冻融过程对FDR测量土壤体积含水量的影响

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l 365 l频域反射(frequency domain reflectometry，FDR)技术利用电磁脉冲原理，根据电磁波在土壤中传播的频率来测试土壤的表观介电常数，从而得到土壤体积含水量.由于基于 FDR技术的土壤水分传感器具有性价比高、简单实用、对土壤扰动小等优点，是目前土壤原位体积含水量测量的常用仪器之-ll J，已被广泛用于地球科学、农业和岩土工程等领域 J。

在季节性冻土地区，土壤体积含水量对于植被生长、微生物和工程建设等具有重要意义，准确测量土壤体积含水量有助于了解土壤水分变化 j.Yoshika-wa等。 采用 FDR测量了-60～0℃温度条件下黏性土样体积含水量，取得了良好的效果.李元寿等 将FDR用于高寒草地土壤体积含水量的测量，结果表明FDR能灵敏地探测到土壤水分的变化。

由于冻融过程 中温度变化剧烈，冻融过程对FDR测量土壤体积含水量的影响不容忽视.为此，以南京地区的黏性土为研究对象，采用基于 FDR技术的土壤水分传感器 TDR-3测量土壤体积含水量，并通过控制环境温度，获得 FDR测量冻融过程中土壤体积含水量的变化规律。

1 试验材料与仪器试验所用的土样为南京地区的黏性土，其物理力学性质：比重为 2.73，液限为 34.5%，塑性指数为17.6%，最佳含水量为 16.0%，最大干密度为 1.7g/cm ，小于 0.005 mm的颗粒 占23.8%.试验前将土样风干粉碎，并过 2 mm筛。

采用的基于 FDR技术的土壤水分传感器为锦州阳光科技公司生产的TDR-3(图 1)，该传感器的直径为50 mm，全长200 mm，探针长度为70 mm，量程为0～100%(m /m )，精度为 ±2%(m /m )，工作温度为 -40～80℃.为了控制环境温度的变化，所有试验均在步人式高低温交变湿热实验箱 中进行，该实验箱的内部尺寸为 2.0 m×1.5 m×2.0 m，控温范围为 -20～80℃，控温精度≤±0.5℃。

图 1 TDR-3型土壤水分传感器Fig.1 Soil moisture sensor of TDR-32 试验过程2.1 试验方法为了研究冻融过程对 FDR测量土壤体积含水量的影响，开展了如下试验：在风干粉碎的下蜀土中加入适量的水，配制成不同体积含水量的土样，并静置-昼夜，以便土样中的水分均匀.将制备好的土样填入长 320 mm，直径为 102 mm 的 PVC管中，当填土到-半时，插入 TDR-3型土壤水分传感器，然后用土样将其填满，密封好 PVC管的上下管口，以防止试验中土样水分的蒸发.试验中共配制了10组土样，分别为 S1～S10，其体积含水量 分别为 0.135，0.216，0.217，0.427，0.435，0.215，0.152，0.153，0.382，0.334；土样体积含水量测量时的环境温度为20 cC。

将制备好的PVC管，放入高低温交变湿热实验箱中，连接好 TDR-3与数据采集仪，组成试验装置，如图2所示，其中土壤体积含水量数据和环境温度可通过电脑自动采集，采集间隔为 5 rain，并可实时显示.试验中温度的控制范围为 -20～20 qC，温度梯度为 10℃，待土壤水分传感器读数稳定后再开始下-级温度的试验。

