墑情監(jiān)測儀器實驗室檢測技術研究與應用

劉滿紅，陳 敏，劉國慶

（1. 水利部水文儀器及巖土工程儀器質量監(jiān)督檢驗測試中心，江蘇 南京 210012；2. 水利部水文水資源監(jiān)控工程技術研究中心，江蘇 南京 210012；3. 南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029）

墑情監(jiān)測儀器實驗室檢測技術研究與應用

劉滿紅1,2，陳 敏1,2，劉國慶3

（1. 水利部水文儀器及巖土工程儀器質量監(jiān)督檢驗測試中心，江蘇 南京 210012；2. 水利部水文水資源監(jiān)控工程技術研究中心，江蘇 南京 210012；3. 南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029）

墑情信息是反映旱情的關鍵指標，由于墑情監(jiān)測儀器種類繁多，可靠性、穩(wěn)定性、準確性參差不齊，產品實際應用情況與標稱技術指標差異較大，墑情監(jiān)測數據準確性得不到保證。通過墑情監(jiān)測儀器檢測技術研究和檢測流程設計，對儀器全性能技術指標進行檢測和質量評定，為我國建設墑情自動監(jiān)測站和國家防汛指揮系統(tǒng)二期工程旱情信息采集系統(tǒng)項目的儀器選型工作提供質量保障。

墑情；監(jiān)測儀器；技術指標；質量檢測

0 引言

隨著國家抗旱減災要求的不斷提高和國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)工程項目的實施，土壤墑情自動監(jiān)測站點將大量增加，不僅對站點監(jiān)測的實時性和準確性要求越來越高，也對墑情監(jiān)測儀器質量提出了越來越高的要求。目前墑情監(jiān)測儀器種類繁多，由于生產加工手段和工藝流程的差異，產品性能、可靠性、穩(wěn)定性、準確性參差不齊，產品實際應用情況與標稱技術指標差異較大，墑情監(jiān)測數據準確性得不到保證，導致基礎墑情信息不足和不準確，影響了已建墑情自動監(jiān)測系統(tǒng)效能和作用的發(fā)揮[1]。因此，探索不同墑情監(jiān)測儀器的率定方法和影響因素，開展檢測技術研究和測量效果評價，從種類繁多的儀器中挑選出適合國家防汛抗旱工程項目要求的監(jiān)測儀器，確保產品質量，已非常必要和緊迫[2]。

1 墑情監(jiān)測儀器發(fā)展現狀

墑情監(jiān)測儀器主要是用于土壤含水量的測量，在土壤含水量測量技術的發(fā)展方面，國內外許多學者做了大量的研究工作。國外的土壤含水量測量技術發(fā)展的比較早，開發(fā)的墑情監(jiān)測儀器也比較成熟。1922年，Gardner 就開始從事張力計快速測定非飽和土壤水張力的研究； Belnede 和 Wilford Gardner，Dan Kirknam 分別在 1950 和 1952年提出了利用中子衰減法快速測量土壤含水量[3]；1976年Topp 和 Davsi 首先將時域反射法引入土壤水分快速測量的研究，并逐步形成為一種比較完善的土壤含水量測量系統(tǒng)[4]；1983年，Hainsworth 等人開始探討利用 X 射線來測量土壤濕度的可行性[5]；20 世紀末，Whalley 在實驗室內用近紅外線的方法測量土壤含水量[6]，并取得了一定的研究成果，日本學者也在這方面進行了大量的研究，并研制成功了近紅外土壤水分傳感器。

近年來，我國在土壤含水量測量技術方面的研究也有了一定的進展，同時也研制了一批用于測量土壤含水量的傳感器。土壤墑情監(jiān)測也從用傳統(tǒng)的烘干方法測量土壤含水量逐步發(fā)展為用快速、無損傷技術測量土壤含水量。國家對此投入了大量研究經費，在國家自然科學基金、“九五”攻關課題，以及“863”計劃等重大科研項目中均有立項，力圖尋找一種適合中國國情的、低成本的便攜式土壤水分快速測量技術，對我國土壤水分快速測量技術的發(fā)展起到了很大的推動作用。20 世紀 70年代末期，西安電子科技大學就開發(fā)了 SVJ-3 型微波水分測定儀，同時，蘭州大學、南京大學也對此進行了探索性研究；南京水利科學研究院開發(fā)和研制出了第一代分體式核子頻域法表層型水分-密度儀；中國農業(yè)大學在土壤水分快速測量技術方面取得了較大的進展。隨著我國土壤水分快速測量技術的不斷進步，促進了國內墑情監(jiān)測儀器的開發(fā)和應用，同時也縮小了與國際先進水平的差距。

