介电类墒情监测仪器在冻土中数据特点分析

杨威

（辽宁省水文局，辽宁 沈阳 110003）

辽宁省水文局墒情自动监测仪器为基于频域反射法[1]（FDR）的管式传感器，管式传感器抗冻能力优于针式传感器，在冬季冻土中可以正常输出含水量数据，但与人工墒情监测数据相比差异较大。因此，有必要对冻土中墒情自动监测数据特点进行分析研究，判别可用性。

1 辽宁省冻土深度特点

辽宁省地处我国东北地区，四季分明，冬季漫长寒冷，日平均气温在0℃以下，河流、土壤封冻。冻土是指含有水分的土壤因温度降到0℃或以下而成冻结的状态，冻土深度观测以厘米（cm）为单位，辽宁省气象台2010年2月10日发布的冻土深度数据。从表1可以看出，辽宁省除了旅顺和金州外，其他地区最大冻土深度均大于50 cm。

2 介电类墒情监测仪器在冻土中数据特点

墒情自动监测站为基本墒情站，采用三点法进行监测[2]，监测深度为10，20，40 cm，管式传感器按照监测深度由三对电容（平行排列圆形金属环）组成电容电极，其间的土壤充当电介质，观测分辨率最小间隔为10 cm，见图1。

土壤封冻过程从地表开始向深层发展，土壤中的水分逐渐冻结成冰晶，对传感器而言可视为变成沙粒，根据传感器工作原理，相当于水分减少，电容值降低，监测数据会远小于真实的土壤含水量，此时数据不可用。根据传感器电容电极观测分辨率可知，电容电极影响范围为周边5 cm，即冻土层面与电容电极距离不小5 cm，才能不影响数据准确性。

表1 辽宁省2010年2月10日冻土深度观测结果

图1 导管式传感器和冻土层状态示意图

当冻土深度为不小于5 cm时，3个电容电极均在非冻土层，数据可用，见图1封冻过程①；当冻土深度为5～15 cm时，10 cm位置电容电极在冻土层，数据不可用，20，40 cm位置电容电极在非冻土层，数据可用，见封冻过程②；当冻土深度15～35 cm时，10，20 cm位置电容电极在冻土层，数据不可用，40 cm位置的电容电极在非冻土层，数据可用，见封冻过程③；当冻土层从35 cm开始直到最大冻土深度时，3个电容电极均在冻土层，数据不可用，见封冻过程④。

土壤解冻过程从地表开始向深层发展，冻土中的冰晶逐渐融化为水分，根据传感器工作原理，电容值升高含水量变大。

当融化深度分别达到15，25，45 cm时，10，20，40 cm位置电容电极所在的土壤依次达到解冻状态，但此时土壤深层还属于冻结状态，相当于隔水层，整个冬季地表积累的雨雪融化后不能顺利下渗，土壤孔隙结构受冻融影响不是自然状态，监测的含水量数据整体偏大且不准确，见图1解冻过程⑤⑥⑦；当冻土层彻底融化后，土壤中各层水分自然下渗，土壤孔隙结构恢复自然状态，含水量数据方可用，见解冻过程⑧。

3 冻土中介电类墒情监测仪器与人工观测数据分析

辽宁省人工墒情监测站一般从3月21日开始观测，此时处于封冻期，取样困难，土壤内冰晶较多，取样到室内融化后呈稀泥状，烘干后测得含水量较大，可达到田间持水量甚至饱和含水量。此期间墒情自动监测仪器在冻土内，土壤水分呈冰晶状类似于沙子，测得的含水量数据与人工相比严重偏小，一般到5月中下旬，冻土层彻底化开后，人工墒情与自动墒情数据才基本趋于一致，见图2本溪四道河子站人工墒情与遥测墒情数据过程线图。

图2 本溪四道河子站人工墒情与遥测墒情数据过程线图

4 结论

根据辽宁省冻土深度数据可知，冬季最大冻土深度均超过墒情传感器最大监测深度，在冬季来临的封冻阶段，处于未冻土层位置的电容电极，其监测数据不受影响，处于已冻土层位置的电容电极，其监测数据明显小于人工数据；在冬季结束的解冻阶段，各深度位置的电容电极监测数据明显增大，与人工数据基本一致，但在冻土层未彻底化开前，数据略偏大，当冻土层彻底化开后，数据才能恢复正常。

对于在非封冻期，墒情自动监测数据与人工墒情数据相比偏差较大时，除了通过野外率定方式对监测仪器公式进行校准外，还要对监测站进行细致有效的管理[3]，使地表环境与大田环境尽量趋于一致，才能提高墒情自动监测数据的精度。