基于瞬态导气原理的土壤剖面水分监测系统与测量方法

摘要

本发明公开了一种基于瞬态导气原理的土壤剖面水分监测系统与测量方法，利用供气源通过气室向埋设于土壤内设置有通气孔的探管供气，直到探管内的气体压力到达预定值停止供气，开始计时并利用压力计观测探管内气体压力P(t)的动态，利用空气传导原理计算出相应的导气特征参数，进而建立导气特征参数与土壤水分之间的定量关系，得到基于瞬态土壤导气原理的土壤剖面水分估算模型，从而测算待测土体的水分含量；本发明不仅在技术上能够实现，而且设备价格大大降低，易于大面积推广使用。

说明书

技术领域：

本发明涉及土壤水分参数测量技术领域，具体地讲是一种基于瞬态导气原理的土壤剖面水分监测系统与测量方法。

背景技术：

土壤水是水资源的重要组成部分，是水文、农业和气象及地-气能量交换等研究中的重要参数。土壤含水量作为土壤的一个重要物理参数,是水循环、植物生长、土壤承载能力等科学研究中不可缺少的基本资料。对土壤水分状况的监测工作,已被农业、林业、水利等多学科的研究者所重视。目前, 测量土壤水分的方法有烘干称重法、张力计法、电阻法、中子仪法、时域反射仪法（TDR）等。

烘干称重法是测量土壤水分最经典、准确的方法,该方法可直接测定土壤重量含水率,但一般均为人工操作,费时费力,且扰动测定点的土壤,不利于原位连续测定,取样过程会造成蒸发误差。张力仪法只能测定土壤的基质势,根据已知土壤水分特征曲线,才能求得土壤含水量,且只能测定0～85kPa土壤吸力。石膏电阻块法测定结果常受土壤类型、土壤溶液浓度变化的影响，在土壤较干时，反映不灵敏。中子仪法是利用中子热化原理, 快中子源发出的中子在遇到氢原子后,失去部分动能转化成慢中子, 根据测出的慢中子数量自动计算出土壤含水量，与传统的烘干法相比，中子仪法测定土壤含水量不仅省时、省力、不破坏观测场地， 而且可以定点连续观测，非常适于对土壤水分变化作连续的动态监测，是目前常用的测定田间土壤水分的方法，也是国内外灌溉实验规范中推荐的方法。但中子仪法在测量土壤表层含水量时，特别是在测量低含水量时，由于中子容易散溢于大气，结果不够准确，且有辐射伤人的问题。时域反射仪法（TDR）是新近发展起来的测定土壤含水量的方法，因其快速、准确、操作简便，并可实现定点自动监测土壤水分动态变化等特点，被誉为测定土壤水分的最先进的方法。其缺点是TDR仪器价格昂贵售价高，只适用于国内少数的高等学校和科研院所开展科学研究，而很难大量在农田土壤墒情监测及其他有关生产实践中应用。

发明内容：

本发明的目的是克服上述已有技术的不足，而提供一种基于瞬态导气原理的土壤剖面水分监测系统。

本发明的另一目的是提供一种基于瞬态导气原理的土壤剖面水分测量方法。

本发明主要解决现有的技术不能进行土壤剖面水分原位动态监测或者因仪器成本较高限制其大范围应用等问题。

为了达到上述目的，本发明是这样实现的：基于瞬态导气原理的土壤剖面水分监测系统，其特殊之处在于，包括：

供气源，用来提供气流，可以为打气筒或其他设备；

气压测量计，用来测量气体的压力；

探管，下端封闭，上端开口并用探管橡皮塞密封，经探管橡皮塞通过三通的两个支路经导气软管分别与气室和气压测量计相连接，主体埋设于土壤内，并在地表以上保留10-15cm，边壁设置有均匀分布的通气孔，接受来自于供气源的气流经通气孔渗透到周围土壤中，用于土壤导气特性的测量；

气室，上端开口用气室橡皮塞密封，气室位于探管和供气源之间，三者通过导气软管经两个硬质导气管相串联，用于增加封闭气体的体积并减缓封闭气体压力变动的速率，便于对封闭气体压力变化的观测。

进一步的，所述探管的开孔率介于5%～25%，管径介于3～10cm，探管外表包覆高分子疏水性透气膜。

本发明的基于瞬态导气原理的土壤剖面水分测量方法，其特殊之处在于，所述测量方法包括以下步骤：

（1）首先根据测量或研究目的，将一定长度和规格的探管埋设于土壤当中，探管在土壤以上保留10-15cm，且保证探管与土壤接触紧密无缝隙；

（2）利用烘干称重或者其他土壤水分测量手段测量探管所在区域土壤的平均含水率；

（3）把气室的进气管与打气筒利用导气软管相通连接并确保连接处密封不漏气，利用打气筒连续向气室供气，直到气室内的气体压力到达预定值停止供气，同时将该向气室进气的导气软管上的开关关闭，以保持气室的气体不会通过该导气软管流出；

