CN109696539A - 一种水分监测装置及利用该装置确定作物蒸散量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水分监测装置，包括水分传感器、第一数据处理器、第二数据处理器和第三数据处理器，水分传感器、第一数据处理器、第二数据处理器、第三数据处理器依次电连接。本发明还公开了一种利用水分监测装置确定作物蒸散量的方法。本发明水分监测装置能够准确得到连续时间内土壤总储水量数据，能够适应于复杂地形，省时省力，结构简单，生产和使用成本低，通用性强。本发明方法简便，计算精度高，实现了复杂环境下作物蒸散的连续监测，通过在较短时间间隔内计算作物蒸散量得到作物整体蒸散情况，计算方法较为准确，整体误差较小，为干旱地区作物提供了合理有效的水分管理基础。

Description

一种水分监测装置及利用该装置确定作物蒸散量的方法

技术领域

本发明涉及土壤水分测定技术领域，尤其涉及一种水分监测装置及利用该装置确定作物蒸散量的方法。

背景技术

陆地水分循环是维持陆地生态系统的基本要素，其主要是由降雨、水面蒸发、土壤蒸发、植物蒸腾等过程构成，其中土壤蒸发和植物蒸腾合称为作物蒸腾。作物蒸散是制定作物灌溉制度和区域灌溉需水量计划的基本依据，是区域水量平衡、农田灌溉、水资源管理等众多领域需要必须考虑的，是水文循环的重要环节，准确测量作物蒸散对科学研究和生产具有极大的意义。

但是，在实测作物蒸散量过程中，往往有很多影响因素难以控制，因此需要研究作物蒸散量的估算方法。目前，国内外测量作物蒸散主要有以下方法：水量平衡法、大型蒸渗仪法、微型蒸渗仪与热扩散式茎流计法、涡度相关法、波文比法以及彭曼公式法。

水量平衡法应用最为普遍，简便，不受气象条件的限制；但是取样频繁，每次取样点均不相同，取样带来的误差不能忽略；其次，在水量平衡法中水分运动下边界难以确定，导致由于取样深度不确定从而带来很大误差；其三，水量平衡法中的各个分量，如降水量、蒸散量难以准确分开，其误差会集中到蒸发量的计算；其四，水量平衡法测定时间相对较长，无法观测到动态变化规律。

蒸渗仪法是经典的标准方法，能够测定1h以内的蒸散量，但存在以下不足：第一，设计复杂，破坏了土壤原来的结构，隔断了作物生长土壤与深层土壤之间的水分联系；第二，器内植株的代表性对蒸发测定有影响，器内水分调节有困难；第三，需要大型设备，属于固定式设备，机动性很差，而且成本昂贵。前边两项不足，使得试验条件与真实情况有差异；第三项不足使得该方法不能广泛使用。此外，微型蒸渗仪与热扩散式茎流计法、涡度相关法、波文比法以及彭曼公式法等，上述这四种方法在复杂地形上的应用存在较大难度。

因此，如何针对上述现有技术所存在的缺点进行研发改良，实为相关业界所需努力研发的目标，本申请设计人有鉴于此，乃思及创作的意念，遂以多年的经验加以设计，经多方探讨并试作样品试验，及多次修正改良，乃推出本申请。

例如申请号为200810239422.9的中国专利公开了一种确定参考作物蒸散量的方法，包括下列步骤：计算m个气象站点在n年内每年72个候的蒸散量pET₀和hET₀；进而计算pET₀/hET₀；然后计算该比值基于候的平均值Ks和各个候内的该比值基于年的平均值Ksj；通过空间插值方法，得到目标区域内任何位置上的Ks，Ksj；针对目标区域内的目标位置计算hET₀；根据ET₀＝K×hET₀计算目标位置的参考作物蒸散量，所述K＝Ks或Ksj。但是该方法计算复杂，需要设置多个气象站点，仅能得到目标区域内的蒸散量作物参考蒸散量，作物蒸散量不精确。

