本文關鍵詞：基于探地雷達的復墾土壤壓實與工程質量評價

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【摘要】：煤炭是我國乃至世界最主要的能源,由煤礦開采產(chǎn)生的地表裂縫、塌陷等問題,導致耕地面積減少,生態(tài)環(huán)境惡化。土地和煤炭均是人類生存不可或缺的兩大重要資源,如何解決農業(yè)生產(chǎn)與煤礦開采之間的矛盾是亟待解決的一項重要課題。土地復墾是當前增加耕地面積、緩解人地矛盾的主要途徑之一。對土地復墾工程進行科學有效的質量評價和監(jiān)控,對于創(chuàng)新復墾技術、改良復墾土地利用模式、提高復墾土地生產(chǎn)力都具有重要的意義。在對復墾土壤進行農業(yè)利用的過程中,土壤壓實已經(jīng)成為影響復墾土壤質量的最主要因素;覆土厚度是復墾土壤質量檢驗中農、牧、林業(yè)主要測試項目之一,灌溉渠道的防滲性能、田間道路的穩(wěn)定性及承載力也是復墾工程質量檢測的重要內容。當前,對于復墾土壤質量和工程質量的測定多采用傳統(tǒng)方法,雖然準確度較高,但是費時費力且不能全面反映復墾項目區(qū)的整體狀況;對渠道和道路的檢測具有一定的破壞性,不宜大面積進行,因此探索快速、可靠、簡便的測試方法勢在必行。本文以此為切入點,在總結前人研究的基礎上,通過對方案設計、研究方法和研究內容等方面進行創(chuàng)新,將探地雷達作為檢測手段,對復墾實驗區(qū)的土壤質量和工程質量進行無損檢測,并針對檢測過程中的關鍵技術及其涉及的理論方法進行了深入研究,取得了一些有益的成果。主要工作及成果如下:(1)探明了不同復墾工藝下土壤緊實度的變化規(guī)律及其影響因素�；诮y(tǒng)計學理論,采用2×5×4混合試驗設計并建立模擬復墾實驗區(qū),模擬2種復墾機械對土壤進行不同次數(shù)(1、3、5、7、9次)的壓實。通過測定各組合中不同層次厚度的土壤緊實度值并進行變量的方差分析和多重比較,研究了土壤緊實度的變化規(guī)律及其影響因素。實驗證實,土地復墾過程中,壓實機械、壓實次數(shù)和土層厚度都是影響土壤緊實度的顯著性因素,各因素的貢獻率均在97%以上。不同的壓實機械,質量不同,接地面積不同,會產(chǎn)生不同的壓實效果,自卸汽車壓實5次之后即可使上層土壤緊實度達到最大值,而履帶式推土機需要壓實7次。深度越大,土壤緊實度越小;隨著壓實次數(shù)的增加,各土層厚度之間土壤緊實度差異減小,中間10~30cm的土壤緊實度相對較高。過多的壓實還會使土壤先板結后破碎,影響嚴重。上述研究成果為改良復墾工藝提供了依據(jù)。為減輕土壤壓實狀況,一方面,選擇質量較小、承重輪面積較大的機械有助于減輕對土壤的壓實;其二,即使單次壓強較小,多次碾壓對土壤造成的壓實仍不容忽視,應盡量避免對相同位置土壤的反復碾壓,碾壓次數(shù)應控制在5~7次之內。(2)構建了壓實指標與土壤介電常數(shù)關系模型。以土壤容重作為壓實指標,通過相關性分析,證實土壤介電常數(shù)與土壤壓實指標具有較好的相關性,相關系數(shù)絕對值均大于0.89,可以表征土壤壓實狀況。以現(xiàn)有的復合介電常數(shù)模型為基礎獲取土壤介電常數(shù)計算值,基于探地雷達獲取土壤介電常數(shù)實測值,對比發(fā)現(xiàn)二者雖然存在不同程度的誤差(21.85%~138.80%),但相關性較好,相關系數(shù)大于0.99;通過其相關方程對復合介電常數(shù)模型進行了修正,結果表明基于修正后的模型獲取的土壤容重數(shù)據(jù)準確度較高,誤差范圍在0.79%~0.98%之間,并且野外實驗證明模型通用性較好。該部分為探地雷達在土壤壓實狀況的無損檢測提供了有效途徑。(3)揭示了土壤壓實狀況在不同土地利用類型和復墾年限的時空變異特征。分別選取于不同時期復墾完成的3種土地利用類型復墾實驗區(qū),使用探地雷達連續(xù)4個年度對每個復墾實驗區(qū)進行土壤質量監(jiān)測并獲取其土壤容重值,通過對土壤容重值進行統(tǒng)計分析,揭示了不同土地利用類型在不同復墾年限的土壤壓實狀況時空變異特征及其影響因素。研究發(fā)現(xiàn),土壤容重總體上呈現(xiàn)出隨復墾年限增加而逐漸下降的趨勢,其下降速度和規(guī)律各有不同。