本文關(guān)鍵詞：基于探地雷達(dá)的復(fù)墾土壤壓實(shí)與工程質(zhì)量評(píng)價(jià)

  更多相關(guān)文章： 復(fù)墾土壤質(zhì)量 復(fù)墾工程質(zhì)量 無損檢測(cè) 探地雷達(dá)

【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(dǎo)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)與煤礦開采之間的矛盾是亟待解決的一項(xiàng)重要課題。土地復(fù)墾是當(dāng)前增加耕地面積、緩解人地矛盾的主要途徑之一。對(duì)土地復(fù)墾工程進(jìn)行科學(xué)有效的質(zhì)量評(píng)價(jià)和監(jiān)控,對(duì)于創(chuàng)新復(fù)墾技術(shù)、改良復(fù)墾土地利用模式、提高復(fù)墾土地生產(chǎn)力都具有重要的意義。在對(duì)復(fù)墾土壤進(jìn)行農(nóng)業(yè)利用的過程中,土壤壓實(shí)已經(jīng)成為影響復(fù)墾土壤質(zhì)量的最主要因素;覆土厚度是復(fù)墾土壤質(zhì)量檢驗(yàn)中農(nóng)、牧、林業(yè)主要測(cè)試項(xiàng)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(fù)墾工程質(zhì)量檢測(cè)的重要內(nèi)容。當(dāng)前,對(duì)于復(fù)墾土壤質(zhì)量和工程質(zhì)量的測(cè)定多采用傳統(tǒng)方法,雖然準(zhǔn)確度較高,但是費(fèi)時(shí)費(fèi)力且不能全面反映復(fù)墾項(xiàng)目區(qū)的整體狀況;對(duì)渠道和道路的檢測(cè)具有一定的破壞性,不宜大面積進(jìn)行,因此探索快速、可靠、簡便的測(cè)試方法勢(shì)在必行。本文以此為切入點(diǎn),在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上,通過對(duì)方案設(shè)計(jì)、研究方法和研究內(nèi)容等方面進(jìn)行創(chuàng)新,將探地雷達(dá)作為檢測(cè)手段,對(duì)復(fù)墾實(shí)驗(yàn)區(qū)的土壤質(zhì)量和工程質(zhì)量進(jìn)行無損檢測(cè),并針對(duì)檢測(cè)過程中的關(guān)鍵技術(shù)及其涉及的理論方法進(jìn)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(fù)墾工藝下土壤緊實(shí)度的變化規(guī)律及其影響因素。基于統(tǒng)計(jì)學(xué)理論,采用2×5×4混合試驗(yàn)設(shè)計(jì)并建立模擬復(fù)墾實(shí)驗(yàn)區(qū),模擬2種復(fù)墾機(jī)械對(duì)土壤進(jìn)行不同次數(shù)(1、3、5、7、9次)的壓實(shí)。通過測(cè)定各組合中不同層次厚度的土壤緊實(shí)度值并進(jìn)行變量的方差分析和多重比較,研究了土壤緊實(shí)度的變化規(guī)律及其影響因素。實(shí)驗(yàn)證實(shí),土地復(fù)墾過程中,壓實(shí)機(jī)械、壓實(shí)次數(shù)和土層厚度都是影響土壤緊實(shí)度的顯著性因素,各因素的貢獻(xiàn)率均在97%以上。不同的壓實(shí)機(jī)械,質(zhì)量不同,接地面積不同,會(huì)產(chǎn)生不同的壓實(shí)效果,自卸汽車壓實(shí)5次之后即可使上層土壤緊實(shí)度達(dá)到最大值,而履帶式推土機(jī)需要壓實(shí)7次。深度越大,土壤緊實(shí)度越小;隨著壓實(shí)次數(shù)的增加,各土層厚度之間土壤緊實(shí)度差異減小,中間10~30cm的土壤緊實(shí)度相對(duì)較高。過多的壓實(shí)還會(huì)使土壤先板結(jié)后破碎,影響嚴(yán)重。上述研究成果為改良復(fù)墾工藝提供了依據(jù)。為減輕土壤壓實(shí)狀況,一方面,選擇質(zhì)量較小、承重輪面積較大的機(jī)械有助于減輕對(duì)土壤的壓實(shí);其二,即使單次壓強(qiáng)較小,多次碾壓對(duì)土壤造成的壓實(shí)仍不容忽視,應(yīng)盡量避免對(duì)相同位置土壤的反復(fù)碾壓,碾壓次數(shù)應(yīng)控制在5~7次之內(nèi)。(2)構(gòu)建了壓實(shí)指標(biāo)與土壤介電常數(shù)關(guān)系模型。以土壤容重作為壓實(shí)指標(biāo),通過相關(guān)性分析,證實(shí)土壤介電常數(shù)與土壤壓實(shí)指標(biāo)具有較好的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值均大于0.89,可以表征土壤壓實(shí)狀況。