土壤水分双电极田间定位测量仪

摘要

本发明是一种定位测量土壤水分含量的仪器，该仪器由电极—土电极和水电极以及与土电极、水电极电连接的检测器组成，土电极专营测量土壤的电导，水电极专营测量土壤水的电导，通过土壤含水量与电导间的函数关系很方便地得出土壤含水量。土电极和水电极为土壤和土壤水的电导的传感器，检测器为检测物质电导的装置，检测器可采用人工或自动或遥测检测装置。

说明书

本发明涉及一种土壤水分含量的测量仪器。

现有的定位测量土壤水分含量的测量仪器主要是张力计和中子水分仪。张力计用来测量土壤的势能、测量范围十分有限，加之土壤水的势能和土壤含水量是土壤水性状的两个方面，通过势能换算成含水量存在着技术上的困难。因此张力计的使用实际上是有限的。中子水分仪直接用来测量土壤含水量，并且不受到测量范围的限制，在使用上，它是目前一种较好的方法，但中子水分仪有它固有的弊病，仪器昂贵，有放射污染，还存在校正上的困难，又由于它是测的一个直径约50-80cm的球形土体的平均含水量，故在观测土壤水分时空上的变化方面反应不灵敏，因此它的应用也受到很大限制。另外，在40年代，人们就采用过电测法测量仪，测量原理是在土壤中埋入一石膏制成的吸收块，吸收块中置入两个电极，当吸收块中的水分与土壤中的水分达到平衡后，测量吸收块中两电极的电导，并通过标准曲线换算出土壤含水量，这种仪器测量结果受温度的影响比较大，因此测量精度很低。

本发明的目的是要提供一种结构简单，测量精度高，使用方便的田间定位测量土壤水分含量测量仪。

本发明根据电测法的基本原理，采用双电极-土电极和水电极分别与检测器连接，土电极为土壤电导的传感器，水电极作为土壤水电导的传感器，检测器为能检测出物质电导的装置，土电极用来测量土壤中的电导，水电极测量土壤水中的电导，用水电极测出的电导值校正离子浓度和温度所引起的测量土壤水分含量的误差，由土壤含水量与电导间的函数关系就可得出测量结果。下面结合附图对本发明作详细的描述。

图1水电极结构;

图2水分传感器主视图;

图3水分传感器俯视图;

图4单传感器杆式双电极土壤水分测量仪;

图5土壤水分探头主视图;

图6土壤水分探头俯视图;

图7双传感器杆式双电极土壤水分测量仪;

图8远距离遥测土壤水分含量系统图示。

图中：1-多孔吸水介质，2-银铂丝电极，3-基板，4-胶结剂，5-焊接点，6-导线抽头，7-外壳，8、14、20-土电极，9-基板，10、15、19-水电极，11-温度传感器，12、22-检测器，13-单传感器杆，16-水分传感器，17、26-土壤，18、23-引线，21-基板，24-土壤水分探头，25-双传感器杆，26-园管。

土电极（8）采用耐腐蚀，导电性好，有一定机械强度，并与土壤的亲和力较大的材料如碳棒电极等，土电极与土壤接触部分的形状为园柱形或半球形。水电极（10）由多孔吸水介质（1）、银铂丝电极（2）、基板（3）、导线扦头（6）、外壳（7）组成。多孔吸水介质（1）采用多孔陶瓷或多孔塑料或硅胶等多孔高吸水材料，厚度约2mm。用耐腐蚀、耐高温的两根银铂丝电极（2）垂直插入多孔吸水介质（1）中，插入深度约1mm，两根银铂丝电极（2）的间距不超过2mm。多孔吸水介质（1）胶结在基板（3）上，基板（3）采用不导电，有一定强度的材料如有机玻璃用来固定多孔吸水介质（1），银铂丝电极（2）与导线抽头（6）的连接，采用焊接，通过焊接点（5）连接，多孔吸水介质（1），基板（3）通过胶结剂（4）胶结在一个碗状的外壳（7）内。土电极和水电极既可单独使用，还可根据土电极和水电极的不同组合，制做为不同的土壤水分测量仪。图2中是两个土电极（8）、一个水电极（10）固定在一个不良导体材料的基板（9）上，构成一个水分传感器（16），基板（9）为园环状，便于插入土壤，园环的上下两端有螺纹或其它形式的连接结构，园环外径约20mm为宜，多个园环形水分传感器（16）连接构成单传感器杆（13），如通过园管（26）螺纹连接。水分传感器（16）的引线（18）用导线从园管（26）的一端引出，然后将各接口和单传感器杆（13）的上下端密封，一个单式传感器杆（13）和一套检测器（12）构成一种单传感器杆式双电极土壤水分测量仪（图4）。一个土电极（20）和一个水电极（19）固定在一个不良导体材料的基板（21）上，构成一个土壤水分探头（24），两个水分探头（24）为一组构成一个土壤水分传感器，该两个水分探头（24）分别置于两个双传感器杆（25）相同高度的位置上。多个水分探头装在同一个非导体材料园管的不同位置上，便于测量不同深层土壤的含水量，园管外径约20mm，水分探头（24）的引线（23）从园管的上端引出，然后将上下两端密封。两根带土壤水分探头（24）的园管构成双传感器杆（25），双传感器杆（25）和检测器（22）构成双传感器杆式双电极土壤水分测量仪。