2 常規(guī)檢測方法比較與分析

目前常見的墑情監(jiān)測儀器檢測方法為實驗室檢測，主要包括溶液法、石英砂法和土壤法。國外比較常用的檢測方法是溶液法，這種方法是通過配置不同介電常數的溶液，檢測傳感器的準確度。石英砂法在我國氣象部門使用的比較多，這種方法是配置一定含水量的石英砂樣品檢測傳感器測量的準確度。土壤法是通過配置不同含水量的土樣檢測傳感器的準確度，由于墑情監(jiān)測儀器是測量土壤含水量的，所以土壤法是最接近實際使用情況，最能反映土壤墑情監(jiān)測儀器準確度的方法。幾種方法的比較如表 1 所示。

表 1 墑情監(jiān)測儀器國內外實驗室常規(guī)檢測方法比較

通過上述墑情監(jiān)測儀器國內外實驗室常規(guī)檢測方法比較分析，只有在土壤法的基礎上，開展墑情監(jiān)測儀器檢測技術研究，針對監(jiān)測儀器各項性能指標進行系統(tǒng)的測試，才能完整地反映出監(jiān)測儀器的各項性能指標能否達到實際使用的要求。

3 實驗室檢測主要內容與技術要求

3.1 主要檢測內容研究

墑情監(jiān)測儀器在進行檢測前，首先要根據墑情監(jiān)測儀器的特點和 SL 364—2015《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》《土壤水分監(jiān)測儀器通用技術條件》（國家防汛抗旱總指揮部辦公室文件辦旱—[2012] 32 號）等相關標準和規(guī)范性文件[7]，確定需要檢測的主要技術指標，目前墑情儀器檢測指標主要包括儀器外觀、環(huán)境條件適應性、電源適應性、信號接口與輸出、工作電流、絕緣電阻、準確性、測量結果的重復性、外殼防護、機械環(huán)境適應性、可靠性等內容[5]。其中準確性測試項中，根據《土壤水分監(jiān)測儀器通用技術條件》（辦旱—[2012] 32 號）在原 GB/T 28418—2012《土壤水分（墑情）監(jiān)測儀器基本技術條件》的基礎上進行了改進，結合國內外墑情監(jiān)測儀器實際使用情況，將準確性測試誤差判定指標由相對誤差改為絕對誤差，準確性絕對誤差控制在 ≤ 2%。墑情監(jiān)測儀器主要檢測項目如表 2 所示。

表 2 墑情監(jiān)測儀器實驗室檢測項目

3.2 墑情監(jiān)測儀器檢測項目技術要求

1）外觀。依據 GB/T 18522.6—2007《水文儀器通則第 6 部分：檢驗規(guī)則及標志、包裝、運輸、貯存、使用說明》，檢查儀器外觀是否有瑕疵，產品標識是否清晰。應滿足的基本要求：外觀暇疵不影響監(jiān)測儀器功能和性能；在監(jiān)測儀器外觀明顯位置應有標識，標識應清晰完整。

2）環(huán)境條件適應性。依據 GB/T 9359—2001《水文儀器基本環(huán)境試驗條件及方法》，SL 364—2015《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》，根據土壤墑情監(jiān)測儀器實際使用情況而制定的測試方法和測試內容。墑情監(jiān)測儀器為了滿足野外使用條件，一般環(huán)境條件適應性測試溫度應滿足空氣溫度 -10～50 ℃，土壤溫度 0～45 ℃，濕度應滿足 95%（40 ℃ 時，無凝結）的基本要求。

由于我國北方氣候冬季寒冷干燥，南方地區(qū)夏季潮濕的特點，墑情監(jiān)測儀器在環(huán)境惡劣的地區(qū)必須滿足當地特殊氣候條件，依據標準制定特殊環(huán)境條件，包括：高寒或高熱地區(qū)，儀器應能適應下列環(huán)境不損壞：空氣溫度 -30～60 ℃；土壤溫度 -20～55 ℃；空氣相對濕度 100%。