（4）从气室内封闭的气体压力到达预定值开始计时，观测封闭气体压力P(t)的动态，并做好记录，以                                                为因变量，时间t为自变量，利用EXCELL或其他分析软件分析～t的关系，确定二者之间所呈线性关系的斜率S，将S作为导气特征参数；

（5）在多种水分条件下重复步骤（2）（3）（4），得到导气特征参数S与土壤含水率θ的定量关系：θ=f(S)，所述导气特征参数S与土壤含水率θ的定量关系θ=f(S)，一般为指数函数或者幂函数形式,其中a、b、c、d为常数，e为自然对数的底数；具体对应关系由具体的土壤质地、结构、探管的规格以及通气孔规格、数量和分布状况决定；

（6）利用θ=f(S)，可以通过对导气特征参数S的观测来实现原位定量计算土壤剖面内含水量的动态变化。

本发明的基于瞬态导气原理的土壤剖面水分监测系统与测量方法，是利用供气装置给探管通气，直到气室内的气体压力到达预定值停止供气，同时将该导气软管上的开关关闭，以保持气室的气体不会通过该导气软管流出，从气室内封闭的气体压力到达预定值开始计时，观测封闭气体压力P(t)的动态，并做好记录，以为因变量，时间t为自变量，利用EXCELL或其他分析软件分析～t的关系，确定二者之间所呈直线的斜率S，将S作为导气特征参数，利用事先获得的导气特征参数与土壤水分的定量关系计算出土壤剖面的含水率。

本发明所述的基于瞬态导气原理的土壤剖面水分监测系统与测量方法与已有技术相比具有突出的实质性特点和显著进步，根据土壤空气传导理论，考虑到在边界条件一定下，土壤水分是影响土壤导气特性的主导性因素，通过建立导气特征参数S与土壤含水率θ的定量关系，通过土壤导气特征参数S的测量达到观测土壤剖面水分的目的；不仅在技术上能够实现，而且设备价格大大降低，易于大面积推广使用。

附图说明：

图１是本发明的结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例１，参见图１，选用打气筒作为供气源１，用来提供气流；将探管2主体埋设于土壤内，并在土壤以上保留10-15cm，探管2边壁设置有均匀分布的通气孔9，开孔率介于5%～25%，探管2的管径介于3～10cm，接受来自于供气源1的气流经通气孔9渗透到周围土壤中，用于土壤导气特性的测量；气室3上开口端被气室橡皮塞10密封，气室橡皮塞10上有两个硬质导气管5，气室3位于探管2和供气源1之间，三者通过导气软管4经两个硬质导气管5相串联；探管2下端封闭，上端开口并用探管橡皮塞6密封，经探管橡皮塞6通过三通7的两个支路经导气软管4分别与气室3和气压测量计8相连接，气压测量计8用来测量气体压力；形成本明的一种土壤剖面水分监测系统。

实施例2，与实施例1的不同点，探管2外表包覆高分子疏水性透气膜11。

实施例3，采用实施例１或2的监测系统，实现土壤剖面水分动态原位测量方法，其步骤为：

（1）首先根据测量或研究目的，将探管埋设于土壤当中，探管在土壤以上保留10-15cm，且保证探管与土壤接触紧密无缝隙；

（2）利用烘干称重或者其他土壤水分测量手段测量探管所在区域土壤的平均含水率；

（3）把气室的进气管与打气筒利用导气软管相通连接并确保连接处密封不漏气，利用打气筒连续向气室供气，直到气室内的气体压力到达预定值停止供气，同时将该导气软管上的开关关闭，以保持气室的气体不会通过该导气软管流出；

（4）从气室内封闭的气体压力到达预定值开始计时，观测封闭气体压力P(t)的动态，并做好记录，以为因变量，时间t为自变量，利用EXCELL或其他分析软件分析～t的关系，确定二者之间所呈直线的斜率S，将S作为导气特征参数；

（5）在多种水分条件下重复步骤（2）（3）（4），得到导气特征参数S与土壤含水率θ的定量关系：θ=f(S)，导气特征参数S与土壤含水率θ的定量关系θ=f(S)，为指数函数或者幂函数形式,其中a、b、c、d为常数，e为自然对数的底数；具体对应关系由具体的土壤质地、结构、探管的规格以及通气孔规格、数量和分布状况决定；

（6）利用θ=f(S)，可以通过对导气特征参数S的观测来实现原位定量计算土壤剖面内含水量的动态变化。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的情况下，还可做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。