土壤墑情自動監(jiān)測研究

劉漢臣

(黑龍江省齊齊哈爾水文局，黑龍江 齊齊哈爾 161005)

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土壤墑情自動監(jiān)測研究

劉漢臣

(黑龍江省齊齊哈爾水文局，黑龍江 齊齊哈爾 161005)

摘要：土壤墑情自動監(jiān)測儀器主要有：張力計法、中子水分儀、頻域反射法和時域發(fā)射法，目前國內(nèi)外常用的土壤墑情自動監(jiān)測設(shè)備主要是時域反射法和頻域反射法儀器。時域反射法和頻域反射法均是基于介電法原理，通過測量土壤介電常數(shù)的變化，間接測定土壤含水量。

關(guān)鍵詞：土壤；墑情；自動監(jiān)測；儀器；原理

0引言

中國是一個水旱災(zāi)害頻發(fā)的國家，干旱災(zāi)害是影響我國經(jīng)濟、社會發(fā)展的主要自然災(zāi)害之一。土壤含水量是影響農(nóng)作物生長的關(guān)鍵要素，是反映干旱程度的重要指標，干旱通過土壤含水量銳減對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成損失。因土壤含水量是重要的旱情信息，其監(jiān)測對抗旱工作意義重大。土壤水分是影響徑流形成的重要因素，通過長期的土壤含水量的監(jiān)測積累資料，對水文學基礎(chǔ)研究也是十分有益的。土壤含水量的監(jiān)測起因于農(nóng)業(yè)抗旱的需要，因此長期以來被稱為土壤墑情監(jiān)測。

土壤墑情監(jiān)測過去主要通過人工觀測。人工觀測采用烘干法測定土壤含水量，人工野外采集土樣，在實驗室對土樣秤重，烘干土樣再秤重，通過比較原始土樣和烘干后土樣的重量差別計算出土壤的重量含水量。

烘干法雖能得到精確觀測結(jié)果，但比較費工耗時，信息的時效性較差。隨著近年來我國大面積旱災(zāi)的頻繁發(fā)生，在一些易旱地區(qū)逐步建設(shè)了土壤墑情自動監(jiān)測站，實現(xiàn)了土壤墑情信息的自動采集、自動傳輸，提高了土壤墑情監(jiān)測信息的實時性。土壤墑情自動監(jiān)測對水文部門是一個新生事務(wù)，充分認識土壤墑情自動監(jiān)測儀器的工作原理和性能對做好土壤墑情監(jiān)測工作是十分必要的。

1土壤墑情自動監(jiān)測儀器的原理

土壤墑情自動監(jiān)測儀器主要有：張力計法、中子水分儀、頻域反射法和時域發(fā)射法，目前國內(nèi)外常用的土壤墑情自動監(jiān)測設(shè)備主要是時域反射法和頻域反射法儀器。時域反射法和頻域反射法均是基于介電法原理，通過測量土壤介電常數(shù)的變化，間接測定土壤含水量。

介質(zhì)在外加電場時會產(chǎn)生感應(yīng)電荷而削弱電場，最終介質(zhì)中電場與原外加電場(真空中電場)的比值即稱為相對介電常數(shù)，又稱相對電容率。室溫下的相對介電常數(shù)：水約為80、干土為3～5、空氣為1，水的介電常數(shù)較干土和空氣都大，因此土壤含水量越大其相對介電常數(shù)也越大。土壤介電常數(shù)與含水量是一個非線性函數(shù)，可用臺勞多項式逼近。

(1)

式中：θv為土壤容積含水量。%；εr為土壤相對介電常數(shù)；a0、a1、a2、an為由土壤特性確定的系數(shù)。按照《土壤墑情監(jiān)測范規(guī)》規(guī)定取到多項式的三次方項即可。