检测器（12、22）根据不同的检测方式采用不同的设备，人工检测，可以采用万用表或电导仪（例如DOS-11A型电导仪），自动检测和记录采用XWD、XDD系列自动显示记录仪。远距离遥测，其遥测系统分为田间和室内两大部分，田间部分包括土壤水分传感器，信号转换器，信号放大和发射器和信号监控器，室内系统包括信号接收处理器，信号输出装置和信号监控台，一个室内系统可以对多个田间系统进行监控。

在使用本发明进行田间定位测量中，单传感器杆（13）或双传感器杆（25）必须垂直地埋入土壤中，用烘干并过孔径为2mm筛的原土壤填实，经过一段时间（一般经历几次大的降雨）后，探头与土壤充分接触，即土电极直接与土壤紧密接触，土壤水进入水电极的多孔吸水介质中，仪器才能正常使用。对于双传感器杆（25），两测杆埋入土壤中的距离约为400mm，所测到的近似为以对应探头的连线为长轴的旋转椭球的土体的容积含水量。与中子水分仪测到的结果相似，都受到石砾的影响。单传感器式土壤水分测量仪所测到的主要为探头周围很近的土壤的容积含水量，受石砾的影响很小。前者可用以研究土粒和石砾对水分运动的共同作用，是估算区域水分储量的可靠依据，后者可用以研究土粒对水分运动的独立作用，灵敏度较前者高，但其结果不能作为估算区域水分储量的依据。因此，这两种方式可以相互补充，不能互相取代。两套单传感器杆式测量仪合用可以兼做这两种测量，实际使用中，多个单传感器杆（13）共用一套检测器，能够大大降低仪器成本。

图3中，水分传感器（16）中设置一个温度传感元件（11），则本发明可以同时测量土壤含水量，土壤盐分、土壤温度的时空动态变化。

使用本发明进行土壤水分含量定位测量时，只要由检测器（12、22）中得出土电极间的电导值和水电极的电导值，便可求算出土壤含水量。下面详细介绍使用本发明得到土壤含水量的方法。

设有一体积为Vs的湿润土体，其中水所占体积Vw，溶于水中的导电离子有X克当量，以水作为溶剂时，其当量浓度为μ＝X/Vw土体作为“溶剂”时，当量浓度为μs＝X/Vs，则土壤的容积含水量：

θv＝ (Vw)/(Vs) ＝ (μs)/(μw) （1）

上式表明如果同时得到土壤的导电离子浓度μs和土壤水中的导电离子浓度μw，就可得到含水量θ，为了实现这一目标，采用两组电极：土电极和水电极分别测量出土壤中的电导Gs和土壤水中的电导Gw，由于物质的导电离子浓度和电导之间存在一定的函数关系，因此根据电导就可得出土壤的含水量。由于土壤的含水量只与土壤的导电离子浓度与土壤水中导电离子浓度之比有关，这样就消除了离子浓度和温度的干扰。

设在标准温度To，由实验分别确定了函数关系：

μs（To）＝f₁〔Gs（To）〕>

μw（To）＝f₂〔Gw（To）〕>

其中Gs（To）、Gw（To）分别是在To时土电极和水电极测到的电导。又设在非标准温度T＝To+△T，土电极和水电极测得电导分别为Gs（T）、Gw（T），则在一定精度内，土壤的含水量为

（4）式的意义在于：如果在某一温度To确定了土壤电导Gs（To）与土壤导电离子浓度μs（To）的函数关系f₁〔Gs（To）〕和土壤水的电导Gw（To）与土壤水的导电离子浓度μw（To）的函数关系f₂〔Gw（To）〕，则f₁、f₂仍然可以在其他温度T确定Gs（T）、Gw（T）与导电离子浓度的关系f₁〔Gs（T）〕、f₂〔Gw（T）〕，虽然f₁〔Gs（T）〕、f₂〔Gw（T）〕并不一定等于溶液中真实的导电离子浓度，但比值f₁〔Gs（T）〕/f₂〔Gw（T）〕在给定精度内给出了土壤含水量。

