[發明專利]基于瞬態導氣原理的土壤剖面水分監測系統與測量方法

有效

• 申請號: 201110453632.X
• 申請日: 2011-12-30
• 公開（公告）號: CN102539277A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發明（設計）人: 張振華;楊潤亞;牛文全;李陸生;潘英華
• 申請（專利權）人: 張振華
• 主分類號: G01N7/00
• 分類號: G01N7/00
• 代理公司: 煙臺信合專利代理有限公司 37102
• 代理人: 遲元香

技術領域：

本發明涉及土壤水分參數測量技術領域，具體地講是一種基于瞬態導氣原理的土壤剖面水分監測系統與測量方法。

背景技術：

土壤水是水資源的重要組成部分，是水文、農業和氣象及地-氣能量交換等研究中的重要參數。土壤含水量作為土壤的一個重要物理參數,是水循環、植物生長、土壤承載能力等科學研究中不可缺少的基本資料。對土壤水分狀況的監測工作,已被農業、林業、水利等多學科的研究者所重視。目前,?測量土壤水分的方法有烘干稱重法、張力計法、電阻法、中子儀法、時域反射儀法（TDR）等。

烘干稱重法是測量土壤水分最經典、準確的方法,該方法可直接測定土壤重量含水率,但一般均為人工操作,費時費力,且擾動測定點的土壤,不利于原位連續測定,取樣過程會造成蒸發誤差。張力儀法只能測定土壤的基質勢,根據已知土壤水分特征曲線,才能求得土壤含水量,且只能測定0～85kPa土壤吸力。石膏電阻塊法測定結果常受土壤類型、土壤溶液濃度變化的影響，在土壤較干時，反映不靈敏。中子儀法是利用中子熱化原理,?快中子源發出的中子在遇到氫原子后,失去部分動能轉化成慢中子,?根據測出的慢中子數量自動計算出土壤含水量，與傳統的烘干法相比，中子儀法測定土壤含水量不僅省時、省力、不破壞觀測場地，?而且可以定點連續觀測，非常適于對土壤水分變化作連續的動態監測，是目前常用的測定田間土壤水分的方法，也是國內外灌溉實驗規范中推薦的方法。但中子儀法在測量土壤表層含水量時，特別是在測量低含水量時，由于中子容易散溢于大氣，結果不夠準確，且有輻射傷人的問題。時域反射儀法（TDR）是新近發展起來的測定土壤含水量的方法，因其快速、準確、操作簡便，并可實現定點自動監測土壤水分動態變化等特點，被譽為測定土壤水分的最先進的方法。其缺點是TDR儀器價格昂貴售價高，只適用于國內少數的高等學校和科研院所開展科學研究，而很難大量在農田土壤墑情監測及其他有關生產實踐中應用。

發明內容：

本發明的目的是克服上述已有技術的不足，而提供一種基于瞬態導氣原理的土壤剖面水分監測系統。

本發明的另一目的是提供一種基于瞬態導氣原理的土壤剖面水分測量方法。

本發明主要解決現有的技術不能進行土壤剖面水分原位動態監測或者因儀器成本較高限制其大范圍應用等問題。

為了達到上述目的，本發明是這樣實現的：基于瞬態導氣原理的土壤剖面水分監測系統，其特殊之處在于，包括：

供氣源，用來提供氣流，可以為打氣筒或其他設備；

氣壓測量計，用來測量氣體的壓力；

探管，下端封閉，上端開口并用探管橡皮塞密封，經探管橡皮塞通過三通的兩個支路經導氣軟管分別與氣室和氣壓測量計相連接，主體埋設于土壤內，并在地表以上保留10-15cm，邊壁設置有均勻分布的通氣孔，接受來自于供氣源的氣流經通氣孔滲透到周圍土壤中，用于土壤導氣特性的測量；

氣室，上端開口用氣室橡皮塞密封，氣室位于探管和供氣源之間，三者通過導氣軟管經兩個硬質導氣管相串聯，用于增加封閉氣體的體積并減緩封閉氣體壓力變動的速率，便于對封閉氣體壓力變化的觀測。

進一步的，所述探管的開孔率介于5%～25%，管徑介于3～10cm，探管外表包覆高分子疏水性透氣膜。

本發明的基于瞬態導氣原理的土壤剖面水分測量方法，其特殊之處在于，所述測量方法包括以下步驟：

（1）首先根據測量或研究目的，將一定長度和規格的探管埋設于土壤當中，探管在土壤以上保留10-15cm，且保證探管與土壤接觸緊密無縫隙；

（2）利用烘干稱重或者其他土壤水分測量手段測量探管所在區域土壤的平均含水率；

（3）把氣室的進氣管與打氣筒利用導氣軟管相通連接并確保連接處密封不漏氣，利用打氣筒連續向氣室供氣，直到氣室內的氣體壓力到達預定值停止供氣，同時將該向氣室進氣的導氣軟管上的開關關閉，以保持氣室的氣體不會通過該導氣軟管流出；

（4）從氣室內封閉的氣體壓力到達預定值開始計時，觀測封閉氣體壓力P(t)的動態，并做好記錄，以????????????????????????????????????????????????為因變量，時間t為自變量，利用EXCELL或其他分析軟件分析～t的關系，確定二者之間所呈線性關系的斜率S，將S作為導氣特征參數；