CN103454309B - 一种土壤含水率分布式测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土壤含水率分布式测量方法及系统，所述方法包括如下步骤：在土壤中植入碳纤维光缆，通电加热，用DTS解调设备解调、记录温度数据，运用数据分析软件求碳纤维光缆温度特征值，将所求温度特征值代入标定试验确定的一次函数w＝kT_t+b计算出土壤含水率，其中w为土壤含水率，T_t为碳纤维光缆温度特征值，k和b为常数。所述系统包括碳纤维光缆、加热电源、DTS解调设备、具有数据分析软件的计算机。本发明可以对土体含水率进行原位分布式测量，具有分布式测量、测量距离长、安装简单、测量精度和稳定性高、性能价格比好等优点。

Description

一种土壤含水率分布式测量方法及系统

技术领域

本发明涉及土壤环境测量技术领域，特别是一种土壤含水率分布式测量方法及系统。

背景技术

土壤含水率即土壤中水分质量与相应固体物质质量的比值，是相关科学研究与工程实践的基础，在土质评价、水循环条件研究、植物生长条件研究、边坡稳定性评价及地质与岩土工程建设等方面都有非常重要的意义。

关于土壤含水率的测定，目前主要有三种方法：烘干法、电阻法、时域反射法(TDR)。

烘干法是土壤中含水率测量最常用和简便的方法，其原理是根据土样烘干前后质量变化确定含水率，然而，这种方法需要取样烘干，因此它适合于实验室测试，很难对原位土壤，尤其是深部原位土壤的含水率进行实时测量。另外，即使取到合适的原位土样，在土样取样、搬运和存储过程中也难免失去一定水分，造成测试结果偏差。

电阻法的原理是通过测量埋入土壤中的两个电极之间电阻来确定含水率，但由于土中的电阻受空隙分布，颗粒成分影响而使该方法测量结果误差较大，另外，该方法使用前的标定结果容易随时间失效，因此，在岩土工程中还不能普遍推广。

TDR技术测量土壤中含水率的原理是通过测量电磁波在埋入土壤中导线入射和反射之间的时间差来求土壤介电常数，利用介电常数确定含水率，目前它是测量原位土体含水率比较常用的方法。但该方法的测量结果受到土本身特性和环境因素的影响，测量精度和稳定性不高。此外，因为探头几乎无法安装到深部土体，所以难以对深部原位土进行含水率测量。

上述三种方法除了难以测量原位土含水率，标定复杂、稳定性差等不足外，它们均属于点式测量，还无法对土体原位含水率进行分布式测量。因此，十分需要研发新的测试手段对土体含水率进行原位分布式测量。

分布式光纤传感技术近年来得到了迅速发展，其分布式、长距离、防腐蚀、抗干扰等突出优点，使这类技术在实际工程监测中不断得到推广和应用。其中，基于先进的拉曼光时域反射测量技术（ROTDR）的分布式光纤温度测量系统（DTS），在电力、隧道、输油管道、火灾预警等方面已得到广泛应用，并开始在大坝和地质体渗流监测中不断推广应用，而在土壤含水率测定方面未有应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种土壤含水率分布式测量方法及系统，基于DTS技术，运用碳纤维光缆内加热、温度感测的特点，通过碳纤维光缆升温过程中的温度特征值来确定土壤含水率，解决了现有土壤含水率测定方法难以测量原位土含水率，标定复杂、稳定性差、无法对土体原位含水率进行分布式测量等缺点。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

一种土壤含水率分布式测量方法，包括如下步骤：

步骤一、将碳纤维光缆植入土壤中，所述碳纤维光缆为具有内加热功能的碳纤维温度感测光缆，由内到外依次包括光纤、碳纤维、护套；

步骤二、对步骤一所述碳纤维光缆进行通电加热，利用DTS解调设备解调、记录碳纤维光缆通电加热过程中的温度值；所述DTS解调设备基于拉曼光时域反射测量技术进行分布式温度测量，感温元件为步骤一所述碳纤维光缆；