由于不同種類的自動監(jiān)測儀器性能不同，在環(huán)境適應性能上也應有差異。介電法類儀器應滿足空氣溫度 -10～50 ℃，土壤溫度 0～45 ℃，濕度 95% （40 ℃時，無凝結）的基本要求。張力計法儀器應滿足空氣溫度 5～50 ℃，土壤溫度 0～45 ℃，濕度95%（40 ℃時，無凝結）的基本要求。中子法儀器不僅應滿足空氣溫度 -10～50 ℃，土壤溫度 0～45 ℃，濕度 95%（40 ℃時，無凝結）的基本要求，同時在土壤冰凍條件下仍然可以測定土壤的含水量。

3）電源適應性。依據 SL 364—2015《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》、GB/T 15966—2007《水文儀器基本參數及通用技術條件》規(guī)定，水文儀器工作電源有直流和交流 2 種，為確保儀器能長期連續(xù)在野外工作，一般應盡量采用直流電源。電壓的范圍，交流電：220 V，50Hz，允許偏差范圍 ±10%；直流電源：一般采用 1.5，3.0，6.0，9.0，12.0，24.0 V，允許偏差范圍 -10%～+20%。因此，墑情監(jiān)測儀器電源適應性的基本要求：在電源標稱值的 90%～120% 范圍內，監(jiān)測儀器應正常工作。推薦采用直流電源供電，電源電壓推薦為 12.0 V。如采用自適應電源，在產品規(guī)定的電壓范圍內應能正常工作。

4）信號接口與輸出。依據 GB/T 15966—2007《水文儀器基本參數及通用技術條件》規(guī)定，水文數據記錄或數傳設備應具備 RS-485，RS-232 標準或專用接口。結合國內儀器通用接口標準，土壤墑情監(jiān)測儀器接口可選用 RS-485/422，RS-232C，SDI-12 等通用接口標準，采用模擬量輸出的，一般采用電壓或電流 2 種模擬量方式輸出。中子法儀器一般直接輸出土壤含水量。

5）工作電流。工作電流測試是對墑情監(jiān)測儀器在額定電壓工作條件下的工作電流進行測試。依據GB/T 15966—2007《水文儀器基本參數及通用技術條件》規(guī)定，水文儀器的靜態(tài)功耗和工作電流允許隨儀器的功能不同而異，但以低功耗為優(yōu)。結合現有產品的主要技術指標，墑情監(jiān)測儀器工作電流一般應不大于 50 mA。

6）絕緣電阻。依據 GB/T 15966—2007《水文儀器基本參數及通用技術條件》規(guī)定，傳感器的絕緣電阻一般不應小于 5 MΩ，顯示與記錄等電器裝置不接地處的絕緣電阻不應小于 1 MΩ。結合產品實際情況，電源輸入端與外殼之間絕緣電阻應不小于 2 MΩ。

7）準確性。墑情監(jiān)測儀器的準確性是表征儀器的品質和特性最重要的性能指標，因為使用墑情監(jiān)測儀器的目的就是為了得到準確可靠的測量結果。通常準確性用置信水平 0.95 以上的置信區(qū)間表示，但目前國內外均沒有相關標準，所以目前采用了絕對誤差表示。依據 SL 364—2015《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》《土壤水分監(jiān)測儀器通用技術條件》（辦旱—[2012] 32 號）等相關標準和規(guī)范性文件規(guī)定，結合墑情監(jiān)測儀器實際使用情況，準確性一般表示方法為墑情監(jiān)測儀器與烘干法測量值之間的絕對誤差平均值不大于體積含水量 2%。

絕對誤差的平均絕對值可按如下公式（1）計算：

8）重復性。測量儀器的重復性，即多次測量同一量時其示值的變化。實質上反映的是測量儀器的隨機誤差分散性，就測量結果的一致性而言，重復性可以用實驗標準差定量表示。依據 SL 364—2015《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》《土壤水分監(jiān)測儀器通用技術條件》（辦旱—[2012] 32 號）等相關標準和規(guī)范性文件規(guī)定，墑情監(jiān)測儀器實驗標準差 ≤ 1%，實驗標準差計算公式如下。

