环刀称重法公式率定技术在辽宁土壤墒情监测中的应用

刘阳

（辽宁省朝阳水文局，辽宁朝阳122000）

0 引言

目前，全国各省区建设的自动墒情监测站普遍存在数据精度低，不能满足旱情分析工作需要的问题。为有效利用自动墒情监测站数据，必须以人工墒情数据对自动墒情数据进行对比分析，研究自动墒情数据与人工墒情数据趋势，找出数据的系统偏差，并对自动墒情数据进行修正，有效提高自动墒情监测站数据准确度。

辽宁省自动墒情监测站选址少有在大田的，而人工墒情站均在实际耕作的大田取样，存在遥测站土壤结构与大田不同步变化问题。人工数据与遥测数据经对比分析，有以下特点：

1）在封冻期，土壤中水分结冰，形成湿度很小的固体物质，造成监测仪器数据偏小，不代表土壤真实含水量。因封冻前有降雨降雪，封冻后土壤孔隙中有大量冰晶，造成人工数据偏大，因此，在解冻前，人工和遥测数据没有可比性。

2）土壤解冻后，5 月中旬至 9 月底，人工数据与遥测数据大趋势一致，但受人工取样与遥测站位置不同、大田除草施肥等耕作造成表层土壤结构改变等影响，多数站点的人工数据和遥测数据过程线有交叉现象，没有系统规律，即便过程线不交叉，也不存在稳定的差值[3]。

3）部分遥测站因雨量场改造等原因进行了迁移，影响监测数据的连续性和稳定性[4]。为提高土壤墒情自动监测的精度，近些年来，国内已取得一定研究成果，但针对环刀法进行传感器公式率定的技术研究还较少，为此下文通过建立各次土壤含水量与传感器输出电压的对应关系，采用环刀法进行传感器公式率定，并通过野外试验方式对土壤墒情自动监测精度进行分析，研究成果对土壤墒情自动监测精度的提高具有重要的参考价值。

1 实验方法

利用大环刀在野外采集需率定（仪器）的原状土壤样本带回实验室，土壤样本浸泡水中达到饱和状态后，将传感器插入土壤样本中，直至烘干前方可拔出；连续多次测量土壤样本（含传感器）重量和传感器输出电压，直至传感器电压不再下降时停止实验；采用烘干称重法计算各次土壤含水量（由土壤样本重量转换而来），创建各次土壤含水量与传感器输出电压对应关系，该对应关系即为该传感器率定公式。该方法在同一环刀土样内完成所有实验过程，方法简单容易操作，且土壤样品由于传感器位置固定，损失量较小，可以得到较高的率定精度。

2 实验地点及仪器设备

试验以绥中墒情监测站为试验地点，该站点位于兴城市东辛庄镇林屯村，是六股河上的重要控制站，隶属于辽宁省水文局葫芦岛分局。测验项目主要有水位、流量、泥沙、颗分、冰情、降水、蒸发、墒情、水温、水质等。主要试验设备：挖土锹、削土刀、烘干箱、电子天平、环刀、干燥器等。天平感量为0.01 g，最大量程不小于2 000 g。

3 实验步骤

1）首先在采土之前将凡士林均匀涂抹在环刀内壁。对采样剖面使用土锹进行开挖和刨平处理，采样剖面面向环刀刀刃，且采集深度与中心位置保持在同一直线，环刀手柄均衡按压后，对环刀外壁的土壤进行削平处理。环刀周围区域土壤采用铁铲进行挖除，环刀外壁的土壤采用削土刀进行削平。环刀内侧铺上滤纸和孔盖。各采集深度土壤样品2 份，进行实验。

2）在实验室里打开环刀上部的孔盖，在平底容器中将环刀孔盖向下缓缓放入，逐步加水使得水面线在环刀上端的1~2 mm 之间，为保证土壤水分达到饱和需要对其进行24 h 的浸泡。在此过程中需要随时进行补水，使得容器内水分浸没环刀。

3）在环刀内的土壤里缓慢垂直插入传感器，环刀中心位置与传感器探针位置相一致，在探针完全插入后要求土壤内没有空隙。传感器插入环刀土壤样品后，在整个实验过程中随同环刀一起称重，直至烘干前方可拔出。

