基于地质雷达的多尺度包气带含水率反演过程研究

论文摘要

包气带是地表与地下水发生联系、进行水分交换的桥梁,是介质颗粒、水和空气三者同时存在的一个复杂系统,在水文循环中起着重要的作用。另外,包气带在地下水污染方面也起着重要的媒介作用,污染物从地表入渗,并在包气带内进行物理、化学反应,继而污染地下水。因此,查明包气带含水率分布情况对水文循环和污染防治具有重要意义。传统的测量含水率具有一定的局限性,探索一种无损、快速和准确的测定连续剖面的包气带含水率的技术与方法具有重要的实际意义。地质雷达具有测量速度快、分辨率高、无损探测等特点,被广泛应用。因此本文采用室内物理模拟试验、原位监测试验和田间尺度应用相结合的研究思路,分析地质雷达电磁波在浅层包气带中随含水率和埋深变化的衰减过程,研究电磁波的衰减特征,构建地质雷达电磁波与含水率的衰减函数模型,开展地质雷达电磁波与含水率的反演过程研究,为推动较大尺度上利用地质雷达反演包气带含水率的方法提供理论依据。本文在物理模拟试验与理论分析的基础上取得了以下主要结论:(1)介电常数是地质雷达探测中一项重要的参数。本文通过室内物理模拟试验,得到以下主要结论:(1)相同颗粒级配条件下,影响介质介电常数的主要因素为含水率,随含水率增加介电常数也相应增加,两者变化呈正相关且接近于线性;(2)含水率相同的条件下,介质颗粒粒径越小,则介电常数越大,介电常数与颗粒粒径呈负相关,其试验结果为:含水率一定的条件下,黏>粉>砂。并根据反距离加权平均的方法,编制《土壤介电常数计算软件》,通过设定介质颗粒组成比例与含水率,快速确定介质的介电常数。(2)通过室内物理模拟试验和原位监测试验,揭示不同介质、不同含水率和埋深条件下电磁波传播规律,得到以下主要结论:(1)中砂介质中,最能表征含水率变化的是均方根振幅、平均绝对值振幅、平均振幅和总振幅;粉土介质中,最能表征含水率变化的是总绝对值振幅和平均波峰振幅;粉质黏土中,最能表征含水率变化的是总绝对值振幅;风积沙中,最能表征含水率变化的是均方根振幅、总绝对值振幅和平均绝对值振幅。(2)介质岩性特征对敏感振幅属性的影响:当砂性介质中0.5～0.25mm粒径的土壤成分占比较大时(如中砂),可用平均振幅和总振幅表征介质含水率的变化;随着细颗粒占比的增加(如粉细砂),均方根振幅和平均绝对值振幅也可表征介质含水率的变化;当砂性介质中0.25～0.075mm粒径的土壤占比较大时,均方根振幅、平均绝对值振幅和总绝对值振幅可以表征介质含水率的变化;当介质中粉粒含量较高时(如粉土),平均绝对值振幅和总绝对值振幅可以表征介质含水率的变化;当介质中砂粒很少,粉粒、黏粒占比较高时,只有总绝对值振幅可以表征介质含水率的变化。(3)以电磁波传播理论为基础,构建基于含水率为变量的电磁波概念模型,构建4种不同介质中以实测电磁波敏感属性振幅值为自变量,含水率为因变量的特征函数模型,依据相关性提取每种介质中能表征其含水率变化的振幅属性。利用非线性最小二乘法拟合各种介质敏感振幅属性与含水率的特征函数,得到:中砂介质中,以平均振幅值为自变量的特征函数模型相关系数为0.95;粉土介质中,以总绝对值振幅值为自变量的特征函数模型相关系数为0.94;粉质黏土中,以总绝对值振幅值为自变量的特征函数模型相关系数为0.94;风积沙中,以均方根振幅值为自变量的特征函数模型相关系数为0.94。(4)通过田间尺度上验证地质雷达电磁波振幅属性反演包气带含水率的可行性。提取并分析三条剖面的预测含水率分布与实测含水率分布,总体在剖面上分布一致;并采用均方根误差(Re)、相关系数(R~2)和纳什效率系数(Ens)对地质雷达电磁波反演包气带含水率的特征函数模型精度进行评价,认为:三条剖面上由特征函数模型反演得到的含水率预测结果,总体上均方根误差均在1%以内,相关系数均在0.95以上,纳什效率系数均在0.9以上,呈高度相关,结果比较理想。验证了通过地质雷达电磁波振幅属性反演包气带含水率分布的可行性,为下一步包气带含水率的探测提供新的技术方法。

