土壤墒情水分自动监测系统

开展土壤墒情预报的缘由和目的意义简单地说，就是为了解决灌溉时机难，实现适时适量灌溉，充分发挥水资源和灌溉工程效益，从而达到节水增产、增效益的目的。国内科技工作者借鉴国外研究成果和经验，对农田土壤水分交换及水分消耗、墒情或旱情监测与预测等重点进行了持续、大量的探究工作，促成了国内土壤墒情预报模型研究的全面、快速发展。通过对国内有关资料的归纳与分析，我国土壤墒情预报模型研究经历了起步，发展以及全面发展的时期，下面来展开具体说明。起步期：20世纪70年代。此间，国内土壤墒情预报模型研究的特点是：研究对象空间性在土体尺度上，主要研究分析土壤含水量与某种因素之间的相关关系，比如曹治斌等研究了时段始末土壤含水量与降雨量的相关关系，土壤水分消退系数与土壤含水量、月份之间的相关关系。发展期：20世纪80年代。这个时期预报的情况可以分为两个方面：1.土壤墒情预报模型研究的空间性取得突破，完成了以土体尺度为主向土体尺度和农田尺度并重的转变。科研专家根据土壤水分运动基本方程，把地面水和地下水看作是土壤水分运动的边界条件，输入作物各个生育期内的降雨(或灌溉)、有关气象因素及根系吸水层深度等参数，进行了土壤剖面含水量变化的预报；2.土壤墒情预报模型研究的方法少，建立的模型种类少，其中水量平衡模型和土壤水动力学模型的预报研究开展较深入。一些研发人员根据土壤水量平衡原理，分别建立了预报土壤含水量的经验模型；另外一些专家利用降雨径流模型以及土壤水量平衡原理实现了土壤墒情检测仪对土壤墒情的预报；姚建文采用土壤水动力学原理，根据作物生长条件下土壤负压和土壤含水量的试验数据，求得根系吸水率在剖面上的分布，进而根据一些较易获得的参数来进行土壤含水量的预报。全面发展期：20世纪90年代至今。1.土壤墒情预报模型研究的空间性有了重大转变，完成了从土体尺度和农田尺度并重向农田尺度和区域尺度共同发展的转型。2.土壤墒情预报模型种类趋于多样化，一些研究者分别建立了土壤墒情预报的随机水量平衡模拟模型、SPAC水热耦合传输模型、幂函数统计模型、BP神经网络模型、遥感估算模型。3.信息数据的采集与处理趋于信息化和自动化，土壤墒情的监测技术已进入应用研究阶段，土壤墒情速测仪等相关仪器已开始投入市场推广使用。相关专家在土壤墒情预报模型研究中都运用了遥感技术和地理信息系统技术。目前，国内对土壤墒情预报的实用化进程已有一定的进展，很多省市地区已经建立了土壤墒情的监测系统。

经过前期的选址、土壤水分常数的测定等充足的准备工作，10月12～15日，由河南省气象局和市气象局共同筹建的自动土壤水分观测站相继在平顶山市新华区滍阳镇西滍村及各县(市)进行最后的仪器安装、调试。至此，该市7家自动土壤水分观测站建设全部完成，彻底改变了传统的、落后的人工土壤水分观测工作，标志着平顶山市气象现代化建设又上了一个新的台阶，对服务全市粮食生产具有重大意义。　　该市位于河南省中部，地处伏牛山和黄淮平原的过渡地带，属于半干旱、半湿润的大陆性季风气候区域，降水的年际变化及季节变化较大，加之受复杂地形、地貌的影响，干旱发生频繁，对农业生产影响严重。多年来，气象部门始终把对为农业生产服务放在气象服务的第一位，通过高科技的技术手段，观天测雨，趋利避害，为我市农业生产保驾护航。土壤水分观测是气象为农业服务的基础性工作之一。　　土壤水分的监测，就是通过连续的、定点的土壤水分含量的测定，掌握土壤墒情的动态变化，为农业生产服务提供第一手实况资料。但是，由于受技术条件的限制，我国在土壤水分观测设施和技术方面长期处于落后的人工操作状态，这不仅不能适应目前气象现代化建设的要求，也不能满足为农业生产服务的需求。为此，由河南省气象科学研究所和中国电子科技集团公司第二十七研究所共同研究开发了自动土壤水分观测仪。经过前期的实验研究，目前已进入面对全国进行推广、安装阶段。根据中国气象局部署，河南省作为全国现代农业气象业务服务建设试点省，要率先安装并投入业务化运行；平顶山市是先期试点单位之一。　　这次自动土壤水分监测站建设，由中国气象局投资，河南省气象局和平顶山市气象局共同承建。首期分别在新华区、鲁山县、舞钢市等县(市、区)建立7个监测站，总投资约65万元。今后根据服务需求，还将逐渐增加观测点密度，扩大观测区域覆盖面，以便全面掌握全市各地土壤水分含量情况及土壤水分变化情况，更好地服务于农业生产。

