CN102565304B - 一种土壤剖面水分动态原位监测系统与测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种土壤剖面水分动态原位监测系统与测量方法，其特点是利用供气源向埋设于土壤内设置有通气孔的探管提供一定压力和流量的稳定气流，利用流量计和气压计分别测量经探管通气孔渗透出的稳定气体流量和测管内的稳定压力，据此计算出对应的导气特征参数，建立导气特征参数与土壤水分之间的定量关系，得到基于稳态土壤导气特征参数的土壤剖面水分测算模型，从而监测待测剖面土体的水分含量动态变化；本发明不仅在技术上能够实现，而且设备价格大大降低，操作简单，易于推广使用。
Description
技术领域：
本发明涉及土壤水分参数测量技术领域，具体地讲是一种土壤剖面水分动态原位监测系统与测量方法。
背景技术：
土壤水是水资源的重要组成部分，是水文、农业和气象及地-气能量交换等研究中的重要参数。土壤含水量作为土壤的一个重要物理参数,是水循环、植物生长、土壤承载能力等科学研究中不可缺少的基本资料。对土壤水分状况的监测工作,已被农业、林业、水利等多学科的研究者所重视。目前,测量土壤水分的方法有烘干称重法、张力计法、电阻法、中子仪法及时域反射仪法（TDR）等。
烘干称重法是测量土壤水分最经典、准确的方法,该方法可直接测定土壤重量含水率,但一般均为人工操作,费时费力,且扰动测定点的土壤,不利于原位连续测定,取样过程会造成蒸发误差。张力仪法只能测定土壤的基质势,根据已知土壤水分特征曲线,才能求得土壤含水量,且只能测定0～85kPa土壤吸力。石膏电阻块法测定结果常受土壤类型、土壤溶液浓度变化的影响，在土壤较干时，反映不灵敏。中子仪法是利用中子热化原理,快中子源发出的中子在遇到氢原子后,失去部分动能转化成慢中子,根据测出的慢中子数量自动计算出土壤含水量，与传统的烘干法相比，中子仪法测定土壤含水量不仅省时、省力、不破坏观测场地，而且可以定点连续观测，非常适于对土壤水分变化作连续的动态监测，是目前常用的测定田间土壤水分的方法，也是国内外灌溉实验规范中推荐的方法。但中子仪法在测量土壤表层含水量时，特别是在测量低含水量时，由于中子容易散溢于大气，结果不够准确，且有辐射伤人的问题。时域反射仪法（TDR）是新近发展起来的测定土壤含水量的方法，因其快速、准确、操作简便，并可实现定点自动监测土壤水分动态变化等特点，被誉为测定土壤水分的最先进的方法。其缺点是TDR仪器价格昂贵售价较高，只适用于国内少数的高等学校和科研院所开展科学研究，而很难大量在农田土壤墒情监测及其他有关生产实践中应用。
发明内容：
本发明的目的是克服已有技术的不足，而一种土壤剖面水分动态原位监测系统。
本发明的另一目的是提供一种土壤剖面水分动态原位测量方法。
本发明主要解决现有的测量土壤水分的方法不能进行土壤剖面水分原位动态监测及成本较高限制其大范围应用等问题。
为了达到上述目的，本发明是这样实现的：一种土壤剖面水分动态原位监测系统，其特殊之处在于，包括：
供气源，用来提供稳定气流；
探管，下端封闭，上端开口并用橡皮塞密封，主体埋设于土壤内，在土壤以上保留10-15cm，边壁设置有均匀分布的通气孔，探管与供气源经通气软管相连接，接受来自于供气源的气流经通气孔渗透到周围土壤中，用于土壤导气特性参数的测量；
气流流量计，与所述的供气源相连，用来测量通过气体的流量；
气压测量计，与所述探管通过通气软管连接，用来测量探管内气体的压力。
进一步的，所述供气源为带有储气罐压力可调的压缩机，或其它能提供稳定压力和流量气流的供气设备。
进一步的，所述探管的开孔率介于5%～25%，外表包覆高分子疏水性导气膜，探管上端的橡皮塞与三通相连通，并通过三通的两个支路经通气软管分别与气流流量计和气压测量计相连接，探管材质为硬质塑料或其他硬质材料，管径介于3～10cm。
进一步的，所述气流流量计与探管和供气源之间，三者通过通气软管相串联。
采用本发明的监测系统进行土壤剖面水分动态原位测量方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
（1）将探管埋设于土壤中，探管在土壤以上保留10-15cm，探管与土壤接触紧密无缝隙；
（2）测量探管所在区域土壤的平均含水率；
（3）利用供气源给探管通气，测量不同稳定供气压力△P下经通气孔向外渗透的稳定气流流量 ，据此计算比值作为导气特征参数；
（4）在多种水分条件下重复步骤（2）（3），得到导气特征参数与土壤含水率θ的定量关系：θ=f()；
（5）利用θ=f()，通过对导气特征参数的观测来实现原位定量计算土壤剖面内含水量的动态变化。
进一步的，所述导气特征参数与土壤含水率θ的定量关系θ=f()，一般为指数函数或者幂函数形式,其中a、b、c、d为与土壤因素、探管规格、开孔状况等因素有关的常数，e为自然对数的底数。
本发明所述的一种土壤剖面水分动态原位监测系统与测量方法与已有技术相比具有突出的实质性特点和显著进步：本发明根据土壤空气传导理论，考虑到在边界条件一定下，土壤水分是影响土壤导气特性的主导性因素，通过建立导气特征参数与土壤含水率θ的定量关系，通过土壤导气特征参数的测量达到观测土壤剖面水分的目的，不仅在技术上能够实现，而且设备价格大大降低，操作简单，易于推广使用。
