CN112697815B - 一种利用宇宙射线缪子监测土壤含水量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用宇宙射线缪子监测土壤含水量的方法，具体包括：建立土壤水分分布模型；采用蒙特卡洛模拟软件模拟宇宙射线缪子在土壤中的输运过程，得到不同土壤含水量情况下地下主探测器计数的理论值；建立土壤含水量与地下主探测器计数的对应关系；将副探测器置于土壤表面上作为参考探测器，用于监测地表的缪子通量；处理主探测器、副探测器的实测数据，利用建立好的土壤含水量与地下主探测器计数的对应关系反演出土壤水含量。本发明的有益效果是，解决了宇宙射线快中子法测量土壤含水量时的受地表环境影响大和测量深度浅的不足，减弱了地表环境对土壤含水量测量的影响，增加了对土壤水分的探测深度。
Description
技术领域
本发明涉及土壤含水量测量技术领域，尤其涉及一种利用宇宙射线缪子监测土壤含水量的方法。
背景技术
土壤水又称非饱和带水分，是指地面以下、地下潜水面以上土壤中的水分。土壤水资源是干旱半干旱地区重要的水资源之一。黄土高原每年降水补给土壤的深度主要在1.5-2m土层以上，湿润年份降水入渗补给深度可达3.0m。深层土壤水不仅关系植被生长，特别是半干旱地区的植被恢复，还影响土地的可持续利用、区域土壤水资源再生和水文循环。因此，及时、准确的深层土壤水含量监测，对采取有效的水土保持措施、科学指导农业生产具有重要意义，同时可为深层土壤水储存和运移的研究提供必要数据。
目前，土壤水含量测量方法仍以点尺度(单次取样/测量的范围通常在1m2以内)和遥感大尺度方法(研究单元通常超过100m2)为主。其中，点尺度测量方法主要有烘干法、称重法、介电法、中子法等，大范围的土壤水测量主要依靠遥感。较为新兴的宇宙射线快中子法监测半径约为300m，可填补传统点观测和遥感大面积观测尺度之间的空缺，测量深度范围为15-83cm，实时提供浅层土壤的平均土壤水含量。但宇宙射线快中子法的测量深度较浅，无法提供深层土壤水含量信息，且受大气水汽、地表积雪、径流水、土壤晶格水、土壤有机物以及植被体内水分等的影响较大，其中大气水汽单项对中子通量测量的影响最大就可达到12％。然而，可以监测深层土壤水的只有烘干法、中子法等点尺度测量方法。
为扩大深层土壤水分的监测尺度，弥补宇宙射线快中子法的不足，本发明公开了一种利用宇宙射线缪子监测土壤含水量的方法。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明公开了一种利用宇宙射线缪子监测土壤含水量的方法。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种利用宇宙射线缪子监测土壤含水量的方法，具体包括以下步骤：
步骤a、建立土壤水分分布模型；
步骤b、将主探测器置于地下，并采用蒙特卡洛模拟软件模拟宇宙射线缪子在土壤中的输运过程，得到不同土壤含水量情况下地下主探测器计数的理论值；
步骤c、建立土壤含水量与地下主探测器计数的对应关系；
步骤d、将副探测器置于土壤表面上作为参考探测器，用于监测地表的缪子通量；
步骤e、处理主探测器、副探测器的实测数据，利用建立好的土壤含水量与地下主探测器计数的对应关系反演出土壤水含量。
进一步地，步骤a中，土壤水分布模型将土壤水层简化为雨水易渗透层和饱和水层，其中，雨水易渗透层深度小于80cm，饱和水层深度大于80cm。
进一步地，步骤b中的宇宙射线缪子由宇宙射线生成器CRY生成，蒙特卡洛软件选用FLUKA。
进一步地，步骤b中，置于地下的主探测器为圆柱形，半径10cm，高度1m，横向水平放置于土壤表面的下方，且主探测器的上表面距离土壤表面的高度为80cm。副探测器与主探测器完全相同。
进一步地，所述主探测器、副探测器均为缪子探测器。
进一步地，步骤c中，土壤水含量与探测器归一化通量的对应关系为：
P(θ)＝b-a×θ；
其中，拟合参数ɑ＝2.04979×10-6,b＝4.11×10-3，P为归一化的地下主探测器计数值，θ为雨水易渗透层的土壤水含量拟合相关系数为0.99。
进一步地，在只考虑测量统计误差的情况下，土壤水含量测量精度f和探测时间t的关系，
其中，Φ为海平面缪子通量均值100Hz/m2，s为模拟中缪子源面积，t为模拟探测时长。
本发明的有益效果是：
模拟计算的地下主探测器通量理论值的相对误差不超过0.1％，从而保证探测时间充足的情况下，土壤水含量与地下探测器通量的对应关系至少可以用来分辨5％的土壤水含量差异。通过该方法，扩大了深层土壤水分的监测尺度，且受大气水汽、地表积雪、植被体内水分等地表环境影响较小。解决了宇宙射线快中子法测量土壤含水量时的受地表环境影响大和测量深度浅的不足，减弱了地表环境对土壤含水量测量的影响，增加了对土壤水分的探测深度。
附图说明
图1为本发明流程示意图；
图2为本发明中模拟土壤水分布示意图；
