墒情自动测量仪器现代化水文技术

能实际应用的熵情自动测量仪器可以大致分为两类：一类仪器直接测得土壤含水量；另一类仪器测量土壤水的水势值，再转换为土壤含水量。能直接测得土壤含水量的仪器有微波（介电常数）测量方法、中子法等。实际上，微波法和中子法也是测量与土壤含水量有关的某一参数，将这一被测参数（土壤介电常数、慢中子数）转换成土壤含水量的工作由仪器自动完成，因此也不完全是直接测量。土水势测量方法有张力计法、压膜法等，这里只介绍张力计法。

1.张力计式土壤湿度仪

（1）工作原理。土壤水在土壤中受到各种力的作用，在受力状态下，土壤水的自由能有所降低。这种势能的负变化定义为土水势，它反映了土壤水的能量状态。可以认为，水势是在相同温度时，从土壤中提取单位水量所需要的能量。有水力联系的相邻两点土壤水具有不同的势能时，即产生土壤水的运动。土壤水将从势能高处向势能低处运动。因此，植物根系四周土壤的含水量达到一定数值时，土水势会大于植物根系内部的根水势，才能保证水分从土壤进入根系，植物能吸收到水分。土水势与土壤水吸力密切相关，土壤水吸力与土壤含水量有关系，使得土水势与土壤含水量有较稳定的关系，此关系因不同土质而不同。可以由不同土水势得到各种土质的含水量。

张力计是感应土壤水吸力的一种传感器。其下端装有一特制瓷杯，瓷杯壁上孔隙的孔径约为1.0～1.5μm。当张力计充水时，瓷杯壁上的孔隙水上有一定的张力，这种张力允许有压水通过孔隙，而对空气起阻止作用。将张力计内装满不含气体的水，密封后埋入土壤中，使瓷杯体与土壤紧密接触。张力计中的水通过瓷杯壁上的孔隙与土壤水分建立水力联系。在这个系统中，当张力计内外的水势大小不同时，水将由高水势处向低水势处运动，直到张力计内外水的势能达到平衡。除四周土壤水分处于饱和状态外，在土壤水吸力的作用下张力计内的部分水会向外运动而使张力计内形成负压，测量张力计内负压的大小即可得到土壤水吸力的值。在此基础上用压力变送器和单片机系统进行二次感应和A/D转换完成土壤水吸力的测量过程。

由此可见，张力计测量的是土壤水吸力，即张力计内的负压，使用压力传感器来测量其值。从压力测量的原理看，与前述的压阻式压力水位计的原理是一样的。测得土壤水吸力后，再依据土壤性质，利用这种土壤的土壤水吸力与土壤含水量的关系确定土壤含水量。

图2.129　张力计式土壤湿度仪的组成

1—张力计；2—压力变送器；3—测量仪；4—土壤

（2）仪器的结构与组成。张力计式土壤湿度仪由张力计、压力变送器、测量仪、电源和信号线等部件组成。张力计式土壤湿度仪的组成如图2.129所示。

张力计下部是感应部件特制瓷杯；中部是一根空心管，管内充满纯水，同时起支撑和连接作用，其长度按测量深度的需要而定；上部是透明材料制作的集气管，侧面安装压力变送器，上方为排气加水口。排气加水口以及张力计各部分连接处都必须能严格密封，并有一定耐压防漏性能。

用于自动测量时，压力变送器内装有压力感应元件和信号处理电路，压力感应元件多数应用压阻式感测元件，感测到张力计内部的压力后转换成模拟或数字信号输出，供测量仪处理。用于人工测量的张力计式土壤湿度仪，其压力变送器可以只是一个指针式压力表，由人工读出张力计内部的压力，再转换成土壤含水量。

自动测量时，张力计输出的信号由配置的专用测量仪处理，将此“压力值”转换成土壤含水量。转换时需要应用相应的土壤水分曲线，可以参考借用一些标准曲线，如果需要提高准确度的话，可以用烘干法进行一些比对校正。图2.130是一种张力计式土壤湿度仪外形。

图2.130　张力计式土壤湿度仪

（3）技术性能。包括技术要求、准确度分析、特点和应用。

1）技术要求。以国内一种自动测量墒情的产品为例，其技术指标如下：量程：－80～0k Pa；测量准确度：±2%（压力变送器）；分辨率：1k Pa；测量土层深度：0.2～2m（埋设深度）；工作环境：5～40℃；电源：DC12V。

技术指标中量程、准确度都是针对压力而言的，按照不同的土壤水分曲线转换成土壤含水量后，才能得到真正的土壤含水量量程和准确性。土壤含水量的量程足够大的，但准确性将低于±2%。