附图说明：
图１是本发明的结构连接示意图。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例１，参见图１，采用带有储气罐的空气压缩机做为供气源1，用来提供压力和流量的气流，将气流流量计3与供气源1相连，用来测量通过气体的流量；再将探管2主体埋设于土壤内，并在土壤以上保留10-15cm，探管2材质为硬质塑料或其他硬质材料，边壁开设有通气孔7，开孔率介于5%～25%，管径为3-10cm，长度根据实际所需测量范围来确定，探管2下端封闭，上端开口并用橡皮塞6密封，橡皮塞6与三通5相连通，三通5的两个支路经通气软管4分别与气流流量计3和气压测量计8相连接，探管2与气流流量计3和供气源1三者之间通过通气软管4相通密封串联，探管2接受来自于供气源1的气流经通气孔7渗透到周围土壤中，用于土壤导气特性的测量；气压测量计8用来测量气体的压力，形成本发明的土壤剖面水分动态原位监测系统。
实施例2，与实施例1的不同点，探管2的外表包覆高分子疏水性导气膜9。
实施例3，采用实施例１或2的监测系统，实现土壤剖面水分动态原位测量方法，其步骤为：
（1）根据测量或研究目的，选择一被测土壤，将一定长度和规格的探管埋设于土壤当中，探管在土壤以上保留10-15cm，且保证探管与土壤接触紧密无缝隙；
（2）利用烘干称重或者其他土壤水分测量手段，测量探管所在区域土壤的平均含水率；
（3）再利用供气源给探管通气，测量不同稳定供气压力△P下经通气孔向外渗透的稳定气流流量，据此计算比值作为导气特征参数；
（4）在多种水分条件下重复步骤（2）（3），得到导气特征参数与土壤含水率θ的定量关系：θ=f()，具体对应关系由具体的土壤质地、结构、探管的规格以及通气孔规格、数量和分布状况决定，在同一农田小区域内考虑到土壤质地、结构变化不是很大，在探管的规格以及通气孔规格、数量和分布状况确定的条件下，该定量关系具有一定的普适性，可以对任意位置处土壤剖面水分的动态进行监测；导气特征参数与土壤含水率θ的定量关系θ=f()，一般为指数函数或者幂函数形式,其中a、b、c、d为与土壤因素、探管规格、开孔状况等因素有关的常数，e为自然对数的底数；
（5）利用θ=f()，可以通过对导气特征参数的观测来实现原位定量计算土壤剖面内含水量的动态变化。
本发明主要是利用供气源给探管通气，测量不同稳定供气压力△P下经通气孔向外渗透的稳定气流流量，据此计算比值作为导气特征参数，利用获得的导气特征参数与土壤水分的定量关系计算出土壤剖面的含水率。
上述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的情况下，还可做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种土壤剖面水分动态原位的测量方法，采用的测量系统，包括：供气源（1），用来提供稳定气流；探管（2），下端封闭，上端开口并用橡皮塞（6）密封，主体埋设于土壤内，在土壤以上保留10-15cm，边壁设置有均匀分布的通气孔（7），探管（2）与供气源（1）经通气软管（4）相连接，接受来自于供气源（1）的气流经通气孔(7)渗透到周围土壤中，用于土壤导气特性参数的测量；气流流量计（3），与所述的供气源（1）相连，用来测量通过气体的流量；气压测量计（8），与所述探管（2）通过通气软管（4）连接，用来测量探管（2）内气体的压力；所述的供气源（1）为带有储气罐压力可调的压缩机，或其它能提供稳定压力和流量气流的供气设备；所述的探管（2）的开孔率介于5%～25%，外表包覆高分子疏水性导气膜（9），探管（2）上端的橡皮塞（6）与三通（5）相连通，并通过三通（5）的两个支路经通气软管（4）分别与气流流量计（3）和气压测量计（8）相连接，探管（2）材质为硬质塑料或其他硬质材料，管径介于3～10cm；所述气流流量计（3）与探管（2）和供气源（1）之间，三者通过通气软管（4）相串联；其特征在于，包括以下步骤：
（1）将探管埋设于土壤中，探管在土壤以上保留10-15cm，探管与土壤接触紧密无缝隙；
（2）测量探管所在区域土壤的平均含水率；
（3）利用供气源给探管通气，测量不同稳定供气压力△P下经通气孔向外渗透的稳定气流流量 ，据此计算比值作为导气特征参数；
（4）在多种水分条件下重复步骤（2）（3），得到导气特征参数与土壤含水率θ的定量关系：θ=f()；
（5）利用θ=f()，通过对导气特征参数的观测来实现原位定量计算土壤剖面内含水量的动态变化。
2.如权利要求1所述的一种土壤剖面水分动态原位的测量方法，其特征在于，所述的导气特征参数与土壤含水率θ的定量关系θ=f()，一般为指数函数或者幂函数形式,其中a、b、c、d为与土壤因素、探管规格、开孔状况等因素有关的常数，e为自然对数的底数。
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