理论上可以证明，（4）式所引起的相对误差：

Re≤（0.02△T）²（5）

理论上从（1）式出发可以推演出一个半径验公式：

其理论相对误差

Re＜△T·[Mx（△s，△w）]  （7）

△w＝ (αGow（T）)/(Gw（T）-Gow（To）+αkw σso（To，θo）)

（6）、（7）两式中

T-测定时的土壤温度

Gs（T）-温度T时土电极测出的电导

Gw（T）-温度T时水电极测出的电导

Gow（To）-温度To时水电极对纯水所测到的电导值

Ks-土电极仪器常数

Kw-水电极仪器常数

a-含水量系数

α-温度系数

To-标准温度

θo-土壤年平均含水量（或标准含水量）

σso（To，θo）-在To，θo时土壤固相表面表观电导率

T是一个勿需测定的量，Gs（T）、Gw（T）分别由土电极和水电极测定，其他参数均由实验测定。

参数Ks、Kw可以用如下方法确定。

1、Ks的确定：

理论上可以证明

其中γ为土电极的等效半径，D为两土电极之间的距离，若γ＜＜D，则

Ks≈2πγ  （9）

近似为常数，（8）式适合于下不靠基岩，上下近表土的中层土壤，对于近基岩或近表土的测量，其Ks应由实验确定。取一长宽高均大于2D的容器，其内装满已知电导率为σw的溶液（如自来水），将两个土电极从容器中间垂直放入溶液中，两电极始终处在同一水平位置上，且电极相对位置与田间实验的电极相对位置相同，测定电极离水平面的距离h（包括离容器底部的距离）和两电极间的电导Gs（h），由式

Ks（h）＝ (Gs（h）)/(σm) （10）

确定Ks（h）。实验将显示，Ks（h）只有在靠近水面或底部时才有明显的变化。

实施例1：

已知水（自来水）的电导率σw＝1.134×10^-2欧^-1·米^-1，水面到池底的距离为1米，土电极半径γ＝2mm，两土电极间距D＝0.4米，则理论Ks≈2πγ＝0.01257（m），对应不同的水深所测结果，运用式（10）得出表1：

h(m)0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0Gs(10^-3.Ω^-1)0.0790.1160.1340.1400.1410.1410.1410.1400.1360.1190.081Ks(10^-3m)7.010.311.912.412.512.512.512.412.010.57.2

2、Kw的确定：

利用下面公式：

Kw＝ (Gw（T）-Gow（To）)/(σw（T）) （11）

将水电极浸泡在已知电导率σw的溶液中两小时后测定Gw（T），得Kw。

实施例2：

已知水电导率σw＝1.134×10^-2Ω^-1·m^-1，测得Gw＝0.1324×10^-3Ω^-1，Gow＝0.0411×10^-3Ω^-1，则水电极的仪器常数

Kw＝ (Gw-Gow)/(σw) ＝0.00805m

参数a、α、To、θo、σso（To，θo）确定方法如下：

在实验地取一见方为L（长）×W（宽）×H（高）的土体，大小以适合称重法测量土壤含水量和安装一个水电极后对土体结构的影响可以忽略为宜。将土体原样装入一个同体积和非金属，不吸水、有一定强度，重量轻的材料（如有机玻璃）制做的标准器皿内，器皿长度方向两端的壁板各为面积等于W+H的可以在长度方向上滑动，又易于固定的金属导电板（作为土电极），水电极安装在器皿侧壁中部，并随土体样品的装入同时插入土体中，以水电极的吸附面与土壤充分接触为宜。加入适量水（土体达到田间持水量即可），并将整个器皿放入恒温箱内以控制温度变化，一般以年平均室温To上下变动为宜，稳定2小时后便可以进行测量。可以分别测到土体的温度T、水电极电导Gw（T）、土电极电导Gs（T），以及用称重法测得土壤容积含水量θ，再由下式计算：

σss（T，θ）＝ (L)/(WH) Gs（T）-θ· (Gw（T）-Gow（T）)/(KW) （12）

σss（T，θ）为在温度T和含水量θ时土壤固相表面表观电导率，于是得到第一个数组（σss，θ₁，T₁）。改变温度T，经两小时后重复上述测量，得第二个数组（σss2、θ₂、T₂）……，直到获得n个数组

