基于V-TDR工作原理的SOILTOP-200土壤墑情測定儀的實際應(yīng)用

傅建文，王 勇，顏 坤

（天津市水文水資源勘測管理中心，天津 300061）

基于V-TDR工作原理的SOILTOP-200土壤墑情測定儀的實際應(yīng)用

傅建文，王 勇，顏 坤

（天津市水文水資源勘測管理中心，天津 300061）

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，能否對土壤水分進行有效測量與控制是實現(xiàn)“精細農(nóng)業(yè)”與“精細灌溉”的關(guān)鍵。SOILTOP-200墑情測定儀采用頻域頻率步進式（V-TDR）探測方案，應(yīng)用連續(xù)波在頻域進行測試，通過傅立葉變換轉(zhuǎn)換到時域，反演得到平行探測傳輸線周圍的土壤介電常數(shù)，進而通過Topp經(jīng)驗公式得到體積含水率。試驗表明，SOILTOP-200儀器在未經(jīng)率定的前提下運行穩(wěn)定，測量數(shù)據(jù)準確、可靠。

V-TDR；土壤墑情；SOILTOP-200；Topp經(jīng)驗公式

1 背景綜述

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，如何提高土壤保墑、散墑等狀況的技術(shù)作業(yè)精度是實現(xiàn)農(nóng)作物“精耕細作”的關(guān)鍵。土壤是由固、液、氣三相組成的混合介質(zhì)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜；其中，空氣介電常數(shù)為1，大多數(shù)土壤顆粒介電常數(shù)在2～4[1]，自由水介電常數(shù)為80.36（20℃）[2-4]；由于自由水的介電常數(shù)明顯高于其它兩項介質(zhì)，因此在非飽和土壤中，土壤含水量是土壤介電常數(shù)的主要影響因子，土壤絕對介電常數(shù)的變化能很好地反映土壤含水量的變化[5]。土壤絕對介電常數(shù)Ka和含水量θ實際定量關(guān)系的確定是發(fā)展基于高頻電磁波理論的土壤含水量測定技術(shù)的重要基礎(chǔ)，其中最受關(guān)注的是高頻電磁法，由于實際測量過程中不破壞被測土壤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因而其成為研究連續(xù)原位測定土壤含水量的常規(guī)儀器方法。

1965年，Looynega提出具有物理基礎(chǔ)的土壤介電常數(shù)混合介質(zhì)模型[6]，首次將土壤介電常數(shù)Ka和含水量θ的實際關(guān)系進行了定位研究，建立了Ka－θ關(guān)系概念模型。隨后，各國眾多科研學(xué)者對Ka－θ關(guān)系模型展開了大量的研究[7-9]，其中應(yīng)用最廣泛的關(guān)系模型是加拿大科學(xué)家Topp的完全經(jīng)驗公式和美國研究學(xué)者Herkelrath的半理論半經(jīng)驗公式。Topp公式是根據(jù)不同區(qū)域不同時段多種典型土壤的大量試驗數(shù)據(jù)擬合而成的三次多項式方程，即θ=-5.3×10-2+2.92×10-2Ka-5.5×10-4Ka2+4.3×10-6Ka3。由上述方程可知，只需土壤絕對介電常數(shù)Ka一個參量就能確定實際被測土壤的體積含水率θ，尤其適用于高頻率信號（1.5 GHz以上）對土壤實際含水量的測量[10]，故被大量學(xué)者研究應(yīng)用。

2 SOILTOP-200土壤墑情測定儀介紹

2.1 TDR技術(shù)理論

TDR技術(shù)被認為是一種快速、安全地測定土壤含水量和電導(dǎo)率的方法。其測量原理為信號發(fā)生器所激發(fā)的電脈沖以電磁波的形式沿著傳輸線系統(tǒng)傳播，當傳輸線阻抗發(fā)生變化時就形成反射，反射波形被接收器所記錄。反射波與入射波之間所包含的信息反映了土壤的電介質(zhì)特性。

土壤的絕對介電常數(shù)Ka=Ka'+jKa″，影響因子較多。Ka'對應(yīng)電磁波在土壤里的傳導(dǎo)時間，Ka″對應(yīng)電磁波在波導(dǎo)中的損耗，主要受土壤類型、質(zhì)地、容重、溫度、含鹽量等因素影響。由于高頻載波技術(shù)存在突破瓶頸，國內(nèi)外幾乎所有產(chǎn)品無法將電磁載波信號進行分解，所以在實際測量中很難得到絕對介電常數(shù)值Ka。

