefore，the low frequency GPR can be used to accurately detect soil cumulative infiltration. All the findings in this research may provide a new way for the detection of soil cumulative infiltration on field scales，and also a scientific basis for further application GPR to the field of soil science.

Low frequency GPR；Soil cumulative infiltration；Non-destructive detection

P426.68

A

（責(zé)任編輯：檀滿枝）

10.11766/trxb201701040412* 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41401239）、山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2015GNC110010）、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)青年教師成長(zhǎng)計(jì)劃經(jīng)費(fèi)和青年創(chuàng)新基金（23694）共同資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China（No.41401239），the Key Research and Development Project of Shandong Province（No. 2015GNC110010），the Cultivate Plan Funds for Young Teacher and the Science and Technology Innovation Foundation for Youth of Shandong Agricultural University（No.23694）

王瑞燕（1979—），女，博士，主要研究方向?yàn)橥寥浪奶降乩走_(dá)反演。E-mail：wry@sdau.edu.cn

2017-01-04；

2017-02-28；優(yōu)先數(shù)字出版日期（www.cnki.net）：2017-03-17