土壤水分記錄儀測量技術
我國土壤干旱背景
我國地域廣大，南方天氣潮濕，但是北方干燥，在北方多地我國受旱面積較大，多年來的干旱給我過經濟帶來了巨大的損失，南水北調工程工程浩大，加上落實實地還需長久的時間，如何利用先進的儀器設備加強土壤墑情及時準確的監測具有十分重要的意義。為此，本文講解土壤水分記錄儀及土壤水分測定儀的介(jie)紹，這(zhe)些儀(yi)(yi)(yi)器能夠迅速(su)準(zhun)確監(jian)測(ce)突然那個水(shui)分狀況，并且可(ke)以集合氣(qi)象、環境等因素分析(xi)（通過溫濕度記(ji)(ji)錄(lu)(lu)儀(yi)(yi)(yi)、溫度記(ji)(ji)錄(lu)(lu)儀(yi)(yi)(yi)、溫濕光三參(can)數記(ji)(ji)錄(lu)(lu)儀(yi)(yi)(yi)、照(zhao)度記(ji)(ji)錄(lu)(lu)儀(yi)(yi)(yi)等環境監(jian)測(ce)儀(yi)(yi)(yi)器測(ce)量環境參(can)數得到），可(ke)以為(wei)旱情(qing)測(ce)報及抗(kang)旱救災工作提供科學(xue)依據。
土壤水分測量技術
土壤(rang)水(shui)分含測(ce)量方(fang)法在國內外比較普遍用(yong)的(de)較多的(de)是：時(shi)域反射法（TDR）與實(shi)(shi)域傳播法（TDT）。這兩種方(fang)法可以快(kuai)速實(shi)(shi)時(shi)測(ce)量土壤(rang)水(shui)分狀(zhuang)況(kuang)，與其他(ta)土壤(rang)水(shui)分含量測(ce)量方(fang)法相比，在測(ce)量的(de)實(shi)(shi)時(shi)性和精(jing)度都(dou)有優勢，使用(yong)操作更(geng)加靈(ling)活，還可以適用(yong)于不同類型的(de)土壤(rang)環境。
TDR土壤水分測量技術原理
TDR全稱時(shi)域反射法(fa)(Time Domain Reflectometry)，是根據電(dian)(dian)磁(ci)(ci)波(bo)(bo)在介(jie)質(zhi)(zhi)中的(de)(de)(de)傳(chuan)播(bo)速度來測定介(jie)質(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)介(jie)電(dian)(dian)常(chang)數(shu)(shu)(shu)從而確(que)定土(tu)壤(rang)(rang)(rang)(rang)容(rong)積含(han)水(shui)量及含(han)鹽量的(de)(de)(de)方法(fa). 電(dian)(dian)磁(ci)(ci)脈沖沿著波(bo)(bo)導棒(bang)的(de)(de)(de)傳(chuan)播(bo)速度取決于與波(bo)(bo)導棒(bang)相接(jie)觸和(he)包圍著波(bo)(bo)導棒(bang)材料的(de)(de)(de)介(jie)電(dian)(dian)常(chang)數(shu)(shu)(shu)（Ka）。電(dian)(dian)磁(ci)(ci)脈沖在土(tu)壤(rang)(rang)(rang)(rang)中傳(chuan)播(bo)時(shi)，其介(jie)電(dian)(dian)常(chang)數(shu)(shu)(shu)與土(tu)壤(rang)(rang)(rang)(rang)容(rong)積含(han)水(shui)量有很好的(de)(de)(de)相關性，與土(tu)壤(rang)(rang)(rang)(rang)類(lei)型(xing)、密度等幾(ji)乎無關。一般(ban)來說，土(tu)壤(rang)(rang)(rang)(rang)成(cheng)分包括空(kong)氣、礦物質(zhi)(zhi)和(he)有機顆粒(li)以(yi)及土(tu)壤(rang)(rang)(rang)(rang)水(shui)分等。 由于水(shui)的(de)(de)(de)介(jie)電(dian)(dian)常(chang)數(shu)(shu)(shu)遠(yuan)遠(yuan)大(da)于空(kong)氣和(he)土(tu)壤(rang)(rang)(rang)(rang)基(ji)質(zhi)(zhi)中其它物質(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)介(jie)電(dian)(dian)常(chang)數(shu)(shu)(shu),因此土(tu)壤(rang)(rang)(rang)(rang)的(de)(de)(de)介(jie)電(dian)(dian)常(chang)數(shu)(shu)(shu)主要依賴于土(tu)壤(rang)(rang)(rang)(rang)的(de)(de)(de)含(han)水(shui)量。
