探針式移動測墑儀快速率定與驗證

李長龍

（鐵嶺市南城子水庫管理局，遼寧鐵嶺112300）

探針式移動測墑儀快速率定與驗證

李長龍

（鐵嶺市南城子水庫管理局，遼寧鐵嶺112300）

探針式移動測墑儀可根據(jù)旱情發(fā)展增加監(jiān)測頻次和監(jiān)測站點，可直接在大田使用，避免固定埋設式自動儀器監(jiān)測環(huán)境與大田環(huán)境變化不同步帶來的誤差。探針式移動測墑儀應與大田土壤建立率定公式才能正常使用，通過對探針式移動測墑儀監(jiān)測原理和使用方法的研究，提出實驗室快速率定公式方案，建立準確可靠的率定公式。在探針式移動測墑儀使用過程中與人工烘干法監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析，驗證了率定公式的準確性。

土壤水分；移動測墑儀；率定；驗證

1 概況

土壤墑情是水循環(huán)規(guī)律研究、農牧業(yè)灌溉、水資源合理利用以及抗旱救災的基本信息。加強土壤墑情監(jiān)測工作，提高土壤墑情信息的時效性，可以為抗旱減災決策和水資源配置等提供科學依據(jù)，滿足旱情應急監(jiān)測的需要。

墑情信息主要依靠人工監(jiān)測站、固定自動墑情站和移動自動墑情站收集，自動墑情監(jiān)測站有固定埋設自動墑情監(jiān)測和人工便攜式自動墑情監(jiān)測兩種使用方式，人工便攜式自動墑情監(jiān)測也稱為移動自動墑情監(jiān)測。當前水利部門移動自動墑情站使用的移動測墑儀多采用介電法類儀器，移動測墑儀應與監(jiān)測地點土壤建立率定公式才能正常使用。

移動測墑儀建立率定公式通常有現(xiàn)場率定和實驗室率定2種方法，現(xiàn)場率定受自然因素影響較大，難以測得土壤含水量較高或較低時監(jiān)測儀器的參數(shù)。實驗室率定傳統(tǒng)方法是環(huán)刀法，土壤含水量從高到低變化過程緩慢，存在環(huán)刀端面與環(huán)刀中心土壤含水量不一致問題，影響率定公式準確性。通過對探針式移動測墑儀監(jiān)測原理和使用方法的研究，提出實驗室快速率定公式方案，建立準確可靠的率定公式，在探針式移動測墑儀使用過程中與人工烘干法進行對比分析，驗證了率定公式的準確性。

2 率定原理

探針式移動測墑儀使用時將傳感器插入土壤中，利用頻域反射法或時域反射法原理，測量反饋的電信號值，通過率定公式得到土壤含水量數(shù)據(jù)。

建立率定公式就是將傳感器電信號值與實時的土壤含水量作為一組數(shù)據(jù)，在土壤含水量不同狀態(tài)下測量傳感器反饋的電信號值，形成數(shù)據(jù)系列，利用多項式等數(shù)學模型，建立傳感器電信號值與土壤含水量的函數(shù)關系。

3 實驗室率定

1）實驗器材。特制環(huán)刀（直徑70 mm，高70 mm，滿足傳感器探針完全插入環(huán)刀土壤不外露）、鐵鍬、厘米尺濾紙、篩子（孔徑1 mm）、盛水容器、不銹鋼托盤、電子天平（感量0.01 g）、電熱恒溫干燥箱、干燥器、移動測墑儀。

2）取樣要求。采集土壤樣本位置應在大田監(jiān)測地塊，選定地塊應為均勻土質，在20 cm深度上取土。取土量不低于2 kg（體積約能裝滿3個環(huán)刀），裝入塑料袋，用油性筆在塑料袋上標記站點名稱。采樣時應避免植物根須、石塊等雜質摻入土壤樣本。

3）參數(shù)設置。參照移動測墑儀使用說明書，設置一個多項式類型的實驗公式存儲在移動測墑儀內，該公式三次方系數(shù)、二次方系數(shù)、常數(shù)項設為零。一次方系數(shù)設為0.01（消除儀器顯示數(shù)據(jù)時乘以的100%）。用此公式測量土壤含水量，顯示值即為傳感器電信號值。

