孫滿利，付 菲，沈云霞

(西北大學(xué) 文化遺產(chǎn)學(xué)院, 陜西 西安 710069)

土一般是由固相、液相和氣相組成的三相體,土中的水有結(jié)構(gòu)水、結(jié)合水、非結(jié)合水、固態(tài)水和氣態(tài)水等不同形式。工程建設(shè)中為查明土的工程性能、控制夯土施工質(zhì)量、對(duì)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的精細(xì)管理以及文物保護(hù)等方面,都需要對(duì)土中含水狀況進(jìn)行測(cè)試與監(jiān)控。土中水的多少通常采用含水率來(lái)表示,含水率的實(shí)質(zhì)是土中除結(jié)構(gòu)水外的水與固體的質(zhì)量或土體體積的比值,主要有質(zhì)量含水率和體積含水率兩種表示方法。

隨著傳感器和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用,為了滿足不同行業(yè)需求,對(duì)土壤含水率測(cè)定方法的研究正朝著快速準(zhǔn)確、原位無(wú)損,自動(dòng)連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),遠(yuǎn)程傳輸、智能管理等方向不斷完善和發(fā)展。土壤含水率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)在眾多領(lǐng)域得到應(yīng)用:農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的精細(xì)灌溉、墑情與旱情監(jiān)測(cè)[1-4];地質(zhì)工程中,邊坡穩(wěn)定性研究和滑坡等災(zāi)害的監(jiān)測(cè)[5-10],道路建設(shè)領(lǐng)域,凍脹、多雨、土質(zhì)等因素對(duì)路基性能的影響分析[11-16];遺址保護(hù)方面,賦存環(huán)境的監(jiān)測(cè)、保護(hù)加固的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和鹽害的機(jī)理研究等[17-23]。土壤含水率監(jiān)測(cè)的方法有很多種,單點(diǎn)或小范圍土壤含水率的監(jiān)測(cè)有TDR法、探地雷達(dá)法、土壤電阻法、電容法等,大區(qū)域范圍內(nèi)土壤水分時(shí)空分布和變化通常采用遙感技術(shù)。近年來(lái),“3S”技術(shù)[24-26]、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[27-35]的引入實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)化和網(wǎng)絡(luò)化,為對(duì)土壤水分的動(dòng)態(tài)模擬和預(yù)測(cè)奠定了基礎(chǔ)。然而,有關(guān)土壤含水率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作尚存在許多問(wèn)題,例如測(cè)試方法的適用度和準(zhǔn)確性容易受到土質(zhì)影響和約束,測(cè)定儀器、傳感器等硬件普遍存在體積大、能耗高、價(jià)格貴等問(wèn)題,數(shù)據(jù)通訊和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等軟件系統(tǒng)的限制導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定,缺乏智能化、自動(dòng)化管理系統(tǒng)。

隨著地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)、農(nóng)業(yè)精細(xì)管理、遺址預(yù)防性保護(hù)、工程建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控的人工智能管理需求,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用與引進(jìn),現(xiàn)場(chǎng)、原位、實(shí)時(shí)、無(wú)損的含水率監(jiān)測(cè)方法和設(shè)備的完善與改進(jìn)十分必要,通過(guò)梳理現(xiàn)有的含水率測(cè)試方法,明確各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性,為未來(lái)含水率測(cè)試新方法的研究提供借鑒。

1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的含水率試驗(yàn)方法

1.1 國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

我國(guó)有關(guān)含水率試驗(yàn)的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范共10部(表1)：國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)1部,行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)9部。涉及地質(zhì)礦產(chǎn)、交通、水利水電、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等幾大行業(yè)。

