孙满利，付 菲，沈云霞

(西北大学 文化遗产学院, 陕西 西安 710069)

土一般是由固相、液相和气相组成的三相体,土中的水有结构水、结合水、非结合水、固态水和气态水等不同形式。工程建设中为查明土的工程性能、控制夯土施工质量、对地质灾害进行监测与预报、农业生产中的精细管理以及文物保护等方面,都需要对土中含水状况进行测试与监控。土中水的多少通常采用含水率来表示,含水率的实质是土中除结构水外的水与固体的质量或土体体积的比值,主要有质量含水率和体积含水率两种表示方法。

随着传感器和物联网技术的发展与应用,为了满足不同行业需求,对土壤含水率测定方法的研究正朝着快速准确、原位无损,自动连续实时监测,远程传输、智能管理等方向不断完善和发展。土壤含水率的实时监测在众多领域得到应用:农业生产过程的精细灌溉、墒情与旱情监测[1-4];地质工程中,边坡稳定性研究和滑坡等灾害的监测[5-10],道路建设领域,冻胀、多雨、土质等因素对路基性能的影响分析[11-16];遗址保护方面,赋存环境的监测、保护加固的稳定性评价和盐害的机理研究等[17-23]。土壤含水率监测的方法有很多种,单点或小范围土壤含水率的监测有TDR法、探地雷达法、土壤电阻法、电容法等,大区域范围内土壤水分时空分布和变化通常采用遥感技术。近年来,“3S”技术[24-26]、无线传感网络技术[27-35]的引入实现了监测的实时化和网络化,为对土壤水分的动态模拟和预测奠定了基础。然而,有关土壤含水率的实时监测工作尚存在许多问题,例如测试方法的适用度和准确性容易受到土质影响和约束,测定仪器、传感器等硬件普遍存在体积大、能耗高、价格贵等问题,数据通讯和网络技术等软件系统的限制导致数据传输不稳定,缺乏智能化、自动化管理系统。

随着地质灾害监测预报、农业精细管理、遗址预防性保护、工程建设现场监控的人工智能管理需求,物联网技术的应用与引进,现场、原位、实时、无损的含水率监测方法和设备的完善与改进十分必要,通过梳理现有的含水率测试方法,明确各种方法的优缺点和适用性,为未来含水率测试新方法的研究提供借鉴。

1 相关标准中的含水率试验方法

1.1 国内标准规范

我国有关含水率试验的现行标准规范共10部(表1)：国家标准1部,行业标准9部。涉及地质矿产、交通、水利水电、农业、林业等几大行业。

烘干法由于最符合含水率定义,且测定结果准确可靠,可以对其他测试方法进行检验标定,为国标推荐的唯一方法,也是其他标准首选的方法。但是，其缺点是费时,不能满足现场测试快速便捷的要求。在工程实践中,出于对工程质量检验的要求,提出了酒精燃烧法和比重法,这两种方法与烘干法相比,试验操作更为简便快捷,对材料和仪器的要求较低,适用于现场测定,但缺点是精度不足,误差较大。而在铁路工程土工试验规程中,根据行业特点,引入了更适合现场快速测量的方法,如碳化钙法和射线法。

表1 国内标准含水率测定方法Tab.1 The domestic standards for the soil moisture content test method

1.2 国外标准规范

不同的国家有自己的标准体系(表2),其中美国ASTM、欧洲EN有关的技术规范,其应用较广,为业内普遍认可。

美国材料与试验协会ASTM(American Society for Testing Materials)的标准体系中与岩土工程勘察相关的标准卷为04类建筑材料部分,04.08土和岩石(Ⅰ):D420-D5876和卷04.09土和岩石(Ⅱ):D5877-latest,包括了地质勘察中的岩土的鉴别方法、室内外各项岩、土测试的操作方法等基本要素[36]。在土体含水率试验方法上,美国标准总数达8种,规范内容划分细小,每种试验方法独立成文;同时,不同于其他国家标准通常仅涉及室内试验部分(主要为烘干法),ASTM对其他常用的测定方法,如TDR、碳化钙、微波炉法等也进行了规范,内容涵盖丰富。