步骤三、运用数据分析软件计算碳纤维光缆温度特征值，根据碳纤维光缆温度特征值与土壤含水率之间的线性关系：w＝kT_t+b计算出土壤含水率，其中w为土壤含水率，T_t为碳纤维光缆温度特征值，k和b为常数，通过标定试验确定；所述碳纤维光缆温度特征值为通电加热后碳纤维光缆形成的温度场梯度不再改变时，选取一个特征时间区间内的等时间间隔所测得的温度值的算数平均值。

进一步地，碳纤维光缆每隔0.5～1米设置一个温度测量点；步骤三中所述等时间间隔为1分钟。

进一步地，所述标定试验包括如下步骤：

步骤一、将碳纤维光缆依次植入若干组预配含水率的土壤中，所述碳纤维光缆为具有内加热功能的碳纤维温度感测光缆，由内到外依次包括光纤、碳纤维、护套；

步骤二、对步骤一所述各碳纤维光缆进行通电加热，利用DTS解调设备解调、记录各碳纤维光缆通电加热过程中的温度值；所述DTS解调设备基于拉曼光时域反射测量技术进行分布式温度测量，感温元件为步骤一所述碳纤维光缆；

步骤三、运用数据分析软件计算各碳纤维光缆温度特征值，并拟合出碳纤维光缆温度特征值与土壤含水率之间的线性关系：w＝kT_t+b，其中w为土壤含水率，T_t为碳纤维光缆温度特征值，k和b为常数；所述碳纤维光缆温度特征值为通电加热后碳纤维光缆形成的温度场梯度不再改变时，选取一个特征时间区间内的等时间间隔所测得的温度值的算数平均值。

进一步地，所述若干组预配含水率的土壤为4～6组。

一种土壤含水率分布式测量系统，包括碳纤维光缆、加热电源、DTS解调设备、具有数据分析软件的计算机，所述碳纤维光缆为具有内加热功能的碳纤维温度感测光缆，由内到外依次包括光纤、碳纤维、护套；所述DTS解调设备是基于拉曼光时域反射测量技术进行分布式温度测量，感温元件为所述碳纤维光缆；所述碳纤维光缆分别与加热电源、DTS解调设备连接，DTS解调设备连接具有数据分析软件的计算机。

本发明的原理：基于DTS碳纤维内加热温度感测光缆的土壤含水率分布式测量方法的基本原理是利用DTS碳纤维内加热温度感测光缆所测到的升温过程中温度特征值与含水率之间的线性关系，来测量土壤中的含水率。进一步解释为：土壤的热传导性能由固体、气体、水分三者共同决定，固体成分在测量过程中基本不发生变化，气体导热系数远远低于水分导热系数，故可忽略不计，因此，土壤热传导能力随含水率而发生变化，含水率越高，其热传导能力越强。将具有内加热功能的碳纤维温度感测光缆植入土壤中，通电后碳纤维光缆发热，温度升高，在含水率越高的部位，传热能力越强，而碳纤维光缆中由于电流产生的总能量固定，但向土体中传递的能量就越多，故用于加热碳纤维光缆本身的能量就越少，碳纤维光缆升温速率越慢，碳纤维光缆温度越低，温度特征值也越低。通过测量加热一定时间的碳纤维光缆温度即可得到温度特征值，据此来测量土壤中的含水率。

