[发明专利]一种利用宇宙射线缪子监测土壤含水量的方法

说明书

本发明公开了一种利用宇宙射线缪子监测土壤含水量的方法，具体包括：建立土壤水分分布模型；采用蒙特卡洛模拟软件模拟宇宙射线缪子在土壤中的输运过程，得到不同土壤含水量情况下地下主探测器计数的理论值；建立土壤含水量与地下主探测器计数的对应关系；将副探测器置于土壤表面上作为参考探测器，用于监测地表的缪子通量；处理主探测器、副探测器的实测数据，利用建立好的土壤含水量与地下主探测器计数的对应关系反演出土壤水含量。本发明的有益效果是，解决了宇宙射线快中子法测量土壤含水量时的受地表环境影响大和测量深度浅的不足，减弱了地表环境对土壤含水量测量的影响，增加了对土壤水分的探测深度。

技术领域

本发明涉及土壤含水量测量技术领域，尤其涉及一种利用宇宙射线缪子监测土壤含水量的方法。

背景技术

土壤水又称非饱和带水分，是指地面以下、地下潜水面以上土壤中的水分。土壤水资源是干旱半干旱地区重要的水资源之一。黄土高原每年降水补给土壤的深度主要在1.5-2m土层以上，湿润年份降水入渗补给深度可达3.0m。深层土壤水不仅关系植被生长，特别是半干旱地区的植被恢复，还影响土地的可持续利用、区域土壤水资源再生和水文循环。因此，及时、准确的深层土壤水含量监测，对采取有效的水土保持措施、科学指导农业生产具有重要意义，同时可为深层土壤水储存和运移的研究提供必要数据。

目前，土壤水含量测量方法仍以点尺度(单次取样/测量的范围通常在1m²以内)和遥感大尺度方法(研究单元通常超过100m²)为主。其中，点尺度测量方法主要有烘干法、称重法、介电法、中子法等，大范围的土壤水测量主要依靠遥感。较为新兴的宇宙射线快中子法监测半径约为300m，可填补传统点观测和遥感大面积观测尺度之间的空缺，测量深度范围为15-83cm，实时提供浅层土壤的平均土壤水含量。但宇宙射线快中子法的测量深度较浅，无法提供深层土壤水含量信息，且受大气水汽、地表积雪、径流水、土壤晶格水、土壤有机物以及植被体内水分等的影响较大，其中大气水汽单项对中子通量测量的影响最大就可达到12％。然而，可以监测深层土壤水的只有烘干法、中子法等点尺度测量方法。

为扩大深层土壤水分的监测尺度，弥补宇宙射线快中子法的不足，本发明公开了一种利用宇宙射线缪子监测土壤含水量的方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明公开了一种利用宇宙射线缪子监测土壤含水量的方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种利用宇宙射线缪子监测土壤含水量的方法，具体包括以下步骤：

步骤a、建立土壤水分分布模型；

步骤b、将主探测器置于地下，并采用蒙特卡洛模拟软件模拟宇宙射线缪子在土壤中的输运过程，得到不同土壤含水量情况下地下主探测器计数的理论值；

步骤c、建立土壤含水量与地下主探测器计数的对应关系；

步骤d、将副探测器置于土壤表面上作为参考探测器，用于监测地表的缪子通量；

步骤e、处理主探测器、副探测器的实测数据，利用建立好的土壤含水量与地下主探测器计数的对应关系反演出土壤水含量。

进一步地，步骤a中，土壤水分布模型将土壤水层简化为雨水易渗透层和饱和水层，其中，雨水易渗透层深度小于80cm，饱和水层深度大于80cm。

进一步地，步骤b中的宇宙射线缪子由宇宙射线生成器CRY生成，蒙特卡洛软件选用FLUKA。

进一步地，步骤b中，置于地下的主探测器为圆柱形，半径10cm，高度1m，横向水平放置于土壤表面的下方，且主探测器的上表面距离土壤表面的高度为80cm。副探测器与主探测器完全相同。

进一步地，所述主探测器、副探测器均为缪子探测器。