欧盟多数国家都有土的含水率测试规范,欧洲标准化委员会(CEN)编制的EN 1990～EN1999系列规范中EN 1997专门针对岩土工程设计,包括EN 1997-1岩土设计总则和EN 1997-2岩土勘察两部分[37-38],但是EN 1997-2没有具体的现场试验和实验室试验方法,对此,可参考ISO TC 182委员会和CEN TC 341委员会的具体规范和标准,例如EN ISO TS 17892实验室试验系列,该标准由12个部分构成,隶属技术要求类标准,其中的第一部分即为土体含水率的测定[39]。欧盟规范的特点是广泛引用国外规范和学术著作,概括性较高,注重规范间的引用补充。

表2 国外标准含水率测定方法统计表Tab.2 The foreign standards for the soil moisture content test method

1.3 国内外标准规范对比

以烘干法为例,对比分析美国ASTM D2216-10[40]规范(以下简称美标)、欧洲EN ISO 17892-1-2014(以下简称欧标)与我国国标GB/T 50123-1999[41](以下简称国标)中土体含水率试验方法的异同。

三部规范里烘干法的仪器设备、试验步骤和计算公式基本一致,不同之处主要集中在烘干温度、烘干时长和试样质量等内容的规范要求上,如表3所示。其中,烘干温度下限三者均为105℃,美标温度上限为115℃,高于国标和欧标,但总体来说差别不大。烘干时长差异较大,其中欧标最长(16h),美标次之(12～16h),国标最少(6～8h)。在试样质量的要求上,美标和欧标都有较为严格的规定,其中欧标主要根据粒径大小(分为0.063mm,2.0mm,10.0mm,31.5mm,63mm五档)来确定所需样品的最小质量,样品质量由30g到2.1kg不等。美标中样品质量首先按照试验结果的记录精度(±1%,±0.1%)分为A、B两种方法,之后再由粒径大小不同要求样品应保证的最小质量。相比之下,国标中对试样质量的要求为“代表性试样15～30g”,规定较为简单。

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

对比3种标准的具体内容可知,欧标和美标的内容详实、细则较多,例如试验适用范围,试样质量大小的选定、仪器设备参数等方面。而我国国标内容相对简单实用,各项步骤和参数规定明确,可操作性强。

2 土体含水率测定方法

含水率测定方法种类较多,根据各种测定方法基本原理的不同,将其归纳为以下几类。

2.1 质量(重量)法

质量(重量)法,通过测定土样的质量(重量)变化来确定含水率,包括烘干称重法和比重法等。烘干称重法根据不同的烘干手段可分为烘干法(电热干燥箱法)、酒精燃烧法、炒干法、微波炉法、红外线法等。烘干法(电热干燥烘箱法)最符合含水率定义,是国际通用的标准方法,1986年,Gardner[42]对烘干作用会引起多少束缚水脱离土壤开展了相关研究。烘干法操作简便,结果准确可靠,但缺点是无法实现现场快速测量和定点连续监测,酒精燃烧法和炒干法可在野外现场简便测试,但不适合用于细粒土和含有机质的土。

20世纪70年代,随着生产效率的不断提高,水分分析的时效性越来越受到重视,为了缩短烘干时间和简化耗时步骤,基于微波和红外线加热原理的烘干方法应运而生。

微波炉法是利用超高频率电磁波促进分子间作用,达到加热干燥的目的,微波炉比烘箱体积小,重量轻,搬运方便,可实现快速测量。该方法起源于20世纪40年代,1974年,国外开始研究用微波炉法测定土的含水率[43],1987年被美国ASTM列入试验标准[44]。我国于20世纪90年代末,开始微波炉法研究,多为进行与烘干法的对比试验,验证其方法的准确性[45-48]。研究结果表明,微波炉法不仅满足精度要求,而且具有快速、方便的技术优势,适宜广泛应用。但微波炉加热的温度控制,烘干时间优化等,还有待于深入研究,对于有机质含量较多的土质也不宜使用微波炉法测试含水率。

红外线烘干法是采用红外线干燥箱加热,样品通过吸收红外线达到被加热或烘干的目的。该方法能够将烘干时间平均缩短至5～50min[49],和电热干燥方法相比，较大程度地缩短了烘干时间,但红外线干燥箱设备较为昂贵。

比重法是1941年由Papadakis[50]提出的一种快速测量土壤含水率的方法,是根据比重试验,测定湿土体积,通过估计土粒比重,间接计算土体含水率,实际操作中土体气体能否充分排除,直接影响结果的准确度,此法仅适用于砂性土。