本发明的有益效果：

1.本发明可以实现分布式、连续性测量土壤含水率。

2.本发明可以实时、动态监测土壤含水率变化过程。

3.本发明直接测量原状土含水率，无需取样，对原状土扰动小，避免了土样运输过程造成的水分散失。

4.本发明采取钻孔等方法，可分布式监测深部土体的含水率变化。

5.本发明碳纤维光缆铺设后，由于光纤耐久稳定性好，可用于土壤含水率的长期测量及监测，测量时间可达几十年。

6.本发明测量时间不受气候条件的影响。

7.本发明无辐射，对人体无害，安全，经济。

8.本发明测量距离长、安装简单、测量精度和稳定性高、性能价格比好。

附图说明

图1是本发明测量系统示意图。

图2实施例1砂性土中碳纤维光缆温度特征值与土壤含水率线性关系标定结果图。

图3实施例1本发明方法与烘干法所测砂性土含水率对比结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，一种土壤含水率分布式测量系统，包括碳纤维光缆、加热电源、DTS解调设备5、具有数据分析软件的计算机6，所述碳纤维光缆为具有内加热功能的碳纤维温度感测光缆，由内到外依次包括光纤4、碳纤维3、护套2；所述DTS解调设备5是基于拉曼光时域反射测量技术进行分布式温度测量，感温元件为所述碳纤维光缆；所述数据分析软件可以是Matlab，C++等能计算多组数据平均值的软件均可。所述碳纤维光缆植入土壤1中，所述碳纤维光缆分别与加热电源、DTS解调设备5连接，DTS解调设备5连接具有数据分析软件计算机6。

碳纤维光缆与土壤含水率线性关系标定试验包括如下步骤：

步骤一、将碳纤维光缆依次植入四至六组预配含水率的土壤1中；

步骤二、对步骤一所述各碳纤维光缆进行通电加热，利用DTS解调设备5解调、记录各碳纤维光缆通电加热过程中的温度值；

步骤三、运用数据分析软件计算各碳纤维光缆温度特征值，并拟合出碳纤维光缆温度特征值与土壤含水率之间的线性关系：w＝kT_t+b，其中w为土壤含水率，T_t为碳纤维光缆温度特征值，k和b为常数；所述碳纤维光缆温度特征值为通电加热后碳纤维光缆形成的温度场梯度不再改变时，选取一个特征时间区间内的等时间间隔所测得的温度值的算数平均值。

待测土壤含水率的测定按照上述方法测定，得到碳纤维光缆温度特征值，根据上述拟合出的碳纤维光缆温度特征值与土壤含水率之间的线性关系：w＝kT_t+b，计算出待测土壤的含水率。

本发明方法，碳纤维光缆温度特征值为通电加热后碳纤维光缆形成的温度场梯度不再改变时，选取一个特征时间区间内的等时间间隔所测得的温度值的算数平均值。所述特征时间区间取决于碳纤维光缆的发热功率、测量对象的热力学性质和测量精度，可根据经验公式t₁＝m，t₂＝m+7.5γ+3.5P确定特征时间区间[t₁，t₂]，式中γ为土壤的热导系数，可通过热力学中已测得的不同材料热导系数确定；P为每米光缆的热功率；m为常数，一般情况取15min为宜。以通电加热电压为7.33V/m，γ为0.7W/m·K，P为2.77W/m为例，特征时间区间可选取15～30分钟区间。

本发明土壤含水率分布式测量反映的是以碳纤维光缆为中心轴的横向半径为r的圆柱体内土壤的含水率。横向半径r的大小取决于碳纤维光缆通电加热功率，二者关系可根据经验公式r＝0.0722P，式中r为横向半径、P为每米光缆的热功率，判断功率越大，r越大。以通电加热电压为7.33V/m，P为2.77W/m为例，r值约为0.2m。

实施例1

碳纤维光缆与砂性土含水率线性关系标定试验：

步骤一、选择苏州砂性土，分别配置成含水率为5%、10%、15%、20%四组试样；分别将碳纤维光缆依次植入上述四组不同含水率砂性土中；所述碳纤维光缆是苏州南智传感科技有限公司生产的内加热碳纤维温度感测光缆NZS-DTS-C11，为具有内加热功能的碳纤维温度感测光缆，由内到外依次包括光纤4、碳纤维3、护套2；

步骤二、接通加热电源使碳纤维光缆在电流作用下开始升温，用DTS解调设备5解调、记录碳纤维光缆通电加热过程中的温度信息；其中，通电加热电压为7.33V/m，功率为2.77W/m；所述DTS解调设备5是苏州南智传感科技有限公司生产的NZS-DTS-M6，是基于拉曼光时域反射测量技术进行分布式温度测量，感温元件为步骤一所述碳纤维光缆；

步骤三、运用数据分析软件在加热特征时间区间[15min,30min]，每隔1min，计算温度特征值，并拟合温度特征值与含水率之间的线性关系得w＝-0.64T_t+48.7，如图2所示。

