基于空间TDR技术揭示的浅层地下水位区域中毛细上升的时空动态变化

《Journal of Hydrology》：Spatiotemporal dynamics of capillary rise in shallow groundwater table areas revealed by spatial TDR

　　

Efthymios Chrysanthopoulos|Martha Perdikaki|Epameinondas Nondas Floros|Andreas Kallioras

摘要

由于传统离散点测量方法的局限性，准确量化浅层地下水位区域的土壤含水量（θ，单位：cm3/cm?3）变化及毛细上升现象仍是一项重大挑战。本研究提出了一种基于时域反射技术（TDR）的集成监测传感器系统，可通过传输线获取高分辨率的θ分布曲线。该方法结合了基于快速迭代物理模型的TDR波形反演技术，以及用于自动信号处理的Python编程代码，同时通过与低成本θ传感器对比进行动态校准，并分析不确定性因素。此外，还利用未受干扰土壤样本的水力特性对校准过程进行进一步约束，从而实现θ值与土壤孔隙度的物理一致性换算。通过对各类不确定性来源的详细分析，可确定θ分布曲线的90%置信区间，还能基于阈值识别毛细带中的饱和区域。

在富含黏土的实验场地进行的实地应用显示，地下水位波动及毛细上升现象存在显著的小尺度异质性。空间TDR测量能够捕捉到由于日变化引起的毛细带饱和区域的上下移动，从而直接观察非饱和带内θ值的瞬时分布变化。研究结果表明，与传统离散测量方法相比，空间TDR技术能更精准地描述θ分布的变化，可揭示传统方法无法观测到的水文过程。

所提出的传感器系统为将地下水动态与θ变化联系起来提供了可靠的方法，有助于实现精准的农业管理、蒸散量估算以及地下水开采策略的制定。将空间监测与自动化数据处理相结合，可为持续、大尺度地观测地表与地下水文过程的耦合机制提供可行路径。