2）准确度分析。张力计式土壤湿度仪对土壤水吸力值的测量要通过张力计感应、压力变送器测量和测量仪处理三个环节。这三个环节都会产生一定误差，前两个环节出现的误差相对较大。由此测得值通过土壤水分曲线求取土壤含水量时，还会产生不能忽略的误差。实际测点的土壤结构、地温也会影响测量准确性。影响因素很多，所以张力计式土壤湿度仪的测量准确性并不高。但总的来讲，可以满足很多土质的农业生产上的测量要求。

3）特点和应用。这种仪器是一种简便、实用的土壤含水量测量仪器，可以在田间原位进行连续的自动测量。价格低、使用方便、输出信号容易处理，与自动化系统的连接也很简单，这些特点使它可以成为一种土壤水自动监测仪器。

用于人工测量的张力计式土壤湿度仪，其结构更简单，但要由人工读出指针式压力表读数，再转换成土壤含水量。但测量准确性不高，也不能用于0℃以下的环境。

（4）安装使用。应用时要将张力计埋入地下，使张力计的透水瓷杯（也可能是透水石）位于所需的测量点，埋入时尽量不要过多破坏土壤结构。压力变送器和终端机用专用电缆相连。电缆要有机械和防雷保护，架设要求和压阻式水位计相同。

使用前要打开张力计上口密封盖，加满蒸馏水，再盖好密封装置。过一段时间后张力计内的水会通过透水瓷杯的渗透与外部土壤的含水量达到平衡，张力计内形成负压，此负压由压力变送器测得、传出，仪器开始工作。长期工作中，要定期检查、加水。

精度要求较高的测量点，可以用烘干法取土测量含水量和仪器测得值进行对比。但取土的代表性需要考虑周到。

2.雷达土壤湿度仪

利用微波在土壤中的传播特性受土壤含水量影响的原理可以测量土壤含水量。雷达使用微波，有时也把使用微波的仪器称为雷达土壤湿度仪。可以根据探测器发出的电磁波（微波）在不同介电常数的物质中传播速度（时间）的不同计算土壤含水量，这样的仪器称为时域反射仪（Time Domain Reflectometry，TDR）。也可以利用电磁脉冲原理，根据电磁波在土壤中传播频率来测试土壤的表观介电常数，得到土壤容积含水量，称为频域反射仪（Frequency Domain Reflectometry，FDR）。从使用角度看FDR和TDR差别不大。总的来讲，TDR的性能可能优于FDR，但价格也高些。

（1）时域反射仪（TDR）。包括工作原理、仪器的结构与组成、技术性能和安装使用。

1）工作原理。时域反射仪是利用特高频电磁波在土壤中的传导特性来测定土壤含水量的仪器。电磁波在介质中传播速度v可用下式表示：

式中：C为电磁波在真空中的传播速度；ε为介质的介电常数；μ为磁性常数。

电磁波在真空中的传播速度C为300000km/s。土壤的磁性常数为1，则上式变为：

土壤中固体成分占其容积的50%左右，土壤固体成分的介电常数一般为2，水的介电常数约为80，因此土壤水分数量的多少对土壤的介电常数影响很明显。根据国外某些研究成果，不同质地土壤的介电常数与土壤含水量的关系可以统一标定，误差在5%以内。而且容重、温度对土壤的介电常数与土壤含水量的关系影响很小。

时域反射仪利用上述原理，测定电磁波在土壤中传播一定距离所需的时间，求出土壤的介电常数，再根据已标定的土壤容积水含量与土壤介电常数的关系推求出土壤水含量。标定曲线内置在仪器中，仪器直接显示土壤容积含水量，可以提供多条标定曲线，供实际使用时按土质情况选择。

2）仪器的结构与组成。时域反射仪由传感器和测量仪两部分组成，两者可以是一体化的或用专用高频电缆连接，一体化的仪器多用于人工测量。传感器分探针式和杆式两类，探针式的传感器上有两根探针电极，插入土壤中进行测量。探针电极是波导柱体，发射接收微波，测量埋设处土壤含水量。杆式传感器是一较粗的圆杆，测量时插入土壤中。测量仪是手持式或固定型的，它的作用是控制测量的进行，接收测得信息并处理成土壤含水量。这类仪器都有显示、存储功能，也有数据读出功能。用于长期埋设使用的仪器有遥测接口。时域反射仪使用微波，频率很高，传输电缆是专用的同轴电缆，不能太长。为了便于野外应用，都带有电池供电。图2.131是两种探针式和一种杆式的时域反射仪土壤含水量计。

图2.131　时域反射仪土壤含水量计（TDR）(www.xing528.com)