烘干法由于最符合含水率定義,且測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確可靠,可以對(duì)其他測(cè)試方法進(jìn)行檢驗(yàn)標(biāo)定,為國(guó)標(biāo)推薦的唯一方法,也是其他標(biāo)準(zhǔn)首選的方法。但是，其缺點(diǎn)是費(fèi)時(shí),不能滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試快速便捷的要求。在工程實(shí)踐中,出于對(duì)工程質(zhì)量檢驗(yàn)的要求,提出了酒精燃燒法和比重法,這兩種方法與烘干法相比,試驗(yàn)操作更為簡(jiǎn)便快捷,對(duì)材料和儀器的要求較低,適用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定,但缺點(diǎn)是精度不足,誤差較大。而在鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程中,根據(jù)行業(yè)特點(diǎn),引入了更適合現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)量的方法,如碳化鈣法和射線法。

表1 國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)含水率測(cè)定方法Tab.1 The domestic standards for the soil moisture content test method

1.2 國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

不同的國(guó)家有自己的標(biāo)準(zhǔn)體系(表2),其中美國(guó)ASTM、歐洲EN有關(guān)的技術(shù)規(guī)范,其應(yīng)用較廣,為業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)可。

美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)ASTM(American Society for Testing Materials)的標(biāo)準(zhǔn)體系中與巖土工程勘察相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)卷為04類建筑材料部分,04.08土和巖石(Ⅰ):D420-D5876和卷04.09土和巖石(Ⅱ):D5877-latest,包括了地質(zhì)勘察中的巖土的鑒別方法、室內(nèi)外各項(xiàng)巖、土測(cè)試的操作方法等基本要素[36]。在土體含水率試驗(yàn)方法上,美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)總數(shù)達(dá)8種,規(guī)范內(nèi)容劃分細(xì)小,每種試驗(yàn)方法獨(dú)立成文;同時(shí),不同于其他國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)通常僅涉及室內(nèi)試驗(yàn)部分(主要為烘干法),ASTM對(duì)其他常用的測(cè)定方法,如TDR、碳化鈣、微波爐法等也進(jìn)行了規(guī)范,內(nèi)容涵蓋豐富。

歐盟多數(shù)國(guó)家都有土的含水率測(cè)試規(guī)范,歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)(CEN)編制的EN 1990～EN1999系列規(guī)范中EN 1997專門(mén)針對(duì)巖土工程設(shè)計(jì),包括EN 1997-1巖土設(shè)計(jì)總則和EN 1997-2巖土勘察兩部分[37-38],但是EN 1997-2沒(méi)有具體的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法,對(duì)此,可參考ISO TC 182委員會(huì)和CEN TC 341委員會(huì)的具體規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),例如EN ISO TS 17892實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)系列,該標(biāo)準(zhǔn)由12個(gè)部分構(gòu)成,隸屬技術(shù)要求類標(biāo)準(zhǔn),其中的第一部分即為土體含水率的測(cè)定[39]。歐盟規(guī)范的特點(diǎn)是廣泛引用國(guó)外規(guī)范和學(xué)術(shù)著作,概括性較高,注重規(guī)范間的引用補(bǔ)充。

表2 國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)含水率測(cè)定方法統(tǒng)計(jì)表Tab.2 The foreign standards for the soil moisture content test method

1.3 國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)比

以烘干法為例,對(duì)比分析美國(guó)ASTM D2216-10[40]規(guī)范(以下簡(jiǎn)稱美標(biāo))、歐洲EN ISO 17892-1-2014(以下簡(jiǎn)稱歐標(biāo))與我國(guó)國(guó)標(biāo)GB/T 50123-1999[41](以下簡(jiǎn)稱國(guó)標(biāo))中土體含水率試驗(yàn)方法的異同。