耕地復墾8年后土壤容重達到最低值(1.30g/cm3),草地(1.46g/cm3)和林地(1.39g/cm3)分別于復墾后12年和15年左右基本達到原地貌土壤狀態(tài)。同時期耕地土壤容重最小,草地次之,林地最高。受人為活動及植物根系作用的影響,3種土地利用類型在不同土壤層次的容重變化規(guī)律也存在差異。綜合來看,復墾年限和土地利用類型都是導致土壤容重產(chǎn)生顯著性差異的因素,其中土地利用類型在各年度均是土壤容重的主要變異來源(因素貢獻率為72.4%~97.7%),復墾年限在整體變異中的比重隨時間的延長而逐漸減小。不同土地利用類型的土壤容重在時間尺度上的變化趨勢各有不同;土地利用類型對容重的影響程度也隨著復墾年限的變化而產(chǎn)生變化,復墾中期采取不同的利用模式對土壤壓實狀況的改良具有積極意義(因素貢獻率為82.3%~95%)。以上研究成果一方面為復墾后土壤的有效利用及制定土壤改良措施提供了依據(jù),同時實現(xiàn)了對復墾土壤質量的長期動態(tài)監(jiān)測。(4)論證了探地雷達檢測復墾工程質量的關鍵技術。選取覆土厚度、路面厚度和渠道襯砌厚度作為復墾工程質量的檢測指標,通過探地雷達獲取介質的剖面圖像,實現(xiàn)了對上述指標的無損檢測,并對地面位置定位、電磁波傳播速度標定和反射層拾取等關鍵技術進行了重點分析;與傳統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)進行對比,對探地雷達檢測的準確性及其原因進行了分析。結果顯示:本試驗項目區(qū)覆土厚度稍有不足(平均厚度48cm),但變異程度較小(變異系數(shù)為9.375%);路面厚度起伏較大(變異系數(shù)為27.94%)且部分區(qū)段低于設計標準;渠道襯砌分布均勻(變異系數(shù)為12.86%),厚度達到設計標準(平均厚度15.57cm)。研究發(fā)現(xiàn)波形圖中第一個正峰的位置與地面位置最為接近,Hilbert變換可以較好地解決多種因素導致的反射相位識別困難問題,同時探地雷達的工作方式對于檢測結果的準確性至關重要。土壤由于其結構的復雜性,在探地雷達的使用方面存在諸多影響因素,在數(shù)據(jù)處理時應注意弱化地下介質對電磁波的衰減作用。綜上所述,本文一方面通過探地雷達獲取土壤的介電常數(shù),在對已有介電常數(shù)模型進行修正的基礎上實現(xiàn)了對土壤壓實狀況的無損檢測;另一方面借助于探地雷達獲取介質的剖面圖像,通過對地面位置定位、電磁波傳播速度標定和反射層拾取等關鍵技術的處理實現(xiàn)了對復墾工程質量的無損檢測;研究過程中同時對土壤壓實狀況的變異規(guī)律及其影響因素進行了分析。研究成果豐富了探地雷達在土壤復墾領域的應用技術,為復墾質量的無損檢測提供了理論依據(jù)和技術手段,對革新復墾工藝、實現(xiàn)復墾土壤的有效利用及制定復墾土壤改良措施具有借鑒意義。
【關鍵詞】：復墾土壤質量 復墾工程質量 無損檢測 探地雷達
【學位授予單位】：山東農業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN959;TD88
【目錄】：

• 中文摘要9-12
• Abstract12-17
• 1 緒論17-28
• 1.1 研究背景與意義17-19
• 1.2 研究進展19-24
• 1.2.1 國內外土地復墾研究進展19-22
• 1.2.2 探地雷達在土壤領域的應用22-24
• 1.3 研究目標、研究內容和技術路線24-27
• 1.3.1 研究目標24
• 1.3.2 研究內容24-25
• 1.3.3 技術路線25-27
• 1.4 課題來源與背景27
• 1.5 小結27-28
• 2 試驗設計28-43
• 2.1 模擬試驗設計28-29
• 2.1.1 試驗目的28
• 2.1.2 試驗方案28-29
• 2.1.3 試驗數(shù)據(jù)獲取29
• 2.2 野外試驗設計29-35
• 2.2.1 實驗區(qū)概況29-32
• 2.2.2 典型復墾試驗區(qū)選擇原則32-34
• 2.2.3 試驗復墾區(qū)概況34-35
• 2.3 試驗設備35-42
• 2.3.1 探地雷達35-42
• 2.3.2 土壤緊實度儀42
• 2.3.3 其他設備42
• 2.4 小結42-43