有限次獨立重復測量的實驗標準差通常用貝塞爾公式（2）表示：

9）外殼防護。依據 SL 364—2015《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》《土壤水分監(jiān)測儀器通用技術條件》（辦旱—[2012] 32 號）等相關標準和規(guī)范性文件規(guī)定，以及墑情監(jiān)測儀器長期埋設于土壤內的使用情況，由于長期受到土壤內水分的影響，固定埋設的墑情監(jiān)測儀器外殼防護等級必須達到 IP 68 級別。

10）固態(tài)存儲。依據 SL 364—2015《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》，對具有固態(tài)存儲功能的土壤墑情監(jiān)測儀器，存儲容量應不小于 3 000 組數據或存儲容量不少于 2a。

11）抗凍脹性?？箖雒浶詾樘厥鈼l件指標，一般地區(qū)不需要測試，主要用于高寒地區(qū)監(jiān)測儀器特性測試。需要時可根據實際使用情況，以及凍脹試驗溫度等具體條件，確定凍脹測試方法。

12）防腐蝕。防腐蝕為特殊測試，依據 GB/T 18185—2014《水文儀器可靠性技術要求》，墑情監(jiān)測儀器正常使用期一般為 5a，埋入土壤 5a 內不應因腐蝕而影響正常使用。需要測試時可根據實際使用情況確定測試的具體方法和指標。

13）機械環(huán)境適應性。振動試驗，GB/T 9359—2001《水文儀器基本環(huán)境試驗條件及方法》規(guī)定，監(jiān)測儀器在包裝狀態(tài)下，承受掃頻振動頻率 10Hz→150Hz→10Hz、掃頻速度 1 倍頻程/min、加速度 2 g，試驗結束后，產品外包裝箱不得有任何損壞和變形，內部結構中各結合部不得有松脫、零部件破損等現象，產品各項功能正常。

自由跌落試驗，GB/T 9359—2001《水文儀器基本環(huán)境試驗條件及方法》規(guī)定，監(jiān)測儀器在包裝狀態(tài)下，離地面垂直高度 25 cm 處自由跌落，實驗結束后，產品外包裝箱不得有任何損壞和變形，內部結構中各結合部不得有松脫、零部件破損等現象，產品各項功能正常。

14）可靠性。依據 GB/T 18185—2014《水文儀器可靠性技術要求》規(guī)定，墑情監(jiān)測儀器的 MTBF（平均故障間隔時間）大于或等于 16 000 h，使用壽命應能滿足長期埋設使用的要求。

4 檢測流程設計

為能夠充分反映墑情監(jiān)測儀器性能，應根據傳感器工作特點，制定完整的檢測流程。目前水利系統(tǒng)主要采用的墑情自動監(jiān)測儀器為介電法監(jiān)測儀器，這里重點介紹介電法監(jiān)測儀器的檢測流程。其他方法的墑情監(jiān)測儀器的檢測流程與介電法監(jiān)測儀器檢測流程基本一致，只是在技術指標要求上會有差異。

在墑情監(jiān)測儀器檢測過程中，應將環(huán)境適應性能、電氣性能、振動跌落和外殼防護等測試項目放在檢測流程的前段，將準確性測試放在最后階段，由此才可充分反映傳感器經過前期測試，如發(fā)生數據偏移，最后的精度測試就能完整地反映出來。如果不按照這種流程，精度測試放在前面，后期的環(huán)境測試等對傳感器適應能力測試就無法體現出來。在制定了檢測流程后，嚴格按照墑情監(jiān)測儀器的技術指標要求和檢測流程進行檢測，通過整個檢測周期的檢測，儀器的基本性能指標就能充分地反映出來。具體檢測流程如圖 1 所示。

圖 1 實驗室檢測流程圖

5 應用效果評價

1）經相關技術文獻查新檢索，水利部水文儀器及巖土工程儀器質檢中心建設完成的墑情監(jiān)測儀器檢測實驗室是國內外設備最全、檢測功能最完善的產品質量檢測實驗室。實驗室采用標準土樣對墑情監(jiān)測儀器進行檢測，實現了對儀器全性能技術指標的產品檢測和質量評定。

