介電類墑情監(jiān)測(cè)儀器在凍土中數(shù)據(jù)特點(diǎn)分析

楊威

（遼寧省水文局，遼寧 沈陽(yáng) 110003）

遼寧省水文局墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器為基于頻域反射法[1]（FDR）的管式傳感器，管式傳感器抗凍能力優(yōu)于針式傳感器，在冬季凍土中可以正常輸出含水量數(shù)據(jù)，但與人工墑情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相比差異較大。因此，有必要對(duì)凍土中墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)特點(diǎn)進(jìn)行分析研究，判別可用性。

1 遼寧省凍土深度特點(diǎn)

遼寧省地處我國(guó)東北地區(qū)，四季分明，冬季漫長(zhǎng)寒冷，日平均氣溫在0℃以下，河流、土壤封凍。凍土是指含有水分的土壤因溫度降到0℃或以下而成凍結(jié)的狀態(tài)，凍土深度觀測(cè)以厘米（cm）為單位，遼寧省氣象臺(tái)2010年2月10日發(fā)布的凍土深度數(shù)據(jù)。從表1可以看出，遼寧省除了旅順和金州外，其他地區(qū)最大凍土深度均大于50 cm。

2 介電類墑情監(jiān)測(cè)儀器在凍土中數(shù)據(jù)特點(diǎn)

墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)站為基本墑情站，采用三點(diǎn)法進(jìn)行監(jiān)測(cè)[2]，監(jiān)測(cè)深度為10，20，40 cm，管式傳感器按照監(jiān)測(cè)深度由三對(duì)電容（平行排列圓形金屬環(huán)）組成電容電極，其間的土壤充當(dāng)電介質(zhì)，觀測(cè)分辨率最小間隔為10 cm，見圖1。

土壤封凍過(guò)程從地表開始向深層發(fā)展，土壤中的水分逐漸凍結(jié)成冰晶，對(duì)傳感器而言可視為變成沙粒，根據(jù)傳感器工作原理，相當(dāng)于水分減少，電容值降低，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)遠(yuǎn)小于真實(shí)的土壤含水量，此時(shí)數(shù)據(jù)不可用。根據(jù)傳感器電容電極觀測(cè)分辨率可知，電容電極影響范圍為周邊5 cm，即凍土層面與電容電極距離不小5 cm，才能不影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

表1 遼寧省2010年2月10日凍土深度觀測(cè)結(jié)果

圖1 導(dǎo)管式傳感器和凍土層狀態(tài)示意圖

當(dāng)凍土深度為不小于5 cm時(shí)，3個(gè)電容電極均在非凍土層，數(shù)據(jù)可用，見圖1封凍過(guò)程①；當(dāng)凍土深度為5～15 cm時(shí)，10 cm位置電容電極在凍土層，數(shù)據(jù)不可用，20，40 cm位置電容電極在非凍土層，數(shù)據(jù)可用，見封凍過(guò)程②；當(dāng)凍土深度15～35 cm時(shí)，10，20 cm位置電容電極在凍土層，數(shù)據(jù)不可用，40 cm位置的電容電極在非凍土層，數(shù)據(jù)可用，見封凍過(guò)程③；當(dāng)凍土層從35 cm開始直到最大凍土深度時(shí)，3個(gè)電容電極均在凍土層，數(shù)據(jù)不可用，見封凍過(guò)程④。

土壤解凍過(guò)程從地表開始向深層發(fā)展，凍土中的冰晶逐漸融化為水分，根據(jù)傳感器工作原理，電容值升高含水量變大。

當(dāng)融化深度分別達(dá)到15，25，45 cm時(shí)，10，20，40 cm位置電容電極所在的土壤依次達(dá)到解凍狀態(tài)，但此時(shí)土壤深層還屬于凍結(jié)狀態(tài)，相當(dāng)于隔水層，整個(gè)冬季地表積累的雨雪融化后不能順利下滲，土壤孔隙結(jié)構(gòu)受凍融影響不是自然狀態(tài)，監(jiān)測(cè)的含水量數(shù)據(jù)整體偏大且不準(zhǔn)確，見圖1解凍過(guò)程⑤⑥⑦；當(dāng)凍土層徹底融化后，土壤中各層水分自然下滲，土壤孔隙結(jié)構(gòu)恢復(fù)自然狀態(tài)，含水量數(shù)據(jù)方可用，見解凍過(guò)程⑧。

3 凍土中介電類墑情監(jiān)測(cè)儀器與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

遼寧省人工墑情監(jiān)測(cè)站一般從3月21日開始觀測(cè)，此時(shí)處于封凍期，取樣困難，土壤內(nèi)冰晶較多，取樣到室內(nèi)融化后呈稀泥狀，烘干后測(cè)得含水量較大，可達(dá)到田間持水量甚至飽和含水量。此期間墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器在凍土內(nèi)，土壤水分呈冰晶狀類似于沙子，測(cè)得的含水量數(shù)據(jù)與人工相比嚴(yán)重偏小，一般到5月中下旬，凍土層徹底化開后，人工墑情與自動(dòng)墑情數(shù)據(jù)才基本趨于一致，見圖2本溪四道河子站人工墑情與遙測(cè)墑情數(shù)據(jù)過(guò)程線圖。

圖2 本溪四道河子站人工墑情與遙測(cè)墑情數(shù)據(jù)過(guò)程線圖

4 結(jié)論

根據(jù)遼寧省凍土深度數(shù)據(jù)可知，冬季最大凍土深度均超過(guò)墑情傳感器最大監(jiān)測(cè)深度，在冬季來(lái)臨的封凍階段，處于未凍土層位置的電容電極，其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不受影響，處于已凍土層位置的電容電極，其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)明顯小于人工數(shù)據(jù)；在冬季結(jié)束的解凍階段，各深度位置的電容電極監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)明顯增大，與人工數(shù)據(jù)基本一致，但在凍土層未徹底化開前，數(shù)據(jù)略偏大，當(dāng)凍土層徹底化開后，數(shù)據(jù)才能恢復(fù)正常。

對(duì)于在非封凍期，墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與人工墑情數(shù)據(jù)相比偏差較大時(shí)，除了通過(guò)野外率定方式對(duì)監(jiān)測(cè)儀器公式進(jìn)行校準(zhǔn)外，還要對(duì)監(jiān)測(cè)站進(jìn)行細(xì)致有效的管理[3]，使地表環(huán)境與大田環(huán)境盡量趨于一致，才能提高墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精度。