海水入侵与土壤盐渍化的监测评价方法与流程

本发明属于地下水和土壤检测技术领域，具体地说，是涉及一种通过检测地下水的海水入侵程度以及土壤的盐渍化程度，来判断海水入侵对土壤盐渍化程度所产生的影响。

背景技术：

由于受到地下水开采等人类活动以及海平面上升等因素的影响，海水入侵问题已经成为全球海岸带地区普遍面临的地质灾害。大面积的海水入侵会引发地下水的水质恶化、土壤次生盐渍化等一系列灾害链的发生，继而严重制约着经济社会的可持续发展。因此，创建海水入侵与土壤盐渍化多参数实时监测技术及评价方法对于合理开发利用沿海地区地下水资源和管理土地资源具有重要的作用。

目前，土壤盐渍化的监测工作已经开展了很长时间，主要包括化学参数直接测量法、电学测量法(包括电导率测量法、电磁测量法以及TDR(Time domain Reflectometry with Intelligent MicroElements，时域反射测量)法)等。这些方法各具优缺点，例如：化学参数直接测量法虽然简单准确，但却耗时耗力，测试周期较长；电学测量法由于其监测无损性、连续性以及数据的易取得性而被广泛应用在土壤盐渍化的监测领域，但是由于土壤的电学性质易受到温度、含水率等因素的影响，因此，采用电学方法进行土壤监测时，需要综合考虑各个因素对电学性质的影响。

此外，如何将海水入侵监测与土壤盐渍化监测相结合，以实时、准确地评价海水入侵对土壤盐渍化程度的影响，继而方便地实现对地下水资源和土地资源的综合管理与利用，是目前土壤监测与管理领域面临的一项主要问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种海水入侵与土壤盐渍化的监测评价方法，通过监测被测区域的地下水参数和土壤参数，可以实现对海水入侵与土壤盐渍化灾害链效应的快速评价。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种海水入侵与土壤盐渍化的监测评价方法，包括：获取被测区域的土壤电导率ECe；获取被测区域的地下水水位L和地下水电导率ECw；根据地下水水位L和地下水电导率ECw，利用麦夸特法拟合地下水水位L与地下水电导率ECw关系，拟合生成土壤电导率拟合值在被测区域选取N个监测点，分别获取每一个监测点的土壤电导率ECei、土壤电导率拟合值以及N个监测点的土壤电导率拟合结果平均值利用公式：

计算出海水入侵与土壤盐渍化灾害链效应的评价结果，其中，为评价因子。

进一步的，可以根据所述评价因子的数值大小，判断海水入侵对土壤盐渍化的影响程度，且评价因子的数值越大，影响程度越高。

优选的，所述土壤电导率拟合值的拟合生成过程优选为：

首先，确定土壤电导率拟合值的拟合公式：

其中，P₁,P₂,…,P₁₁为拟合参数；

其次，对拟合参数P₁,P₂,…,P₁₁进行求解，步骤为：

(1)建立残差平方和函数：

其中，为第i个监测点的土壤电导率拟合值；ECe_i为第i个监测点的土壤电导率；L_i为第i个监测点的地下水水位；ECw_i为第i个监测点的地下水电导率；

(2)对所述拟合参数P₁,P₂,…,P₁₁赋初始值，记为P₁⁰,P₂⁰,…,P₁₁⁰；

(3)令P_j-P_j⁰＝Δ_j，(j＝1,2,…,m)，m＝11；

其中，P_j是第j个待定的拟合参数，P_j⁰是P_j的初始值；

(4)计算a_jk和a_jy；其中，

(5)根据最小二乘法原则，Δ_j(j＝1,2,…,m)满足线性方程组：

其中，d为阻尼因子，取值范围为0～1，求解所述线性方程组，计算出一组拟合参数P₁',P'₂,…,P₁₁'；

(6)将计算出的所述一组拟合参数P₁',P'₂,…,P₁₁'作为初始值P₁⁰,P₂⁰,…,P₁₁⁰，返回步骤(3)进行迭代运算，并在每一次迭代运算过程中，根据计算出的拟合参数P₁',P'₂,…,P₁₁'计算残差平方和Q；当(Q_M-Q_M-1)/Q_M＜10^-3时，停止计算，将第M次迭代运算过程中计算出的拟合参数作为最终的拟合参数P₁,P₂,…,P₁₁；其中，Q_M为第M次迭代运算的残差平方和。