三部規(guī)范里烘干法的儀器設(shè)備、試驗(yàn)步驟和計(jì)算公式基本一致,不同之處主要集中在烘干溫度、烘干時(shí)長(zhǎng)和試樣質(zhì)量等內(nèi)容的規(guī)范要求上,如表3所示。其中,烘干溫度下限三者均為105℃,美標(biāo)溫度上限為115℃,高于國(guó)標(biāo)和歐標(biāo),但總體來(lái)說(shuō)差別不大。烘干時(shí)長(zhǎng)差異較大,其中歐標(biāo)最長(zhǎng)(16h),美標(biāo)次之(12～16h),國(guó)標(biāo)最少(6～8h)。在試樣質(zhì)量的要求上,美標(biāo)和歐標(biāo)都有較為嚴(yán)格的規(guī)定,其中歐標(biāo)主要根據(jù)粒徑大小(分為0.063mm,2.0mm,10.0mm,31.5mm,63mm五檔)來(lái)確定所需樣品的最小質(zhì)量,樣品質(zhì)量由30g到2.1kg不等。美標(biāo)中樣品質(zhì)量首先按照試驗(yàn)結(jié)果的記錄精度(±1%,±0.1%)分為A、B兩種方法,之后再由粒徑大小不同要求樣品應(yīng)保證的最小質(zhì)量。相比之下,國(guó)標(biāo)中對(duì)試樣質(zhì)量的要求為“代表性試樣15～30g”,規(guī)定較為簡(jiǎn)單。

表3 中、美、歐標(biāo)烘干法比較Tab.3 The comparison of GBASTMEN standard for the determination of soil moisture content by drying oven heating

對(duì)比3種標(biāo)準(zhǔn)的具體內(nèi)容可知,歐標(biāo)和美標(biāo)的內(nèi)容詳實(shí)、細(xì)則較多,例如試驗(yàn)適用范圍,試樣質(zhì)量大小的選定、儀器設(shè)備參數(shù)等方面。而我國(guó)國(guó)標(biāo)內(nèi)容相對(duì)簡(jiǎn)單實(shí)用,各項(xiàng)步驟和參數(shù)規(guī)定明確,可操作性強(qiáng)。

2 土體含水率測(cè)定方法

含水率測(cè)定方法種類較多,根據(jù)各種測(cè)定方法基本原理的不同,將其歸納為以下幾類。

2.1 質(zhì)量(重量)法

質(zhì)量(重量)法,通過(guò)測(cè)定土樣的質(zhì)量(重量)變化來(lái)確定含水率,包括烘干稱重法和比重法等。烘干稱重法根據(jù)不同的烘干手段可分為烘干法(電熱干燥箱法)、酒精燃燒法、炒干法、微波爐法、紅外線法等。烘干法(電熱干燥烘箱法)最符合含水率定義,是國(guó)際通用的標(biāo)準(zhǔn)方法,1986年,Gardner[42]對(duì)烘干作用會(huì)引起多少束縛水脫離土壤開(kāi)展了相關(guān)研究。烘干法操作簡(jiǎn)便,結(jié)果準(zhǔn)確可靠,但缺點(diǎn)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)量和定點(diǎn)連續(xù)監(jiān)測(cè),酒精燃燒法和炒干法可在野外現(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)便測(cè)試,但不適合用于細(xì)粒土和含有機(jī)質(zhì)的土。

20世紀(jì)70年代,隨著生產(chǎn)效率的不斷提高,水分分析的時(shí)效性越來(lái)越受到重視,為了縮短烘干時(shí)間和簡(jiǎn)化耗時(shí)步驟,基于微波和紅外線加熱原理的烘干方法應(yīng)運(yùn)而生。

微波爐法是利用超高頻率電磁波促進(jìn)分子間作用,達(dá)到加熱干燥的目的,微波爐比烘箱體積小,重量輕,搬運(yùn)方便,可實(shí)現(xiàn)快速測(cè)量。該方法起源于20世紀(jì)40年代,1974年,國(guó)外開(kāi)始研究用微波爐法測(cè)定土的含水率[43],1987年被美國(guó)ASTM列入試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[44]。我國(guó)于20世紀(jì)90年代末,開(kāi)始微波爐法研究,多為進(jìn)行與烘干法的對(duì)比試驗(yàn),驗(yàn)證其方法的準(zhǔn)確性[45-48]。研究結(jié)果表明,微波爐法不僅滿足精度要求,而且具有快速、方便的技術(shù)優(yōu)勢(shì),適宜廣泛應(yīng)用。但微波爐加熱的溫度控制,烘干時(shí)間優(yōu)化等,還有待于深入研究,對(duì)于有機(jī)質(zhì)含量較多的土質(zhì)也不宜使用微波爐法測(cè)試含水率。

