墒情监测仪器实验室检测技术研究与应用

刘满红，陈 敏，刘国庆

（1. 水利部水文仪器及岩土工程仪器质量监督检验测试中心，江苏 南京 210012；2. 水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏 南京 210012；3. 南京水利科学研究院，江苏 南京 210029）

墒情监测仪器实验室检测技术研究与应用

刘满红1,2，陈 敏1,2，刘国庆3

（1. 水利部水文仪器及岩土工程仪器质量监督检验测试中心，江苏 南京 210012；2. 水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏 南京 210012；3. 南京水利科学研究院，江苏 南京 210029）

墒情信息是反映旱情的关键指标，由于墒情监测仪器种类繁多，可靠性、稳定性、准确性参差不齐，产品实际应用情况与标称技术指标差异较大，墒情监测数据准确性得不到保证。通过墒情监测仪器检测技术研究和检测流程设计，对仪器全性能技术指标进行检测和质量评定，为我国建设墒情自动监测站和国家防汛指挥系统二期工程旱情信息采集系统项目的仪器选型工作提供质量保障。

墒情；监测仪器；技术指标；质量检测

0 引言

随着国家抗旱减灾要求的不断提高和国家防汛抗旱指挥系统工程项目的实施，土壤墒情自动监测站点将大量增加，不仅对站点监测的实时性和准确性要求越来越高，也对墒情监测仪器质量提出了越来越高的要求。目前墒情监测仪器种类繁多，由于生产加工手段和工艺流程的差异，产品性能、可靠性、稳定性、准确性参差不齐，产品实际应用情况与标称技术指标差异较大，墒情监测数据准确性得不到保证，导致基础墒情信息不足和不准确，影响了已建墒情自动监测系统效能和作用的发挥[1]。因此，探索不同墒情监测仪器的率定方法和影响因素，开展检测技术研究和测量效果评价，从种类繁多的仪器中挑选出适合国家防汛抗旱工程项目要求的监测仪器，确保产品质量，已非常必要和紧迫[2]。

1 墒情监测仪器发展现状

墒情监测仪器主要是用于土壤含水量的测量，在土壤含水量测量技术的发展方面，国内外许多学者做了大量的研究工作。国外的土壤含水量测量技术发展的比较早，开发的墒情监测仪器也比较成熟。1922年，Gardner 就开始从事张力计快速测定非饱和土壤水张力的研究； Belnede 和 Wilford Gardner，Dan Kirknam 分别在 1950 和 1952年提出了利用中子衰减法快速测量土壤含水量[3]；1976年Topp 和 Davsi 首先将时域反射法引入土壤水分快速测量的研究，并逐步形成为一种比较完善的土壤含水量测量系统[4]；1983年，Hainsworth 等人开始探讨利用 X 射线来测量土壤湿度的可行性[5]；20 世纪末，Whalley 在实验室内用近红外线的方法测量土壤含水量[6]，并取得了一定的研究成果，日本学者也在这方面进行了大量的研究，并研制成功了近红外土壤水分传感器。

近年来，我国在土壤含水量测量技术方面的研究也有了一定的进展，同时也研制了一批用于测量土壤含水量的传感器。土壤墒情监测也从用传统的烘干方法测量土壤含水量逐步发展为用快速、无损伤技术测量土壤含水量。国家对此投入了大量研究经费，在国家自然科学基金、“九五”攻关课题，以及“863”计划等重大科研项目中均有立项，力图寻找一种适合中国国情的、低成本的便携式土壤水分快速测量技术，对我国土壤水分快速测量技术的发展起到了很大的推动作用。20 世纪 70年代末期，西安电子科技大学就开发了 SVJ-3 型微波水分测定仪，同时，兰州大学、南京大学也对此进行了探索性研究；南京水利科学研究院开发和研制出了第一代分体式核子频域法表层型水分-密度仪；中国农业大学在土壤水分快速测量技术方面取得了较大的进展。随着我国土壤水分快速测量技术的不断进步，促进了国内墒情监测仪器的开发和应用，同时也缩小了与国际先进水平的差距。

2 常规检测方法比较与分析

目前常见的墒情监测仪器检测方法为实验室检测，主要包括溶液法、石英砂法和土壤法。国外比较常用的检测方法是溶液法，这种方法是通过配置不同介电常数的溶液，检测传感器的准确度。石英砂法在我国气象部门使用的比较多，这种方法是配置一定含水量的石英砂样品检测传感器测量的准确度。土壤法是通过配置不同含水量的土样检测传感器的准确度，由于墒情监测仪器是测量土壤含水量的，所以土壤法是最接近实际使用情况，最能反映土壤墒情监测仪器准确度的方法。几种方法的比较如表 1 所示。