以現(xiàn)有的復(fù)合介電常數(shù)模型為基礎(chǔ)獲取土壤介電常數(shù)計(jì)算值,基于探地雷達(dá)獲取土壤介電常數(shù)實(shí)測(cè)值,對(duì)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(guān)性較好,相關(guān)系數(shù)大于0.99;通過其相關(guān)方程對(duì)復(fù)合介電常數(shù)模型進(jìn)行了修正,結(jié)果表明基于修正后的模型獲取的土壤容重?cái)?shù)據(jù)準(zhǔn)確度較高,誤差范圍在0.79%~0.98%之間,并且野外實(shí)驗(yàn)證明模型通用性較好。該部分為探地雷達(dá)在土壤壓實(shí)狀況的無損檢測(cè)提供了有效途徑。(3)揭示了土壤壓實(shí)狀況在不同土地利用類型和復(fù)墾年限的時(shí)空變異特征。分別選取于不同時(shí)期復(fù)墾完成的3種土地利用類型復(fù)墾實(shí)驗(yàn)區(qū),使用探地雷達(dá)連續(xù)4個(gè)年度對(duì)每個(gè)復(fù)墾實(shí)驗(yàn)區(qū)進(jìn)行土壤質(zhì)量監(jiān)測(cè)并獲取其土壤容重值,通過對(duì)土壤容重值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,揭示了不同土地利用類型在不同復(fù)墾年限的土壤壓實(shí)狀況時(shí)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(fù)墾年限增加而逐漸下降的趨勢(shì),其下降速度和規(guī)律各有不同。耕地復(fù)墾8年后土壤容重達(dá)到最低值(1.30g/cm3),草地(1.46g/cm3)和林地(1.39g/cm3)分別于復(fù)墾后12年和15年左右基本達(dá)到原地貌土壤狀態(tài)。同時(shí)期耕地土壤容重最小,草地次之,林地最高。受人為活動(dòng)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(fù)墾年限和土地利用類型都是導(dǎo)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(xiàn)率為72.4%~97.7%),復(fù)墾年限在整體變異中的比重隨時(shí)間的延長而逐漸減小。不同土地利用類型的土壤容重在時(shí)間尺度上的變化趨勢(shì)各有不同;土地利用類型對(duì)容重的影響程度也隨著復(fù)墾年限的變化而產(chǎn)生變化,復(fù)墾中期采取不同的利用模式對(duì)土壤壓實(shí)狀況的改良具有積極意義(因素貢獻(xiàn)率為82.3%~95%)。以上研究成果一方面為復(fù)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(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)墾土壤質(zhì)量的長期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。(4)論證了探地雷達(dá)檢測(cè)復(fù)墾工程質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)。選取覆土厚度、路面厚度和渠道襯砌厚度作為復(fù)墾工程質(zhì)量的檢測(cè)指標(biāo),通過探地雷達(dá)獲取介質(zhì)的剖面圖像,實(shí)現(xiàn)了對(duì)上述指標(biāo)的無損檢測(cè),并對(duì)地面位置定位、電磁波傳播速度標(biāo)定和反射層拾取等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)分析;與傳統(tǒng)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,對(duì)探地雷達(dá)檢測(cè)的準(zhǔn)確性及其原因進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示:本試驗(yàn)項(xiàng)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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn);渠道襯砌分布均勻(變異系數(shù)為12.86%),厚度達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(平均厚度15.57cm)。研究發(fā)現(xiàn)波形圖中第一個(gè)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(dǎo)致的反射相位識(shí)別困難問題,同時(shí)探地雷達(dá)的工作方式對(duì)于檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。