紅外線烘干法是采用紅外線干燥箱加熱,樣品通過(guò)吸收紅外線達(dá)到被加熱或烘干的目的。該方法能夠?qū)⒑娓蓵r(shí)間平均縮短至5～50min[49],和電熱干燥方法相比，較大程度地縮短了烘干時(shí)間,但紅外線干燥箱設(shè)備較為昂貴。

比重法是1941年由Papadakis[50]提出的一種快速測(cè)量土壤含水率的方法,是根據(jù)比重試驗(yàn),測(cè)定濕土體積,通過(guò)估計(jì)土粒比重,間接計(jì)算土體含水率,實(shí)際操作中土體氣體能否充分排除,直接影響結(jié)果的準(zhǔn)確度,此法僅適用于砂性土。

2.2 化學(xué)法

化學(xué)法指利用水的化學(xué)反應(yīng)原理來(lái)測(cè)定土中水的含量,有碳化鈣法(氣壓法和化學(xué)反應(yīng)失重法)、浸入法和濃硫酸法。在工程建設(shè)時(shí),為了控制和監(jiān)控夯土質(zhì)量,需要在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)土的含水率進(jìn)行快速測(cè)定。為了彌補(bǔ)烘干法的不能現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和時(shí)效性差的缺點(diǎn),20世紀(jì)60，70年代,研究學(xué)者提出了水浸法[51]和硫酸反應(yīng)法[52],這兩種方法皆因?yàn)閮x器復(fù)雜、測(cè)試精度不夠和操作繁瑣,沒(méi)有得到推廣應(yīng)用。同期,國(guó)外已開(kāi)始采用碳化鈣氣壓法測(cè)定含水率,碳化鈣氣壓法是測(cè)定碳化鈣與水完全反應(yīng)的乙炔氣體壓強(qiáng),根據(jù)乙炔氣體壓強(qiáng)與水分質(zhì)量成正比的關(guān)系,換算出相應(yīng)的含水率,JR Blystone在美國(guó)公路工程部門(mén)土壤試驗(yàn)中應(yīng)用了該方法[53],1998年,碳化鈣氣壓法被美國(guó)ASTM列入土壤含水率的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的試驗(yàn)方法,我國(guó)20世紀(jì)60年代已有碳化鈣氣壓法相關(guān)介紹和研究[54]。碳化鈣化學(xué)反應(yīng)失重法是測(cè)量乙炔氣體質(zhì)量,該方法研究始于2000年前后[55],該方法避免了溫度對(duì)氣體壓力的影響,提高了測(cè)試精度和測(cè)試范圍,適用范圍更廣。

2.3 射線法

射線法是指利用射線穿過(guò)土樣時(shí)的變化來(lái)測(cè)定土的含水率的方法,主要有中子儀法、γ射線法、X射線等。

中子儀法是利用快中子與水的氫核碰撞后轉(zhuǎn)變?yōu)槁凶拥脑?通過(guò)測(cè)量慢中子密度來(lái)測(cè)定土壤含水率。20世紀(jì)50年代初,D J Belcher[56]、W Gardner[57]提出了中子儀法,1979年,Rahi初步研究了中子儀法的靈敏度[58];1988年,Wilson[59]認(rèn)為中子法的精度在±5%。我國(guó)于20世紀(jì)60年代引入該技術(shù)[60]。中子儀法的有效測(cè)定范圍是慢中子云的有效球體積,是測(cè)試半徑范圍內(nèi)體積含水率的平均值,適合含水率在5%～40%的土壤,其有效測(cè)量范圍在20～40cm[61]。

中子儀法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量簡(jiǎn)單、快速、精度高,能夠現(xiàn)場(chǎng)、連續(xù)觀測(cè)原狀土體的水分。缺點(diǎn)是設(shè)備昂貴,測(cè)量結(jié)果受到土中的有機(jī)質(zhì)和其他水(結(jié)構(gòu)水、結(jié)晶水)的影響,針對(duì)不同土需要標(biāo)定,另外,在測(cè)定淺層土壤時(shí),中子會(huì)向外逸散導(dǎo)致誤差,以及中子的輻射污染,都限制了其推廣應(yīng)用。