表 1 墒情监测仪器国内外实验室常规检测方法比较

通过上述墒情监测仪器国内外实验室常规检测方法比较分析，只有在土壤法的基础上，开展墒情监测仪器检测技术研究，针对监测仪器各项性能指标进行系统的测试，才能完整地反映出监测仪器的各项性能指标能否达到实际使用的要求。

3 实验室检测主要内容与技术要求

3.1 主要检测内容研究

墒情监测仪器在进行检测前，首先要根据墒情监测仪器的特点和 SL 364—2015《土壤墒情监测规范》《土壤水分监测仪器通用技术条件》（国家防汛抗旱总指挥部办公室文件办旱—[2012] 32 号）等相关标准和规范性文件[7]，确定需要检测的主要技术指标，目前墒情仪器检测指标主要包括仪器外观、环境条件适应性、电源适应性、信号接口与输出、工作电流、绝缘电阻、准确性、测量结果的重复性、外壳防护、机械环境适应性、可靠性等内容[5]。其中准确性测试项中，根据《土壤水分监测仪器通用技术条件》（办旱—[2012] 32 号）在原 GB/T 28418—2012《土壤水分（墒情）监测仪器基本技术条件》的基础上进行了改进，结合国内外墒情监测仪器实际使用情况，将准确性测试误差判定指标由相对误差改为绝对误差，准确性绝对误差控制在 ≤ 2%。墒情监测仪器主要检测项目如表 2 所示。

表 2 墒情监测仪器实验室检测项目

3.2 墒情监测仪器检测项目技术要求

1）外观。依据 GB/T 18522.6—2007《水文仪器通则第 6 部分：检验规则及标志、包装、运输、贮存、使用说明》，检查仪器外观是否有瑕疵，产品标识是否清晰。应满足的基本要求：外观暇疵不影响监测仪器功能和性能；在监测仪器外观明显位置应有标识，标识应清晰完整。

2）环境条件适应性。依据 GB/T 9359—2001《水文仪器基本环境试验条件及方法》，SL 364—2015《土壤墒情监测规范》，根据土壤墒情监测仪器实际使用情况而制定的测试方法和测试内容。墒情监测仪器为了满足野外使用条件，一般环境条件适应性测试温度应满足空气温度 -10～50 ℃，土壤温度 0～45 ℃，湿度应满足 95%（40 ℃ 时，无凝结）的基本要求。

由于我国北方气候冬季寒冷干燥，南方地区夏季潮湿的特点，墒情监测仪器在环境恶劣的地区必须满足当地特殊气候条件，依据标准制定特殊环境条件，包括：高寒或高热地区，仪器应能适应下列环境不损坏：空气温度 -30～60 ℃；土壤温度 -20～55 ℃；空气相对湿度 100%。

由于不同种类的自动监测仪器性能不同，在环境适应性能上也应有差异。介电法类仪器应满足空气温度 -10～50 ℃，土壤温度 0～45 ℃，湿度 95% （40 ℃时，无凝结）的基本要求。张力计法仪器应满足空气温度 5～50 ℃，土壤温度 0～45 ℃，湿度95%（40 ℃时，无凝结）的基本要求。中子法仪器不仅应满足空气温度 -10～50 ℃，土壤温度 0～45 ℃，湿度 95%（40 ℃时，无凝结）的基本要求，同时在土壤冰冻条件下仍然可以测定土壤的含水量。

3）电源适应性。依据 SL 364—2015《土壤墒情监测规范》、GB/T 15966—2007《水文仪器基本参数及通用技术条件》规定，水文仪器工作电源有直流和交流 2 种，为确保仪器能长期连续在野外工作，一般应尽量采用直流电源。电压的范围，交流电：220 V，50Hz，允许偏差范围 ±10%；直流电源：一般采用 1.5，3.0，6.0，9.0，12.0，24.0 V，允许偏差范围 -10%～+20%。因此，墒情监测仪器电源适应性的基本要求：在电源标称值的 90%～120% 范围内，监测仪器应正常工作。推荐采用直流电源供电，电源电压推荐为 12.0 V。如采用自适应电源，在产品规定的电压范围内应能正常工作。

4）信号接口与输出。依据 GB/T 15966—2007《水文仪器基本参数及通用技术条件》规定，水文数据记录或数传设备应具备 RS-485，RS-232 标准或专用接口。结合国内仪器通用接口标准，土壤墒情监测仪器接口可选用 RS-485/422，RS-232C，SDI-12 等通用接口标准，采用模拟量输出的，一般采用电压或电流 2 种模拟量方式输出。中子法仪器一般直接输出土壤含水量。

