土壤墒情自动监测研究

刘汉臣

(黑龙江省齐齐哈尔水文局，黑龙江 齐齐哈尔 161005)



土壤墒情自动监测研究

刘汉臣

(黑龙江省齐齐哈尔水文局，黑龙江 齐齐哈尔 161005)

摘要：土壤墒情自动监测仪器主要有：张力计法、中子水分仪、频域反射法和时域发射法，目前国内外常用的土壤墒情自动监测设备主要是时域反射法和频域反射法仪器。时域反射法和频域反射法均是基于介电法原理，通过测量土壤介电常数的变化，间接测定土壤含水量。

关键词：土壤；墒情；自动监测；仪器；原理

0引言

中国是一个水旱灾害频发的国家，干旱灾害是影响我国经济、社会发展的主要自然灾害之一。土壤含水量是影响农作物生长的关键要素，是反映干旱程度的重要指标，干旱通过土壤含水量锐减对农业生产造成损失。因土壤含水量是重要的旱情信息，其监测对抗旱工作意义重大。土壤水分是影响径流形成的重要因素，通过长期的土壤含水量的监测积累资料，对水文学基础研究也是十分有益的。土壤含水量的监测起因于农业抗旱的需要，因此长期以来被称为土壤墒情监测。

土壤墒情监测过去主要通过人工观测。人工观测采用烘干法测定土壤含水量，人工野外采集土样，在实验室对土样秤重，烘干土样再秤重，通过比较原始土样和烘干后土样的重量差别计算出土壤的重量含水量。

烘干法虽能得到精确观测结果，但比较费工耗时，信息的时效性较差。随着近年来我国大面积旱灾的频繁发生，在一些易旱地区逐步建设了土壤墒情自动监测站，实现了土壤墒情信息的自动采集、自动传输，提高了土壤墒情监测信息的实时性。土壤墒情自动监测对水文部门是一个新生事务，充分认识土壤墒情自动监测仪器的工作原理和性能对做好土壤墒情监测工作是十分必要的。

1土壤墒情自动监测仪器的原理

土壤墒情自动监测仪器主要有：张力计法、中子水分仪、频域反射法和时域发射法，目前国内外常用的土壤墒情自动监测设备主要是时域反射法和频域反射法仪器。时域反射法和频域反射法均是基于介电法原理，通过测量土壤介电常数的变化，间接测定土壤含水量。

介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，最终介质中电场与原外加电场(真空中电场)的比值即称为相对介电常数，又称相对电容率。室温下的相对介电常数：水约为80、干土为3～5、空气为1，水的介电常数较干土和空气都大，因此土壤含水量越大其相对介电常数也越大。土壤介电常数与含水量是一个非线性函数，可用台劳多项式逼近。

(1)

式中：θv为土壤容积含水量。%；εr为土壤相对介电常数；a0、a1、a2、an为由土壤特性确定的系数。按照《土壤墒情监测范规》规定取到多项式的三次方项即可。

频域反射法(Frequency Domain Reflectometry，简称FDR)通过测量土壤介电常数变化引起的仪器振荡频率的变化测量土壤含水量。传感器主要由一对圆形金属环组成一个电容，利用土壤充当电介质,电容与振荡器组成一个调谐电路，传感器电容量与两级间被测土壤介质的介电常数成正比关系。当土壤中的水分增加时，其介电常数相应增大，测量时传感器给出的电容值也随之上升，相应的传感器的测量频率也会发生变化，由此测得土壤的体积含水量。FDR法采用了相对较低的工作频率,一般在100～150 MHz，在测量电路上易于实现，造价较低，是目前我国应用最为广泛的一类土壤墒情自动监测仪器。

振荡频率计算公式为：

(2)

式中：F为振荡频率；L为电感；C为电容。电容与介电常数成正比关系：

C=kεrε0

(3)

式中：ε0为真空绝对介电常数，ε0=8.85×e-12F/m；k为系数。由土壤体积含水量和介电常数的关系式(1)及式(2)、式(3)可知，振荡器频率与土壤体积含水量成非线性反比关系。

利用土壤水分传感器在不同土壤含水量中的归一化频率SF变化来测量土壤体积含水量：

(4)

式中：Fa为放置于空气中所测得的频率；Fs为土壤中所测得的频率；Fw为放置于水中所测得的频率。输出频率与体积含水量的关系如下：

θv=αSFb

(5)

式中：α为由所在地土壤特性确定的常数，也可采用类似式(1)的多项式逼近式(5)。

式(1)和式(5)中的参数与土壤特性有关，均需要针对不同类型的土壤分别率定。

时域反射法(Time Domain Reflectometry，简称TDR)是近年来出现的土壤含水量测量仪器，这类仪器制造难度较大，价格也相对高，目前以国外品牌为主。时域反射法，通过测定电磁波在土壤中固定传输线路上的传输时间确定土壤得介电常数，其原理依据：电磁波沿电缆或线路传播时在阻抗不连续处会发生反射，电磁波沿电缆传播的速度与周围介质相对介电常数的平方根成反比，即：