γ射線法是通過(guò)測(cè)量γ射線穿透土樣時(shí)能量的衰減計(jì)算含水率。它與中子儀一同在1950年由D J Belcher[56]提出,Wheetel[62]和Fahad[63]等將其應(yīng)用于田間土壤水分的測(cè)量。根據(jù)采用的射線源能量種類,可將γ射線法分為單源法和雙源法兩種,二者均具有較高的測(cè)量精度,單源法適用于均一性較好的重塑土樣測(cè)量,雙源法可用于原狀土樣的測(cè)量[64]。但利用單源法測(cè)定土的含水率受土樣容重的影響較大,為此出現(xiàn)了采用雙源法同時(shí)測(cè)定容重和含水率,以消除土壤容重變化的干擾[65]。γ射線法與中子儀法有許多相同的優(yōu)點(diǎn),如快速、準(zhǔn)確,能夠現(xiàn)場(chǎng)、連續(xù)觀測(cè)原狀土體的水分,但也存在輻射隱患的缺點(diǎn)。

X射線是一種低能電磁射線。1983年,Hiansworth[66]等人探討了X射線法CT機(jī)快速測(cè)量土壤含水率,Grestanna等[67]研究了實(shí)驗(yàn)室三維土壤水分運(yùn)移X射線測(cè)定。Anderson[68-69]等研究了X射線衰減值與土壤含水率的線性關(guān)系,發(fā)現(xiàn)X射線衰減值受土壤其他物理性質(zhì)和化學(xué)組成的影響較大。因此還需深入探討不同土壤對(duì)測(cè)量精度的影響以及合理的電磁能量區(qū)間[70]。

2.4 介電法

土壤含水率不同,其介電特性會(huì)發(fā)生顯著變化。Chemyak在《濕土介電特性研究方法》(1964)一書(shū)中,論述了介電常數(shù)與體積含水率的關(guān)系,該理論被迅速應(yīng)用于土壤含水率的測(cè)定,主要有時(shí)域反射法(TDR)、頻域反射法(FDR)、駐波率法(SWR)和電容法等。

電磁脈沖在土壤中的傳導(dǎo)速度與土壤的介電常數(shù)有函數(shù)關(guān)系,TDR法通過(guò)測(cè)定傳導(dǎo)速度求得土壤體積含水率。1969年Fellner-Feldegg[71]將TDR技術(shù)用于液體介質(zhì)的介電常數(shù)測(cè)量;1974年,Hoekstra[72]利用TDR技術(shù)測(cè)定土體的介電常數(shù),1980年,Topp[73]建立土體介電常數(shù)與土壤體積含水率的函數(shù)關(guān)系(Topp模型)。TDR具有無(wú)放射性、測(cè)量范圍廣、原位、連續(xù)、快速特點(diǎn),當(dāng)測(cè)定精度要求較低時(shí),該方法一般不需標(biāo)定[74],方便準(zhǔn)確。

電磁脈沖在土壤中傳播頻率也與土壤介電常數(shù)有關(guān)系,FDR法是通過(guò)測(cè)量傳播頻率的變化求得土壤體積含水率。1992年,Hilhorst[75-77]研究FDR法的方法和設(shè)備,與TDR技術(shù)相比,FDR法的工作頻率選取范圍大,校準(zhǔn)和自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)方便,測(cè)量精度較高。缺點(diǎn)是對(duì)不同土需要標(biāo)定,比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力[78]。

土壤的介電常數(shù)不同,其傳輸線上駐波比也不同。1995年,Gaskin[79]研究了基于微波理論中駐波比原理的駐波率法(SWR)。駐波率法測(cè)量?jī)x器成本相對(duì)較低,但在測(cè)量精度和傳感器的互換性上不如TDR方法。