2.2 化学法

化学法指利用水的化学反应原理来测定土中水的含量,有碳化钙法(气压法和化学反应失重法)、浸入法和浓硫酸法。在工程建设时,为了控制和监控夯土质量,需要在现场对土的含水率进行快速测定。为了弥补烘干法的不能现场测试和时效性差的缺点,20世纪60，70年代,研究学者提出了水浸法[51]和硫酸反应法[52],这两种方法皆因为仪器复杂、测试精度不够和操作繁琐,没有得到推广应用。同期,国外已开始采用碳化钙气压法测定含水率,碳化钙气压法是测定碳化钙与水完全反应的乙炔气体压强,根据乙炔气体压强与水分质量成正比的关系,换算出相应的含水率,JR Blystone在美国公路工程部门土壤试验中应用了该方法[53],1998年,碳化钙气压法被美国ASTM列入土壤含水率的现场测定的试验方法,我国20世纪60年代已有碳化钙气压法相关介绍和研究[54]。碳化钙化学反应失重法是测量乙炔气体质量,该方法研究始于2000年前后[55],该方法避免了温度对气体压力的影响,提高了测试精度和测试范围,适用范围更广。

2.3 射线法

射线法是指利用射线穿过土样时的变化来测定土的含水率的方法,主要有中子仪法、γ射线法、X射线等。

中子仪法是利用快中子与水的氢核碰撞后转变为慢中子的原理,通过测量慢中子密度来测定土壤含水率。20世纪50年代初,D J Belcher[56]、W Gardner[57]提出了中子仪法,1979年,Rahi初步研究了中子仪法的灵敏度[58];1988年,Wilson[59]认为中子法的精度在±5%。我国于20世纪60年代引入该技术[60]。中子仪法的有效测定范围是慢中子云的有效球体积,是测试半径范围内体积含水率的平均值,适合含水率在5%～40%的土壤,其有效测量范围在20～40cm[61]。

中子仪法的优点是测量简单、快速、精度高,能够现场、连续观测原状土体的水分。缺点是设备昂贵,测量结果受到土中的有机质和其他水(结构水、结晶水)的影响,针对不同土需要标定,另外,在测定浅层土壤时,中子会向外逸散导致误差,以及中子的辐射污染,都限制了其推广应用。

γ射线法是通过测量γ射线穿透土样时能量的衰减计算含水率。它与中子仪一同在1950年由D J Belcher[56]提出,Wheetel[62]和Fahad[63]等将其应用于田间土壤水分的测量。根据采用的射线源能量种类,可将γ射线法分为单源法和双源法两种,二者均具有较高的测量精度,单源法适用于均一性较好的重塑土样测量,双源法可用于原状土样的测量[64]。但利用单源法测定土的含水率受土样容重的影响较大,为此出现了采用双源法同时测定容重和含水率,以消除土壤容重变化的干扰[65]。γ射线法与中子仪法有许多相同的优点,如快速、准确,能够现场、连续观测原状土体的水分,但也存在辐射隐患的缺点。

X射线是一种低能电磁射线。1983年,Hiansworth[66]等人探讨了X射线法CT机快速测量土壤含水率,Grestanna等[67]研究了实验室三维土壤水分运移X射线测定。Anderson[68-69]等研究了X射线衰减值与土壤含水率的线性关系,发现X射线衰减值受土壤其他物理性质和化学组成的影响较大。因此还需深入探讨不同土壤对测量精度的影响以及合理的电磁能量区间[70]。

2.4 介电法

土壤含水率不同,其介电特性会发生显著变化。Chemyak在《湿土介电特性研究方法》(1964)一书中,论述了介电常数与体积含水率的关系,该理论被迅速应用于土壤含水率的测定,主要有时域反射法(TDR)、频域反射法(FDR)、驻波率法(SWR)和电容法等。

电磁脉冲在土壤中的传导速度与土壤的介电常数有函数关系,TDR法通过测定传导速度求得土壤体积含水率。1969年Fellner-Feldegg[71]将TDR技术用于液体介质的介电常数测量;1974年,Hoekstra[72]利用TDR技术测定土体的介电常数,1980年,Topp[73]建立土体介电常数与土壤体积含水率的函数关系(Topp模型)。TDR具有无放射性、测量范围广、原位、连续、快速特点,当测定精度要求较低时,该方法一般不需标定[74],方便准确。