论文目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 包气带含水率测量方法

1.2.2 地质雷达应用

1.2.3 地质雷达探测含水率

1.2.3.1 介电常数与含水率

1.2.3.2 含水率与地质雷达电磁波

1.2.4 存在问题

1.3 研究内容

1.3.1 研究目标

1.3.2 研究内容

1.4 技术路线

1.5 创新点

2 地质雷达基础理论

2.1 介电常数理论

2.1.1 介电常数基础理论

2.1.2 介电常数的测量方法

2.1.2.1 介电常数仪工作原理

2.1.2.2 介电常数计算

2.2 地质雷达理论

2.2.1 地质雷达基础理论

2.2.2 分辨率

2.3 地质雷达探测含水率野外工作方法

2.3.1 钻孔雷达法

2.3.2 多偏移距法

2.3.3 固定距离法

2.3.4 电磁波属性法

2.4 地质雷达数据处理方法

2.4.1 Radan7和Geogiga软件

2.4.2 地质雷达电磁波属性分析处理软件V1.0

2.4.3 地质雷达信号波时深转换软件V2.0

3 地质雷达电磁波反演包气带含水率物理模拟试验方案

3.1 室内物理模拟试验

3.1.1 不同介质的介电常数变化规律

3.1.1.1 试验介质制备

3.1.1.2 试验步骤与过程

3.1.1.3 介电常数计算算法

3.1.2 不同介质的地质雷达探测试验

3.1.2.1 试验设备

3.1.2.2 试样制备

3.1.2.3 试验方案与步骤

3.2 原位监测试验

3.2.1 原位试验场综合剖面试验设计

3.2.2 试验过程与步骤

4 不同介质的地质雷达特征参数和电磁波变化规律

4.1 介电常数变化规律与快速确定方法

4.1.1 不同介质条件下介电常数的变化规律

4.1.2 不同含水率条件下介电常数的变化规律

4.1.3 土壤介电常数计算软件

4.1.4 对比验证

4.1.4.1 试验材料

4.1.4.2 试验步骤

4.1.4.3 试验结果分析

4.2 不同介质的地质雷达电磁波变化规律

4.2.1 电磁波属性表达方法

4.2.2 地质雷达电磁波变化规律

4.2.2.1 中砂

4.2.2.2 粉土

4.2.2.3 粉质黏土

4.2.2.4 风积沙

4.3 结果与讨论

4.3.1 介电常数试验

4.3.2 地质雷达探测试验

5 不同介质的地质雷达电磁波衰减规律

5.1 试验介质的岩性特征

5.2 六种介质含水率变化情况

5.3 不同介质中地质雷达电磁波衰减规律

5.3.1 1号桶（粉土）

5.3.2 2号桶（粉砂）

5.3.3 3号桶（粉质黏土）

5.3.4 4号桶（粉质黏土）

5.3.5 5号桶（中砂）

5.3.6 6号桶（风积沙）

5.4 结果与讨论

5.4.1 原位监测试验结果分析

5.4.2 地质雷达电磁波敏感属性与介质岩性特征间关系总结

6 基于包气带含水率为变量的电磁波衰减模型与应用

6.1 基于含水率为变量的电磁波衰减模型

6.1.1 电磁波传播理论

6.1.2 基于含水率为变量的电磁波概念模型

6.1.3 不同介质的电磁波衰减特征函数

6.1.3.1 中砂

6.1.3.2 粉土

6.1.3.3 粉质黏土

6.1.3.4 风积沙

6.2 基于地质雷达电磁波与含水率特征函数的反演应用

6.2.1 研究区概况

6.2.1.1 地理位置

6.2.1.2 地形地貌

6.2.1.3 土壤特征

6.2.1.4 包气带岩性结构特征

6.2.2 田间尺度试验设计与试验方法

6.2.2.1 试验设备

6.2.2.2 试验场地设计

6.2.2.3 试验方法与步骤

6.2.3 试验结果分析

6.2.3.1 包气带含水率

6.2.3.2 反演应用

6.3 地质雷达反演包气带含水率特征函数模型评价

6.3.1 模型验证方法

6.3.2 模型验证

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

附录1 土壤介电常数计算软件

附录2 地质雷达电磁波属性分析处理软件V1.0

附录3 地质雷达电磁波时深转换软件V2.0

个人简历、在学期间取得的科研成果

致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 刘少康

导师: 李志萍

关键词: 地质雷达,包气带,含水率,电磁波振幅属性,衰减特征函数

来源: 华北水利水电大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 地质学,地球物理学,矿业工程,环境科学与资源利用

单位: 华北水利水电大学

基金: 国家自然科学基金面上项目:小流域尺度上包气带水分运动参数与探地雷达信号的耦合过程研究(41372260)

分类号: P631.3;X523

DOI: 10.27144/d.cnki.ghbsc.2019.000024

总页数: 189

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