含水率的不同,電容極板間土的介電常數(shù)不同,導(dǎo)致電容變化。Anderson[80]在1943年首次提出利用低頻電容法進(jìn)行土壤含水率測(cè)定;我國(guó)于20世紀(jì)70年代引入該方法,雖然也可實(shí)時(shí)測(cè)定,但是測(cè)量數(shù)值受土體溫度、密度及結(jié)構(gòu)影響較大,需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合修正,測(cè)試準(zhǔn)確度和精度較差。

2.5 電阻法

土的電阻率和土中水的多少有明顯的關(guān)系。1940年,GJ Bouyoucos[81]探討了電阻和土壤含水率的關(guān)系,及含鹽量、質(zhì)地、溫度等對(duì)電阻的影響;Thein S.J[82]驗(yàn)證了電阻法測(cè)量土壤含水率的原理。我國(guó)引入電阻法始于20世紀(jì)70年代末,主要應(yīng)用于砂土的含水率測(cè)定。電阻法成本低,測(cè)試速度較快,可以實(shí)現(xiàn)無(wú)損、連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè),但是電阻的大小受土的孔隙分布、顆粒分布、溫度等很多因素影響較大,測(cè)量結(jié)果有較大誤差。

2.6 張力計(jì)法(負(fù)壓計(jì)法)

土壤的吸力與含水率呈反比,利用負(fù)壓式土壤張力計(jì)測(cè)量非飽和土壤中水分的張力可以求得土壤含水率[83]。1922年,Gardner開(kāi)始張力計(jì)法研究,1949年,Rechard把張力計(jì)法應(yīng)用于測(cè)試,1976年,Elzdftawy等研究了自動(dòng)測(cè)量功能[84]。張力計(jì)儀器簡(jiǎn)單,可實(shí)時(shí)原位測(cè)量,但是,由于土壤的吸力還受到土的顆粒組分、密度、孔隙特征、礦物成分、有機(jī)質(zhì)含量等眾多因素影響,吸力和土的含水率之間存在非線性關(guān)系,測(cè)量結(jié)果往往誤差很大。

2.7 遙感法

遙感法是一種大范圍、多時(shí)相的土壤水分空間測(cè)試技術(shù),土壤含水率的不同,其表面光的反射、吸收以及熱輻射等性能都有差異,通過(guò)監(jiān)測(cè)土壤表面的光譜特性和熱性能可以監(jiān)測(cè)大區(qū)域范圍內(nèi)地表土壤水分的時(shí)空變化。1965年,Bowers等[85]研究了不同水分含量的表層土壤的光譜特性,成為遙感法的理論基礎(chǔ);在國(guó)內(nèi),上世紀(jì)八十年代,遙感法逐步引入我國(guó),黃揚(yáng)[86]研究了土壤反射特性與含水率的關(guān)系。按照探測(cè)波段的不同分為可見(jiàn)光-近紅外遙感法、微波遙感法、熱紅外遙感法。

測(cè)定土壤可見(jiàn)光-近紅外波段的反射光譜是最早的遙感法探索。1965年,Bowers[85]最早將近紅外光譜技術(shù)應(yīng)用于土壤的含水率檢測(cè)。20世紀(jì)90年代,我國(guó)逐步開(kāi)展近紅外技術(shù)在土壤含水率測(cè)量的應(yīng)用和研究[87-89],主要是引進(jìn)國(guó)外儀器,在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行建模并測(cè)量。近紅外遙感法能夠滿足野外實(shí)時(shí)、快速測(cè)量的要求。微波遙感法研究始于20世紀(jì)70年代[9，91],有主動(dòng)和被動(dòng)微波遙感法兩種。被動(dòng)是測(cè)量土壤本身發(fā)射的微波,而主動(dòng)是測(cè)量雷達(dá)發(fā)射微波經(jīng)土壤表面發(fā)射后的回波信號(hào),測(cè)試深度可達(dá)地表5cm左右[92]。熱紅外遙感法是通過(guò)測(cè)試土壤表面的熱輻射量反演含水率的方法。主要有熱慣量法和溫度—植被指數(shù)法。Watson[93]，Rosema[94]，Carlson[95]，Bijleveld[96]和Price[97]等研究了根據(jù)地表溫差推算土壤熱慣量進(jìn)而確定含水率的方法,并應(yīng)用于農(nóng)作物旱情監(jiān)測(cè),張仁華[98]梳理了國(guó)外熱慣量的研究成果,并進(jìn)行了改進(jìn)研究。