（σssi、θi、Ti）i＝1、2、……n  （13）

对这几个数组进行二元线性回归分析得一拟合曲线

σss（T，θ）＝σso（To，θo）〔1+a（θ-θo）+α（T-To）〕  （14）

由拟合曲线（14）分别得到了各参数。

实施例3：

对某一土体按照上述方法进行了20次测量，分别测得T、θ、Gw、Gs，并由式（14）计算出σss，其中L×W×H＝0.1×0.06×0.06（m³），kw＝0.01530（m），所测数据由表2给出，经二元线性回归得方程

σss＝bo+b₁T+b₂θ>

其中bo＝-3.3×10^-5，b₁＝1.09×10^-6，b₂＝1.10×10^-4，（＊）式的复相关系数R＝0.989，剩余标准误差S＝1.02×10^-6。设定标准温度To＝20℃，平均土壤含水量θo＝0.26，代入（＊）式得

σso＝σss（To，θo）＝1.74×10^-5（Ω^-1·m^-1）

将（＊）式与（14）式比较得：

a·σso＝b₂即a=>2)>

α·σso＝b₁即α=>1)>-2(k^-1)

将a、α、σso、θo、To代入（6）式便得到实测中的半径验公式。

在确定好了上述的常数之后，就能很方便地测量计算出土壤的含水量。如将仪器用于田间定点测量，把带有三个环形水分传感器（16）的单传感器杆（13）插入土壤中，三个水分传感器（16）在土壤中的深度h为0.3、0.5、0.7米，用电导仪检测器（12）分别对土电极和水电极进行测量，测量水电极和土电极的电导值，然后由（6）式算得每层土壤的平均含水量，各参数取上面所测得值，测量结果如下：

h（米）>-3Ω^-1）>-3Ω^-1）>

0.3  0.02120  0.1134  0.370

0.5  0.01864  0.1146  0.320

0.7  0.02100  0.1167  0.350

测量计算含水量，还可以由（4）式通过先确定（2）、（3）两式的具体函数形式来求出。

由于（1）式中比值μs/μw可以理解为土壤相对于土壤水的离子浓度，或者进一步理解为土壤相对某一标准溶液的浓度与土壤水相对于同一标准溶液的浓度之比，因此，只需确定土壤与土壤水的相对浓度值，而不需确定它们浓度的绝对值，这为实验确定函数f₁和f₂带来了极大的灵活性。例如，可以设想有一种理想土壤（或溶液），它的导电离子浓度μo与它的电导Go有函数关系：

μo＝fo（Go）  （15）

这种关系与温度无关。于是可以用（15）式在恒定室温下通过实验标定（2）、（3）式。这是因为：

即两种溶液的相对浓度等于它们分别相对另一种溶液的相对浓度之比。

进一步，我们甚至可以规定（2）、（3）式中的任何一式服从某种简单的正比关系，然后用这规定的关系在恒定室温下通过实验确定另一公式，这就大大简化了实验程序。这是因为可以改变（16）式的形式，使得在实验条件下标定某一公式f₁或f₂具有简单的正比关系。

（2）、（3）式的实验室标定即从实验室简单地确定其具体形式。

土壤的采样方式，仪器和操作过程，除保持一恒定温度To外，与确定参数a、α、σso（To、θo）的方法中所作介绍完成相同。这里设已经由上述实验测到了一列数据组：

〔θi、Gssi（To）、Gwi（To）〕i＝1、2、……n  （17）

其中Gssi（To）、Gwi（To）分别为标准器皿的土电极和水电极在温度To测到的第i组电导，θi是对应的含水量。

第一步：规定f₁或f₂的函数形式：

为简单起见，规定

μw（To）＝CwGw（To）  （18）

Cw为平衡两边单位设置的系数，数值上Cw＝1。于是对应每一个Gwi（To），有一个

μwi（To）＝CwGwi（To）  （19）

第二步，确定土壤导电离子浓度

由（1）式得

μs＝θμw

对应每一对θi和Gwi（To）有一个

μsi（To）＝CwθiGwi（To）  （20）

第三步确定田间实验中土电极测到的等效电导。

由于标准器皿的土电极与田间实验的土电极在形状和位置均不相同，故Gssi（To）不能代表田间实验的等效电导Gsi（To），但它们之间存在一固定的转换关系，

Gsi（To）＝ (LK2)/(WH) Gssi（To） （21）

其中Ks由前述方法确定。

第四步建立土壤电导Gs（To）与土壤导电离子浓度μs（To）的关系f₁[Gs（To）]

