土的含水率測定方法綜述

孫滿利，付 菲，沈云霞

(西北大學 文化遺產學院, 陜西 西安 710069)

土一般是由固相、液相和氣相組成的三相體,土中的水有結構水、結合水、非結合水、固態水和氣態水等不同形式。工程建設中為查明土的工程性能、控制夯土施工質量、對地質災害進行監測與預報、農業生產中的精細管理以及文物保護等方面,都需要對土中含水狀況進行測試與監控。土中水的多少通常采用含水率來表示,含水率的實質是土中除結構水外的水與固體的質量或土體體積的比值,主要有質量含水率和體積含水率兩種表示方法。

隨著傳感器和物聯網技術的發展與應用,為了滿足不同行業需求,對土壤含水率測定方法的研究正朝著快速準確、原位無損,自動連續實時監測,遠程傳輸、智能管理等方向不斷完善和發展。土壤含水率的實時監測在眾多領域得到應用:農業生產過程的精細灌溉、墑情與旱情監測[1-4];地質工程中,邊坡穩定性研究和滑坡等災害的監測[5-10],道路建設領域,凍脹、多雨、土質等因素對路基性能的影響分析[11-16];遺址保護方面,賦存環境的監測、保護加固的穩定性評價和鹽害的機理研究等[17-23]。土壤含水率監測的方法有很多種,單點或小范圍土壤含水率的監測有TDR法、探地雷達法、土壤電阻法、電容法等,大區域范圍內土壤水分時空分布和變化通常采用遙感技術。近年來,“3S”技術[24-26]、無線傳感網絡技術[27-35]的引入實現了監測的實時化和網絡化,為對土壤水分的動態模擬和預測奠定了基礎。然而,有關土壤含水率的實時監測工作尚存在許多問題,例如測試方法的適用度和準確性容易受到土質影響和約束,測定儀器、傳感器等硬件普遍存在體積大、能耗高、價格貴等問題,數據通訊和網絡技術等軟件系統的限制導致數據傳輸不穩定,缺乏智能化、自動化管理系統。

隨著地質災害監測預報、農業精細管理、遺址預防性保護、工程建設現場監控的人工智能管理需求,物聯網技術的應用與引進,現場、原位、實時、無損的含水率監測方法和設備的完善與改進十分必要,通過梳理現有的含水率測試方法,明確各種方法的優缺點和適用性,為未來含水率測試新方法的研究提供借鑒。

1 相關標準中的含水率試驗方法

1.1 國內標準規范

我國有關含水率試驗的現行標準規范共10部(表1)：國家標準1部,行業標準9部。涉及地質礦產、交通、水利水電、農業、林業等幾大行業。

烘干法由于最符合含水率定義,且測定結果準確可靠,可以對其他測試方法進行檢驗標定,為國標推薦的唯一方法,也是其他標準首選的方法。但是，其缺點是費時,不能滿足現場測試快速便捷的要求。在工程實踐中,出于對工程質量檢驗的要求,提出了酒精燃燒法和比重法,這兩種方法與烘干法相比,試驗操作更為簡便快捷,對材料和儀器的要求較低,適用于現場測定,但缺點是精度不足,誤差較大。而在鐵路工程土工試驗規程中,根據行業特點,引入了更適合現場快速測量的方法,如碳化鈣法和射線法。

表1 國內標準含水率測定方法Tab.1 The domestic standards for the soil moisture content test method

1.2 國外標準規范

不同的國家有自己的標準體系(表2),其中美國ASTM、歐洲EN有關的技術規范,其應用較廣,為業內普遍認可。

美國材料與試驗協會ASTM(American Society for Testing Materials)的標準體系中與巖土工程勘察相關的標準卷為04類建筑材料部分,04.08土和巖石(Ⅰ):D420-D5876和卷04.09土和巖石(Ⅱ):D5877-latest,包括了地質勘察中的巖土的鑒別方法、室內外各項巖、土測試的操作方法等基本要素[36]。在土體含水率試驗方法上,美國標準總數達8種,規范內容劃分細小,每種試驗方法獨立成文;同時,不同于其他國家標準通常僅涉及室內試驗部分(主要為烘干法),ASTM對其他常用的測定方法,如TDR、碳化鈣、微波爐法等也進行了規范,內容涵蓋豐富。