可見(jiàn)光到熱紅外波段監(jiān)測(cè)深度只有表層幾微米,而微波波段監(jiān)測(cè)深度可達(dá)幾厘米到幾十厘米[99],同時(shí)微波遙感不受大氣條件限制,使其成為土壤含水率遙感測(cè)定技術(shù)中的主要手段。遙感法由于影響土壤光譜的因素較多(如土壤容重、礦物成分、有機(jī)質(zhì)含量、表面粗糙度、植被覆蓋等),易對(duì)遙感法測(cè)定結(jié)果造成影響。

2.8 探地雷達(dá)法

探地雷達(dá)法是根據(jù)電磁脈沖反射原理而設(shè)計(jì)的空間成像技術(shù),其原理與TDR類似。1937年，Melton B.S.發(fā)明了電磁探測(cè)法專利,直到20世紀(jì)70年代中期,隨著商用探地雷達(dá)的誕生,探地雷達(dá)逐步應(yīng)用于考古學(xué)、地質(zhì)學(xué)、土壤學(xué)等眾多研究領(lǐng)域[100]。20世紀(jì)90年代末,國(guó)外學(xué)者[101-106]開(kāi)展探地雷達(dá)在土壤含水率測(cè)定的可行性研究。我國(guó)于20世紀(jì)90年代初引入探地雷達(dá)技術(shù)[107],并開(kāi)展了土體含水率測(cè)定的理論與應(yīng)用研究[108-113]。

應(yīng)用探地雷達(dá)測(cè)定土壤含水率的方法主要有4種,包括反射波法、地面波法、鉆孔雷達(dá)法和表面反射法。不同于稱重法、射線法和介電法等小尺度定點(diǎn)測(cè)定,以及遙感技術(shù)大范圍大尺度的測(cè)定方式,探地雷達(dá)法補(bǔ)充了中尺度范圍的測(cè)定方法。其具有快速、便捷、原位、微損、可重復(fù)探測(cè)特點(diǎn),適合于較大范圍的測(cè)定,可用于深度較小的土壤含水率測(cè)定,但對(duì)20m以上較為深層的含水率測(cè)定準(zhǔn)確性還有待研究;另外,探地雷達(dá)探測(cè)信息準(zhǔn)確有效的提取仍比較困難,需要相關(guān)硬件和軟件技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

3 結(jié) 語(yǔ)

測(cè)量土的含水率方法較多,其測(cè)試原理和方法、測(cè)量精度和范圍、適用對(duì)象以及成本等都不同。土的含水率測(cè)定方法均有一定的局限性,在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,要根據(jù)測(cè)試對(duì)象和目的,科學(xué)有效地選擇測(cè)量方法。

目前，室內(nèi)測(cè)試最好的方法依然是烘干法,傳統(tǒng)的電熱干燥箱法精確度高,應(yīng)用歷史長(zhǎng),規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格,是其他測(cè)量技術(shù)手段的標(biāo)定基礎(chǔ)。該法已能滿足室內(nèi)試驗(yàn)的測(cè)定要求,其余方法如微波爐法、紅外線烘干法均是在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了部分優(yōu)化,以彌補(bǔ)傳統(tǒng)烘干法試驗(yàn)效率的不足。