4）土樣浸泡。環(huán)刀有孔底蓋墊一張濾紙后蓋在環(huán)刀刃口，將土樣晾干，用篩子去除碎石、樹根等異物，填滿環(huán)刀，置于盛水容器中架空。向環(huán)刀內緩慢注水，土樣沉降后加土再注水，直到土樣填滿環(huán)刀不再沉降為止（模擬土壤天然密實程度），削平環(huán)刀表面土樣，將盛水容器內水位加置距環(huán)刀上沿1～2 mm，浸泡2 h。多余土樣備用。

5）測定電信號值和重量。取出浸泡好的環(huán)刀土樣，懸空放置10～20 min左右，待環(huán)刀有孔底蓋不再滴水時放入稱重托盤中，將移動測墑儀傳感器垂直緩慢插入環(huán)刀內，直到傳感器探針完全沒入土壤中。打開移動測墑儀使用設置好的實驗公式測量土壤含水量，測量結果即為傳感器電信號值。拔出傳感器，使用電子天平測量環(huán)刀、土樣、濾紙、托盤的整體重量。

測量完畢，將環(huán)刀內土樣取出，放入不銹鋼托盤攤開晾曬，待土樣內水分有一定下降后，裝回環(huán)刀，插入傳感器，再次測量傳感器電信號值，拔出傳感器后再次重量并做記錄。

注意插入傳感器探針時不得接觸到環(huán)刀內壁，不得搖動，保證傳感器探針不暴露在空氣中，并與土壤緊密接觸。拔出傳感器時探針粘附的泥土要放回環(huán)刀內，不得丟失。每次測量均記錄時間、電壓、重量3組數(shù)據(jù)。土樣從環(huán)刀取出放入不銹鋼托盤，以及裝回環(huán)刀過程中，土樣不得丟失。裝回環(huán)刀時土樣要均勻壓實，確保環(huán)刀上沿土樣平整，環(huán)刀內土壤密實度不變。

實驗過程中應密切觀察土樣干燥情況，取得土樣含水量下降過程中分布較均勻的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)不得少于10組，以利于繪制傳感器電信號值與土壤含水量曲線。

6）烘干計算。將環(huán)刀內土樣放入不銹鋼托盤攤開，放入恒溫干燥箱，105±2℃條件下持續(xù)恒溫12 h。在干燥器內冷卻后稱重（托盤+干土+濾紙），填寫表1，按照人工取土烘干法要求計算土壤重量含水量。

7）建立率定公式。將移動測墑儀數(shù)據(jù)錄入電子表格中，選中電信號值和含水量兩列，插入散點圖，右單擊圖中一個測點，添加趨勢線，選擇多項式，階數(shù)為3，選中顯示公式和顯示R平方值，得到率定公式，見圖1。

率定公式為：

式中：x為傳感器電壓，v；y為土壤含水量，%。

圖1 鐵嶺站土壤含水量與傳感器電壓關系曲線圖

R2是公式曲線擬合程度的指標，它的數(shù)值大小可以反映公式曲線的估計值與對應的實際數(shù)據(jù)之間的擬合程度，R2值越趨近于1，率定公式的準確性就越高。

4 驗證

將率定公式存儲在移動測墑儀中，在大田中開挖剖面監(jiān)測含水量數(shù)據(jù)，每個采集深度插入傳感器3次，取3次讀數(shù)的平均值填寫表1。同時在每個采集深度取3分土壤樣品裝入鋁盒，有現(xiàn)場稱重條件時應現(xiàn)場稱重，帶回實驗室按照人工取土烘干法計算含水量。

表1 移動測墑儀與人工墑情數(shù)據(jù)對比分析

計算各采集深度各測次移動測墑儀與人工烘干法的絕對誤差和絕對誤差的平均絕對值，見表2。

對野外采用人工便攜式自動墑情監(jiān)測方式，其監(jiān)測數(shù)據(jù)與人工取土烘干法相比，其絕對誤差的平均絕對值應δ≤3%。由表2計算結果看出每個采集深度δ均小于3%，說明移動測墑儀與人工烘干法監(jiān)測數(shù)據(jù)趨勢基本一致，誤差符合規(guī)范要求，證明實驗室快速率定公式方案準確可靠。

5 結語

探針式移動測墑儀快速率定方案為墑情應急監(jiān)測提供了方便快捷的途徑，既節(jié)省了人力、物力，又提高了工作效率，對提高移動測墑儀監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性、可靠性和代表性具有重要的意義，為國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)二期工程旱情信息采集系統(tǒng)建設提供有力支撐。

［1］金福一.提高烘干法含水量數(shù)據(jù)準確度的研究［J］.中國水利，2015（13）.

TH873.7

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1002－0624（2017）03－0039－03

2016-10-05