【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种热脉冲领域，具体为一种利用热脉冲分布式光纤测定田间中尺度土壤容重的方法。
技术介绍
1、土壤容重是土壤物理学中的一个基本且非常重要的物理参数。土壤容重大小影响着土壤三相比、通气性、植物根系牛长、土壤养分循环以及水热盐的运移等过程。测定土壤容重常用的方法是点尺度的环刀法，该方法具有破坏性且不能实现同一地点重复取样测定。并且土壤容重具有强烈的空间变异性，点尺度法不具代表性。因此，亟需发展和优化士地容重的定位测定技术手段。本专利技术提出了一种利用热脉冲分布式光纤高空间分辨率（0.25m）测定田间中尺度（大于1km）土壤容重的方法，主要是在测定土壤热导率和含水率的基础上，并利用热导率模型获取土壤容重。
技术实现思路
1、本专利技术旨在提供一种利用热脉冲分布式光纤测定田间中尺度土壤容重的方法，该方法结合分布式光纤温度传感技术和热脉冲探针技术，实现对土壤容重高空间分辨率监测，从而提高土壤容重的测定精度和范围。
2、本专利技术采用的技术方案如下：利用热脉冲分布式光纤测定田间中尺度土壤容重的方法，包括以下步骤：
3、步骤s1：在田间布设光缆，光缆埋设在不同土层深度的待测土壤中，光缆的结构由外向内包括绝缘护套、金属层和光纤；
4、步骤s2：在预设时间内对光缆中的金属层进行通电产生焦耳热；
5、步骤s3：利用光信号解调模块dts，采集待测土壤中沿光纤不同空间点位的升温值，计算得到降噪后沿光纤不同空间点位的升温值；再计算得到待测土壤中沿光
6、步骤s4：在待测土壤中的光纤，预设距离内布设时域反射仪tdr，监测光纤附近的土壤水分，通过数据采集器记录tdr的水分数据；建立土壤水分与待测土壤中的沿光纤不同空间点位的归一化的累积升温值函数关系；
7、步骤s5：通过不同深度的待测土壤中沿光纤不同空间点位的归一化的累积升温值，推求光纤不同空间点位的土壤水分；
8、步骤s6：通过降噪后沿光纤不同空间点位的升温值推求土壤热导率；
9、步骤s7：根据土壤热导率经验模型计算土壤容重，土壤热导率经验模型如下：
10、；
11、；
12、；
13、其中，为土壤热导率，单位为w/(m·k)；为干土热导率；为指数函数；为土壤水分，单位为m3·m-3；为土壤热导率经验模型形状因子；fcl为粘粒含量；fsa为砂粒含量；为土壤容重，单位为g·m-3；为土壤颗粒密度，取值为2.65，单位为g·cm-3。
14、进一步的，步骤s2中设光缆长度为l，光缆两端通过电线接到电源，通过电源给光缆通电加热，加热功率q通过金属层的电阻r和实时记录的电压u求得，q=u2/r。
15、进一步的，步骤s3中计算得到降噪后沿光纤不同空间点位的升温值，具体为：
16、 （1）；
17、式中，δt´为降噪后沿光纤不同空间点位的升温值，、和分别为t-1时刻、t时刻和t+1时刻沿光纤不同空间点位的升温值；单位为℃；
18、步骤s3中计算得到待测土壤中沿光纤不同空间点位的归一化的累积升温值；
19、 （2）；
20、式中，为待测土壤中沿光纤不同空间点位的归一化的累积升温值，为待测土壤中沿光纤不同空间点位的累积升温值，qt为第t个时刻光纤单位长度的加热功率，单位为w·m-1；
21、其中；式中，te为停止加热时间。
22、进一步的，步骤s4中建立土壤水分与待测土壤中的沿光纤不同空间点位的归一化的累积升温值函数关系，具体为：
23、 （3）；
24、式中，a与b为参数，参数a和参数b直接从下限条件和上限条件导出；θ为土壤水分；
25、下限条件：
26、；
27、；
28、上限条件：
29、；
30、；
31、其中，为干土的归一化的累积升温值；θsat为土壤饱和含水率；为饱和土壤的归一化的累积升温值；
32、公式（3）通过下限条件和上限条件得到：
33、 （4）；
34、式中，干土的归一化的累积升温值通过室内干土试验测得，饱和土壤的归一化的累积升温值和土壤饱和含水率θsat通过饱和土壤试验测得。
35、进一步的，步骤s6中通过降噪后沿光纤不同空间点位的升温值推求土壤热导率；热传导方程表示为：
36、 （5）；
37、式中，δt1、δt2分别是加热阶段、冷却阶段温度的增量，单位为℃；r是温度感应器到光纤的距离，单位为m；t是时刻，单位为s；q'=q/ρc，q'为单位时间的热强度，单位为（m2·℃）/s；q是单位时间单位长度输入的热量，单位为j/(m·s)；ρc是介质的体积热容量，单位为j/(m3·℃)；k是热扩散率，单位为m2/s；ei是指数积分函数；
38、t0是光纤加热时间，在中；在中；
39、当 和 时，加热阶段、冷却阶段温度的增量表示为：
40、 （6）；
41、式中，λh、λc分别为加热阶段、冷却阶段的土壤热导率，单位为w/(m·℃)，b和b'为与时间无关的常数；λh、λc通过公式（6）推导求得，选用加热阶段的土壤热导率λh作为土壤热导率λ。
42、本专利技术的有益效果是：本专利技术主要提出通过热脉冲光纤传感技术测定土壤热导率和含水量，并利用热导率验模型获取土壤容重，结合分布式光纤温度传感技术和热脉冲探针技术，实现对土壤容重高空间分辨率（0.25 m）监测，从而提高土壤容重的测定精度和范围。
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1.利用热脉冲分布式光纤测定田间中尺度土壤容重的方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的利用热脉冲分布式光纤测定田间中尺度土壤容重的方法，其特征在于：步骤S3中计算得到降噪后沿光纤不同空间点位的升温值，具体为：
3.根据权利要求2所述的利用热脉冲分布式光纤测定田间中尺度土壤容重的方法，其特征在于：
4.根据权利要求3所述的利用热脉冲分布式光纤测定田间中尺度土壤容重的方法，其特征在于：步骤S6中通过降噪后沿光纤不同空间点位的升温值推求土壤热导率；热传导方程表示为：
【技术特征摘要】
1.利用热脉冲分布式光纤测定田间中尺度土壤容重的方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的利用热脉冲分布式光纤测定田间中尺度土壤容重的方法，其特征在于：步骤s3中计算得到降噪后沿光纤不同空间点位的升温值，具体为：
3.根...
【专利技术属性】
技术研发人员：胡优，葛佩琳，刘吕刚，彭遥，帅佳明，
申请(专利权)人：江西省水利科学院江西省大坝安全管理中心，江西省水资源管理中心，
类型：发明
国别省市：
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