室外測(cè)試方法可大致分為3類,一種是基于質(zhì)量法原理的酒精燃燒法、比重法等,雖則快速簡(jiǎn)便,但誤差較大,測(cè)定范圍也有一定限制,試驗(yàn)時(shí)需要采集一定量的樣品,屬于有損分析。另一類方法是室外小尺度的定點(diǎn)測(cè)定方法,如中子儀法、TDR法等。這些方法操作簡(jiǎn)便,準(zhǔn)確度高,可滿足快速測(cè)定和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的要求,缺點(diǎn)是儀器體積較大、不便于攜帶和安裝,能耗高,且傳感器常需要安裝于土體之內(nèi),在農(nóng)業(yè)和地質(zhì)工程中的應(yīng)用并無(wú)妨礙,但在遺址監(jiān)測(cè)方面,考慮到文物的不可再生性,有損測(cè)試多有不宜。第三類是適用于中、大尺度范圍的土壤含水率測(cè)定方法,目前普遍使用的探地雷達(dá)法和遙感法基本滿足該尺度下測(cè)定的精度要求,但由于測(cè)量結(jié)果受土壤理化性能、成分組成及結(jié)構(gòu)、測(cè)試環(huán)境等多種因素的影響,進(jìn)一步提高針對(duì)不同土體的適應(yīng)性,研發(fā)不同類型的土壤含水率計(jì)算模型是未來(lái)重點(diǎn)。

鑒于室內(nèi)測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)方法和相關(guān)規(guī)范都已經(jīng)較為成熟,因此現(xiàn)階段研究的重點(diǎn)應(yīng)著眼于室外測(cè)試方法的改進(jìn)與研發(fā)。根據(jù)不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求特點(diǎn),未來(lái)土的含水率測(cè)定方法的發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)主要表現(xiàn)在以下方面:對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)和農(nóng)業(yè)墑情、旱情監(jiān)測(cè)工作,需重點(diǎn)滿足長(zhǎng)期、實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程傳輸?shù)葴y(cè)定要求,因此測(cè)定儀器應(yīng)向小型化、低功耗、提高響應(yīng)速度等方向發(fā)展,同時(shí)與現(xiàn)代信息技術(shù)緊密結(jié)合,實(shí)現(xiàn)土壤含水率信息的實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控,進(jìn)而建立起可進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、灌溉控制等智能管理的軟硬件平臺(tái)。在工程建設(shè)施工領(lǐng)域,測(cè)定重點(diǎn)體現(xiàn)為快速、準(zhǔn)確和便捷,測(cè)試儀器應(yīng)便于攜帶與安裝,數(shù)據(jù)信息可快速直讀,并由計(jì)算機(jī)終端控制測(cè)定系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理軟件,實(shí)現(xiàn)測(cè)定過(guò)程中數(shù)據(jù)的高速采集、實(shí)時(shí)記錄、及時(shí)顯示、智能控制,測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)處理等功能,從而提升現(xiàn)場(chǎng)工作效率和準(zhǔn)確度,更好地開(kāi)展施工質(zhì)量控制檢測(cè)工作。在遺址本體監(jiān)測(cè)中,由于測(cè)試對(duì)象的特殊性,無(wú)損監(jiān)測(cè)將是未來(lái)研究發(fā)展的重要方向。此外,實(shí)際工作中,為了保證對(duì)遺址本體全面細(xì)致的監(jiān)測(cè),儀器設(shè)備數(shù)量通常較多,因此傳感器應(yīng)滿足小型化、低功耗、低成本的要求。同時(shí),將如物聯(lián)網(wǎng)、地理信息系統(tǒng)、人工智能等先進(jìn)信息技術(shù)融合到遺址土體的含水率監(jiān)測(cè)中,研制開(kāi)發(fā)智能化的數(shù)據(jù)采集裝置和智能化的預(yù)報(bào)與決策支持軟件,以滿足長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)、模型建立、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)等方面的需求,助力遺址預(yù)防性保護(hù)工作。最后,無(wú)論何種領(lǐng)域,未來(lái)均應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)不同種類土壤水分特性的機(jī)理研究,進(jìn)行新型測(cè)定儀器和技術(shù)的開(kāi)發(fā),實(shí)現(xiàn)土壤含水率快速準(zhǔn)確的測(cè)定。