4）将传感器和RTU 相连接，对其输出电压进行连续多次测定，当传感器电压稳定不变时，土壤水处于饱和状态，对其输出V0进行记录。

5）将环刀包括孔盖、滤纸、土样和传感器从水中整体取出，保持土样、环刀及传感器处于实验原始位置，在支架上进行悬空放置，自然下渗土壤中的重力水。当环刀内土壤底部不再渗水后，即传感器电压稳定输出时，则可以认定此时土壤水分处于田间持水量，立即将RTU 和传感器断开连接，将传感器、环刀、湿土和滤纸整体放入带编号的托盘内用电子天平整体称重，记录此时传感器电压V1及整体重量G1。

6）将传感器连接RTU，每隔一定时间监测传感器电压下降情况，依据电压下降幅度确定测量时间，记录传感器、湿土、环刀、滤纸、托盘的重量Gi，以及对应时间的传感器输出电压Vi。

7）在实验测定中需要对土壤样品进行天然状态下的晾干，不能进行加热烘烤处理。测定的实验数组一般不能低于20 组，并需要覆盖整个水量的变化过程。当传感器进行多次测定后，电压不再降低，土壤水分接近干燥条件，实验停止进行。

8）将附着在传感器探针上的土壤清理后重新安置到环刀的内部，采用标准烘干方式对环刀及土样进行不低于24 h 的烘干处理，使环刀内土样彻底烘干。烘干结束自然冷却后，称量环刀和干土重量、传感器重量、托盘重量、滤纸重量，再移除土壤，擦净环刀称量。

4 率定公式拟合方法

1）将相关数据录入Excel 电子表格，计算各测次土壤重量含水量，选中重量含水量ωi和对应的传感器电压Vi两列数据，插入XY散点图。其中ωi计算公式：

式中：Gi为第i次监测，环刀、湿土重量、传感器重量、托盘、滤纸的合计重量，g；G0为烘干后，环刀、干土重量、传感器重量、托盘、滤纸的合计重量，g；wg为原状土干土重，g；wg=环刀＋干土重量－环刀重量。

2）得到土壤含水率与传感器输出电压的散点分布图后，对散点数据进行趋势拟合，得到拟合3阶回归方程，并对回归方程的拟合系数R2进行确定，得到率定方程，当R2≤0.95 时，一般认定拟合精度较低，需要重新进行实验率定。

3）将土壤饱和电压V0代入率定公式，可得出该土壤的饱和含水量。将土壤处于田间持水量时的电压V1代入率定公式，可得出该土壤的田间持水量。

4）当监测仪器已有率定公式时，可将实验计算出的各测次实际重量含水量与实验过程中利用原率定公式计算的土壤含水量进行比较分析，对原率定公式进行校准。

5 率定成果

5.1 关系线拟合

率定试验历时20 d，共采集实验数据23 组。其中，传感器输出电压为0.34～1.80 V，土壤重量含水量为2.9%～35.2%。实验数据见表1，输出电压与土壤重量含水量对应关系曲线见图1。

图1 输出电压与土壤含水量关系线拟合图

表1 土壤墒情率定记录表

5.2 率定检验

将公式y=0.0086x3+0.036x2+0.1127x-0.0227置入绥中固定墒情自动监测站RTU 中，进行土壤含水量对比监测实验。采集墒情自动监测站土壤含水量记录数据，同步进行人工烘干称重法监测，同步对比观测数据不少于6 组。不同监测深度人工与自动土壤含水量对比结果如图2 所示。

图2 不同墩型消能率随泄流量变化曲线

图2 不同监测深度人工与自动土壤含水量对比

由监测结果可以看出：采集的23 组数据中，有9 组数据差值绝对值大于4%，合格率达73%。

6 结语

针对土壤墒情监测仪器率定方法复杂、标定技术要求高等特点，提出了采用环刀法进行传感器公式率定的技术，并成功地应用到了监测仪器率定实践中。它是利用土壤样本在水分自然衰减过程中其自身重量、介电常数均会发生变化的特性，通过野外采集的多组原状土样本，在实验室浸泡水中至饱和状态，连续多次测量土壤样本重量和其传感器输出信号，并采用烘干称重法测得各次土壤含水量，建立各次土壤含水量与传感器输出电压的对应关系，即率定公式。通过对绥中墒情监测站的监测试验，得出监测仪器数据与人工数据变化趋势基本一致，数据偏差较小，合格率较高，说明环刀称重法率定土壤水分计算公式准确可靠，墒情监测站数据基本能够反映当地的土壤墒情变化规律，能够满足生产工作需要。