申请号为200810239423.3的中国专利公开了一种原位确定作物蒸散量的方法，包括下列步骤：原位实时测量5层以上不同深度土层的土壤水势和土壤体积含水量数据，其中至少一层在作物根层以下；在作物根层以下存在零通量面的情况下获得根层以下零通量面以上各个土层的多个非饱和导水率-体积含水量数据对；进而获得各个土层的非饱和导水率-体积含水量数学关系；在此基础上获得根层以下各土层的水分通量，进而根据水量平衡法确定蒸散量。但是该方法成本较高，不适合大面积推广使用。

再如申请号为201010602193.X的中国专利公开了一种基于作物蒸散量模型的智能化滴灌控制系统及其方法，该方法通过数据采集模块采集作物的温度t、湿度U和光辐射信号Rn，经过相应的多个A/D转换模块后送入控制器中；其次、控制器计算出单株作物的灌溉量，乘以与作物相应个数的滴头得到总灌溉量，根据水泵的出水流速得出灌溉的时间；最后、控制器通过驱动电路操作执行机构进行灌溉。该方法为波文比能量平衡法在复杂地形上的应用存在较大难度。

综上，有必要设计一种在不破坏土壤的情况下原位精确计算出作物蒸散量、监测到作物蒸散量的实时动态变化、相邻时间点的时间间隔可以根据实际需要设定、使用成本低、适应范围广的水分监测装置及利用该装置确定作物蒸散量的方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种水分监测装置，包括水分传感器、第一数据处理器、第二数据处理器和第三数据处理器，所述水分传感器、第一数据处理器、第二数据处理器和第三数据处理器依次电连接，

所述水分传感器用于获取土壤水分含量信号并将所述土壤水分含量信号发送给所述第一数据处理器；

所述第一数据处理器用于接收所述土壤水分含量信号并对所述土壤水分含量信号进行处理，得到土壤体积含水量；

所述第二数据处理器用于接收所述土壤体积含水量，并将所述土壤体积含水量代入土壤总储水量公式中计算，得到每个时间点的土壤总储水量；

所述第三数据处理器用于对相邻时间点的土壤总储水量进行相减计算，得到相邻时间点内土壤总储水量的增加量。

进一步地，所述水分监测装置还包括第四数据处理器，所述第四数据处理器用于对土壤总储水量的增加量进行累加计算。

进一步地，所述水分传感器均平行于土壤表面并间隔设置于同一竖直线上，相邻两个所述水分传感器之间的距离沿土壤表面至作物根部方向增大。

进一步地，所述水分监测装置还包括控制器，所述控制器与第二数据处理器和灌溉装置连接，所述控制器用于根据每个时间点的土壤总储水量控制灌溉装置的启动或关闭。

相应地，本发明还公开了一种利用水分监测装置确定作物蒸散量的方法，包括如下步骤：

S1、在作物待测点布设所述水分自动监测装置，将n个水分传感器依次按照距离土壤表面h₁、h₂......h_n深度插入作物根区的土壤中；

S2、使用第n个水分传感器获取h_n深度的土壤水分含量信号并将其发送给所述第一数据处理器；

S3、使用所述第一数据处理器接收h_n深度的土壤水分含量信号并对其进行处理，得到h_n深度的土壤体积含水量；

S4、使用所述第二数据处理器接收h_n深度的土壤体积含水量，并将其代入下列公式中计算，得到每个时间点h_n深度的土壤总储水量；

其中，n为水分传感器的数量，n≥1；0代表土壤表面；h_n为第n个水分传感器距离土壤表面的深度，h_n单位为cm；SWS为土壤表面到h_n深度土壤层面的土壤总储水量，SWS单位为cm；θ_n为h_n深度的土壤体积含水量，θ_n单位为cm³cm^-3；

S5、使用所述第三数据处理器对相邻时间点的土壤总储水量进行相减计算，得到相邻时间点内土壤总储水量的增加量ΔSWS。

进一步地，若相邻两个时间点内土壤总储水量的增加量ΔSWS>0，则判定该相邻两个时间点内有降雨产生，ΔSWS为该相邻两个时间点内的降雨入渗量；若相邻两个时间点内土壤总储水量的增加量ΔSWS<0，则判定该相邻两个时间点内无降雨产生，ΔSWS的绝对值|ΔSWS|即为该相邻两个时间点内的作物蒸散量。