由（20）、（21）两式得到一列与数组（17）对应的数组：

〔μsi（To），Gsi（To）〕i＝1、2……，n  （22）

再用这列数组，通过回归分析得到经验公式

μs＝f₁〔Gs（To）〕>

经过上述四步，便得到了双电极电测法用于田间测量的经验公式：

θ= (f₁［Gs(T)］)/(C_WG_W(T))>

如果f₂（Gw）的简化可能导致（24）公式的拟合程度不高，这时可采用小范围内的线性拟合法：

假定在田间测得Gw（T）和Gs（T）、Gs（T）落在Gsi（To）与Gsi+1（To）之间，待求和μs（T）必然落在对应的μsi（To）与μsi+1（To）之间，且近似满足线性关系：

由此解得：

μs（T）＝ 1/(1+R) [μsi+1（To）+Rμsi（To）] （27）

其中：

R＝ (Gsi+1（To）-Gs（T）)/(Gs（T）-Gsi（To）) （27）

土壤含水量

θ＝ (μs（T）)/(CwGw（T）) （28）

实施例4

在一恒定温度（如室温）T＝25℃对实施例3中的土体进行了20次测量，分别得到θ、GSS、Gw，并由（20）式算得μs，由（21）式算得Gs，所有数据由表3给出，Ks＝0.01257（m）、L×W×H＝0.1×0.06×0.06（m³），由一元回归分析可以得到多种形式的函数关系：

1、μs＝a+bGs

其中：a＝1.06×10^-6b＝1.20

相关系数 R＝1 剩余均方差 S＝3.9×10^-8

2、μs＝a+blgGs

其中：a＝0.164  b＝0.084

R＝0.996 S＝6.89×10^-4

3、μs=ae - (b)/(Gs)

其中：a＝0.098  b＝0.092

R＝0.99999 S＝7.22×10^-4

4、μs＝aGb_s

其中：a＝1.2  b＝1.000

R＝1 S＝2.08×10^-8

5、μs= 1/(a+be^-Gs)

其中：a＝-891  b＝948

R＝1 S＝1.66×10^-3

6、

其中：a＝1.1×10^-7b＝1.05×10^-5c＝1.45

R＝1 S＝4.8×10^-8

7、μs＝ (Gs)/(a+bGs+CGs)

其中：a＝0.83 b＝8.13×10^-4C＝-6.32×10^-4

R＝1 S＝7.1×10^-9

8、μs＝a+ (b)/(Gs) + (C)/(Gs)

其中：a＝0.108 b＝-3.18×10^-3C＝3.02×10^-5

R＝0.9995 S＝2.5×10^-4

根据剩余均方差S的大小判断函数的拟合程度，其中以第7种情况最好，若采用该函数形式，则田间实验所用的经验公式（24）为：

θ＝ (Gs)/(Gw) 1/(a+bGs+CGs) （29）

其中：a＝0.83 b＝8.13×10^-4C＝-6.32×10^-4

若用双传感器杆式双电极土壤水分测量仪进行田间定点测量，两个双传感器杆（25）上设置三对土壤水分探头（24），每个杆上三个水分探头，两个杆上的相对应的位置上的两个探头构成一水分传感器。双传感器杆（25）插入土壤中，三对土壤水分探头（24）在土层中的深度h分别为0.3、0.5、0.7米，用电导仪检测器（22）依次对每一对探头进行测量，分别测得各处水电极和土电极的电导值，然后由（29）式算得对应土壤和平均含水量如下：

h（米）>-3Ω^-1）>-3Ω^-1）>

0.3  0.1255  0.0346  33.2

0.5  0.1290  0.0373  34.8

0.7  0.1344  0.0427  38.3

综上所述，本发明作为田间定位测量土壤水分含量的仪器，在将传感元件埋入土壤，确定了仪器的各项常数后，就能很方便地通过测量电导值来测量出土壤水分含量，并能根据需要可实行人工测量，自动测量和远距离遥测。在温差达20℃的条件下，将本发明与称重法作了对照实验，两者偏差小于3%，落在仪器误差范围内。本发明与中子水分仪相比，具有灵敏度和准确度更高，无污染，价格便宜（电导仪检测成本约为中子水分仪的1/5000，自动记录仪约为1/50，遥测约为1/40），安装操作更简便，测量速度更快等优点，因此本发明将大大改善对土壤水分监测的现状，使自动监测大流域整体的水分分布和动态成为可能，对指导农业灌溉，开发地下水资源，防止水土流失，结合气象观测，建立近中期旱涝预报系统具有极其重大意义。