探针式移动测墒仪快速率定与验证

李长龙

（铁岭市南城子水库管理局，辽宁铁岭112300）

探针式移动测墒仪快速率定与验证

李长龙

（铁岭市南城子水库管理局，辽宁铁岭112300）

探针式移动测墒仪可根据旱情发展增加监测频次和监测站点，可直接在大田使用，避免固定埋设式自动仪器监测环境与大田环境变化不同步带来的误差。探针式移动测墒仪应与大田土壤建立率定公式才能正常使用，通过对探针式移动测墒仪监测原理和使用方法的研究，提出实验室快速率定公式方案，建立准确可靠的率定公式。在探针式移动测墒仪使用过程中与人工烘干法监测数据进行对比分析，验证了率定公式的准确性。

土壤水分；移动测墒仪；率定；验证

1 概况

土壤墒情是水循环规律研究、农牧业灌溉、水资源合理利用以及抗旱救灾的基本信息。加强土壤墒情监测工作，提高土壤墒情信息的时效性，可以为抗旱减灾决策和水资源配置等提供科学依据，满足旱情应急监测的需要。

墒情信息主要依靠人工监测站、固定自动墒情站和移动自动墒情站收集，自动墒情监测站有固定埋设自动墒情监测和人工便携式自动墒情监测两种使用方式，人工便携式自动墒情监测也称为移动自动墒情监测。当前水利部门移动自动墒情站使用的移动测墒仪多采用介电法类仪器，移动测墒仪应与监测地点土壤建立率定公式才能正常使用。

移动测墒仪建立率定公式通常有现场率定和实验室率定2种方法，现场率定受自然因素影响较大，难以测得土壤含水量较高或较低时监测仪器的参数。实验室率定传统方法是环刀法，土壤含水量从高到低变化过程缓慢，存在环刀端面与环刀中心土壤含水量不一致问题，影响率定公式准确性。通过对探针式移动测墒仪监测原理和使用方法的研究，提出实验室快速率定公式方案，建立准确可靠的率定公式，在探针式移动测墒仪使用过程中与人工烘干法进行对比分析，验证了率定公式的准确性。

2 率定原理

探针式移动测墒仪使用时将传感器插入土壤中，利用频域反射法或时域反射法原理，测量反馈的电信号值，通过率定公式得到土壤含水量数据。

建立率定公式就是将传感器电信号值与实时的土壤含水量作为一组数据，在土壤含水量不同状态下测量传感器反馈的电信号值，形成数据系列，利用多项式等数学模型，建立传感器电信号值与土壤含水量的函数关系。

3 实验室率定

1）实验器材。特制环刀（直径70 mm，高70 mm，满足传感器探针完全插入环刀土壤不外露）、铁锹、厘米尺滤纸、筛子（孔径1 mm）、盛水容器、不锈钢托盘、电子天平（感量0.01 g）、电热恒温干燥箱、干燥器、移动测墒仪。

2）取样要求。采集土壤样本位置应在大田监测地块，选定地块应为均匀土质，在20 cm深度上取土。取土量不低于2 kg（体积约能装满3个环刀），装入塑料袋，用油性笔在塑料袋上标记站点名称。采样时应避免植物根须、石块等杂质掺入土壤样本。

3）参数设置。参照移动测墒仪使用说明书，设置一个多项式类型的实验公式存储在移动测墒仪内，该公式三次方系数、二次方系数、常数项设为零。一次方系数设为0.01（消除仪器显示数据时乘以的100%）。用此公式测量土壤含水量，显示值即为传感器电信号值。

4）土样浸泡。环刀有孔底盖垫一张滤纸后盖在环刀刃口，将土样晾干，用筛子去除碎石、树根等异物，填满环刀，置于盛水容器中架空。向环刀内缓慢注水，土样沉降后加土再注水，直到土样填满环刀不再沉降为止（模拟土壤天然密实程度），削平环刀表面土样，将盛水容器内水位加置距环刀上沿1～2 mm，浸泡2 h。多余土样备用。

5）测定电信号值和重量。取出浸泡好的环刀土样，悬空放置10～20 min左右，待环刀有孔底盖不再滴水时放入称重托盘中，将移动测墒仪传感器垂直缓慢插入环刀内，直到传感器探针完全没入土壤中。打开移动测墒仪使用设置好的实验公式测量土壤含水量，测量结果即为传感器电信号值。拔出传感器，使用电子天平测量环刀、土样、滤纸、托盘的整体重量。

测量完毕，将环刀内土样取出，放入不锈钢托盘摊开晾晒，待土样内水分有一定下降后，装回环刀，插入传感器，再次测量传感器电信号值，拔出传感器后再次重量并做记录。

注意插入传感器探针时不得接触到环刀内壁，不得摇动，保证传感器探针不暴露在空气中，并与土壤紧密接触。拔出传感器时探针粘附的泥土要放回环刀内，不得丢失。每次测量均记录时间、电压、重量3组数据。土样从环刀取出放入不锈钢托盘，以及装回环刀过程中，土样不得丢失。装回环刀时土样要均匀压实，确保环刀上沿土样平整，环刀内土壤密实度不变。

实验过程中应密切观察土样干燥情况，取得土样含水量下降过程中分布较均匀的数据，数据不得少于10组，以利于绘制传感器电信号值与土壤含水量曲线。

6）烘干计算。将环刀内土样放入不锈钢托盘摊开，放入恒温干燥箱，105±2℃条件下持续恒温12 h。在干燥器内冷却后称重（托盘+干土+滤纸），填写表1，按照人工取土烘干法要求计算土壤重量含水量。

7）建立率定公式。将移动测墒仪数据录入电子表格中，选中电信号值和含水量两列，插入散点图，右单击图中一个测点，添加趋势线，选择多项式，阶数为3，选中显示公式和显示R平方值，得到率定公式，见图1。

率定公式为：

式中：x为传感器电压，v；y为土壤含水量，%。

图1 铁岭站土壤含水量与传感器电压关系曲线图

R2是公式曲线拟合程度的指标，它的数值大小可以反映公式曲线的估计值与对应的实际数据之间的拟合程度，R2值越趋近于1，率定公式的准确性就越高。

4 验证

将率定公式存储在移动测墒仪中，在大田中开挖剖面监测含水量数据，每个采集深度插入传感器3次，取3次读数的平均值填写表1。同时在每个采集深度取3分土壤样品装入铝盒，有现场称重条件时应现场称重，带回实验室按照人工取土烘干法计算含水量。

表1 移动测墒仪与人工墒情数据对比分析

计算各采集深度各测次移动测墒仪与人工烘干法的绝对误差和绝对误差的平均绝对值，见表2。

对野外采用人工便携式自动墒情监测方式，其监测数据与人工取土烘干法相比，其绝对误差的平均绝对值应δ≤3%。由表2计算结果看出每个采集深度δ均小于3%，说明移动测墒仪与人工烘干法监测数据趋势基本一致，误差符合规范要求，证明实验室快速率定公式方案准确可靠。

5 结语

探针式移动测墒仪快速率定方案为墒情应急监测提供了方便快捷的途径，既节省了人力、物力，又提高了工作效率，对提高移动测墒仪监测数据的准确性、可靠性和代表性具有重要的意义，为国家防汛抗旱指挥系统二期工程旱情信息采集系统建设提供有力支撑。

［1］金福一.提高烘干法含水量数据准确度的研究［J］.中国水利，2015（13）.

TH873.7

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1002－0624（2017）03－0039－03

2016-10-05