2）通對相關廠商送樣的墑情監(jiān)測儀器進行了檢測，發(fā)現了許多墑情監(jiān)測儀器在生產、使用等環(huán)節(jié)中存在的問題，送檢的廠商根據發(fā)現的問題，對產品存在的不足進行改進，提高了產品的性能和質量。同時墑情監(jiān)測儀器檢測合格產品均由國家防汛抗旱總指揮部辦公室統(tǒng)一發(fā)布。對國家防汛指揮系統(tǒng)二期工程旱情信息采集系統(tǒng)項目中標廠商的墑情監(jiān)測儀器進行了抽樣檢測，為項目建設順利實施提供了質量保障。

6 結語

2016年，水利部水文局組織完成的“土壤墑情監(jiān)測與信息服務關鍵技術研究”重大科技成果通過水利部科技成果鑒定，成果內容之一“墑情儀器實驗室檢測技術研究”經專家組評定達到了國際先進水平。

墑情監(jiān)測儀器實驗室檢測技術研究與應用，以及儀器檢測實驗室的建立，很好地完成了各種類型土壤墑情監(jiān)測儀器的檢測工作，但由于實驗室檢測周期有限，一般檢測周期只有幾天或者幾周的時間，對于墑情監(jiān)測儀器的長期使用情況還不能較全面地反映出來，因此為了更全面地測試一些如長期穩(wěn)定性等指標時，仍需進行一些必要的野外長期實驗。

[1] 水利部水文局. 土壤墑情監(jiān)測與預測關鍵技術應用研究技術報告[R]. 北京：水利部水文局，2016: 102-104.

[2] 楊建青，王吉星，章樹安，等. 土壤水分監(jiān)測儀器野外對比測試分析研究[J]. 水文，2012, 32 (5): 57-61.

[3] GARDNER W, KIRKHAM D. Deternation of soil moisture by neutron scattering[J]. Soil Science, 1952, 73 (5): 391-402.

[4] TOPP G C, DAVIS J L, ANNAN A P. Electromagnetic deternation of soil water content: Measurements in coaxial transmission lines[J]. Water Resources Research, 1980 (16): 574-582.

[5] HAINSWOHRT J M, LAG A. The use of computer-assisted tomography to determine spatial distribution of soil water content[J]. Australian Joural of Soil Researah, 1983, 21 (4): 435-443.

[6] WHALLEY W R, LEEDS-HARRISON P B, BOWMAN G B. Estimation of soil moisture status using near infrared Reflectometry[J]. Hydrological Processes, 1991, 5 (3): 321-327.

[7] 國家防汛抗旱總指揮部辦公室. 土壤水分監(jiān)測儀器通用技術條件（試行）[R]. 北京：國家防汛抗旱總指揮部辦公室，2012: 4-14.

Researchandapplication of soil moisture monitoring instrument laboratory testing technology

LIU Manhong1,2, CHEN Min1,2, LIU Guoqing3
(1. Hydrological Instrumentsand Geotechnical Instrumentation for Quality Supervisionand Testing Center, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China; 2. Hydrologyand Water Resources Engineering Research Center for Monitoring, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China; 3. Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China)

Soil moisture information is one of the key indicators reflecting the drought. Because thereare many different kinds of soil moisture monitoring instrument whose reliability, stability,accuracyare unevenand productactual Applicationand the nominal technical indexare different, soil moisture monitoring dataaccuracy cannot be guaranteed. Through technology research of soil moisture monitoring instrument testingand testing process design, it does the whole performance specifications testingand quality evaluation. It provides the quality guarantee for China's development of technical indicators of moistureautomatic monitoring stationsand instrument selection work in the state flood controland command system, phase ii project drought informationacquisition system.

moisture content; monitoring equipment; technical indicators; quality inspection

S152

A

1674-9405(2017)02-0026-05

10.19364/j.1674-9405.2017.02.006

2017-01-12

國家自然科學基金項目（41402217）；水利部水利信息中心科研項目（2016-046，2014-021）

劉滿紅（1981-），男，河南信陽人，碩士，主要從事水文儀器技術監(jiān)督與質量檢測技術工作。