土壤由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,在探地雷達(dá)的使用方面存在諸多影響因素,在數(shù)據(jù)處理時(shí)應(yīng)注意弱化地下介質(zhì)對(duì)電磁波的衰減作用。綜上所述,本文一方面通過探地雷達(dá)獲取土壤的介電常數(shù),在對(duì)已有介電常數(shù)模型進(jìn)行修正的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)土壤壓實(shí)狀況的無損檢測(cè);另一方面借助于探地雷達(dá)獲取介質(zhì)的剖面圖像,通過對(duì)地面位置定位、電磁波傳播速度標(biāo)定和反射層拾取等關(guān)鍵技術(shù)的處理實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)墾工程質(zhì)量的無損檢測(cè);研究過程中同時(shí)對(duì)土壤壓實(shí)狀況的變異規(guī)律及其影響因素進(jìn)行了分析。研究成果豐富了探地雷達(dá)在土壤復(fù)墾領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù),為復(fù)墾質(zhì)量的無損檢測(cè)提供了理論依據(jù)和技術(shù)手段,對(duì)革新復(fù)墾工藝、實(shí)現(xiàn)復(fù)墾土壤的有效利用及制定復(fù)墾土壤改良措施具有借鑒意義。
【關(guān)鍵詞】：復(fù)墾土壤質(zhì)量 復(fù)墾工程質(zhì)量 無損檢測(cè) 探地雷達(dá)
【學(xué)位授予單位】：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：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(jìn)展19-24
• 1.2.1 國內(nèi)外土地復(fù)墾研究進(jìn)展19-22
• 1.2.2 探地雷達(dá)在土壤領(lǐng)域的應(yīng)用22-24
• 1.3 研究目標(biāo)、研究內(nèi)容和技術(shù)路線24-27
• 1.3.1 研究目標(biāo)24
• 1.3.2 研究內(nèi)容24-25
• 1.3.3 技術(shù)路線25-27
• 1.4 課題來源與背景27
• 1.5 小結(jié)27-28
• 2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)28-43
• 2.1 模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)28-29
• 2.1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/span>28
• 2.1.2 試驗(yàn)方案28-29
• 2.1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取29
• 2.2 野外試驗(yàn)設(shè)計(jì)29-35
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況29-32
• 2.2.2 典型復(fù)墾試驗(yàn)區(qū)選擇原則32-34
• 2.2.3 試驗(yàn)復(fù)墾區(qū)概況34-35
• 2.3 試驗(yàn)設(shè)備35-42
• 2.3.1 探地雷達(dá)35-42
• 2.3.2 土壤緊實(shí)度儀42
• 2.3.3 其他設(shè)備42
• 2.4 小結(jié)42-43
• 3 探地雷達(dá)應(yīng)用于復(fù)墾領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)43-58
• 3.1 物質(zhì)材料的電磁性質(zhì)及其對(duì)電磁波的影響44-45
• 3.2 土壤的電磁性質(zhì)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(dá)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(jié)構(gòu)土壤中的反射和折射50
• 3.4 探地雷達(dá)簡介50-51
• 3.5 探地雷達(dá)的探測(cè)方式51-54
• 3.5.1 反射式探測(cè)52-53
• 3.5.2 折射式探測(cè)53
• 3.5.3 透射式探測(cè)53-54
• 3.6 探地雷達(dá)的探測(cè)性能54-57
• 3.6.1 探測(cè)深度54-55
• 3.6.2 分辨力55-57
• 3.7 小結(jié)57-58
• 4 基于土壤緊實(shí)度的土壤壓實(shí)狀況影響因素分析58-66
• 4.1 機(jī)械壓實(shí)對(duì)土層下降深度的影響58-59
• 4.2 不同處理方式下土壤緊實(shí)度的變化59-61
