基于电磁波复介电频散精确估计城市浅地表土壤含水量的技术研究

The purpose of sponge city construction in China is to enhance the "soil water capacity"in urban pedosphere, and soil water content is the key index for evaluating the quality of sponge city construction. Remote sensing currently plays a major role in monitoring the procedure, but is of the shortage of limited penetration depth. In order to overcome the problem, this project proposes a rapid scientific monitoring method of soil water content based on the complex dielectric dispersion of electromagnetic wave. The data comes from the electromagnetic wave information of 3D step frequency ground penetrating radar. Considering the complex medium structure and multiple electromagnetic field sources, we will focus on the complex dielectric dispersion characteristics of plane electromagnetic waves, develop the technology of rapid extraction of those dispersion data, and establish the estimation models of soil moisture. The research results can provide a scientific and effective technique for the monitoring of soil environment in the ongoing Wuhan sponge city demonstration project.

海绵城市建设的本质是增强城市土壤圈的“水容”性功能，浅地表土壤含水量是衡量海绵城市建设质量的关键指标。然而当前以遥感信息为主的监测方法存在对地穿透力不足的问题。为此，本课题拟基于电磁波复介电参数频散信息，提出快速科学的浅地表土壤含水量的监测方法。以频率步进式三维地质雷达接收的电磁波信息为数据基础，充分考虑城市地下区域的复杂介质结构和电磁场源，研究平面电磁波的复介电频散特征，形成快速提取技术，并建立土壤含水量的估计模型等。课题研究成果可为正同步建设的武汉海绵城市示范工程提供科学有效的浅地表土壤环境监测手段。

海绵城市建设的本质是增强城市土壤圈的“水容”性功能，提高浅地表土壤含水量。项目针对3D地质雷达核心技术，开展观测技术的系统性研究，包括基本理论、观测方法、技术方案、实验样品测试、物理模拟、关键性参数的对比实验等。.主要的研究内容和主要结果包括：.（1）针对目前浅地表土壤含水量监测时间长、重复性差、穿透浅、精度差等问题，提出围绕电磁波复介电参数为核心指标的探测技术，实现了原位、快速、准确的浅地表土壤含水量监测技术。.（2）利用武汉市海绵城市建设示范区项目建设机会，多期次的地质雷达观测，结果表明海绵材料铺设后的近地表土壤垂向渗水效果明显提高。.（3）开展透水砖透水性能的实验观测，回归拟合了介电参数与含水量的3次样条模型，用于海绵材料的含水量估算，为实验测试提供理论模型。.（4）开展土壤介电属性的多参数相互关联试验，对包括介电参数、传播速度、电阻率、孔隙度、含水量等关键参数开展了准确性、可靠性、关联性动态试验，结果显示其吻合度较高。.此外，项目开展了多尺度的延伸研究和推广应用。包括利用城市土壤的海绵水溶特征，利用卫星遥感信息观测到地面抬升现象，揭示武汉市中心城市地表的抬升区域，划定土壤欠饱和或“饥渴”区域，提出城市暴雨资源化利用的方案。项目还对近地表的城市环境开展了多物理场耦合的数字模拟，研究城市街道的宽度、屋顶形状等对城市微环境影响。还就城市背景的区域地质安全问题开展了大尺度的壳幔结构及稳定性研究。本项研究对城市地球物理和环境问题研究提供了实践参考。