为了提高评价结果的准确度，所述监测点的个数N优选大于10。

为了对被测区域的土壤盐渍化程度实现准确检测，本发明在所述获取被测区域的土壤电导率ECe的过程中，包括：检测被测区域的土壤参数，生成被测区域的土壤含水率实测值、土壤温度实测值以及土壤电导率实测值；根据被测区域的土壤类型，利用检测到的土壤温度实测值和土壤含水率实测值对检测到的土壤电导率实测值进行校正，以生成校正后的土壤电导率ECe；利用所述土壤电导率ECe计算被测区域的土壤盐度Sc，其公式为：

Sc＝0.076ECe²+0.441ECe+0.023；

根据计算出的土壤盐度Sc确定被测区域的土壤盐渍化程度。其中，当土壤盐度Sc<0.1时，可以判定被测区域的土壤为非盐渍化土壤；当土壤盐度0.1≤Sc<0.2时，可以判定被测区域的土壤为轻度非盐渍化土壤；当土壤盐度0.2≤Sc<0.4时，可以判定被测区域的土壤为中度非盐渍化土壤；当土壤盐度0.4≤Sc<0.6时，可以判定被测区域的土壤为重度非盐渍化土壤；当土壤盐度Sc≥0.6时，可以判定被测区域的土壤为盐土。

进一步的，在生成校正后的土壤电导率ECe的过程中，包括：利用检测到的土壤温度实测值T对检测到的土壤电导率实测值EC_TS进行校正，其公式为：

EC_25℃＝f_T·EC_TS＝[0.4470+1.4034exp(-T/26.815)]·EC_TS；

其中，EC_25℃为经温度补偿后25℃的土壤电导率值；利用检测到的土壤含水率实测值θ_w对EC_25℃进行校正，生成校正后的土壤电导率ECe，其公式为：

ECe＝[(θ_ss+θ_ws)²EC_wsEC_s/(θ_ssEC_ws)+(θ_wsEC_s)+θ_wcEC_wc]；

其中，θ_ws和θ_wc分别为存在于小孔隙中和大孔隙中的体积含水量，且θ_ws＝0.528θ_w+0.0463；θ_wc＝θ_w-θ_ws；θ_ss为土壤固相颗粒总体积含量，且θ_ss＝ρ_b/2.65，ρ_b为被测区域的土壤容重；EC_s为平均表面电导率，且EC_s＝0.023％C-0.0209，C(％)为被测区域的土壤黏粒含量；EC_ws和EC_wc分别为小孔隙中和大孔隙中的水溶液电导率，且EC_ws＝EC_wc＝θ_wEC_25℃ρ_bS_p/100；其中，S_p为被测区域的土壤饱和度，且S_p＝θ_w(1+1/e)，e＝(1-ρ_b/Sg)×100％，Sg为被测区域的土壤比重。

为了对被测区域的海水入侵程度实现准确检测，本发明在所述获取被测区域的地下水水位L和地下水电导率ECw的过程中，包括：检测被测区域的地下水参数，生成地下水温度实测值、地下水压力实测值以及地下水电导率实测值，根据检测到的地下水压力实测值计算出所述的地下水水位L；利用检测到的地下水温度实测值对检测到的该温度下的地下水电导率实测值进行校正，以生成校正后的地下水电导率ECw；利用所述地下水电导率ECw计算被测区域的地下水中的氯离子浓度Cl^-＝-157.26+261.20ECw；根据计算出的氯离子浓度Cl^-确定被测区域地下水的海水入侵程度。其中，当氯离子浓度Cl^-<250时，可以判定被测区域的地下水为淡水；当氯离子浓度250≤Cl^-≤1500时，可以判定被测区域的地下水为咸水；当氯离子浓度Cl^->1500时，可以判定被测区域的地下水为卤水。

进一步的，在所述利用检测到的地下水温度实测值对检测到的该温度下的地下水电导率实测值进行校正的过程中，利用以下公式对地下水电导率实测值EC_TW进行校正：ECw＝β(EC_TW-EC_PT)+0.0548；其中，T_W为地下水温度实测值；

β＝0.00044T_W²-0.0429T_W+1.7975；

EC_PT＝1.8271×10^-9T_W⁴-1.5737×10^-7T_W³+4.1474×10^-5T_W²+4.5835×10^-4T_W+0.0142。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明通过对被测区域的地下水参数和土壤参数进行检测，不仅可以对被测区域的海水入侵程度以及土壤的盐渍化程度实现准确地监测，而且还可以准确地判断出海水入侵对土壤盐渍化灾害的影响程度，从而可以对海水入侵与土壤盐渍化等级进行综合评价，对地下水与土地资源的有效利用和管理具有重要的意义。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本发明所提出的海水入侵与土壤盐渍化监测评价方法的一种实施例的流程图；