頻域反射法(Frequency Domain Reflectometry，簡稱FDR)通過測量土壤介電常數(shù)變化引起的儀器振蕩頻率的變化測量土壤含水量。傳感器主要由一對圓形金屬環(huán)組成一個電容，利用土壤充當電介質(zhì),電容與振蕩器組成一個調(diào)諧電路，傳感器電容量與兩級間被測土壤介質(zhì)的介電常數(shù)成正比關(guān)系。當土壤中的水分增加時，其介電常數(shù)相應(yīng)增大，測量時傳感器給出的電容值也隨之上升，相應(yīng)的傳感器的測量頻率也會發(fā)生變化，由此測得土壤的體積含水量。FDR法采用了相對較低的工作頻率,一般在100～150 MHz，在測量電路上易于實現(xiàn)，造價較低，是目前我國應(yīng)用最為廣泛的一類土壤墑情自動監(jiān)測儀器。

振蕩頻率計算公式為：

(2)

式中：F為振蕩頻率；L為電感；C為電容。電容與介電常數(shù)成正比關(guān)系：

C=kεrε0

(3)

式中：ε0為真空絕對介電常數(shù)，ε0=8.85×e-12F/m；k為系數(shù)。由土壤體積含水量和介電常數(shù)的關(guān)系式(1)及式(2)、式(3)可知，振蕩器頻率與土壤體積含水量成非線性反比關(guān)系。

利用土壤水分傳感器在不同土壤含水量中的歸一化頻率SF變化來測量土壤體積含水量：

(4)

式中：Fa為放置于空氣中所測得的頻率；Fs為土壤中所測得的頻率；Fw為放置于水中所測得的頻率。輸出頻率與體積含水量的關(guān)系如下：

θv=αSFb

(5)

式中：α為由所在地土壤特性確定的常數(shù)，也可采用類似式(1)的多項式逼近式(5)。

式(1)和式(5)中的參數(shù)與土壤特性有關(guān)，均需要針對不同類型的土壤分別率定。

時域反射法(Time Domain Reflectometry，簡稱TDR)是近年來出現(xiàn)的土壤含水量測量儀器，這類儀器制造難度較大，價格也相對高，目前以國外品牌為主。時域反射法，通過測定電磁波在土壤中固定傳輸線路上的傳輸時間確定土壤得介電常數(shù)，其原理依據(jù)：電磁波沿電纜或線路傳播時在阻抗不連續(xù)處會發(fā)生反射，電磁波沿電纜傳播的速度與周圍介質(zhì)相對介電常數(shù)的平方根成反比，即：

(6)

式中：v為電磁波在介質(zhì)中傳播的速度；c為電磁波在真空中傳播的速度。

信號發(fā)生器產(chǎn)生一個具有陡峭上升沿的階躍電壓信號，以電磁波的形式沿同軸電纜和埋入土壤中的探針傳播，由于同軸電纜和探針的阻抗不同，部分電磁波在同軸電纜與探針的連接處(探針首端)發(fā)生反射并沿同軸電纜傳回；剩下的電磁波沿探針繼續(xù)傳播，在探針末端被全部反射并傳回。這兩部分反射信號均被高速采樣示波器記錄下來，根據(jù)示波器捕捉到它們的時間差計算土壤的相對介電常數(shù)：

(7)

式中：t2為探針末端反射的信號被示波器捕捉的時間；t1為探針首端反射的信號被示波器捕捉的時間；l為探針的長度。

可用類似于式(1)的公式將相對介電常數(shù)轉(zhuǎn)換為土壤的體積含水量。

圖1　時域反射法土壤水分

2土壤墑情自動監(jiān)精度的討論

使用任何儀器量測任何物理量，精度都是至關(guān)重要的，只有精度滿足要求的測量數(shù)據(jù)才有意義。開展土壤墑情自動監(jiān)測應(yīng)對其監(jiān)測精度，影響監(jiān)測精度的因素，監(jiān)測精度的改進方法有所認識。