本发明方法与烘干法测量结果比较：

取未知含水率砂性土，分成两份，第一份中植入碳纤维光缆，按照上述标定试验相同的方法和步骤，通电加热，用DTS解调设备解调、记录温度数据，运用数据分析软件求碳纤维光缆温度特征值，将所求温度特征值代入标定试验确定的一次函数w＝-0.64T_t+48.7中，计算土壤含水率。第二份通过烘干法测量土壤含水率。将通过本发明方法和烘干法所测结果绘制如图3所示。通过图3可看出，运用本发明方法测得的待测砂性土含水率为8.125%，烘干法所测含水率为8%，绝对误差为0.125%，可满足工程要求。

将本实施例中碳纤维光缆温度特征值与土壤含水率之间线性关系理论推导过程阐述如下：

设待测砂性土具有均匀性、各向同性，可将此类热量传输问题简化为一维问题。在测管表面取单位面积，根据欧姆定律，该单位面积单位时间内产生的能量为：

$Q_1=\frac{U^2}{R}{I}^{2}R,---\left(1\right)$

式（1）中Q₁为测管单位面积上产生的能量，U为单位面积测管上缠绕碳纤维丝两端所加电压，R为单位面积测管上缠绕碳纤维的电阻，I为电流。因R和I都为常数，所以Q₁也为常数。根据传热学中傅里叶定律可知，测管单位面积在单位时间内散失的热量为：

$Q_2=\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}=-\mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂u}{\stackrel{\→}{n}}_0,---\left(2\right)$

式（2）中Q₂为测管单位面积散射的能量；为测管表面热流密度；λ为导热系数，是与土体本身性质相关的标量；为温度梯度。根据能量守恒定律，单位时间内用于碳纤维光缆加热的能量表示为：

Q₃＝Q₁-Q₂＝c_m(T-T₀),           (3)

其中Q₃为用于加热碳纤维光缆的能量，c_m为光缆比热容；T₀为加热前光缆的初始温度，T为加热后光缆的实测温度。将式（1）、（2）、（3）联立可得：

$I^{2}R-c_m(T-T_0)=-\mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂n}{\stackrel{\→}{n}}_0,---\left(4\right)$

由式（4）通过数学推导，求出λ的表达式

$\mathrm{\λ}=\frac{c_m}{\frac{\∂T}{\∂u}{\stackrel{\→}{n}}_0}T-\frac{c_m}{\frac{\∂T}{\∂u}{\stackrel{\→}{n}}_0}{T}_0-\frac{I^{2}R}{\frac{\∂T}{\∂u}{\stackrel{\→}{n}}_0},---\left(5\right)$

当温度场稳定后，由待测土的各向同性和均匀性可知，温度梯度为常数，所以式（5）可简化为：

λ＝k₀T+b₀，          (6)

其中 $k_0=\frac{c_m}{\frac{\∂T}{\∂u}{\stackrel{\→}{n}}_0},b_0=-\frac{c_m}{\frac{\∂T}{\∂u}{\stackrel{\→}{n}}_0}{T}_0-\frac{I^{2}R}{\frac{\∂T}{\∂u}{\stackrel{\→}{n}}_0},$ k₀、b₀都为常数。

又因为土体由气、固、液三相组成，而气体的导热系数相对于液体和固体来说非常小，故在本文中忽略不计。土体导热系数可写成：

λ＝λ_w+λ_s，        (7)

其中λ_w为水溶液的导热系数，λ_s为固体的导热系数。λ_w的大小与土壤中含水率呈现正相关的关系，即土壤中含水率越大，其导热能力越强。当温度场稳定后，土中相邻位置的固体和液体之间温度相等，相互之间的热量传递可忽略不计，所以λ_w与土壤含水率可近似为线性关系，即：

λ_w＝aω，           (8)

其中a为常数，ω为土壤含水率。联立式（6）、（7）、（8）可得：

$\mathrm{\ω}=\frac{k_0}{a}T+\frac{{\mathrm{\λ}}_s}{a}+\frac{b_0}{a},---\left(9\right)$

可进一步整理得：

ω＝k₁T+b₁，           (10)