电磁脉冲在土壤中传播频率也与土壤介电常数有关系,FDR法是通过测量传播频率的变化求得土壤体积含水率。1992年,Hilhorst[75-77]研究FDR法的方法和设备,与TDR技术相比,FDR法的工作频率选取范围大,校准和自动连续监测方便,测量精度较高。缺点是对不同土需要标定,比较费时费力[78]。

土壤的介电常数不同,其传输线上驻波比也不同。1995年,Gaskin[79]研究了基于微波理论中驻波比原理的驻波率法(SWR)。驻波率法测量仪器成本相对较低,但在测量精度和传感器的互换性上不如TDR方法。

含水率的不同,电容极板间土的介电常数不同,导致电容变化。Anderson[80]在1943年首次提出利用低频电容法进行土壤含水率测定;我国于20世纪70年代引入该方法,虽然也可实时测定,但是测量数值受土体温度、密度及结构影响较大,需要对数据进行拟合修正,测试准确度和精度较差。

2.5 电阻法

土的电阻率和土中水的多少有明显的关系。1940年,GJ Bouyoucos[81]探讨了电阻和土壤含水率的关系,及含盐量、质地、温度等对电阻的影响;Thein S.J[82]验证了电阻法测量土壤含水率的原理。我国引入电阻法始于20世纪70年代末,主要应用于砂土的含水率测定。电阻法成本低,测试速度较快,可以实现无损、连续自动监测,但是电阻的大小受土的孔隙分布、颗粒分布、温度等很多因素影响较大,测量结果有较大误差。

2.6 张力计法(负压计法)

土壤的吸力与含水率呈反比,利用负压式土壤张力计测量非饱和土壤中水分的张力可以求得土壤含水率[83]。1922年,Gardner开始张力计法研究,1949年,Rechard把张力计法应用于测试,1976年,Elzdftawy等研究了自动测量功能[84]。张力计仪器简单,可实时原位测量,但是,由于土壤的吸力还受到土的颗粒组分、密度、孔隙特征、矿物成分、有机质含量等众多因素影响,吸力和土的含水率之间存在非线性关系,测量结果往往误差很大。

2.7 遥感法

遥感法是一种大范围、多时相的土壤水分空间测试技术,土壤含水率的不同,其表面光的反射、吸收以及热辐射等性能都有差异,通过监测土壤表面的光谱特性和热性能可以监测大区域范围内地表土壤水分的时空变化。1965年,Bowers等[85]研究了不同水分含量的表层土壤的光谱特性,成为遥感法的理论基础;在国内,上世纪八十年代,遥感法逐步引入我国,黄扬[86]研究了土壤反射特性与含水率的关系。按照探测波段的不同分为可见光-近红外遥感法、微波遥感法、热红外遥感法。

测定土壤可见光-近红外波段的反射光谱是最早的遥感法探索。1965年,Bowers[85]最早将近红外光谱技术应用于土壤的含水率检测。20世纪90年代,我国逐步开展近红外技术在土壤含水率测量的应用和研究[87-89],主要是引进国外仪器,在实验室内进行建模并测量。近红外遥感法能够满足野外实时、快速测量的要求。微波遥感法研究始于20世纪70年代[9，91],有主动和被动微波遥感法两种。被动是测量土壤本身发射的微波,而主动是测量雷达发射微波经土壤表面发射后的回波信号,测试深度可达地表5cm左右[92]。热红外遥感法是通过测试土壤表面的热辐射量反演含水率的方法。主要有热惯量法和温度—植被指数法。Watson[93]，Rosema[94]，Carlson[95]，Bijleveld[96]和Price[97]等研究了根据地表温差推算土壤热惯量进而确定含水率的方法,并应用于农作物旱情监测,张仁华[98]梳理了国外热惯量的研究成果,并进行了改进研究。

可见光到热红外波段监测深度只有表层几微米,而微波波段监测深度可达几厘米到几十厘米[99],同时微波遥感不受大气条件限制,使其成为土壤含水率遥感测定技术中的主要手段。遥感法由于影响土壤光谱的因素较多(如土壤容重、矿物成分、有机质含量、表面粗糙度、植被覆盖等),易对遥感法测定结果造成影响。

