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土壤含水量在农田和小流域尺度上的空间和时间分布信息是土壤学、农学和水文学等许多学科进行科学研究的基础，对农业发展和水文监测等具有重要意义。因此，发展科学依据充分的适用于农田和小流域的方便、快捷、准确、无破坏性的土壤含水量测定技术是一个亟待解决的问题。本文针对探地雷达(Ground penetrating radar，GPR)测定土壤含水量的可行性和精确性进行研究，以不同类型土壤的介电常数与体积含水量的经验关系为基础，分别通过GPR地波方法和反射波方法探测不同质地和水分条件下的土壤含水量，以TDR测定结果进行对比验证，并采用GprMax软件模型模拟探地雷达探测过程，与实测结果对比验证和预测GPR的有效探测深度，初步得到以下结论：
(1)针对我国潮土、风沙土、红壤、水稻土等4种典型土壤介电常数与体积含水量的经验关系展开研究，修正了Topp(1980)关系式，并确定了Herkelrath(1991)关系式校正参数a、b值。得到以下结论：1)Topp等(1980)关系式对砂壤性潮土、粉砂质粘性潮土、风沙土、粘性红壤含水量的预测误差较大；2)Topp拟合关系式虽然对Topp等(1980)关系式有所优化，但效果仍然不甚理想，在含水量的不同范围有时误差较大，特别是对粘性红壤含水量的预测效果较差；3)Herkelrath拟合关系式对试验的4种类型土壤含水量的预测效果都较好，可以作为相关应用的优先选择；4)三种关系式对两种质地的水稻土含水量都有很好的预测效果。
(2)根据50MHz和100MHz非屏蔽天线GPR地波共中点法(Common mid-point，CMP)的探测结果，50MHz天线GPR由于频率过低导致杂波较多，地波信号不易识别，不适合应用于砂土和砂壤土含水量的测定。100MHz天线GPR在砂壤土中无地波信号，在砂土中可清晰读取出空气波和地波。通过100MHz天线GPR地波法测得的砂土含水量结果较为精确，为今后的表层土壤平均含水量的确定提供一种比较可行的方法。与CMP法相比，固定间距法(Fixed offset，FO)的探测过程更加快速便捷，CMP-FO法兼具了CMP法读取地波的精确性和FO法的快速便捷，在不同水分处理的砂土中均取得了较为准确的测定结果。通过获取CMP图像中不同天线间距对应的tAW和tGW，回归得到tAW-x和tGW-x关系式，再计算出FO最佳天线间距时的tAW和tGW，与直接由CMP最佳天线间距进行的FO法测量相比，结果更精确。在今后地波法的应用中，可首先使用该方法获得最佳的天线间距，从而获得较为准确的含水量探测结果。
(3)根据100MHz、250MHz和500MHz屏蔽天线GPR反射波法的探测结果，100MHz和250MHz天线频率过低，探测结果杂波多，不适合进行土壤含水量的测定。中心频率为500MHz的探地雷达在风干状态的砂土、砂壤土和壤质粘土中的探测深度均在0.98m以上，在砂壤土和壤质粘土中水分近饱和状态时，GPR的探测深度小于0.98m，但可达到0.6m以上。在GPR有效探测深度范围内，当已知目标反射物的深度时，500MHz天线GPR FO法探测砂土、砂壤土以及壤质粘土的平均含水量均具有较高的精度，在风干状态和近饱和状态下测得的土壤含水量平均误差比入渗状态下的误差小，结果更精确。因此，在土壤含水量较为稳定的情况下，GPR反射波法可为农田和小流域土壤含水量的测定提供参考。
(4)针对人工设计的砂土、砂壤土、壤质粘土及异常体土壤剖面构型，GprMax模型可以很好地模拟GPR图像(以500MHz天线为例)，与GPR实测结果对比表明，GprMax模型的模拟结果能够准确、有效地反映土壤水分信息、异常体埋深等土壤剖面状况。