进一步地，所述第四数据处理器用于累加一个时间段内所有大于0的ΔSWS，所有大于0的ΔSWS的累加值为该时间段内的降雨入渗量；

所述第四数据处理器用于累加一个时间段内所有小于0的ΔSWS的绝对值|ΔSWS|，所有小于0的ΔSWS的绝对值|ΔSWS|的累加值为该时间段内的作物蒸散量。

进一步地，距离土壤表面深度最大的水分传感器的深度大于作物的最大根深。

进一步地，所述相邻两个时间点的时间间隔范围为5-2880min。

优选地，所述相邻两个时间点的时间间隔设为10min。

实施本发明，具有如下有益效果：

(1)本发明的利用水分监测装置确定作物蒸散量的方法，能够测得相邻时间点内土壤总储水量的增加量、一个时间段内的降雨入渗量和作物蒸散量，相邻时间点的时间间隔可以根据实际需要设定，尤其对干旱地区的作物或干旱期的作物，通过在较短时间间隔内计算作物蒸散量得到作物整体蒸散情况，计算方法较为准确，整体误差较小，为干旱地区作物提供了合理有效的水分管理基础。

(2)本发明的利用水分监测装置确定作物蒸散量的方法，有效避免了复杂地形下因作物冠层截留、坡面径流、降雨期无效耗水对确定作物蒸散带来的误差，实现了复杂环境下作物耗水的连续监测，节省人力物力。

(3)本发明的水分监测装置，能够适应于复杂地形，省时省力，结构简单，生产和使用成本低，通用性强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本发明实施例一水分监测装置的结构示意图；

图2是本发明实施例二水分监测装置的结构示意图；

图3为利用水分监测装置确定作物蒸散量的方法的计算过程图。

其中，图中附图标记对应为：1-水分传感器，2-第一数据处理器，3-第二数据处理器，4-第三数据处理器，5-第四数据处理器，6-控制器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

请参阅图1。如图1所示，本实施例公开了一种水分监测装置，包括水分传感器1、第一数据处理器2、第二数据处理器3和第三数据处理器4，所述水分传感器1、第一数据处理器2、第二数据处理器3和第三数据处理器4依次电连接，

所述水分传感器1用于获取土壤水分含量信号并将所述土壤水分含量信号发送给所述第一数据处理器2；

所述水分传感器1优选为插针式传感器，水分传感器1直接插入作物根区的土壤中，不会破坏土壤，能够准确获取每个时间点的土壤水分含量信号。

所述第一数据处理器2用于接收所述土壤水分含量信号并对所述土壤水分含量信号进行处理，得到土壤体积含水量；

所述第二数据处理器3用于接收所述土壤体积含水量，并将所述土壤体积含水量代入土壤总储水量公式中计算，得到每个时间点的土壤总储水量；

所述第三数据处理器4用于对相邻时间点的土壤总储水量进行相减计算，得到相邻时间点内土壤总储水量的增加量。该水分监测装置，结构简单，体积小巧，工作可靠，能够广泛适应于多种复杂地形和多种作物，通用性强，并且生产和使用成本低，后期维护方便。

实施例二

请参阅图2。如图2所示，本实施例公开了一种水分监测装置，与上述实施例一不同的是，所述水分监测装置还包括第四数据处理器5、控制器6和供电装置，所述第四数据处理器5用于对土壤总储水量的增加量进行累加计算，所述控制器6与第二数据处理器3和灌溉装置连接，所述控制器5用于根据每个时间点的土壤总储水量控制灌溉装置的启动或关闭，当作物蒸散量较大时，控制器6通过启动灌溉装置对作物进行灌溉，增加作物土壤的水分，尤其在夏季，能够及时为作物补充水分，

所述供电装置用于向所述水分传感器1、第一数据处理器2、第二数据处理器3、第三数据处理器4、第四数据处理器5和控制器6提供电力，为水分监测装置持续提供电力，可以广泛使用。