2.2 SOILTOP-200土壤墑情測定儀工作原理

SOILTOP-200土壤墑情測定儀采用步進式矢量掃頻（V-TDR）探測方案，信號源利用頻率調(diào)制技術(shù)（DDS數(shù)字式頻率合成器）步進式矢量信號發(fā)射，通過對信號相位差的變化，合成新的信號頻率，實現(xiàn)信號掃頻；接收機采用VNA矢量接收技術(shù)（Vector Network Analyzer），應(yīng)用連續(xù)波在頻域內(nèi)進行測試，通過數(shù)字運算轉(zhuǎn)換到時間域，經(jīng)數(shù)據(jù)分析、反演得到平行傳輸線（土壤探針）周圍土壤介電常數(shù)及其土壤體積含水率。該產(chǎn)品區(qū)別于國內(nèi)SWR、FDR等產(chǎn)品，采用步進式矢量掃頻信號，最高頻率可達4 GHz；由于采用了矢量高頻信號，它有效地將電磁信號的實部虛部進行了分解，得到土壤絕對介電常數(shù)，實現(xiàn)了實際測量過程中基本不受土壤電導(dǎo)率、類型、容重、溫度等多種因素的影響，不需要提前率定，即可準確測量土壤體積含水率，是國內(nèi)首臺無需率定的土壤墑情測定儀。

3 野外數(shù)據(jù)測量及分析

3.1 試驗土壤

天津水文水資源勘測管理中心自然土壤測試地點為天津市靜海區(qū)西釣臺墑情站，對土壤體積含水率進行試驗測量。自然條件下的土壤顆粒大小不均，有些土層還含有較大石塊，并且土壤類型復(fù)雜未知。

3.2 試驗方案

針對靜海區(qū)西釣臺墑情站的自然土樣進行土壤墑情的分層測量，分別將3根平行探針埋設(shè)于10、20、40 cm的土層內(nèi)，埋設(shè)完畢后回填土樣，保留野外自然條件下土層的容重；回填完畢后，應(yīng)用SOIL?TOP-200土壤墑情測定儀對各土層進行定時測量，每天測量自然條件下各土層的土樣6次，各土層體積含水率為其平均值，測量時間為2015年11月3—15日。

3.3 測量比對

采用人工法進行對比測定，各土層烘干法數(shù)據(jù)為3次取得的平均值；自然土壤絕對介電常數(shù)應(yīng)用天津特利普爾科技有限公司的SOILTOP-200土壤墑情測定儀進行測定，進而應(yīng)用Topp公式推算得到所測量自然土樣的實際體積含水率。

（1）數(shù)據(jù)重復(fù)性。天津市靜海區(qū)西釣臺墑情站重復(fù)性測量監(jiān)測數(shù)據(jù)，見表1。從表1可以看出，SOILTOP-200土壤墑情測定儀每天測量的6組墑情數(shù)據(jù)幾乎沒有變化，標準偏差幾乎為0，這充分證明了SOILTOP-200土壤墑情測定儀自身的穩(wěn)定性良好。

表1 天津市靜海墑情站各土層體積含水率測量數(shù)據(jù)

（2）數(shù)據(jù)準確性。11月3—5日實測地點天氣為晴天，前3 d的數(shù)據(jù)整體含水率在28%左右，數(shù)據(jù)整體相對穩(wěn)定；11月5日后半夜開始降小雨，陣性降雨一直持續(xù)到7日下午。SOILTOP-200土壤墑情測定儀測量數(shù)值與人工重量法測量數(shù)值的比對情況，見表2。從表2可以看出，11月6、7日所測土壤體積含水率在10 cm深度明顯增加，20、40 cm深度含水率增加幅度不大，可見，由于降雨時間不夠長，雨水并未完全滲透到20、40 cm的深度；11月8—13日天氣為陰天，從測量數(shù)據(jù)中可以看出，經(jīng)過幾天雨水的滲透，雨水已經(jīng)到達土層的各個深度，并且所測自然土樣在各個深度的含水率差別不大，比較7 d的數(shù)據(jù)，10 cm深度的含水率變化不大，20、40 cm深度的含水率明顯增加；11月14—15日天氣為晴天，各個深度的土層含水率在逐漸減少，但整體含水率差別不大。

表2 SOILTOP-200土壤墑情測定儀測量數(shù)值與人工重量法測量數(shù)值的比對

經(jīng)過兩種方法測量數(shù)據(jù)的比對，可以看出SOILTOP-200土壤墑情測定儀測量數(shù)據(jù)整體變化趨勢的合理性，且與人工重量法所測數(shù)據(jù)的相對誤差在±2.5%以內(nèi)，滿足《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》（SL364-2006）中的有關(guān)要求，充分證明了SOILTOP-200土壤墑情測定儀所測數(shù)據(jù)具有良好的準確性。

4 結(jié)論

SOILTOP-200土壤墑情測定儀采用步進式矢量掃頻（V-TDR）探測方案，有效地將土壤絕對介電常數(shù)進行實部與虛部的分解，推算得到土壤絕對介電常數(shù)，進而求得土壤真實含水量。靜海區(qū)西釣臺墑情站實驗測量所得的體積含水率與人工重量法相比，測量數(shù)據(jù)相對誤差在±2.5%以內(nèi)；并且儀器測量的重復(fù)性數(shù)據(jù)標準偏差幾乎為0，證明了SOILTOP-200土壤墑情測定儀良好的測量精度和很好的測量穩(wěn)定性。

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S152.7

A

1004-7328（2017）05-0061-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.05.020

2017—05—02

傅建文（1968—），男，高級工程師，主要從事水文業(yè)務(wù)管理和水環(huán)境監(jiān)測管理工作。