图2是土壤与地下水检测装置的一种实施例的硬件架构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。

本实施例为了对被测区域的土壤盐渍化问题受海水入侵因素影响的程度进行准确地评价，基于麦夸特法+通用全局优化算法对被测区域的地下水位以及地下水电导率进行拟合，并结合被测区域的土壤电导率，提出了一种海水入侵与土壤盐渍化的监测评价方法，以方便实现对地下水资源和土地资源的综合利用和管理。

为了获取被测区域的土壤参数和地下水参数，本实施例首先设计了一种用于检测土壤参数和地下水参数的检测装置，如图2所示，主要包括测量终端100、数据采集终端200和PC端300等。其中，在测量终端100设置有用于采集土壤参数的土壤检测传感器110和用于采集地下水参数的地下水检测传感器120。在本实施例中，所述土壤检测传感器110用于检测被测区域的土壤电导率、土壤温度和土壤含水率；而所述地下水检测传感器120则用于检测被测区域的地下水温度、地下水压力和地下水电导率。在实际使用过程中，可以在被测区域选定多个监测点，在每个监测点分别布设一个所述的测量终端100，以用于检测该监测点的土壤参数和地下水参数。分布在各监测点的测量终端100将采集到的土壤参数和地下水参数转换成测量数据，发送至数据采集终端200，由数据采集终端200内部的主板电路210对接收到的各测量数据进行分析、处理后，执行数据的保存操作或者进一步驱动数据采集终端200上设置的显示器220进行输出显示。为了使现场作业人员能够实时掌握被测区域的土壤盐渍化程度、地下水的海水入侵情况以及海水入侵与土壤盐渍化灾害链的评价结果，本实施例优选在数据采集终端200内部的主板电路210上设置数据处理模块，根据接收到的测量数据自动生成被测区域的土壤盐渍化程度的评价结果、海水入侵程度的评价结果以及海水入侵与土壤盐渍化灾害链效应的评价结果，并通过显示器220显示给现场的作业人员。同时，对于分析处理后的测量数据和评价结果还可以通过数据采集终端200进一步传输至PC端300进行数据的统计、分析和管理，以实现对被测区域土壤变化趋势的准确预测和灾害的前期预警。

在本实施例的数据采集终端200上还可以设置按键模块230，以方便作业人员操作设备。为了便于携带，可以将所述数据采集终端200设计成手持终端，内置电池240，利用电池240为数据采集终端200内部的各功能模块供电。

下面结合图2所示的土壤与地下水检测装置，对本发明所提出的海水入侵与土壤盐渍化监测评价方法的具体实现过程进行详细地阐述。

结合图1所示，主要包括以下过程：

(1)确定被测区域的土壤类型；

在本实施例中，最好选择邻近大海的滨海盐渍土区域作为被测区域，收集该区域内的基础资料，包括水文、地质、气象、土地利用类型等信息。对于滨海盐渍土区域来说，由于其土壤盐分的变化较为频繁，水文、气象变化较为剧烈，因此需要对被测区域的基础资料进行定期收集分类，尤其是影响盐渍土形成、演变的因素。在本实施例中，需要获取的土壤类型主要有：土壤黏粒含量C(％)、土壤容重(体积质量)ρ_b(单位：kg/m³)、土壤比重Sg、土壤饱和度S_p(％)等。

(2)检测被测区域的土壤参数，例如被测区域的土壤含水率、土壤温度、土壤电导率，并生成被测区域的土壤含水率实测值θ_w、土壤温度实测值T以及土壤电导率实测值EC_TS；

在本实施例中，可以利用土壤与地下水检测装置中的测量终端100采集被测区域的土壤含水率、土壤温度、土壤电导率，并利用数据采集终端200内的主板210处理生成土壤含水率实测值θ_w、土壤温度实测值T和土壤电导率实测值EC_TS。

(3)根据被测区域的土壤类型，利用土壤温度实测值T和土壤含水率实测值θ_w对土壤电导率实测值EC_TS进行校正，以生成校正后的土壤电导率ECe；

在本实施例中，由于不同类型的土壤在不同含水量和温度下，会对电导率所对应的盐度关系产生不同程度的影响，因此，在确定了土壤类型后，应根据检测到的土壤温度实测值T(℃)和土壤含水率实测值θ_w(即土壤总体积含水量，单位:m³/m³)对检测到的土壤电导率实测值EC_TS(单位：ms/cm)进行校准，以期提高土壤盐度计算的精确度。