土壤含水量的真實值我們無法得知，能夠得到的均是各種方法的測量值，一般公認人工烘干法的量測值相對準確，因此多用人工烘干法的觀測結(jié)果校對儀器自動監(jiān)測值。人工烘干法測量的是土壤的重量含水量，頻域反射法和時域反射法測量的是土壤的體積含水量，需將體積含水量與重量含水量進行轉(zhuǎn)換才能對比，轉(zhuǎn)換公式為：

θv=γθg

(8)

式中：γ為土壤干容重；θg為土壤重量含水量。

一般采用自動監(jiān)測儀器監(jiān)測值與人工烘干法測量值的絕對誤差衡量儀器的精度，水利部行業(yè)標準《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》中規(guī)定應(yīng)此值應(yīng)<2%,氣象局的相關(guān)標準規(guī)定此值應(yīng)<5%，從面前的實際使用情況看很多廠家的儀器達不到以上標準的要求。

土壤墑情自動監(jiān)測的精度，首先取決于監(jiān)測儀器的性能和質(zhì)量，主要是儀器的穩(wěn)定性和靈敏性。因此在設(shè)備采購時應(yīng)，采取制定相應(yīng)的儀器性能標準，建立市場準入制度等措施嚴格控制質(zhì)量。

頻域反射法和時域反射法土壤含水量監(jiān)測儀，直接量測的是土壤的介電常數(shù)，通過轉(zhuǎn)換公式再得出土壤體積含水量，因此轉(zhuǎn)換公式準確與否也是影響監(jiān)測精度的一個重要因素，轉(zhuǎn)換公式一般由廠家提供。廠家先制作標準土樣，再將土樣制備成已知的含水量，對土樣進行土壤含水量測量，得出一組土壤含水量與儀器測量電信號的對應(yīng)數(shù)據(jù)，最后率定出轉(zhuǎn)換公式。對于標準土樣，有的廠家在監(jiān)測站當?shù)厝⊥林谱?，也有的廠家已建立了各種土壤質(zhì)地的土樣庫，無論采取那種方式其制作的標準土樣均可能與監(jiān)測站的土壤特性有所差異，實驗室環(huán)境下率定出的轉(zhuǎn)換公式與野外環(huán)境下的會有所不同，廠家對標準土樣的制作水平等成為決定轉(zhuǎn)換公式精度的關(guān)鍵因素。

對于轉(zhuǎn)換公式的誤差監(jiān)測部門可通過進行人工比測校準，定期對土壤墑情自動監(jiān)測站進行人工對比觀測，對比人工烘干法的測量值與儀器的自動監(jiān)測值，對儀器自動監(jiān)測值進行系統(tǒng)校正，也可根據(jù)人工烘干法測量值與儀器監(jiān)測的電信號值重新率定轉(zhuǎn)換公式。

固定墑情自動監(jiān)測站埋設(shè)在田間，探頭周圍的土地農(nóng)民不再耕作，其降雨入滲和蒸發(fā)特性會與耕作的土壤有所不同，也會影響監(jiān)測數(shù)據(jù)對附近農(nóng)田的代表性。

3結(jié)語

黑龍江省是糧食生產(chǎn)大省，土地后備資源豐富，人均占有耕地多，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力大，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面有6項全國第一，在全國占有重要特殊位置。受大陸季風氣候影響，我省易發(fā)生春旱夏澇，土壤墑情自動監(jiān)測在指導我省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，抗旱增收，調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)方面具有重要作用。目前我省土壤墑情自動監(jiān)測剛剛起步，還需我們在今后的工作中認真總結(jié)檢驗，不斷探索改進。

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文章編號：1007-7596(2016)04-0086-03

[收稿日期]2016-03-28

[作者簡介]劉漢臣(1960-)，男，遼寧法庫人，高級工程師，曾獲黑龍江省科技進步三等獎1項。

中圖分類號：S152.7

文獻標識碼：B