2.8 探地雷达法

探地雷达法是根据电磁脉冲反射原理而设计的空间成像技术,其原理与TDR类似。1937年，Melton B.S.发明了电磁探测法专利,直到20世纪70年代中期,随着商用探地雷达的诞生,探地雷达逐步应用于考古学、地质学、土壤学等众多研究领域[100]。20世纪90年代末,国外学者[101-106]开展探地雷达在土壤含水率测定的可行性研究。我国于20世纪90年代初引入探地雷达技术[107],并开展了土体含水率测定的理论与应用研究[108-113]。

应用探地雷达测定土壤含水率的方法主要有4种,包括反射波法、地面波法、钻孔雷达法和表面反射法。不同于称重法、射线法和介电法等小尺度定点测定,以及遥感技术大范围大尺度的测定方式,探地雷达法补充了中尺度范围的测定方法。其具有快速、便捷、原位、微损、可重复探测特点,适合于较大范围的测定,可用于深度较小的土壤含水率测定,但对20m以上较为深层的含水率测定准确性还有待研究;另外,探地雷达探测信息准确有效的提取仍比较困难,需要相关硬件和软件技术的进一步发展。

3 结 语

测量土的含水率方法较多,其测试原理和方法、测量精度和范围、适用对象以及成本等都不同。土的含水率测定方法均有一定的局限性,在实际应用过程中,要根据测试对象和目的,科学有效地选择测量方法。

目前，室内测试最好的方法依然是烘干法,传统的电热干燥箱法精确度高,应用历史长,规范标准严格,是其他测量技术手段的标定基础。该法已能满足室内试验的测定要求,其余方法如微波炉法、红外线烘干法均是在其基础上进行了部分优化,以弥补传统烘干法试验效率的不足。

室外测试方法可大致分为3类,一种是基于质量法原理的酒精燃烧法、比重法等,虽则快速简便,但误差较大,测定范围也有一定限制,试验时需要采集一定量的样品,属于有损分析。另一类方法是室外小尺度的定点测定方法,如中子仪法、TDR法等。这些方法操作简便,准确度高,可满足快速测定和长期监测的要求,缺点是仪器体积较大、不便于携带和安装,能耗高,且传感器常需要安装于土体之内,在农业和地质工程中的应用并无妨碍,但在遗址监测方面,考虑到文物的不可再生性,有损测试多有不宜。第三类是适用于中、大尺度范围的土壤含水率测定方法,目前普遍使用的探地雷达法和遥感法基本满足该尺度下测定的精度要求,但由于测量结果受土壤理化性能、成分组成及结构、测试环境等多种因素的影响,进一步提高针对不同土体的适应性,研发不同类型的土壤含水率计算模型是未来重点。

鉴于室内测试的标准方法和相关规范都已经较为成熟,因此现阶段研究的重点应着眼于室外测试方法的改进与研发。根据不同应用领域的需求特点,未来土的含水率测定方法的发展趋势应主要表现在以下方面:对于地质灾害监测预报和农业墒情、旱情监测工作,需重点满足长期、实时、远程传输等测定要求,因此测定仪器应向小型化、低功耗、提高响应速度等方向发展,同时与现代信息技术紧密结合,实现土壤含水率信息的实时采集、存储和远程网络监控,进而建立起可进行预测预报、灌溉控制等智能管理的软硬件平台。在工程建设施工领域,测定重点体现为快速、准确和便捷,测试仪器应便于携带与安装,数据信息可快速直读,并由计算机终端控制测定系统和数据处理软件,实现测定过程中数据的高速采集、实时记录、及时显示、智能控制,测试结果数据处理等功能,从而提升现场工作效率和准确度,更好地开展施工质量控制检测工作。在遗址本体监测中,由于测试对象的特殊性,无损监测将是未来研究发展的重要方向。此外,实际工作中,为了保证对遗址本体全面细致的监测,仪器设备数量通常较多,因此传感器应满足小型化、低功耗、低成本的要求。同时,将如物联网、地理信息系统、人工智能等先进信息技术融合到遗址土体的含水率监测中,研制开发智能化的数据采集装置和智能化的预报与决策支持软件,以满足长期监测、模型建立、风险预报等方面的需求,助力遗址预防性保护工作。最后,无论何种领域,未来均应继续加强不同种类土壤水分特性的机理研究,进行新型测定仪器和技术的开发,实现土壤含水率快速准确的测定。