实施例三

本发明利用水分监测装置确定作物蒸散量的方法的计算过程请参阅图3，图3中*代表假设此时有降雨产生，**代表无降雨产生。

利用水分自动监测装置，高频率监测剖面土壤水分并计算出高时间精度的剖面土壤总储水量，利用土壤总储水量的变化计算降雨入渗量和作物蒸散量。在降雨期间，一般认为空气温度低，无太阳辐射，且空气湿度为100％，饱和水汽压亏缺为0，所以降雨时的热力蒸散和和动力蒸散量很小，均忽略不计，故降雨期间一般不考虑土壤蒸发和作物蒸腾。

实施例四

黄土高原地区的红枣是当地的传统特色果品，伴随着枣树种植规模的扩大和种植年限的增加，土壤耗水逐渐增加，该地区的降雨能否满足大面积的枣树蒸散需求成为黄土高原生态经济林可持续发展的重要科学问题。准确测定、计算枣树蒸散量，阐明土壤水分和作物蒸散之间的关系，成为提高枣树水分管理的关键。

在本实施例中，作物选取黄土高原地区的枣树作为待测作物，本实施例公开了一种利用水分监测装置确定枣树蒸散量的方法，包括如下步骤：

S1、在枣树待测点布设所述水分自动监测装置，将7个水分传感器依次按照距离土壤表面h₁＝5cm，h₂＝10cm，h₃＝20cm，h₄＝40cm，h₅＝60cm，h₆＝80cm，h₇＝100cm的深度插入枣树根区的土壤中；

S2、使用7个水分传感器分别获取对应深度的土壤水分含量信号并将其发送给所述第一数据处理器；

S3、使用所述第一数据处理器接收对应深度的土壤水分含量信号并对其进行处理，得到对应深度的土壤体积含水量；

S4、使用所述第二数据处理器(3)接收对应深度的土壤体积含水量，并将其依次代入下列公式中计算，得到对应深度的土壤总储水量；

S5、使用所述第三数据处理器对相邻时间点的土壤总储水量进行相减计算，得到相邻时间点内土壤总储水量的增加量ΔSWS。

第1个时间点t₁为2016年7月1日0:00，7个水分传感器分别获取土壤水分含量信号，第一数据处理器对土壤水分含量信号进行处理，得到t₁时θ₁＝0.0988cm³cm^-3，θ₂＝0.107026cm³cm^-3，θ₃＝0.102425cm³cm^-3，θ₄＝0.116084cm³cm^-3，θ₅＝0.12.7322cm³cm^-3，θ₆＝0.204036cm³cm^-3，θ₇＝0.10359cm³cm^-3，第二数据处理器分别将t₁时测得的数据代入下列公式，

计算得出t₁时SWS＝13.06481cm。

相邻两个时间点的时间间隔设为10min，第2个时间点t₂为2016年7月1日0:10，7个水分传感器分别获取土壤水分含量信号，第一数据处理器对土壤水分含量信号进行处理，得到t₂时θ₁＝0.098104cm³cm^-3，θ₂＝0.107336cm³cm^-3，θ₃＝0.102803cm³cm^-3，θ₄＝0.116213cm³cm^-3，θ₅＝0.126974cm³cm^-3，θ₆＝0.203786cm³cm^-3，θ₇＝0.10359cm³cm^-3，第二数据处理器分别将t₂时测得的数据代入下列公式，

计算得出t₂时SWS＝13.05821cm。

第三数据处理器将t₂时的SWS减去t₁时的SWS，得到t₁至t₂时间间隔10min内的ΔSWS＝-0.0066cm，t₁至t₂时间间隔内的ΔSWS即为该时间间隔10min内作物的耗水量，方法简便，计算精度高，能够测得连续时间内的枣树蒸散量，有利于提高管理枣树的水分管理。

实施例五

本实施例公开了一种利用水分监测装置确定作物蒸散量的方法，作物选取黄土高原地区的枣树，与上述实施例四不同的是，

第1个时间点t₁为2016年7月22日12:00，测得θ₁＝0.173553cm³cm^-3，θ₂＝0.202916cm³cm^-3，θ₃＝0.200335cm³cm^-3，θ₄＝0.214343cm³cm^-3，θ₅＝0.12873cm³cm^-3，θ₆＝0.202061cm³cm^-3，θ₇＝0.10306cm³cm^-3，计算得出t₁时SWS＝17.7618225cm。