歐盟多數國家都有土的含水率測試規范,歐洲標準化委員會(CEN)編制的EN 1990～EN1999系列規范中EN 1997專門針對巖土工程設計,包括EN 1997-1巖土設計總則和EN 1997-2巖土勘察兩部分[37-38],但是EN 1997-2沒有具體的現場試驗和實驗室試驗方法,對此,可參考ISO TC 182委員會和CEN TC 341委員會的具體規范和標準,例如EN ISO TS 17892實驗室試驗系列,該標準由12個部分構成,隸屬技術要求類標準,其中的第一部分即為土體含水率的測定[39]。歐盟規范的特點是廣泛引用國外規范和學術著作,概括性較高,注重規范間的引用補充。

表2 國外標準含水率測定方法統計表Tab.2 The foreign standards for the soil moisture content test method

1.3 國內外標準規范對比

以烘干法為例,對比分析美國ASTM D2216-10[40]規范(以下簡稱美標)、歐洲EN ISO 17892-1-2014(以下簡稱歐標)與我國國標GB/T 50123-1999[41](以下簡稱國標)中土體含水率試驗方法的異同。

三部規范里烘干法的儀器設備、試驗步驟和計算公式基本一致,不同之處主要集中在烘干溫度、烘干時長和試樣質量等內容的規范要求上,如表3所示。其中,烘干溫度下限三者均為105℃,美標溫度上限為115℃,高于國標和歐標,但總體來說差別不大。烘干時長差異較大,其中歐標最長(16h),美標次之(12～16h),國標最少(6～8h)。在試樣質量的要求上,美標和歐標都有較為嚴格的規定,其中歐標主要根據粒徑大小(分為0.063mm,2.0mm,10.0mm,31.5mm,63mm五檔)來確定所需樣品的最小質量,樣品質量由30g到2.1kg不等。美標中樣品質量首先按照試驗結果的記錄精度(±1%,±0.1%)分為A、B兩種方法,之后再由粒徑大小不同要求樣品應保證的最小質量。相比之下,國標中對試樣質量的要求為“代表性試樣15～30g”,規定較為簡單。

表3 中、美、歐標烘干法比較Tab.3 The comparison of GBASTMEN standard for the determination of soil moisture content by drying oven heating

對比3種標準的具體內容可知,歐標和美標的內容詳實、細則較多,例如試驗適用范圍,試樣質量大小的選定、儀器設備參數等方面。而我國國標內容相對簡單實用,各項步驟和參數規定明確,可操作性強。

2 土體含水率測定方法

含水率測定方法種類較多,根據各種測定方法基本原理的不同,將其歸納為以下幾類。

2.1 質量(重量)法

質量(重量)法,通過測定土樣的質量(重量)變化來確定含水率,包括烘干稱重法和比重法等。烘干稱重法根據不同的烘干手段可分為烘干法(電熱干燥箱法)、酒精燃燒法、炒干法、微波爐法、紅外線法等。烘干法(電熱干燥烘箱法)最符合含水率定義,是國際通用的標準方法,1986年,Gardner[42]對烘干作用會引起多少束縛水脫離土壤開展了相關研究。烘干法操作簡便,結果準確可靠,但缺點是無法實現現場快速測量和定點連續監測,酒精燃燒法和炒干法可在野外現場簡便測試,但不適合用于細粒土和含有機質的土。

20世紀70年代,隨著生產效率的不斷提高,水分分析的時效性越來越受到重視,為了縮短烘干時間和簡化耗時步驟,基于微波和紅外線加熱原理的烘干方法應運而生。

微波爐法是利用超高頻率電磁波促進分子間作用,達到加熱干燥的目的,微波爐比烘箱體積小,重量輕,搬運方便,可實現快速測量。該方法起源于20世紀40年代,1974年,國外開始研究用微波爐法測定土的含水率[43],1987年被美國ASTM列入試驗標準[44]。我國于20世紀90年代末,開始微波爐法研究,多為進行與烘干法的對比試驗,驗證其方法的準確性[45-48]。研究結果表明,微波爐法不僅滿足精度要求,而且具有快速、方便的技術優勢,適宜廣泛應用。但微波爐加熱的溫度控制,烘干時間優化等,還有待于深入研究,對于有機質含量較多的土質也不宜使用微波爐法測試含水率。

紅外線烘干法是采用紅外線干燥箱加熱,樣品通過吸收紅外線達到被加熱或烘干的目的。該方法能夠將烘干時間平均縮短至5～50min[49],和電熱干燥方法相比，較大程度地縮短了烘干時間,但紅外線干燥箱設備較為昂貴。

