土壤水分記錄儀測(cè)量技術(shù)

  我國(guó)土壤干旱背景

    我國(guó)地域廣大，南方天氣潮濕，但是北方干燥，在北方多地我國(guó)受旱面積較大，多年來的干旱給我過經(jīng)濟(jì)帶來了巨大的損失，南水北調(diào)工程工程浩大，加上落實(shí)實(shí)地還需長(zhǎng)久的時(shí)間，如何利用先進(jìn)的儀器設(shè)備加強(qiáng)土壤墑情及時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)具有十分重要的意義。為此，本文講解土壤水分記錄儀及土壤水分測(cè)定儀的介紹，這些儀器能夠迅速準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)突然那個(gè)水分狀況，并且可以集合氣象、環(huán)境等因素分析（通過溫濕度記錄儀、溫度記錄儀、溫濕光三參數(shù)記錄儀、照度記錄儀等環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器測(cè)量環(huán)境參數(shù)得到），可以為旱情測(cè)報(bào)及抗旱救災(zāi)工作提供科學(xué)依據(jù)。

 土壤水分測(cè)量技術(shù)

    土壤水分含測(cè)量方法在國(guó)內(nèi)外比較普遍用的較多的是：時(shí)域反射法（TDR）與實(shí)域傳播法（TDT）。這兩種方法可以快速實(shí)時(shí)測(cè)量土壤水分狀況，與其他土壤水分含量測(cè)量方法相比，在測(cè)量的實(shí)時(shí)性和精度都有優(yōu)勢(shì)，使用操作更加靈活，還可以適用于不同類型的土壤環(huán)境。

TDR土壤水分測(cè)量技術(shù)原理

    TDR全稱時(shí)域反射法(Time Domain Reflectometry)，是根據(jù)電磁波在介質(zhì)中的傳播速度來測(cè)定介質(zhì)的介電常數(shù)從而確定土壤容積含水量及含鹽量的方法. 電磁脈沖沿著波導(dǎo)棒的傳播速度取決于與波導(dǎo)棒相接觸和包圍著波導(dǎo)棒材料的介電常數(shù)（Ka）。電磁脈沖在土壤中傳播時(shí)，其介電常數(shù)與土壤容積含水量有很好的相關(guān)性，與土壤類型、密度等幾乎無關(guān)。一般來說，土壤成分包括空氣、礦物質(zhì)和有機(jī)顆粒以及土壤水分等。 由于水的介電常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣和土壤基質(zhì)中其它物質(zhì)的介電常數(shù),因此土壤的介電常數(shù)主要依賴于土壤的含水量。

空氣－土壤－水分混合物的較粗略的介電常數(shù)（Ka）可以通過公式來確定：

Ka=(t×c/L)2

“L”是波導(dǎo)的長(zhǎng)度

“t”為電磁脈沖從波導(dǎo)的始端到波導(dǎo)的末端所需的時(shí)間

“c”是真空中電磁波的傳播速度

電磁脈沖沿著波導(dǎo)棒傳播就像一束光在傳輸線中傳輸。傳輸線的中斷和周邊物質(zhì)的不連續(xù)會(huì)使傳輸中的部分能量通過傳輸線反射回來。當(dāng)電磁脈沖到達(dá)波導(dǎo)棒傳輸線的終端時(shí)，脈沖的剩余能量都將通過傳輸線反射回來。(圖1所示）這就像一束光沿著一條管傳播，在管的終端被鏡子反射回來。利用電磁脈沖的這些特征，我們可以利用精密的電子設(shè)備,測(cè)量電磁脈沖沿著傳輸線（波導(dǎo)）所需要的時(shí)間?？疾烀}沖輸入到反射返回的時(shí)間以及反射時(shí)的脈沖幅度的衰減，即可計(jì)算土壤水鹽含量。

2.TDT土壤水分測(cè)量技術(shù)

TDT全稱時(shí)域傳播法（Time Domain Transmissometry），其基本原理與TDR相同， 不同的是TDT脈沖是在單根導(dǎo)播棒中傳播，其信號(hào)的接受端在遠(yuǎn)離發(fā)射端的導(dǎo)播棒的終端。而TDR脈沖信號(hào)的發(fā)射端和接收端均是同一端。與TDR相比，TDT水分測(cè)量?jī)x具有以下優(yōu)勢(shì)：

低頻率，耗電小；

線路簡(jiǎn)單；

輸出不需要波形顯示和解釋；

價(jià)格相對(duì)便宜等優(yōu)勢(shì)。

TDR與TDT水分測(cè)量相比：

TDR系統(tǒng)可以直接、快速、方便、實(shí)地監(jiān)測(cè)土壤水鹽狀況，與其它測(cè)定方法相比，TDR具有較強(qiáng)的獨(dú)立