(6)

式中：v为电磁波在介质中传播的速度；c为电磁波在真空中传播的速度。

信号发生器产生一个具有陡峭上升沿的阶跃电压信号，以电磁波的形式沿同轴电缆和埋入土壤中的探针传播，由于同轴电缆和探针的阻抗不同，部分电磁波在同轴电缆与探针的连接处(探针首端)发生反射并沿同轴电缆传回；剩下的电磁波沿探针继续传播，在探针末端被全部反射并传回。这两部分反射信号均被高速采样示波器记录下来，根据示波器捕捉到它们的时间差计算土壤的相对介电常数：

(7)

式中：t2为探针末端反射的信号被示波器捕捉的时间；t1为探针首端反射的信号被示波器捕捉的时间；l为探针的长度。

可用类似于式(1)的公式将相对介电常数转换为土壤的体积含水量。

图1　时域反射法土壤水分

2土壤墒情自动监精度的讨论

使用任何仪器量测任何物理量，精度都是至关重要的，只有精度满足要求的测量数据才有意义。开展土壤墒情自动监测应对其监测精度，影响监测精度的因素，监测精度的改进方法有所认识。

土壤含水量的真实值我们无法得知，能够得到的均是各种方法的测量值，一般公认人工烘干法的量测值相对准确，因此多用人工烘干法的观测结果校对仪器自动监测值。人工烘干法测量的是土壤的重量含水量，频域反射法和时域反射法测量的是土壤的体积含水量，需将体积含水量与重量含水量进行转换才能对比，转换公式为：

θv=γθg

(8)

式中：γ为土壤干容重；θg为土壤重量含水量。

一般采用自动监测仪器监测值与人工烘干法测量值的绝对误差衡量仪器的精度，水利部行业标准《土壤墒情监测规范》中规定应此值应<2%,气象局的相关标准规定此值应<5%，从面前的实际使用情况看很多厂家的仪器达不到以上标准的要求。

土壤墒情自动监测的精度，首先取决于监测仪器的性能和质量，主要是仪器的稳定性和灵敏性。因此在设备采购时应，采取制定相应的仪器性能标准，建立市场准入制度等措施严格控制质量。

频域反射法和时域反射法土壤含水量监测仪，直接量测的是土壤的介电常数，通过转换公式再得出土壤体积含水量，因此转换公式准确与否也是影响监测精度的一个重要因素，转换公式一般由厂家提供。厂家先制作标准土样，再将土样制备成已知的含水量，对土样进行土壤含水量测量，得出一组土壤含水量与仪器测量电信号的对应数据，最后率定出转换公式。对于标准土样，有的厂家在监测站当地取土制作，也有的厂家已建立了各种土壤质地的土样库，无论采取那种方式其制作的标准土样均可能与监测站的土壤特性有所差异，实验室环境下率定出的转换公式与野外环境下的会有所不同，厂家对标准土样的制作水平等成为决定转换公式精度的关键因素。

对于转换公式的误差监测部门可通过进行人工比测校准，定期对土壤墒情自动监测站进行人工对比观测，对比人工烘干法的测量值与仪器的自动监测值，对仪器自动监测值进行系统校正，也可根据人工烘干法测量值与仪器监测的电信号值重新率定转换公式。

固定墒情自动监测站埋设在田间，探头周围的土地农民不再耕作，其降雨入渗和蒸发特性会与耕作的土壤有所不同，也会影响监测数据对附近农田的代表性。

3结语

黑龙江省是粮食生产大省，土地后备资源丰富，人均占有耕地多，农业生产潜力大，在农业生产方面有6项全国第一，在全国占有重要特殊位置。受大陆季风气候影响，我省易发生春旱夏涝，土壤墒情自动监测在指导我省农业生产，抗旱增收，调整种植结构，发展现代农业方面具有重要作用。目前我省土壤墒情自动监测刚刚起步，还需我们在今后的工作中认真总结检验，不断探索改进。

参考文献：

[1]时新玲，王国栋.土壤含水量测定方法研究进展[J].中国农村水利水电，2003，(10)：84-96.(Shi Xinling，Wang Guodong.Research advances in Measuring Method of soil water content[J].China rural water and hydropower，2003(10)：84-96.

[2]陈家宙，陈明亮，何圆球.各具特色的当代土壤水分测量技术[J].湖北农业科学，2001，22(3)：25-28.(Chen Jiazhou，Chen Mingliang，He Yuanqiu.Variety in contemporary.

[3]Jones，S.B.，Wraith，J.M.，Or，D..Time domain reflectometry measurement principle and application{J}.Hydrological Processes，2002，16(1):141-153.

[4]中华人民共和国水利部SL364—2006.土壤墒情监测规范[S].北京：中国水利电力出版社，2007.

文章编号：1007-7596(2016)04-0086-03

[收稿日期]2016-03-28

[作者简介]刘汉臣(1960-)，男，辽宁法库人，高级工程师，曾获黑龙江省科技进步三等奖1项。

中图分类号：S152.7

文献标识码：B