比重法是1941年由Papadakis[50]提出的一種快速測量土壤含水率的方法,是根據比重試驗,測定濕土體積,通過估計土粒比重,間接計算土體含水率,實際操作中土體氣體能否充分排除,直接影響結果的準確度,此法僅適用于砂性土。

2.2 化學法

化學法指利用水的化學反應原理來測定土中水的含量,有碳化鈣法(氣壓法和化學反應失重法)、浸入法和濃硫酸法。在工程建設時,為了控制和監控夯土質量,需要在現場對土的含水率進行快速測定。為了彌補烘干法的不能現場測試和時效性差的缺點,20世紀60，70年代,研究學者提出了水浸法[51]和硫酸反應法[52],這兩種方法皆因為儀器復雜、測試精度不夠和操作繁瑣,沒有得到推廣應用。同期,國外已開始采用碳化鈣氣壓法測定含水率,碳化鈣氣壓法是測定碳化鈣與水完全反應的乙炔氣體壓強,根據乙炔氣體壓強與水分質量成正比的關系,換算出相應的含水率,JR Blystone在美國公路工程部門土壤試驗中應用了該方法[53],1998年,碳化鈣氣壓法被美國ASTM列入土壤含水率的現場測定的試驗方法,我國20世紀60年代已有碳化鈣氣壓法相關介紹和研究[54]。碳化鈣化學反應失重法是測量乙炔氣體質量,該方法研究始于2000年前后[55],該方法避免了溫度對氣體壓力的影響,提高了測試精度和測試范圍,適用范圍更廣。

2.3 射線法

射線法是指利用射線穿過土樣時的變化來測定土的含水率的方法,主要有中子儀法、γ射線法、X射線等。

中子儀法是利用快中子與水的氫核碰撞后轉變為慢中子的原理,通過測量慢中子密度來測定土壤含水率。20世紀50年代初,D J Belcher[56]、W Gardner[57]提出了中子儀法,1979年,Rahi初步研究了中子儀法的靈敏度[58];1988年,Wilson[59]認為中子法的精度在±5%。我國于20世紀60年代引入該技術[60]。中子儀法的有效測定范圍是慢中子云的有效球體積,是測試半徑范圍內體積含水率的平均值,適合含水率在5%～40%的土壤,其有效測量范圍在20～40cm[61]。

中子儀法的優點是測量簡單、快速、精度高,能夠現場、連續觀測原狀土體的水分。缺點是設備昂貴,測量結果受到土中的有機質和其他水(結構水、結晶水)的影響,針對不同土需要標定,另外,在測定淺層土壤時,中子會向外逸散導致誤差,以及中子的輻射污染,都限制了其推廣應用。

γ射線法是通過測量γ射線穿透土樣時能量的衰減計算含水率。它與中子儀一同在1950年由D J Belcher[56]提出,Wheetel[62]和Fahad[63]等將其應用于田間土壤水分的測量。根據采用的射線源能量種類,可將γ射線法分為單源法和雙源法兩種,二者均具有較高的測量精度,單源法適用于均一性較好的重塑土樣測量,雙源法可用于原狀土樣的測量[64]。但利用單源法測定土的含水率受土樣容重的影響較大,為此出現了采用雙源法同時測定容重和含水率,以消除土壤容重變化的干擾[65]。γ射線法與中子儀法有許多相同的優點,如快速、準確,能夠現場、連續觀測原狀土體的水分,但也存在輻射隱患的缺點。

X射線是一種低能電磁射線。1983年,Hiansworth[66]等人探討了X射線法CT機快速測量土壤含水率,Grestanna等[67]研究了實驗室三維土壤水分運移X射線測定。Anderson[68-69]等研究了X射線衰減值與土壤含水率的線性關系,發現X射線衰減值受土壤其他物理性質和化學組成的影響較大。因此還需深入探討不同土壤對測量精度的影響以及合理的電磁能量區間[70]。

2.4 介電法

土壤含水率不同,其介電特性會發生顯著變化。Chemyak在《濕土介電特性研究方法》(1964)一書中,論述了介電常數與體積含水率的關系,該理論被迅速應用于土壤含水率的測定,主要有時域反射法(TDR)、頻域反射法(FDR)、駐波率法(SWR)和電容法等。

電磁脈沖在土壤中的傳導速度與土壤的介電常數有函數關系,TDR法通過測定傳導速度求得土壤體積含水率。1969年Fellner-Feldegg[71]將TDR技術用于液體介質的介電常數測量;1974年,Hoekstra[72]利用TDR技術測定土體的介電常數,1980年,Topp[73]建立土體介電常數與土壤體積含水率的函數關系(Topp模型)。TDR具有無放射性、測量范圍廣、原位、連續、快速特點,當測定精度要求較低時,該方法一般不需標定[74],方便準確。