第2个时间点t₂为2016年7月22日12:10，测得θ₁＝0.173841cm³cm^-3，θ₂＝0.202757cm³cm^-3，θ₃＝0.20057cm³cm^-3，θ₄＝0.214827cm³cm^-3，θ₅＝0.128329cm³cm^-3，θ₆＝0.201894cm³cm^-3，θ₇＝0.102894cm³cm^-3，计算得出t₂时SWS＝17.762975cm。

第3个时间点t₃为2016年7月22日12:20，测得θ₁＝0.172986cm³cm^-3，θ₂＝0.198829cm³cm^-3，θ₃＝0.200229cm³cm^-3，θ₄＝0.213798cm³cm^-3，θ₅＝0.127542cm³cm^-3，θ₆＝0.200948cm³cm^-3，θ₇＝0.102183cm³cm^-3，计算得出t₂时SWS＝17.762915cm。

第4个时间点t₄为2016年7月22日12:30，测得θ₁＝0.172948cm³cm^-3，θ₂＝0.199109cm³cm^-3，θ₃＝0.200555cm³cm^-3，θ₄＝0.213518cm³cm^-3，θ₅＝0.127867cm³cm^-3，θ₆＝0.200903cm³cm^-3，θ₇＝0.102326cm³cm^-3，计算得出t₂时SWS＝17.762915cm。

第5个时间点t₅为2016年7月22日12:40，测得θ₁＝0.173039cm³cm^-3，θ₂＝0.198678cm³cm^-3，θ₃＝0.200782cm³cm^-3，θ₄＝0.213571cm³cm^-3，θ₅＝0.128102cm³cm^-3，θ₆＝0.200941cm³cm^-3，θ₇＝0.10191cm³cm^-3，计算得出t₂时SWS＝17.762915cm。

t₁-t₂时间内，ΔSWS＝0.0011525cm＞0，t₂-t₃时间内，ΔSWS＝-0.1033375cm＜0，t₃-t₄时间内，ΔSWS＝0.008135cm＞0，t₄-t₅时间内，ΔSWS＝0.003215cm＞0，则t₁-t₅时间段内，降雨入渗量为所有大于0的ΔSWS之和，计算得出为0.0125025cm，作物蒸散量为所有小于0的ΔSWS的绝对值|ΔSWS|之和，计算得出为0.1033375cm。

该方法能够测得相邻时间点内土壤总储水量的增加量、一个时间段内的降雨入渗量和作物蒸散量，相邻时间点的时间间隔可以设定为较短的时间间隔，尤其对干旱地区的作物或干旱期的作物，通过计算作物蒸散量得到作物整体蒸散情况，计算方法简单，计算结果较为准确，整体误差较小。

实施本发明，具有如下有益效果：

(1)本发明的利用水分监测装置确定作物蒸散量的方法，能够测得相邻时间点内土壤总储水量的增加量、一个时间段内的降雨入渗量和作物蒸散量，相邻时间点的时间间隔可以根据实际需要设定，尤其对干旱地区的作物或干旱期的作物，通过在较短时间间隔内计算作物蒸散量得到作物整体蒸散情况，计算方法较为准确，整体误差较小，为干旱地区作物提供了合理有效的水分管理基础。

(2)本发明的利用水分监测装置确定作物蒸散量的方法，有效避免了复杂地形下因作物冠层截留、坡面径流、降雨期无效耗水对确定作物蒸散带来的误差，实现了复杂环境下作物耗水的连续监测，节省人力物力。

(3)本发明的水分监测装置，能够适应于复杂地形，省时省力，结构简单，生产和使用成本低，通用性强。

以上所揭露的仅为本发明的几个较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种水分监测装置，其特征在于，包括水分传感器(1)、第一数据处理器(2)、第二数据处理器(3)和第三数据处理器(4)，所述水分传感器(1)、第一数据处理器(2)、第二数据处理器(3)和第三数据处理器(4)依次电连接，