5）工作电流。工作电流测试是对墒情监测仪器在额定电压工作条件下的工作电流进行测试。依据GB/T 15966—2007《水文仪器基本参数及通用技术条件》规定，水文仪器的静态功耗和工作电流允许随仪器的功能不同而异，但以低功耗为优。结合现有产品的主要技术指标，墒情监测仪器工作电流一般应不大于 50 mA。

6）绝缘电阻。依据 GB/T 15966—2007《水文仪器基本参数及通用技术条件》规定，传感器的绝缘电阻一般不应小于 5 MΩ，显示与记录等电器装置不接地处的绝缘电阻不应小于 1 MΩ。结合产品实际情况，电源输入端与外壳之间绝缘电阻应不小于 2 MΩ。

7）准确性。墒情监测仪器的准确性是表征仪器的品质和特性最重要的性能指标，因为使用墒情监测仪器的目的就是为了得到准确可靠的测量结果。通常准确性用置信水平 0.95 以上的置信区间表示，但目前国内外均没有相关标准，所以目前采用了绝对误差表示。依据 SL 364—2015《土壤墒情监测规范》《土壤水分监测仪器通用技术条件》（办旱—[2012] 32 号）等相关标准和规范性文件规定，结合墒情监测仪器实际使用情况，准确性一般表示方法为墒情监测仪器与烘干法测量值之间的绝对误差平均值不大于体积含水量 2%。

绝对误差的平均绝对值可按如下公式（1）计算：

8）重复性。测量仪器的重复性，即多次测量同一量时其示值的变化。实质上反映的是测量仪器的随机误差分散性，就测量结果的一致性而言，重复性可以用实验标准差定量表示。依据 SL 364—2015《土壤墒情监测规范》《土壤水分监测仪器通用技术条件》（办旱—[2012] 32 号）等相关标准和规范性文件规定，墒情监测仪器实验标准差 ≤ 1%，实验标准差计算公式如下。

有限次独立重复测量的实验标准差通常用贝塞尔公式（2）表示：

9）外壳防护。依据 SL 364—2015《土壤墒情监测规范》《土壤水分监测仪器通用技术条件》（办旱—[2012] 32 号）等相关标准和规范性文件规定，以及墒情监测仪器长期埋设于土壤内的使用情况，由于长期受到土壤内水分的影响，固定埋设的墒情监测仪器外壳防护等级必须达到 IP 68 级别。

10）固态存储。依据 SL 364—2015《土壤墒情监测规范》，对具有固态存储功能的土壤墒情监测仪器，存储容量应不小于 3 000 组数据或存储容量不少于 2a。

11）抗冻胀性。抗冻胀性为特殊条件指标，一般地区不需要测试，主要用于高寒地区监测仪器特性测试。需要时可根据实际使用情况，以及冻胀试验温度等具体条件，确定冻胀测试方法。

12）防腐蚀。防腐蚀为特殊测试，依据 GB/T 18185—2014《水文仪器可靠性技术要求》，墒情监测仪器正常使用期一般为 5a，埋入土壤 5a 内不应因腐蚀而影响正常使用。需要测试时可根据实际使用情况确定测试的具体方法和指标。

13）机械环境适应性。振动试验，GB/T 9359—2001《水文仪器基本环境试验条件及方法》规定，监测仪器在包装状态下，承受扫频振动频率 10Hz→150Hz→10Hz、扫频速度 1 倍频程/min、加速度 2 g，试验结束后，产品外包装箱不得有任何损坏和变形，内部结构中各结合部不得有松脱、零部件破损等现象，产品各项功能正常。

自由跌落试验，GB/T 9359—2001《水文仪器基本环境试验条件及方法》规定，监测仪器在包装状态下，离地面垂直高度 25 cm 处自由跌落，实验结束后，产品外包装箱不得有任何损坏和变形，内部结构中各结合部不得有松脱、零部件破损等现象，产品各项功能正常。

14）可靠性。依据 GB/T 18185—2014《水文仪器可靠性技术要求》规定，墒情监测仪器的 MTBF（平均故障间隔时间）大于或等于 16 000 h，使用寿命应能满足长期埋设使用的要求。

4 检测流程设计

为能够充分反映墒情监测仪器性能，应根据传感器工作特点，制定完整的检测流程。目前水利系统主要采用的墒情自动监测仪器为介电法监测仪器，这里重点介绍介电法监测仪器的检测流程。其他方法的墒情监测仪器的检测流程与介电法监测仪器检测流程基本一致，只是在技术指标要求上会有差异。