性，測(cè)定結(jié)果幾乎與土壤類型、密度、溫度等無關(guān)。 將TDR技術(shù)應(yīng)用于結(jié)冰條件下土壤水分狀況的測(cè)定，

可得到滿意的結(jié)果，而其它測(cè)定方法則是比較困難的。 TDR另一個(gè)特點(diǎn)是可同時(shí)監(jiān)測(cè)土壤水鹽含量，在同

一地點(diǎn)同時(shí)測(cè)定，測(cè)定結(jié)果具有一致性，而二者測(cè)定是完全獨(dú)立的，互不影響。

利用TDR技術(shù)實(shí)現(xiàn)的ZTS-2X土壤水分記錄儀技術(shù)參數(shù):

土壤水分記錄儀功能特點(diǎn)：

*小巧美觀便于攜帶，輕觸式按鍵，大屏幕點(diǎn)陣式液晶顯示，全中文菜單操作。

*一鍵式切換，可以手動(dòng)記錄也可脫離電腦隨時(shí)設(shè)置采樣間隔，自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)。

*實(shí)時(shí)顯示功能，將儀器與電腦連接，電腦端實(shí)時(shí)顯示采集數(shù)據(jù)。

*交直流兩用，即可拿到野外隨時(shí)測(cè)量采集數(shù)據(jù)，也可長(zhǎng)時(shí)間放置記錄地點(diǎn)。

*數(shù)據(jù)保存功能強(qiáng)大，大可儲(chǔ)存5000條數(shù)據(jù)，即可在主機(jī)上查看數(shù)據(jù)，也可導(dǎo)入計(jì)算機(jī)。

*意外斷電后已保存在主機(jī)里的數(shù)據(jù)不丟失。

*探頭具有一致性，不同氣象參數(shù)的傳感器接口可以互換，不影響精度。

*將傳感器插入主機(jī)后無需設(shè)置，自動(dòng)搜索到多種不同類別的傳感器（類似于U盤和電腦相聯(lián)接）。

*省電功能，如果超過3分鐘不操作儀器，將自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。在待機(jī)時(shí)，儀器會(huì)按設(shè)置的時(shí)間自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)。

土壤濕度記錄儀上位機(jī)軟件功能：

1. 數(shù)據(jù)通訊。正確連接通訊線，按“顯示”鍵顯示記錄，然后按“保存”鍵自動(dòng)發(fā)送記錄。

數(shù)據(jù)格式：

RecN  Water    T     ET   Emois  Dew   DATE     TIME  

0001  93.2%  017.9  018.8   54.7%  09.4  08-03-12   10:44:00

RecN:記錄號(hào)，Water:土壤水分，T：土壤溫度，ET:環(huán)境溫度，Emois:環(huán)境濕度，Dew:露點(diǎn)溫度，DATE：日期，TIME:時(shí)間

2、數(shù)據(jù)處理。

將上傳的數(shù)據(jù)保存成txt文本文檔。然后運(yùn)行EXCEL軟件，打開數(shù)據(jù)文件，進(jìn)行相應(yīng)的格式轉(zhuǎn)換后成為EXCEL文件，應(yīng)用EXCEL功能繪制圖表、曲線等處理。也可用其它專用軟件處理。

技術(shù)參數(shù)：

1） 土壤水分

測(cè)量參數(shù)：土壤容積含水量；

單位：%（m3/m3）

量程：0-99.9%

分辨率：0.1%

精度：±2%，在0～50%范圍 

響應(yīng)時(shí)間：1秒

2） 土壤溫度

量程：-55-99.9℃

分辨率：0.1℃

精度：±0.5℃（-10℃-+85℃范圍）

6） 日期時(shí)間：顯示年月日時(shí)分秒

7） 記錄時(shí)間間隔：1-250分鐘可設(shè)

8） 記錄容量：5000條

9） 電源：4節(jié)5號(hào)堿性電池

10） 功耗：<50mA（開機(jī)），<5μA（待機(jī)）

待機(jī)時(shí)間：>1000小時(shí)

通訊：RS-232C接口

土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的實(shí)際應(yīng)用

根據(jù)獲取的土壤水分含量數(shù)據(jù)，可以繪制土壤水分利用曲線，通過該曲線，可以了解到水分利用程度以及什么時(shí)候開始灌溉適宜。結(jié)合智拓儀器提供的相應(yīng)氣象傳感器，可繪制出每日水分含量及騰發(fā)量動(dòng)態(tài)曲線。

計(jì)算所需要的灌溉量：

灌溉量=（田間持水量-當(dāng)前平均含水量）×所需灌溉深度

此外，還可以從圖表上直觀獲取田間持水量、壓力點(diǎn)及所需灌水量。利用數(shù)據(jù)結(jié)合無線電系統(tǒng)裝置，可以實(shí)現(xiàn)灌溉管理。