3）技术性能。包括技术要求、准确度分析、特点和应用等。

a.技术要求。这类产品大多都是国外生产的，品种较多，国内没有技术标准要求。综合国外产品，可以达到如下技术要求。土壤水测量范围：0～60%、0～100%（体积含水量）；土壤水测量准确性：±2%（体积含水量）；分辨力：≤0.1%；工作温度：0～45℃（或更高）；数据处理：可内存和显示；安装型式：土表型（人工测量）、可埋型（可自动工作）；电源：12～24V。

b.准确度分析。时域反射仪测量原理准确，电磁波传播速度的影响因素、磁性常数、介电常数的物理意义很明确，只要能准确测量出传播速度，就可以得到较准确的土壤含水量。做到这一点比处理多个变化的影响因素要容易，所以时域反射仪的测量准确性比较高，可达到2%，完全可以满足测量要求。

c.特点和应用。时域反射仪是目前使用的各种土壤含水量测量仪器中较好的一种。埋入或插入土壤内测量时具有不破坏土壤结构、不扰乱土壤内热量传导和物质运动的天然状态、测量迅速（秒级）、准确等优点。由于传感电极不大，安装也很方便。

这种仪器价格较高，一般情况下传输电缆不会超过5m（需要延长时要另行处理），所以比较适用于临时性和半永久性地在测点使用。尽管此类产品完全可以长期埋设使用，也有多种长期使用的专门产品，但在国内水文上用得较少。

4）安装使用。时域反射仪的探头要插到土层内的测量点，长期应用时应仔细埋设。临时应用时在地表先用土钻钻出要求直径和深度的孔，将探头插入即可。钻孔直径只需3～5cm。应使探头和土壤紧密接触，如果留有空隙，其中的空气会严重影响测量准确性。

长期应用时高频电缆的铺设要符合专用要求，不同于其他仪器的通信电缆。

（2）频域反射仪（FDR）。包括工作原理、仪器的结构与组成、技术性能和安装使用。

1）工作原理。频域反射仪测量土壤含水量时也是测量土壤的介电常数，但测量方法与时域反射仪不同。FDR的探头称为介电传感器，主要由一对电极（平行排列的金属棒或圆形金属环）组成一个电容，其间的土壤充当电介质，电容与振荡器组成一个调谐电路。应用一定频率的正弦信号，通过特殊设计的传输线到达介电传感器，介电传感器的阻抗依赖于土壤基质的介电常数。使用扫频频率来检测共振（驻波）频率（此时振幅最大），土壤含水量不同，发生共振的频率不同。测得的介电传感器的驻波电压，是土壤含水量简单而敏感的测度信号。

现介绍某一类产品的工作原理。这类产品测量的是土壤阻抗，土壤阻抗主要由土壤介电常数和离子传导率决定。使用高频信号时，可以选用合适的频率，使离子传导率对测量结果的影响趋于最小。使得在测量土壤阻抗时，可以认为只受介电常数的影响。仪器的探测器包括一组特殊设计的探测传输体（探针），插入土壤后，该传输体的阻抗随探针周围一小范围内的土壤阻抗变化而变化。测量此阻抗可得到探针附近的土壤阻抗，从而推求土壤的介电常数，再推求土壤含水量。阻抗的变化会产生一个电压驻波，会随探针周围土壤介电常数的变化而变化。利用信号振荡发送电压和探针返回电压的差值测量出土壤介电常数，此介电常数能很好地对应于被测土壤含水量。

一般认为介电常数的平方根与土壤含水量存在稳定关系，可以适用于多种土壤。在中低含水量时（如小于0.5m3/m3），可以用线性方程表示。

2）仪器的结构与组成。频域反射仪和时域反射仪的仪器构成相似，都由传感器和测量仪两部分组成，两者用专用高频电缆连接，或是一体化的。传感器也可能是探针式或杆式的。本例中的传感器上有四根探针电极，插入土壤后就可开始工作，频域反射仪土壤含水量计（FDR）如图2.132所示。图中是探针式和杆式时域反射仪土壤含水量计的外形。

图2.132　频域反射仪土壤含水量计（FDR）

探针电极发射和接收高频信号，测量仪接收处理信号、控制测量，具有显示、记录、通信接口。传输电缆也不能太长，一般超过5m后要进行专门处理。内装电池供电。

3）技术性能。以一种国内产品为例，其性能指标如下。测量范围：0～1.0m3/m3（土壤容积含水量）；测量准确度：±0.05m3/m3（使用通用土壤特性曲线），±0.02m3/m3（使用特定土壤专门标定的特性曲线）；测量土壤体积范围：90%影响在以中央探针为中心的直径2.5cm、长6cm的圆柱内；土壤电导范围：0～0.1s/m；稳定时间：通电后约10s；响应时间：0.5s内对含水量有99%的响应；输出：大约0～1VDC（0～0.5m3/m3土壤含水量范围，介电常数1～32）；工作特性：可长期埋设，自动工作；电源：7～15VDC，工作电流约20m A；测量仪功能：显示、存储、设置、通信；电缆长度：5m，最长100m；工作环境：0～＋40℃（土壤含水量为0.05～0.6m3/m3时）。