在墒情监测仪器检测过程中，应将环境适应性能、电气性能、振动跌落和外壳防护等测试项目放在检测流程的前段，将准确性测试放在最后阶段，由此才可充分反映传感器经过前期测试，如发生数据偏移，最后的精度测试就能完整地反映出来。如果不按照这种流程，精度测试放在前面，后期的环境测试等对传感器适应能力测试就无法体现出来。在制定了检测流程后，严格按照墒情监测仪器的技术指标要求和检测流程进行检测，通过整个检测周期的检测，仪器的基本性能指标就能充分地反映出来。具体检测流程如图 1 所示。

图 1 实验室检测流程图

5 应用效果评价

1）经相关技术文献查新检索，水利部水文仪器及岩土工程仪器质检中心建设完成的墒情监测仪器检测实验室是国内外设备最全、检测功能最完善的产品质量检测实验室。实验室采用标准土样对墒情监测仪器进行检测，实现了对仪器全性能技术指标的产品检测和质量评定。

2）通对相关厂商送样的墒情监测仪器进行了检测，发现了许多墒情监测仪器在生产、使用等环节中存在的问题，送检的厂商根据发现的问题，对产品存在的不足进行改进，提高了产品的性能和质量。同时墒情监测仪器检测合格产品均由国家防汛抗旱总指挥部办公室统一发布。对国家防汛指挥系统二期工程旱情信息采集系统项目中标厂商的墒情监测仪器进行了抽样检测，为项目建设顺利实施提供了质量保障。

6 结语

2016年，水利部水文局组织完成的“土壤墒情监测与信息服务关键技术研究”重大科技成果通过水利部科技成果鉴定，成果内容之一“墒情仪器实验室检测技术研究”经专家组评定达到了国际先进水平。

墒情监测仪器实验室检测技术研究与应用，以及仪器检测实验室的建立，很好地完成了各种类型土壤墒情监测仪器的检测工作，但由于实验室检测周期有限，一般检测周期只有几天或者几周的时间，对于墒情监测仪器的长期使用情况还不能较全面地反映出来，因此为了更全面地测试一些如长期稳定性等指标时，仍需进行一些必要的野外长期实验。

[1] 水利部水文局. 土壤墒情监测与预测关键技术应用研究技术报告[R]. 北京：水利部水文局，2016: 102-104.

[2] 杨建青，王吉星，章树安，等. 土壤水分监测仪器野外对比测试分析研究[J]. 水文，2012, 32 (5): 57-61.

[3] GARDNER W, KIRKHAM D. Deternation of soil moisture by neutron scattering[J]. Soil Science, 1952, 73 (5): 391-402.

[4] TOPP G C, DAVIS J L, ANNAN A P. Electromagnetic deternation of soil water content: Measurements in coaxial transmission lines[J]. Water Resources Research, 1980 (16): 574-582.

[5] HAINSWOHRT J M, LAG A. The use of computer-assisted tomography to determine spatial distribution of soil water content[J]. Australian Joural of Soil Researah, 1983, 21 (4): 435-443.

[6] WHALLEY W R, LEEDS-HARRISON P B, BOWMAN G B. Estimation of soil moisture status using near infrared Reflectometry[J]. Hydrological Processes, 1991, 5 (3): 321-327.

[7] 国家防汛抗旱总指挥部办公室. 土壤水分监测仪器通用技术条件（试行）[R]. 北京：国家防汛抗旱总指挥部办公室，2012: 4-14.

Researchandapplication of soil moisture monitoring instrument laboratory testing technology

LIU Manhong1,2, CHEN Min1,2, LIU Guoqing3
(1. Hydrological Instrumentsand Geotechnical Instrumentation for Quality Supervisionand Testing Center, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China; 2. Hydrologyand Water Resources Engineering Research Center for Monitoring, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China; 3. Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China)

Soil moisture information is one of the key indicators reflecting the drought. Because thereare many different kinds of soil moisture monitoring instrument whose reliability, stability,accuracyare unevenand productactual Applicationand the nominal technical indexare different, soil moisture monitoring dataaccuracy cannot be guaranteed. Through technology research of soil moisture monitoring instrument testingand testing process design, it does the whole performance specifications testingand quality evaluation. It provides the quality guarantee for China's development of technical indicators of moistureautomatic monitoring stationsand instrument selection work in the state flood controland command system, phase ii project drought informationacquisition system.

moisture content; monitoring equipment; technical indicators; quality inspection

S152

A

1674-9405(2017)02-0026-05

10.19364/j.1674-9405.2017.02.006

2017-01-12

国家自然科学基金项目（41402217）；水利部水利信息中心科研项目（2016-046，2014-021）

刘满红（1981-），男，河南信阳人，硕士，主要从事水文仪器技术监督与质量检测技术工作。