土壤水分記錄儀測量技術

  我國土壤干旱背景

    我國地域廣大，南方天氣潮濕，但是北方干燥，在北方多地我國受旱面積較大，多年來的干旱給我過經濟帶來了巨大的損失，南水北調工程工程浩大，加上落實實地還需長久的時間，如何利用先進的儀器設備加強土壤墑情及時準確的監測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定儀的介紹，這些儀器能夠迅速準確監測突然那個水分狀況，并且可以集合氣象、環境等因素分析（通過溫濕度記錄儀、溫度記錄儀、溫濕光三參數記錄儀、照度記錄儀等環境監測儀器測量環境參數得到），可以為旱情測報及抗旱救災工作提供科學依據。

 土壤水分測量技術

    土壤水分含測量方法在國內外比較普遍用的較多的是：時域反射法（TDR）與實域傳播法（TDT）。這兩種方法可以快速實時測量土壤水分狀況，與其他土壤水分含量測量方法相比，在測量的實時性和精度都有優勢，使用操作更加靈活，還可以適用于不同類型的土壤環境。

TDR土壤水分測量技術原理

    TDR全稱時域反射法(Time Domain Reflectometry)，是根據電磁波在介質中的傳播速度來測定介質的介電常數從而確定土壤容積含水量及含鹽量的方法. 電磁脈沖沿著波導棒的傳播速度取決于與波導棒相接觸和包圍著波導棒材料的介電常數（Ka）。電磁脈沖在土壤中傳播時，其介電常數與土壤容積含水量有很好的相關性，與土壤類型、密度等幾乎無關。一般來說，土壤成分包括空氣、礦物質和有機顆粒以及土壤水分等。 由于水的介電常數遠遠大于空氣和土壤基質中其它物質的介電常數,因此土壤的介電常數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（Ka）可以通過公式來確定：

Ka=(t×c/L)2

“L”是波導的長度

“t”為電磁脈沖從波導的始端到波導的末端所需的時間

“c”是真空中電磁波的傳播速度

電磁脈沖沿著波導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的不連續會使傳輸中的部分能量通過傳輸線反射回來。當電磁脈沖到達波導棒傳輸線的終端時，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備,測量電磁脈沖沿著傳輸線（波導）所需要的時間。考察脈沖輸入到反射返回的時間以及反射時的脈沖幅度的衰減，即可計算土壤水鹽含量。

2.TDT土壤水分測量技術

TDT全稱時域傳播法（Time Domain Transmissometry），其基本原理與TDR相同， 不同的是TDT脈沖是在單根導播棒中傳播，其信號的接受端在遠離發射端的導播棒的終端。而TDR脈沖信號的發射端和接收端均是同一端。與TDR相比，TDT水分測量儀具有以下優勢：

低頻率，耗電小；

線路簡單；

輸出不需要波形顯示和解釋；

價格相對便宜等優勢。

TDR與TDT水分測量相比：

TDR系統可以直接、快速、方便、實地監測土壤水鹽狀況，與其它測定方法相比，TDR具有較強的獨立

性，測定結果幾乎與土壤類型、密度、溫度等無關。 將TDR技術應用于結冰條件下土壤水分狀況的測定，

可得到滿意的結果，而其它測定方法則是比較困難的。 TDR另一個特點是可同時監測土壤水鹽含量，在同

一地點同時測定，測定結果具有一致性，而二者測定是*獨立的，互不影響。

利用TDR技術實現的ZTS-2X土壤水分記錄儀技術參數:

土壤水分記錄儀功能特點：

*小巧美觀便于攜帶，輕觸式按鍵，大屏幕點陣式液晶顯示，全中文菜單操作。

*一鍵式切換，可以手動記錄也可脫離電腦隨時設置采樣間隔，自動記錄數據并存儲。

*實時顯示功能，將儀器與電腦連接，電腦端實時顯示采集數據。

*交直流兩用，即可拿到野外隨時測量采集數據，也可長時間放置記錄地點。

*數據保存功能強大，大可儲存5000條數據，即可在主機上查看數據，也可導入計算機。

*意外斷電后已保存在主機里的數據不丟失。

*探頭具有一致性，不同氣象參數的傳感器接口可以互換，不影響精度。

*將傳感器插入主機后無需設置，自動搜索到多種不同類別的傳感器（類似于U盤和電腦相聯接）。

*省電功能，如果超過3分鐘不操作儀器，將自動進入待機狀態。在待機時，儀器會按設置的時間自動記錄數據。

土壤濕度記錄儀上位機軟件功能：

1. 數據通訊。正確連接通訊線，按“顯示”鍵顯示記錄，然后按“保存”鍵自動發送記錄。

數據格式：

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，Water:土壤水分，T：土壤溫度，ET:環境溫度，Emois:環境濕度，Dew:露點溫度，DATE：日期，TIME:時間

2、數據處理。

將上傳的數據保存成txt文本文檔。然后運行EXCEL軟件，打開數據文件，進行相應的格式轉換后成為EXCEL文件，應用EXCEL功能繪制圖表、曲線等處理。也可用其它軟件處理。

技術參數：

1） 土壤水分

測量參數：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 

響應時間：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） 日期時間：顯示年月日時分秒

7） 記錄時間間隔：1-250分鐘可設

8） 記錄容量：5000條

9） 電源：4節5號堿性電池

10） 功耗：<50mA（開機），<5μA（待機）

待機時間：>1000小時

通訊：RS-232C接口

土壤水分數據的實際應用

根據獲取的土壤水分含量數據，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候開始灌溉適宜。結合智拓儀器提供的相應氣象傳感器，可繪制出每日水分含量及騰發量動態曲線。

計算所需要的灌溉量：

灌溉量=（田間持水量-當前平均含水量）×所需灌溉深度

此外，還可以從圖表上直觀獲取田間持水量、壓力點及所需灌水量。利用數據結合無線電系統裝置，可以實現灌溉管理。