图3为为两探测器分别测量缪子通量示意图；
图4为本发明中土壤水含量与探测器通量模拟计算结果示意图；
其中，1-雨水易渗透层；2-饱和水层；3-宇宙射线缪子；4-副探测器；5-主探测器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图所示，一种利用宇宙射线缪子监测土壤含水量的方法，具体包括以下步骤：
(1)、建立土壤水分分布模型。
具体的，设整个土壤为半径430cm，长120cm的圆柱体，将土壤分为雨水易渗透层1(0-80cm)和饱和水层2(80cm-120cm)。
(2)、将主探测器5置于地下，将物理仿真程序CRY产生的海平面宇宙射线缪子3数据作为入射源数据输入蒙特卡洛模拟软件FLUKA，缪子源覆盖面为430cm的圆，主探测器5横置于模拟土壤圆柱体的中心轴处，从土壤表面向地下入射，对缪子强度衰减进行模拟，获得各土壤水含量情况下的地下主探测器5通量理论值。
(3)、对模拟结果进行拟合，建立土壤含水量与地下主探测器5计数的对应关系，并计算其相对误差。
(4)、将副探测器4置于土壤表面上作为参考探测器，用于监测地表的缪子通量，计算副探测器4计数值与海平面缪子通量均值的比值，对地下主探测器5的计数值进行修正，消除大气环境等对地表缪子通量的影响。
(5)、处理主探测器5、副探测器4的实测数据，利用建立好的土壤含水量与地下主探测器5计数的对应关系反演出土壤水含量。
模拟计算结果如图1，土壤水含量与探测器通量的对应关系为：
P(θ)＝b-a×θ (1)
式中，拟合参数ɑ＝2.04979×10-6,b＝4.11×10-3，P为归一化的地下主探测器计数值，θ为雨水易渗透层1的土壤水含量拟合相关系数为0.99。
进一步地，在只考虑测量统计误差的情况下，土壤水含量测量精度f和探测时间t的关系，
其中，Φ为海平面缪子通量均值100Hz/m2，s为模拟中缪子源面积，t为模拟探测时长。
根据公式可得，当探测时间为1.84h时，对土壤水含量的精度可到10％，探测时间达7.37h时精度可到5％。
本发明中模拟计算的地下主探测器5通量理论值的相对误差不超过0.1％，从而保证探测时间充足的情况下，土壤水含量与地下探测器通量的对应关系至少可以用来分辨5％的土壤水含量差异。本发明解决了宇宙射线快中子法测量土壤含水量时的受地表环境影响大和测量深度浅的不足，减弱了地表环境对土壤含水量测量的影响，增加了对土壤水分的探测深度。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种利用宇宙射线缪子监测土壤含水量的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤a、建立土壤水分布模型；
步骤b、将主探测器置于地下，并采用蒙特卡洛模拟软件模拟宇宙射线缪子在土壤中的输运过程，得到不同土壤含水量情况下地下主探测器计数的理论值；
步骤c、建立土壤含水量与地下主探测器计数的对应关系；
步骤d、将副探测器置于土壤表面上作为参考探测器，用于监测地表的缪子通量，计算副探测器计数值与海平面缪子通量均值的比值，对地下主探测器的计数值进行修正；
步骤e、处理主探测器、副探测器的实测数据，利用建立好的土壤含水量与地下主探测器计数的对应关系反演出土壤水含量。
2.如权利要求1所述的一种利用宇宙射线缪子监测土壤含水量的方法，其特征在于，步骤a中，土壤水分布模型将土壤水层简化为雨水易渗透层和饱和水层，其中，雨水易渗透层深度小于80cm，饱和水层深度大于80cm。
3.如权利要求1所述的一种利用宇宙射线缪子监测土壤含水量的方法，其特征在于，步骤b中的宇宙射线缪子由宇宙射线生成器CRY生成，蒙特卡洛软件选用FLUKA。
4.如权利要求1所述的一种利用宇宙射线缪子监测土壤含水量的方法，其特征在于，步骤b中，置于地下的主探测器为圆柱形，半径10cm，高度1m，横向水平放置于土壤表面的下方，且主探测器的上表面距离土壤表面的高度为80cm；副探测器与主探测器完全相同。
5.如权利要求1所述的一种利用宇宙射线缪子监测土壤含水量的方法，其特征在于，所述主探测器、副探测器均为缪子探测器。
6.如权利要求1所述的一种利用宇宙射线缪子监测土壤含水量的方法，其特征在于，步骤c中，土壤水含量与探测器通量的对应关系为：
P(θ)＝b-a×θ；
其中，拟合参数ɑ＝2.04979×10-6,b＝4.11×10-3，P为归一化的地下主探测器计数值，θ为雨水易渗透层的土壤水含量，拟合相关系数为0.99。
7.如权利要求6所述的一种利用宇宙射线缪子监测土壤含水量的方法，其特征在于，在只考虑测量统计误差的情况下，土壤水含量测量精度f和探测时间t的关系，
其中，Φ为海平面缪子通量均值100Hz/m2，s为模拟中缪子源面积，t为模拟探测时长。
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