在本实施例中，可以首先利用土壤温度实测值T对土壤电导率实测值EC_TS进行校正，其校正公式为：

EC_25℃＝f_T·EC_TS＝[0.4470+1.4034exp(-T/26.815)]·EC_TS；

其中，EC_25℃为经温度补偿后25℃的土壤电导率，单位为ms/cm。

其次，利用土壤含水率实测值θ_w对经温度补偿后25℃的土壤电导率EC_25℃进行校正，其校正公式为：

ECe＝[(θ_ss+θ_ws)²EC_wsEC_s/(θ_ssEC_ws)+(θ_wsEC_s)+θ_wcEC_wc]；

其中，ECe为经温度和含水率校正后的土壤电导率；θ_ws和θ_wc分别为存在于小孔隙中和大孔隙中的体积含水量(单位：m³/m³)；θ_ss为土壤固相颗粒总体积含量(单位：m³/m³)；EC_s为平均表面电导率(单位：ms/cm)；EC_ws和EC_wc分别为小孔隙中和大孔隙中的水溶液电导率(单位：ms/cm)。

一般说来，参数EC_s、θ_ws、θ_wc、θ_ss、EC_ws、EC_wc可以通过以下经验公式获得：

θ_ws＝0.528θ_w+0.0463；

θ_wc＝θ_w-θ_ws；

θ_ss＝ρ_b/2.65；

EC_s＝0.023％C-0.0209；

EC_ws＝EC_wc＝θ_wEC_25℃ρ_bS_p/100；

S_p＝θ_w(1+1/e)；

e＝(1-ρ_b/Sg)×100％；

其中，e为孔隙比。

(4)利用土壤电导率ECe计算被测区域的土壤盐度；

土壤电导率与土壤盐分之间存在一定的相关性，可以利用土壤的电导率来反映土壤的盐度。本实施例提出以下公式计算被测区域的土壤盐度：

Sc＝0.076ECe²+0.441ECe+0.023；

其中，Sc为被测区域的土壤盐度，单位为％。

(5)根据土壤盐度Sc评价被测区域的土壤盐渍化程度；

在本实施例中，为了对被测区域的土壤盐渍化程度进行细分，本实施例提出以下优选评价方式：

当土壤盐度Sc<0.1时，认为被测区域的土壤为非盐渍化土壤；

当土壤盐度0.1≤Sc<0.2时，认为被测区域的土壤为轻度非盐渍化土壤；

当土壤盐度0.2≤Sc<0.4时，认为被测区域的土壤为中度非盐渍化土壤；

当土壤盐度0.4≤Sc<0.6时，认为被测区域的土壤为重度非盐渍化土壤；

当土壤盐度Sc≥0.6时，认为被测区域的土壤为盐土。

由此，便对被测区域的土壤盐渍化程度完成了准确地评估。

(6)检测被测区域的地下水参数，例如被测区域的地下水温度、地下水压力、地下水电导率，并生成被测区域的地下水温度实测值T_W、地下水压力实测值和地下水电导率实测值EC_TW；

在本实施例中，可以利用土壤与地下水检测装置中的测量终端100采集被测区域的地下水温度、地下水压力、地下水电导率，并利用数据采集终端200内的主板210处理生成地下水温度实测值T_W、地下水压力实测值和地下水电导率实测值EC_TW。

(7)利用地下水温度实测值T_W对该温度下的地下水电导率实测值EC_TW进行校正；

由于地下水在不同温度下，会对电导率所对应的氯离子浓度产生不同程度的影响，因此，应根据检测到的地下水温度对检测到的地下水电导率进行校准，以期提高地下水中氯离子浓度计算的精确度。

在本实施例中，可以利用检测到的地下水温度实测值T_W(单位：℃)对该温度下检测到的地下水电导率实测值EC_TW(单位：ms/cm)进行校正，其校正公式为：

ECw＝β(EC_TW-EC_PT)+0.0548；

其中，ECw表示经校正后的地下水电导率，单位为ms/cm；参数β和EC_PT可以通过以下经验公式获得：

β＝0.00044T_W²-0.0429T_W+1.7975

EC_PT＝1.8271×10^-9T_W⁴-1.5737×10^-7T_W³+4.1474×10^-5T_W²+4.5835×10^-4T_W+0.0142。

(8)利用校正后的地下水电导率ECw计算被测区域的地下水中的氯离子浓度；

在本实施例中，由于地下水电导率与地下水中的氯离子浓度之间存在一定的相关性，因此可以利用地下水的电导率来反映地下水中的氯离子浓度。本实施例提出以下公式计算被测区域地下水中的氯离子浓度：