其中 $k_1=\frac{k_0}{a},b_1=\frac{{\mathrm{\λ}}_s}{a}+\frac{b_0}{a},$ k₁、b₁都为常数。

从式（10）可看出，当加热时间相同时，测管温度与周围介质含水率成一次函数关系。在实际应用过程中若仅选取某一时刻所测得的测管温度值进行计算，由于土体不均匀、测试系统不稳定等有时会造成一定误差。因此，为提高测量精度，本方法中选取加热过程中某个特征时间区间[t₁，t₂]内的等时间间隔所测得的温度值的算数平均值作为测管温度，该温度也称为温度特征值（T_t）,计算公式为：

$T_t=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(T_i\right)}{n}---\left(11\right)$

式中T_t为碳纤维光缆温度特征值；T_i为特征时间区间[t₁，t₂]内的等时间间隔所测得的温度值；n为特征时间区间内温度的测量次数。由式（10）可知，碳纤维光缆温度特征值T_t与土壤含水率ω也成线性关系，即有：

ω＝kT_t+b          (12)

从式（12）可看出，碳纤维光缆温度特征值与土壤含水率成线性函数关系。因此，可通过测量碳纤维光缆温度特征值来计算砂性土中含水率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种土壤含水率分布式测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、将碳纤维光缆植入土壤中，所述碳纤维光缆为具有内加热功能的碳纤维温度感测光缆，由内到外依次包括光纤、碳纤维、护套；

步骤二、对步骤一所述碳纤维光缆进行通电加热，利用DTS解调设备解调、记录碳纤维光缆通电加热过程中的温度值；所述DTS解调设备基于拉曼光时域反射测量技术进行分布式温度测量，感温元件为步骤一所述碳纤维光缆；

步骤三、运用数据分析软件计算碳纤维光缆温度特征值，根据碳纤维光缆温度特征值与土壤含水率之间的线性关系：w＝kT_t+b计算出土壤含水率，其中w为土壤含水率，T_t为碳纤维光缆温度特征值，k和b为常数，通过标定试验确定；所述碳纤维光缆温度特征值为通电加热后碳纤维光缆形成的温度场梯度不再改变时，选取一个特征时间区间内的等时间间隔所测得的温度值的算数平均值。

2.根据权利要求1所述的土壤含水率分布式测量方法，其特征在于，碳纤维光缆每隔0.5～1米设置一个温度测量点；步骤三中所述等时间间隔为1分钟。

3.根据权利要求1所述的土壤含水率分布式测量方法，其特征在于，所述标定试验包括如下步骤：

步骤a、将碳纤维光缆依次植入若干组预配含水率的土壤中，所述碳纤维光缆为具有内加热功能的碳纤维温度感测光缆，由内到外依次包括光纤、碳纤维、护套；

步骤b、对步骤a所述各碳纤维光缆进行通电加热，利用DTS解调设备解调、记录各碳纤维光缆通电加热过程中的温度值；所述DTS解调设备基于拉曼光时域反射测量技术进行分布式温度测量，感温元件为步骤a所述碳纤维光缆；

步骤c、运用数据分析软件计算各碳纤维光缆温度特征值，并拟合出碳纤维光缆温度特征值与土壤含水率之间的线性关系：w＝kT_t+b，其中w为土壤含水率，T_t为碳纤维光缆温度特征值，k和b为常数；所述碳纤维光缆温度特征值为通电加热后碳纤维光缆形成的温度场梯度不再改变时，选取一个特征时间区间内的等时间间隔所测得的温度值的算数平均值。

4.根据权利要求3所述的土壤含水率分布式测量方法，其特征在于，所述若干组预配含水率的土壤为4～6组。

5.一种土壤含水率分布式测量系统，其特征在于，包括碳纤维光缆、加热电源、DTS解调设备、具有数据分析软件的计算机，所述碳纤维光缆为具有内加热功能的碳纤维温度感测光缆，由内到外依次包括光纤、碳纤维、护套；所述DTS解调设备基于拉曼光时域反射测量技术进行分布式温度测量，感温元件为所述碳纤维光缆；所述碳纤维光缆分别与加热电源、DTS解调设备连接，DTS解调设备连接具有数据分析软件的计算机。