空氣(qi)－土(tu)壤－水分混合物的(de)較(jiao)粗略(lve)的(de)介電常數(shu)（Ka）可以(yi)通過公(gong)式來確定：
Ka=(t×c/L)2
“L”是波(bo)導的(de)長度
“t”為(wei)電磁脈(mo)沖從波導的始端到波導的末端所需的時間
“c”是真空中電磁波的傳播速度
電(dian)磁(ci)脈(mo)(mo)(mo)(mo)沖(chong)沿(yan)著波(bo)導(dao)棒傳(chuan)播就像一束光(guang)在傳(chuan)輸(shu)線(xian)中(zhong)傳(chuan)輸(shu)。傳(chuan)輸(shu)線(xian)的(de)(de)(de)(de)中(zhong)斷和周邊物質的(de)(de)(de)(de)不(bu)連續會使傳(chuan)輸(shu)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)部分(fen)能(neng)量(liang)通過(guo)傳(chuan)輸(shu)線(xian)反(fan)射(she)回(hui)來。當(dang)電(dian)磁(ci)脈(mo)(mo)(mo)(mo)沖(chong)到(dao)達波(bo)導(dao)棒傳(chuan)輸(shu)線(xian)的(de)(de)(de)(de)終端時，脈(mo)(mo)(mo)(mo)沖(chong)的(de)(de)(de)(de)剩余(yu)能(neng)量(liang)都將通過(guo)傳(chuan)輸(shu)線(xian)反(fan)射(she)回(hui)來。(圖1所示）這就像一束光(guang)沿(yan)著一條(tiao)管傳(chuan)播，在管的(de)(de)(de)(de)終端被鏡子(zi)反(fan)射(she)回(hui)來。利用電(dian)磁(ci)脈(mo)(mo)(mo)(mo)沖(chong)的(de)(de)(de)(de)這些特征，我(wo)們(men)可以利用精(jing)密的(de)(de)(de)(de)電(dian)子(zi)設備(bei),測量(liang)電(dian)磁(ci)脈(mo)(mo)(mo)(mo)沖(chong)沿(yan)著傳(chuan)輸(shu)線(xian)（波(bo)導(dao)）所需要的(de)(de)(de)(de)時間(jian)。考察脈(mo)(mo)(mo)(mo)沖(chong)輸(shu)入到(dao)反(fan)射(she)返回(hui)的(de)(de)(de)(de)時間(jian)以及反(fan)射(she)時的(de)(de)(de)(de)脈(mo)(mo)(mo)(mo)沖(chong)幅度的(de)(de)(de)(de)衰減，即可計(ji)算土壤水鹽(yan)含量(liang)。
2.TDT土壤水分測量技術
TDT全(quan)稱時域傳播(bo)法（Time Domain Transmissometry），其(qi)基本(ben)原理(li)與TDR相(xiang)同， 不同的(de)是(shi)TDT脈沖是(shi)在單根導播(bo)棒中傳播(bo)，其(qi)信號的(de)接受端(duan)在遠離發(fa)射端(duan)的(de)導播(bo)棒的(de)終端(duan)。而TDR脈沖信號的(de)發(fa)射端(duan)和接收端(duan)均是(shi)同一端(duan)。與TDR相(xiang)比(bi)，TDT水分測量儀具有以下優勢：
低頻率，耗電小；
線路簡單；
輸(shu)出(chu)不需要波形顯示(shi)和解釋；
價格相對便宜(yi)等優勢。
TDR與TDT水分測量相比：
TDR系統可以直接、快速、方(fang)便、實地監(jian)測(ce)土壤水鹽狀況，與其(qi)它測(ce)定方(fang)法相比，TDR具有較強的(de)獨立
性，測定(ding)(ding)結(jie)(jie)果幾乎與土(tu)壤類型、密度、溫(wen)度等無關。 將TDR技術應(ying)用(yong)于結(jie)(jie)冰條(tiao)件下土(tu)壤水分狀況(kuang)的測定(ding)(ding)，
可得到滿意的結果，而其它(ta)測定(ding)方法(fa)則是比較困難的。 TDR另一個特點是可同時監測土壤水鹽含量，在(zai)同
一(yi)地點(dian)同時測定，測定結果(guo)具(ju)有(you)一(yi)致性(xing)，而二者測定是*獨(du)立的，互(hu)不影響。
利用TDR技術實現的ZTS-2X土壤水分記錄儀技術參數:
土(tu)壤水分記錄(lu)儀功能(neng)特點：
*小(xiao)巧美(mei)觀便于(yu)攜(xie)帶，輕觸(chu)式按(an)鍵，大屏幕點陣式液(ye)晶顯示，全中(zhong)文菜單操作。