電磁脈沖在土壤中傳播頻率也與土壤介電常數有關系,FDR法是通過測量傳播頻率的變化求得土壤體積含水率。1992年,Hilhorst[75-77]研究FDR法的方法和設備,與TDR技術相比,FDR法的工作頻率選取范圍大,校準和自動連續監測方便,測量精度較高。缺點是對不同土需要標定,比較費時費力[78]。

土壤的介電常數不同,其傳輸線上駐波比也不同。1995年,Gaskin[79]研究了基于微波理論中駐波比原理的駐波率法(SWR)。駐波率法測量儀器成本相對較低,但在測量精度和傳感器的互換性上不如TDR方法。

含水率的不同,電容極板間土的介電常數不同,導致電容變化。Anderson[80]在1943年首次提出利用低頻電容法進行土壤含水率測定;我國于20世紀70年代引入該方法,雖然也可實時測定,但是測量數值受土體溫度、密度及結構影響較大,需要對數據進行擬合修正,測試準確度和精度較差。

2.5 電阻法

土的電阻率和土中水的多少有明顯的關系。1940年,GJ Bouyoucos[81]探討了電阻和土壤含水率的關系,及含鹽量、質地、溫度等對電阻的影響;Thein S.J[82]驗證了電阻法測量土壤含水率的原理。我國引入電阻法始于20世紀70年代末,主要應用于砂土的含水率測定。電阻法成本低,測試速度較快,可以實現無損、連續自動監測,但是電阻的大小受土的孔隙分布、顆粒分布、溫度等很多因素影響較大,測量結果有較大誤差。

2.6 張力計法(負壓計法)

土壤的吸力與含水率呈反比,利用負壓式土壤張力計測量非飽和土壤中水分的張力可以求得土壤含水率[83]。1922年,Gardner開始張力計法研究,1949年,Rechard把張力計法應用于測試,1976年,Elzdftawy等研究了自動測量功能[84]。張力計儀器簡單,可實時原位測量,但是,由于土壤的吸力還受到土的顆粒組分、密度、孔隙特征、礦物成分、有機質含量等眾多因素影響,吸力和土的含水率之間存在非線性關系,測量結果往往誤差很大。

2.7 遙感法

遙感法是一種大范圍、多時相的土壤水分空間測試技術,土壤含水率的不同,其表面光的反射、吸收以及熱輻射等性能都有差異,通過監測土壤表面的光譜特性和熱性能可以監測大區域范圍內地表土壤水分的時空變化。1965年,Bowers等[85]研究了不同水分含量的表層土壤的光譜特性,成為遙感法的理論基礎;在國內,上世紀八十年代,遙感法逐步引入我國,黃揚[86]研究了土壤反射特性與含水率的關系。按照探測波段的不同分為可見光-近紅外遙感法、微波遙感法、熱紅外遙感法。

測定土壤可見光-近紅外波段的反射光譜是最早的遙感法探索。1965年,Bowers[85]最早將近紅外光譜技術應用于土壤的含水率檢測。20世紀90年代,我國逐步開展近紅外技術在土壤含水率測量的應用和研究[87-89],主要是引進國外儀器,在實驗室內進行建模并測量。近紅外遙感法能夠滿足野外實時、快速測量的要求。微波遙感法研究始于20世紀70年代[9，91],有主動和被動微波遙感法兩種。被動是測量土壤本身發射的微波,而主動是測量雷達發射微波經土壤表面發射后的回波信號,測試深度可達地表5cm左右[92]。熱紅外遙感法是通過測試土壤表面的熱輻射量反演含水率的方法。主要有熱慣量法和溫度—植被指數法。Watson[93]，Rosema[94]，Carlson[95]，Bijleveld[96]和Price[97]等研究了根據地表溫差推算土壤熱慣量進而確定含水率的方法,并應用于農作物旱情監測,張仁華[98]梳理了國外熱慣量的研究成果,并進行了改進研究。

可見光到熱紅外波段監測深度只有表層幾微米,而微波波段監測深度可達幾厘米到幾十厘米[99],同時微波遙感不受大氣條件限制,使其成為土壤含水率遙感測定技術中的主要手段。遙感法由于影響土壤光譜的因素較多(如土壤容重、礦物成分、有機質含量、表面粗糙度、植被覆蓋等),易對遙感法測定結果造成影響。