步人式1氐媪交变湿热实验箱图 2 试验装置示意图Fig.2 Sketch of experimental device2.2 试验结果与分析图3为 FDR测量值随温度和时间的变化图，温度为环境温度，试验中通过温度传感器测得 PVC管周围环境温度.从图中可以看出，FDR的测量值随着环境温度的变化而改变，说明在 PVC管直径较小的情况下，环境温度能够很快地影响到传感器周围的土温.对 S1-S10进行了在 -20～20℃温度条件下的冻融试验，温度冻融过程为：20℃-l0℃-0℃- -10 cC- -20 c- 0 qC-10℃-20℃，试验结果如图3所示.试验结果表明，在土壤冻融过程I 1]i 啊 3 讨 论从试验结果可以看出，温度对 FDR的测量结果有影响 ，以冻结过程为例，从 2O cIC降温到 0 oC，FDR的测量结果逐渐减小.同时研究还发现在土壤冻融过程中，冻结过程中FDR的测量值大于融化过程中FDR的测量值，说明冻融过程显著影响 FDR的测量结果，冻结过程中FDR测量值与融化过程FDR测量值的差值随负温降低而减小；在相同温度条件下，差值随着初始体积含水量增大而增大，冻融前后 FDR测量差值的现象在 0 c时最明显.原因在于FDR是通过测量土壤的介电常数来推算土壤的体积含水量 J，而土壤的介电常数受温度的影响而变化 ”J，土壤的冻融过程中温度剧烈变化，导致 FDR测量值随之改变。

李丽英等 采用 Agilent系列的微波网络分析仪在 1～20 GHz的频率范围内测量了不同温度(-25～20℃)和不同含水量(5% -30%)土壤的介电常数，提出随着含水量的增大，土壤的介电常数的实部和虚部均在增大，在 0 c附近土壤中的水发生相变，土壤的介电常数急剧增大，这是由于水和冰的介电常数存在巨大差异所导致的，初始体积含水量大的更加明显，负温区土壤 的介 电常数增大缓慢.当土壤的介电常数变化时，FDR的测量值也随之发生变化，这就进-步解释了对体积含水量 <30%的土壤，土壤冻融前后 FDR的测量值没有明显差值；而对体积含水量 >30%的土壤，土壤冻融前后FDR的测量值出现明显差值；土壤冻结过程中 FDR的测量值大于土壤融化过程中 FDR的测量值，在 0℃时两者差值最大；说明土壤初始体积含水量影响着土壤冻融前后 FDR的贝0量差值是否明显出现。

对于体积含水量大的土壤，随着冻结温度降低，土壤冻融前后 FDR的测量差值逐渐变小，0℃时的差值也逐渐变小；体积含水量小的土壤没有明显出现测量差值，这是由于负温时土壤中除了含有- 部分未冻水外，还增加了冰的成分，随着温度降低，体积含水量大的土壤，冰的成分增多，体积含水量小的土壤，能够成冰的成分较少，较快地完成了成冰过程；冰的介电常数仅为 3.15，比水的介电常数熊多，导致土壤的介电常数在负温区变化平缓 .土壤的介电常数在正温的时候增大显著，而负温的时候增幅较小，导致 FDR的测量值也随之变化，因此在温度 0 oC以下，在 -10 c时不同土样冻融前后的 FDR的测量差值变得很小，而 0℃以上，FDR的测量差值快速减小.以上分析说明不仅土壤初始体积含水量会影响土壤冻融前后 FDR的测量值，冻结温度也是-个不容忽视的因素.因此在没有外部水分补给的条件下，冻融过程和初始体积含水量对土壤的介电常数影响很大，进而改变 FDR的测量值。

4 结 论通过以上试验分析，可得到以下结论：1)土壤冻融过程对 FDR测量土壤体积含水量影响明显，在土壤冻结过程中，FDR的测量值随温度降低而减小；在土壤融化过程中，FDR测量值随温度的升高而增大；土样的初始体积含水量不同，FDR的测量值在相同温度条件下表现不同。

2)对体积含水量 <30%的土壤，土壤冻融前后FDR的测量值差值较小；对体积含水量 >30%的土壤，土壤冻融前后 FDR的测量值较大；土壤冻结过程中FDR的测量值高于土壤融化过程中FDR的测量值，在0 oC时两者差值最大.土壤经历不同的冻融过程影响 FDR的测量值，冻结温度越低，FDR测量值在 0℃时差值越小。

3)没有外部水分补给的条件下，冻融过程和初始体积含水量通过影响土壤的介电常数进而改变FDR的测量值。