*一鍵式切(qie)換，可以手動記錄也可脫離(li)電腦隨時設(she)置(zhi)采(cai)樣間(jian)隔，自(zi)動記錄數據(ju)并存(cun)儲。
*實(shi)時(shi)顯示功能，將(jiang)儀器與電腦連接，電腦端實(shi)時(shi)顯示采集數據。
*交直流兩用(yong)，即可拿(na)到野(ye)外隨時(shi)(shi)測量采集數據，也可長時(shi)(shi)間放(fang)置記錄地點。
*數據保存(cun)功能強大，大可儲(chu)存(cun)5000條數據，即可在主機上查看數據，也可導入(ru)計算(suan)機。
*意外(wai)斷(duan)電(dian)后已保存在主機里的(de)數據不丟失。
*探頭具有(you)一(yi)致性，不同氣象參(can)數的傳感器接口可以互換，不影響精度(du)。
*將傳感(gan)器插入主機(ji)后無需設置，自動搜索(suo)到多種不(bu)同類別的(de)傳感(gan)器（類似(si)于U盤(pan)和(he)電腦相聯接）。
*省(sheng)電功能(neng)，如果(guo)超過(guo)3分鐘不操作(zuo)儀器，將(jiang)自(zi)(zi)動進入(ru)待機狀(zhuang)態。在待機時(shi)，儀器會按設(she)置的時(shi)間(jian)自(zi)(zi)動記錄數據。
土(tu)壤(rang)濕度(du)記錄儀上(shang)位機軟件功(gong)能：
1. 數(shu)據(ju)通訊(xun)(xun)。正確連接通訊(xun)(xun)線，按“顯(xian)(xian)示”鍵顯(xian)(xian)示記錄，然后按“保(bao)存”鍵自(zi)動發送記錄。
數據格式：
RecN Water T ET Emois Dew DATE TIME
0001 93.2% 017.9 018.8 ; 54.7% 09.4 08-03-12 10:44:00
RecN:記(ji)錄號，Water:土壤(rang)水分，T：土壤(rang)溫(wen)度(du)，ET:環(huan)境溫(wen)度(du)，Emois:環(huan)境濕度(du)，Dew:露(lu)點(dian)溫(wen)度(du)，DATE：日期(qi)，TIME:時間
2、數據處理。
將上傳的數(shu)據保存成txt文(wen)本文(wen)檔(dang)。然(ran)后運行(xing)EXCEL軟件(jian)，打開(kai)數(shu)據文(wen)件(jian)，進行(xing)相應的格(ge)式(shi)轉換后成為EXCEL文(wen)件(jian)，應用EXCEL功能(neng)繪(hui)制圖表(biao)、曲(qu)線等處理。也可(ke)用其它軟件(jian)處理。
技術參數：
1） 土壤水分
測量參數：土壤容(rong)積含水量；
單位：%（m3/m3）
量(liang)程：0-99.9%
分辨率：0.1%
精(jing)度：±2%，在0～50%范(fan)圍
響應時間：1秒
2） 土壤溫度
量程：-55-99.9℃
分辨率：0.1℃
精(jing)度：±0.5℃（-10℃-+85℃范圍(wei)）
6） 日(ri)期(qi)時(shi)間：顯示年月(yue)日(ri)時(shi)分秒
7） 記錄時(shi)間(jian)間(jian)隔(ge)：1-250分鐘(zhong)可(ke)設
8） 記錄容量：5000條
9） 電源(yuan)：4節5號堿性電池
10） 功耗(hao)：<50mA（開(kai)機(ji)），<5μA（待機(ji)）
待機時間：>1000小時
通訊：RS-232C接口
土壤水分數據的實際應用
根(gen)據(ju)獲取的(de)土(tu)壤(rang)水(shui)(shui)分(fen)(fen)含(han)量(liang)數(shu)據(ju)，可以繪(hui)制土(tu)壤(rang)水(shui)(shui)分(fen)(fen)利用曲線(xian)，通過該曲線(xian)，可以了解到水(shui)(shui)分(fen)(fen)利用程度以及什么時候開始(shi)灌溉(gai)適宜。結合智拓儀器提(ti)供的(de)相應氣(qi)象傳感器，可繪(hui)制出每(mei)日水(shui)(shui)分(fen)(fen)含(han)量(liang)及騰發量(liang)動(dong)態曲線(xian)。
計算(suan)所(suo)需要的(de)灌溉量：
灌(guan)溉量=（田(tian)間(jian)持水量-當前平均含水量）×所需(xu)灌(guan)溉深度
此(ci)外，還(huan)可以從圖(tu)表(biao)上直觀獲取(qu)田間持水量(liang)、壓力點及所需灌(guan)水量(liang)。利用數據結合無線電系統(tong)裝(zhuang)置，可以實現灌(guan)溉管理。
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