2.8 探地雷達法

探地雷達法是根據電磁脈沖反射原理而設計的空間成像技術,其原理與TDR類似。1937年，Melton B.S.發明了電磁探測法專利,直到20世紀70年代中期,隨著商用探地雷達的誕生,探地雷達逐步應用于考古學、地質學、土壤學等眾多研究領域[100]。20世紀90年代末,國外學者[101-106]開展探地雷達在土壤含水率測定的可行性研究。我國于20世紀90年代初引入探地雷達技術[107],并開展了土體含水率測定的理論與應用研究[108-113]。

應用探地雷達測定土壤含水率的方法主要有4種,包括反射波法、地面波法、鉆孔雷達法和表面反射法。不同于稱重法、射線法和介電法等小尺度定點測定,以及遙感技術大范圍大尺度的測定方式,探地雷達法補充了中尺度范圍的測定方法。其具有快速、便捷、原位、微損、可重復探測特點,適合于較大范圍的測定,可用于深度較小的土壤含水率測定,但對20m以上較為深層的含水率測定準確性還有待研究;另外,探地雷達探測信息準確有效的提取仍比較困難,需要相關硬件和軟件技術的進一步發展。

3 結 語

測量土的含水率方法較多,其測試原理和方法、測量精度和范圍、適用對象以及成本等都不同。土的含水率測定方法均有一定的局限性,在實際應用過程中,要根據測試對象和目的,科學有效地選擇測量方法。

目前，室內測試最好的方法依然是烘干法,傳統的電熱干燥箱法精確度高,應用歷史長,規范標準嚴格,是其他測量技術手段的標定基礎。該法已能滿足室內試驗的測定要求,其余方法如微波爐法、紅外線烘干法均是在其基礎上進行了部分優化,以彌補傳統烘干法試驗效率的不足。

室外測試方法可大致分為3類,一種是基于質量法原理的酒精燃燒法、比重法等,雖則快速簡便,但誤差較大,測定范圍也有一定限制,試驗時需要采集一定量的樣品,屬于有損分析。另一類方法是室外小尺度的定點測定方法,如中子儀法、TDR法等。這些方法操作簡便,準確度高,可滿足快速測定和長期監測的要求,缺點是儀器體積較大、不便于攜帶和安裝,能耗高,且傳感器常需要安裝于土體之內,在農業和地質工程中的應用并無妨礙,但在遺址監測方面,考慮到文物的不可再生性,有損測試多有不宜。第三類是適用于中、大尺度范圍的土壤含水率測定方法,目前普遍使用的探地雷達法和遙感法基本滿足該尺度下測定的精度要求,但由于測量結果受土壤理化性能、成分組成及結構、測試環境等多種因素的影響,進一步提高針對不同土體的適應性,研發不同類型的土壤含水率計算模型是未來重點。

鑒于室內測試的標準方法和相關規范都已經較為成熟,因此現階段研究的重點應著眼于室外測試方法的改進與研發。根據不同應用領域的需求特點,未來土的含水率測定方法的發展趨勢應主要表現在以下方面:對于地質災害監測預報和農業墑情、旱情監測工作,需重點滿足長期、實時、遠程傳輸等測定要求,因此測定儀器應向小型化、低功耗、提高響應速度等方向發展,同時與現代信息技術緊密結合,實現土壤含水率信息的實時采集、存儲和遠程網絡監控,進而建立起可進行預測預報、灌溉控制等智能管理的軟硬件平臺。在工程建設施工領域,測定重點體現為快速、準確和便捷,測試儀器應便于攜帶與安裝,數據信息可快速直讀,并由計算機終端控制測定系統和數據處理軟件,實現測定過程中數據的高速采集、實時記錄、及時顯示、智能控制,測試結果數據處理等功能,從而提升現場工作效率和準確度,更好地開展施工質量控制檢測工作。在遺址本體監測中,由于測試對象的特殊性,無損監測將是未來研究發展的重要方向。此外,實際工作中,為了保證對遺址本體全面細致的監測,儀器設備數量通常較多,因此傳感器應滿足小型化、低功耗、低成本的要求。同時,將如物聯網、地理信息系統、人工智能等先進信息技術融合到遺址土體的含水率監測中,研制開發智能化的數據采集裝置和智能化的預報與決策支持軟件,以滿足長期監測、模型建立、風險預報等方面的需求,助力遺址預防性保護工作。最后,無論何種領域,未來均應繼續加強不同種類土壤水分特性的機理研究,進行新型測定儀器和技術的開發,實現土壤含水率快速準確的測定。