所述水分传感器(1)用于获取土壤水分含量信号并将所述土壤水分含量信号发送给所述第一数据处理器(2)；

所述第一数据处理器(2)用于接收所述土壤水分含量信号并对所述土壤水分含量信号进行处理，得到土壤体积含水量；

所述第二数据处理器(3)用于接收所述土壤体积含水量，并将所述土壤体积含水量代入土壤总储水量公式中计算，得到每个时间点的土壤总储水量；

所述第三数据处理器(4)用于对相邻时间点的土壤总储水量进行相减计算，得到相邻时间点内土壤总储水量的增加量。

2.根据权利要求1所述的水分监测装置，其特征在于，所述水分监测装置还包括第四数据处理器(5)，所述第四数据处理器(5)用于对土壤总储水量的增加量进行累加计算。

3.根据权利要求2所述的水分监测装置，其特征在于，所述水分传感器(1)均平行于土壤表面并间隔设置于同一竖直线上，相邻两个所述水分传感器(1)之间的距离沿土壤表面至作物根部方向增大。

4.根据权利要求2所述的水分监测装置，其特征在于，所述水分监测装置还包括控制器(6)，所述控制器(6)与第二数据处理器(3)和灌溉装置连接，所述控制器(5)用于根据每个时间点的土壤总储水量控制灌溉装置的启动或关闭。

5.一种利用权利要求2-4中任一项所述的水分监测装置确定作物蒸散量的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、在作物待测点布设所述水分自动监测装置，将n个水分传感器依次按照距离土壤表面h₁、h₂......h_n深度插入作物根区的土壤中；

S2、使用第n个水分传感器获取h_n深度的土壤水分含量信号并将其发送给所述第一数据处理器；

S3、使用所述第一数据处理器接收h_n深度的土壤水分含量信号并对其进行处理，得到h_n深度的土壤体积含水量；

S4、使用所述第二数据处理器(3)接收h_n深度的土壤体积含水量，并将其代入下列公式中计算，得到每个时间点h_n深度的土壤总储水量；

其中，n为水分传感器的数量，n≥1；0代表土壤表面；h_n为第n个水分传感器距离土壤表面的深度，h_n单位为cm；SWS为土壤表面到h_n深度土壤层面的土壤总储水量，SWS单位为cm；θ_n为h_n深度的土壤体积含水量，θ_n单位为cm³cm^-3；

S5、使用所述第三数据处理器对相邻时间点的土壤总储水量进行相减计算，得到相邻时间点内土壤总储水量的增加量ΔSWS。

6.根据权利要求5所述的利用水分监测装置确定作物蒸散量的方法，其特征在于，

若相邻两个时间点内土壤总储水量的增加量ΔSWS>0，则判定该相邻两个时间点内有降雨产生，ΔSWS为该相邻两个时间点内的降雨入渗量；

若相邻两个时间点内土壤总储水量的增加量ΔSWS<0，则判定该相邻两个时间点内无降雨产生，ΔSWS的绝对值|ΔSWS|即为该相邻两个时间点内的作物蒸散量。

7.根据权利要求6所述的利用水分监测装置确定作物蒸散量的方法，其特征在于，

所述第四数据处理器用于累加一个时间段内所有大于0的ΔSWS，所有大于0的ΔSWS的累加值为该时间段内的降雨入渗量；

所述第四数据处理器用于累加一个时间段内所有小于0的ΔSWS的绝对值|ΔSWS|，所有小于0的ΔSWS的绝对值|ΔSWS|的累加值为该时间段内的作物蒸散量。

8.根据权利要求5所述的利用水分监测装置确定作物蒸散量的方法，其特征在于，距离土壤表面深度最大的水分传感器的深度大于作物的最大根深。

9.根据权利要求6所述的利用水分监测装置确定作物蒸散量的方法，其特征在于，所述相邻两个时间点的时间间隔范围为5-2880min。

10.根据权利要求9所述的利用水分监测装置确定作物蒸散量的方法，其特征在于，所述相邻两个时间点的时间间隔设为10min。