Cl^-＝-157.26+261.20ECw；

其中，Cl^-表示氯离子浓度，单位为mg/L。

(9)根据计算出的氯离子浓度Cl^-评价被测区域地下水的海水入侵程度；

在本实施例的，优选提出以下评价方式：

当氯离子浓度Cl^-<250时，认为被测区域无海水入侵，被测区域的地下水为淡水；

当氯离子浓度250≤Cl^-≤1500时，认为被测区域遭受海水入侵，但海水侵入量不大，被测区域的地下水为咸水；

当氯离子浓度Cl^->1500时，认为被测区域遭受严重的海水入侵，被测区域的地下水已为卤水。

由此，便完成了对被测区域是否遭受海水入侵，且入侵程度是否严重的准确评价。

当然，对于被测区域的土壤电导率ECe和地下水电导率ECw也可以采用其他方式获得，本实施例并不仅限于以上举例。

(10)根据地下水水位L和地下水电导率ECw，利用麦夸特法拟合地下水水位L与地下水电导率ECw关系，拟合生成土壤电导率拟合值

在本实施例中，所述地下水水位L可以根据检测到的地下水压力实测值计算生成。所述土壤电导率拟合值优选采用以下拟合公式确定：

其中，P₁,P₂,…,P₁₁为拟合参数，可以采用先赋初始值，然后进行迭代运算的方式来最终确定出拟合参数P₁,P₂,…,P₁₁的具体值。

对拟合参数P₁,P₂,…,P₁₁的求解过程如下：

S1、建立残差平方和函数：

其中，为第i个监测点的土壤电导率拟合值；ECe_i为第i个监测点的土壤电导率；L_i为第i个监测点的地下水水位；ECw_i为第i个监测点的地下水电导率；N为监测点的个数，本实施例优选取N>10；

S2、对所述拟合参数P₁,P₂,…,P₁₁赋初始值，记为P₁⁰,P₂⁰,…,P₁₁⁰；

S3、令P_j-P_j⁰＝Δ_j，(j＝1,2,…,m)，m＝11；其中，P_j是第j个待定的拟合参数，P_j⁰是P_j的初始值；

S4、计算a_jk和a_jy；其中，

S5、根据最小二乘法原则，Δ_j(j＝1,2,…,m)满足线性方程组：

其中，d为阻尼因子，取值范围为0～1，求解所述线性方程组，计算出一组拟合参数P₁',P'₂,…,P₁₁'；

S6、将计算出的拟合参数P₁',P'₂,…,P₁₁'作为初始值P₁⁰,P₂⁰,…,P₁₁⁰，返回步骤S3进行迭代运算，并在每一次迭代运算过程中，根据计算出的拟合参数P₁',P'₂,…,P₁₁'计算残差平方和Q；当(Q_M-Q_M-1)/Q_M＜10^-3时，停止计算。其中，Q_M为第M次迭代运算的残差平方和。

S7、将第M次迭代运算过程中计算出的拟合参数作为最终的拟合参数P₁,P₂,…,P₁₁，进而确定出最终的土壤电导率拟合值公式。

(11)评价海水入侵与土壤盐渍化灾害链效应；

本实施例中，可以利用以下公式计算出海水入侵与土壤盐渍化灾害链效应的评价结果：

其中，为评价因子；ECei为第i个监测点的土壤电导率；为第i个监测点的土壤电导率拟合值；为N个监测点的土壤电导率拟合结果平均值，即N个的平均值。

(12)根据评价因子评价灾害链等级；

在本实施例中，评价因子的数值越大，表示海水入侵对土壤盐渍化的影响程度越高；反之，评价因子的数值越小，表示海水入侵对土壤盐渍化的影响程度越低。

作为一个优选实施例，本实施例优选采用评价方式对灾害链等级进行细分：

当判定灾害链等级低，即，海水入侵对土壤盐渍化的影响程度极小；

当判定灾害链等级较低，即，海水入侵对土壤盐渍化的影响程度较小；

当判定灾害链等级较高，即，海水入侵对土壤盐渍化的影响程度较大；

当判定灾害链等级极高，即，海水入侵对土壤盐渍化的影响程度极大；

当判定灾害链等级最高，即，海水入侵对土壤盐渍化的影响程度及其严重。

由此，便完成了海水入侵对土壤盐渍化灾害链效应的评价。

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，本技术领域的普通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。