• 4.3 土壤緊實(shí)度影響因素分析61-62
• 4.4 不同處理方式下土壤緊實(shí)度影響因素的多重比較62-65
• 4.5 小結(jié)65-66
• 5 土壤壓實(shí)狀況評(píng)價(jià)中復(fù)合介電常數(shù)模型的構(gòu)建66-80
• 5.1 復(fù)合介電常數(shù)模型66
• 5.2 土壤的復(fù)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(fù)墾模式下探地雷達(dá)圖像分析71-72
• 5.4 介電常數(shù)表征土壤壓實(shí)狀況的可行性分析72-73
• 5.5 土壤壓實(shí)狀況評(píng)價(jià)中復(fù)合介電常數(shù)模型的構(gòu)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(yàn)77-78
• 5.6 小結(jié)78-80
• 6 基于介電常數(shù)模型的土壤壓實(shí)狀況時(shí)空變異及其影響因素分析80-96
• 6.1 試驗(yàn)方案80-82
• 6.1.1 復(fù)墾實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)間變異特征82-85
• 6.2.2 土壤容重時(shí)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(jié)94-96
• 7 基于探地雷達(dá)的工程質(zhì)量無損檢測(cè)技術(shù)96-116
• 7.1 基于探地雷達(dá)的厚度檢測(cè)原理96-98
• 7.2 探地雷達(dá)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(biāo)深度法99
• 7.2.3 共中心點(diǎn)（CMP）法99-100
• 7.2.4 反射系數(shù)法100-101
• 7.3 電磁波傳播時(shí)間參數(shù)的確定101-105
• 7.3.1 電磁波初至?xí)r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(cè)105-111
• 7.4.1 項(xiàng)目區(qū)概況及數(shù)據(jù)采集105-106
• 7.4.2 覆土層波速標(biāo)定106-108
• 7.4.3 道路和渠道面層波速標(biāo)定108-110
• 7.4.4 探地雷達(dá)厚度檢測(cè)準(zhǔn)確性分析110-111
• 7.5 檢測(cè)結(jié)果及分析111-115
• 7.5.1 果園覆土厚度分析結(jié)果112-113
• 7.5.2 田間道路面層及基層厚度分析結(jié)果113-114
• 7.5.3 灌溉渠道面層及基層厚度分析結(jié)果114-115
• 7.6 小結(jié)115-116
• 8 研究成果與創(chuàng)新點(diǎn)116-119
• 8.1 研究成果116-118
• 8.1.1 土壤質(zhì)量方面116-117
• 8.1.2 工程質(zhì)量方面117-118
• 8.2 創(chuàng)新點(diǎn)118-119
• 8.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方面118
• 8.2.2 研究方法方面118
• 8.2.3 研究內(nèi)容方面118-119
• 參考文獻(xiàn)119-126
• 致謝詞126-127
• 攻讀學(xué)位期間科研情況127

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4 孫玉蓮;土壤壓實(shí)對(duì)根構(gòu)型作用模擬的知識(shí)管理研究[D];昆明理工大學(xué);2013年

5 王建鋒;基于概念設(shè)計(jì)的土壤壓實(shí)測(cè)量裝置研究[D];昆明理工大學(xué);2007年

6 劉爽;土壤壓實(shí)對(duì)城市綠化樹種生理生態(tài)特征的影響[D];南京林業(yè)大學(xué);2010年

7 高愛民;割草機(jī)對(duì)苜蓿地土壤壓實(shí)的試驗(yàn)研究[D];甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué);2007年

8 郭淑麗;基于GPR的復(fù)墾土壤壓實(shí)探測(cè)模型研究[D];山東農(nóng)業(yè)大學(xué);2013年

9 劉雪冉;礦區(qū)復(fù)墾土壤壓實(shí)特征及蘑菇料施用改良效果研究[D];山東農(nóng)業(yè)大學(xué);2010年

10 單偉;土壤壓實(shí)對(duì)陸稻苗期的作用及其可視化模擬[D];昆明理工大學(xué);2014年

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本文編號(hào)：872495