一、土壤含水量测试方法概述：土壤水分贮存量及其变化规律的监测是农业气象、生态环境及水文环境监测的基础性工作之掌握土壤水分变化规律，对农业生产、墒情监测预测和其化相关生态环境监测预测服务和理论都具有重要意义。二、目前国内主要使用的测定水分的方法：1、 传统的土钻取样然后烘干称重法（重量比）：虽然能够较准确地度量土壤水分含量，但工作量大，耗时耗力，特别是当天气条件恶劣时，农业工作人员将付出更大的工作量。另外取样会破坏土壤,深层取样困难,定点测量时不可避免由取样换位而带来误差,在很多情况下不可能长期定点监测，受土壤空间变异性影响也比较大。2、 FDR单点采集法（容积比）：利用FDR的原理来测定土壤的容积含水量，测试精确度与以上第一种有所差距，但是快速简便，但只能一定测定一个点。3、 TDR单点采集法（容积比）：利用TDR的原理来测定土壤的容积含水量，测试精确度与以上第一种有所差距，但是比第二种的稳定性要好一些。三、国内墒情与旱情的概念与监测的特点：1、 长期性：单一的探头测量可称作是土壤容积含水量，而长期的土壤水分的动态监测存储一段时间以来的水分变化被水利及气象部门称为土壤的墒情。也就是说有意义的墒情监测是长期的，动态的。2、 多点性：对于植物生长来说，真正测量土壤表面的水分是不够的，正常的植物都需要深一度的水分值才能表明他是否可以吸收，在水利国家标准里要求，实验站必须要长期监测多层多点水分，有些地区要求为分布于地面10 cm，20 cm，40 cm，60 cm，80cm，100 cm处的水分的长期动态的监测，以了解墒情与旱情的情况 四、现在国内快速土壤水分仪器的情况：在我国的农田指导水利灌溉方面，FDR和TDR容积法快速水分仪很受欢迎，因为这两种水分仪可以长期将传感器埋于地下，实现长期监测。不受实验条件的影响，而精度也达到了指导农业生产的作用，对作业人员素质无任何要求，属于非常适用于进行田间推广的一种便携式快速仪器（具体参见http://www.top17.net/product/2029.html ）。优点：快速，也可长期监测，将数据保存缺点：单点采集，如需多点就必须要将土壤切开，在剖面10 cm，20 cm，40 cm，60 cm，80cm，100 cm上多插几个探头。费力费时，前期工作量大。由以上分析看来，在墒情监测方面国内需求的要点是：携带方便；精确度高；插入方便，无需大量前期工作的仪器。但这种仪器只在国外有做，国内所有生产的企业都没有做出能满足以上所有要求的土壤水分速测仪现浙江托普仪器有限公司也开发出一种剖面水分仪，这个产品市场前景很好，这就是我们要强调的重点，也是我们以后推广的重点。现在我们要对这款仪器有所了解：土壤剖面水分测定仪用途：可用来测量土壤等被测物的不同深度剖面含水量。原理：利用FDR原理（Frequency Domain Reflectometry）,根据探测器发出的电磁波在不同介电常数物质中的反射不同。计算出被测物含水量。功能特点：l 完全遵循ISO9001质量体系标准要求进行产品设计、开发、生产和服务；l 在硬件元器件方面以最大限度的延长产品寿命和和稳定性为前提，充分考虑降额和冗余设计；l 在电源和通讯接口加装防雷和电涌保护设备；l 软件设计充分考虑界面操作的友好性、系统的兼容性、容错性和健壮性，具有数据自动补抄、自动上传功能；l 生产使用的元器件全部进行环境应力老炼、筛选；l 出厂设备根据需要要进行环境防护三防(防潮湿、防盐雾和防霉菌)设计，并进行温度、冲击和振动试验。组成：探头：圆柱式土壤水分探头（标配为4或6个点位），这些点位可以自由定位用户想测的深度，自由固定操作软件：Windows友好操作界面，用于数据的存储和下载预埋探管：由PVC材质制成，重量轻，抗腐蚀，除标配长度外，还可选长度0.9米、1.2米、1.5米 基本技术指标：传感器测量原理 高频电容 测量范围 0~100%Vol（土壤体积含水量） 准确度 +2%土壤体积含水量 分辨率 0.1%体积含水量 输出选项 RS232和RS485 电流消耗 400uA 静态100mA 采样 校准时的精度 R2 = 0.992 精度 +/- 2.5% 有效温度 +/-3% ，5-35℃ 工作温度 0～75℃ 感应范围 99％是从管子外部10cm以内的范围读取 采集数据 1000组 传感器直径 50.5毫米 管道直径 56.5毫米 仪器组成图： 五、我们的土壤剖面水分仪与国外土壤剖面水分仪对比的优势 国内产品 国外产品 价格 价格合理 价格奇高 专业性 有专业的人员进行指导 国内没有特别熟悉的技术人员进行指导 适用性 全中文软件，适用性广 全英文软件，不适用于基层人员操作 合理性 探头点位可按自己的要求定位，可以随意改动，线长可按客户要求定做 探头点位距离固定化，不能改动，线长不能定做 精度 出厂前进行标定，精度高。也可以按客户提供的土壤进行重新标定 国外土质与国内不太一样，所以出厂前标定不适用于中国，精度会有影响