频域反射仪总的基本原理是一样的，但具体测量方法会有所不同，加上制造设计的差别，技术性能会有不同。在设计时有些仪器就不具有长期自动工作的功能，选用时要注意。

频域反射仪很难和时域反射仪全面比较，好的仪器也能满足自动监测土壤含水量的需要，价格上有其优势。

4）安装使用。频域反射仪的安装使用都很简单，将探针插入测点土壤就可以测量土壤含水量，也可能要用土钻打孔。必须使探针与土壤紧密接触，才能保证测量准确。长期应用时要埋设保护好仪器。安装应用要求和时域反射仪相似。使用频率可以达到100MHz，一定要注意高频传输问题。

要得到满意的测量准确度，应该在不同含水量时，在现场用所用的时域反射仪或频域反射仪测量介电常数，用烘干法测量土壤含水量，然后分析确定介电常数与土壤含水量的关系。使用仪器提供的标准关系难以得到较准确的土壤含水量数据。

3.中子土壤湿度仪

（1）工作原理。快中子源发出的中子在通过土壤时遇到土壤水的氢原子后，快中子将失去部分动能变为慢中子，测出慢中子的数量可以计算出土壤中的含水量。土壤中水分越多，中子传过一段固定距离后碰撞到水中的氢原子越多，从而产生的慢中子也越多。这个规律很确定，因此测得的慢中子数和土壤含水量的关系相当稳定。通过率定找出此关系就可以用此原理来测量土壤含水量。

图2.133　中子土壤湿度仪外形及测量示意图

（2）仪器结构与组成。仪器包括快中子源、慢中子检测器、处理记录显示仪。快中子源常用低剂量的镅、铍放射源，使用时和慢中子检测器一起埋设在测量点。记录显示仪控制仪器定时测量计数，并显示和记录测得数值。图2.133是一种中子土壤湿度仪的记录显示仪。

（3）技术性能。包括技术要求、准确度分析、特点和应用等。

1）技术要求。国外有多种成熟产品，以一产品为例介绍其技术性能。①土壤水测量范围：0～60%（体积含水量）；②含水量单位：体积含水量（%）、重量含水量（g/cm3）、英制重量含水量（镑/英尺3）；③测量准确性：0.24%（体积含水量）；④计数时间：1s、4s、16s、32s、64s、128s、256s；⑤工作环境温度：0～70℃；⑥标定：可存储8条标定曲线，供选用；⑦探头：直径4cm、5cm，长32cm；⑧具有显示、存储功能；⑨电源：12V可充电电池。

2）准确度分析。中子土壤湿度仪测量准确度较高，是一种早已被采用的仪器。慢中子产生的原因仅和水中的氢原子有关，放射源比较稳定，慢中子计数也是很准确的。标定曲线的准确性决定了仪器的测量准确度。

3）特点和应用。中子土壤湿度仪工作稳定、测量迅速、准确度高，很适于长期自动测量。由于它的放射性，也最好能长期固定应用，也适合于自动测报系统。也是因为它的放射性，与前述的同位素测沙仪一样，国内水文测验上很少应用。事实上目前的仪器所使用的放射性物质剂量很小，只要注意使用要求，不会有碍于人体和环境。

（4）安装使用。探头要进行埋入式安装，显示记录仪表的连接安装没有特殊要求。由于要使用放射源，应用中各个环节要有专门规定。

可以使用标准的标定曲线，也可以应用人工比测方法率定修正标定曲线。

4.应用墒情自动测量仪器应注意的问题

（1）了解土壤水的存在形式。土壤水的分类方法有多种，比较通用的方法将土壤水分为化学结合水、吸湿水、自由水。一般讲的土壤含水量是指用烘干法在105～110℃时从土壤中蒸发出来的水分，但化学结合水在此温度下是不会蒸发的。土壤结构差距很大，土壤水的存在形态必然不同。

（2）了解所用墒情自动测量仪器的基本原理。墒情自动测量仪器都测量某个与土壤含水量很有关系的参数，再由此参数按仪器提供的参数—土壤含水量关系得到土壤含水量。由于土壤结构不同、土壤水的存在方式不同，应用仪器提供的“标准”关系必然会带来较大误差。

（3）应该进行现场比测，得到较准确的参数—土壤含水量关系。要得到满意的测量准确度，应该在不同含水量时，在现场用所用的时域反射仪、频域反射仪、中子土壤湿度仪等墒情自动测量仪器测量介电常数等相应参数，用烘干法测量土壤含水量，然后分析确定所测数与土壤含水量的关系。使用仪器提供的标准关系难以得到较准确的土壤含水量数据。