• 3 探地雷達應用于復墾領域的理論基礎43-58
• 3.1 物質材料的電磁性質及其對電磁波的影響44-45
• 3.2 土壤的電磁性質45-48
• 3.2.1 土壤的介電特性參數(shù)45-46
• 3.2.2 影響探地雷達性能的土壤特性46-48
• 3.3 電磁波在土壤中的傳播規(guī)律48-50
• 3.3.1 電磁波在地面的反射和折射48-50
• 3.3.2 電磁波在多層水平層狀結構土壤中的反射和折射50
• 3.4 探地雷達簡介50-51
• 3.5 探地雷達的探測方式51-54
• 3.5.1 反射式探測52-53
• 3.5.2 折射式探測53
• 3.5.3 透射式探測53-54
• 3.6 探地雷達的探測性能54-57
• 3.6.1 探測深度54-55
• 3.6.2 分辨力55-57
• 3.7 小結57-58
• 4 基于土壤緊實度的土壤壓實狀況影響因素分析58-66
• 4.1 機械壓實對土層下降深度的影響58-59
• 4.2 不同處理方式下土壤緊實度的變化59-61
• 4.3 土壤緊實度影響因素分析61-62
• 4.4 不同處理方式下土壤緊實度影響因素的多重比較62-65
• 4.5 小結65-66
• 5 土壤壓實狀況評價中復合介電常數(shù)模型的構建66-80
• 5.1 復合介電常數(shù)模型66
• 5.2 土壤的復合介電常數(shù)模型66-71
• 5.2.1 TOPP公式67
• 5.2.2 介電混合模型67-71
• 5.3 不同復墾模式下探地雷達圖像分析71-72
• 5.4 介電常數(shù)表征土壤壓實狀況的可行性分析72-73
• 5.5 土壤壓實狀況評價中復合介電常數(shù)模型的構建73-78
• 5.5.1 選取介電常數(shù)模型73
• 5.5.2 介電常數(shù)模型修正73-77
• 5.5.3 模型通用性檢驗77-78
• 5.6 小結78-80
• 6 基于介電常數(shù)模型的土壤壓實狀況時空變異及其影響因素分析80-96
• 6.1 試驗方案80-82
• 6.1.1 復墾實驗區(qū)概況80
• 6.1.2 研究方法80-82
• 6.2 基于介電常數(shù)模型的土壤容重時空變異特征分析82-92
• 6.2.1 不同土地利用類型土壤容重時間變異特征82-85
• 6.2.2 土壤容重時空變異影響因素分析85-92
• 6.3 不同深度的土壤容重變異特征分析92-94
• 6.4 小結94-96
• 7 基于探地雷達的工程質量無損檢測技術96-116
• 7.1 基于探地雷達的厚度檢測原理96-98
• 7.2 探地雷達中電磁波速度參數(shù)的求取98-101
• 7.2.1 介電常數(shù)法98-99
• 7.2.2 已知目標深度法99
• 7.2.3 共中心點（CMP）法99-100
• 7.2.4 反射系數(shù)法100-101
• 7.3 電磁波傳播時間參數(shù)的確定101-105
• 7.3.1 電磁波初至時間的確定101-102
• 7.3.2 反射層拾取102-105
• 7.4 覆土厚度及田間道路、灌溉渠道面層厚度檢測105-111
• 7.4.1 項目區(qū)概況及數(shù)據(jù)采集105-106
• 7.4.2 覆土層波速標定106-108
• 7.4.3 道路和渠道面層波速標定108-110
• 7.4.4 探地雷達厚度檢測準確性分析110-111
• 7.5 檢測結果及分析111-115
• 7.5.1 果園覆土厚度分析結果112-113
• 7.5.2 田間道路面層及基層厚度分析結果113-114
• 7.5.3 灌溉渠道面層及基層厚度分析結果114-115
• 7.6 小結115-116
• 8 研究成果與創(chuàng)新點116-119
• 8.1 研究成果116-118
• 8.1.1 土壤質量方面116-117
• 8.1.2 工程質量方面117-118
• 8.2 創(chuàng)新點118-119
• 8.2.1 實驗設計方面118
• 8.2.2 研究方法方面118
• 8.2.3 研究內容方面118-119
• 參考文獻119-126
• 致謝詞126-127
• 攻讀學位期間科研情況127

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