土壤水热溶质耦合运移观测系统

1 引言土壤中水、热和溶质状况的变化并不是独立的，而是相互制约、相互影响，是一个耦合变化过程。土壤中水、热、溶质的运移研究，是土壤中物质、能量运移与转换研究的重要组成部分，是土壤—植物—大气连续体研究中的重要内容之一。上世纪中叶以来，国内外学者对土壤中水、热、溶质同步运移的有关问题做了大量研究，并从理论上发展了各种模型以描述其运动与影响因素，使本领域的研究有了较大的发展。但综合性的描述和研究土壤中水、热、溶质耦合运移的文献较为少见。近年来，由于化肥和农药使用量的日益增多、工业废水的大量排放、污染物的不当处理等，农药、重金属等在土壤中的迁移及其对土壤和水体的污染等已成为世界性的严重问题，这些都必须根据土壤水热、溶质运移的理论和特性加以研究和进行管理。此外，在干旱、半干旱地区强烈蒸发条件下，土壤盐分或地下水可溶性盐类通过水的垂直或侧向运动向地表累积，这是土壤积盐过程最为普遍的形式，也是发生盐渍化的主要原因，土壤中水、热、溶质耦合运移机理和模型的研究，对盐渍土的改良、促进农业的可持续发展、保护生态环境等方面都有重要的指导意义。 2 观测系统设计 2.1 目标 土壤水热、溶质耦合运移是一个十分复杂的物理化学过程，经过国内外科研工作者近数十年的努力，目前已经建立了很多理论模型。但模拟研究得出的模型亟需在田间实际条件下进行验证和拟合，从20世纪70年代起，研究工作开始由实验室走向田间，研究者发现室内研究结果跟田间有很大差别。因此，更加深入的研究需要更为先进的观测手段。AZ-S0210土壤水热、溶质耦合运移观测系统以水分及溶质在土壤系统中的传递为纽带，充分考虑土壤水热及溶质在不同层次和水平面上的传递过程，进行土壤水热相关的原位长期定位监测，数据采集器自动采集数据；同时在不同深度对孔隙水和排水进行原位抽提取样，测定不同层次土壤溶质的组成。为深入研究土壤水热和溶质耦合运移的规律以及土壤水热和物质平衡提供先进的观测手段和科学技术。 AZ-S0210土壤水热、溶质耦合运移观测系统将实验室模拟土柱单元作为可选项，满足室内模拟试验研究的需要。该单元采用某一特定高度的微型土柱，填装原状土样，沿土体剖面埋设高精度土壤水分和水势、土壤温度传感器，数据采集器自动采集数据，从而精确测量土壤水分的变化梯度；沿土体剖面埋设土壤溶液自动取样器，利用全自动离子分析单元土壤溶质浓度及梯度分析。 2.2 样品采集及传感器布设 原状土柱样品通常为直径1m，高度2m的土体，应用专利设计的原状土取样技术，采用不带有圆形切割刀具的开挖工具，可以避免土壤扰动及土柱罐体附近土壤的流动。然后在罐体30cm、60cm、120cm和180cm深的位置分层分别安装土壤水分、土壤水势、土壤温度传感器以及土壤溶液抽提取样器。此外在罐体周围的田间，依照罐体内传感器的层次埋设对应传感器，以实时监测原状土柱内外参数的变化和修正其偏差。室内模拟试验土柱，根据研究需要选择直径30cm、高度为30cm或60cm或120cm的罐体，采集原状土或用进行了预处理的特定类型土壤，进行装填。300mm高的土柱沿土体剖面按3个层次（5，15和25cm）、600mm高的土柱沿土体剖面按4个层次（5，10，30和55cm）、1200mm高的土柱沿土体剖面按5个层次（10，30，55，80和115cm）分别安装土壤水分、土壤水势传感器和土壤溶液抽提取样器。 2.3 数据采集频率 土壤水分、土壤水势和土壤温度的数据采集时间间隔可通过数采进行统一设置为1、5、10、30s，或1、5、10、30min，或1、2、4、12、24h，也可每个通道单独设定合适的采集时间间隔。土壤溶液抽提取样通常情况下每2周取样一次，植物生长季频率适当增高。每当有降雨或灌溉操作，则在降雨或灌溉之后几个小时内进行抽提取样。 2.4 观测指标 土壤水热参数：土壤水分、土壤水势、土壤温度及其梯度变化。土壤溶质参数：亚硝酸盐、硝酸盐+亚硝酸盐、磷酸盐、硅酸盐、铵离子、钙离子、氯离子、铁离子、总磷、总氮、硫酸盐、碱度、硬度、氯化物、六价铬、氰化物、联氨、挥发酚等浓度及其梯度变化。 2.5 观测系统组成 AZ-S0210土壤水热、溶质耦合运移观测系统由土壤水分、土壤水势和土壤温度剖面观测单元，原状土柱罐体或者实验室土柱，土壤离子自动分析单元共同组成。 3 数据处理 从数据采集器定期下载土壤水分、土壤水势和土壤温度的数据，分析其与土壤溶质浓度及迁移速率的关系，建立其相互之间的函数相关关系。建立最接近于真实条件、具有广泛适应性的土壤水热和溶质运移理论模型。 4 应用案例4.1 澳作MS-LY土壤溶质运移观测系统948引进项目取得重要进展----来源：黑龙江省水利科学研究院黑龙江省水利科学研究院承担的水利部“948”计划项目进展顺利。该项目的重要环节，引进、安装澳作公司独家代理的德国UMS公司生产的土壤科学蒸渗仪工作，已于2009年5月26日至5月29日，在黑龙江省水利科学研究院综合试验研究基地完成，标志着该项目的技术引进工作已经结束，即将进入技术的消化、吸收再创新阶段。课题组全体人员与德国2名专业技术人员、北京澳作生态仪器有限公司3名技术人员，在现场共同完成了引进设备的取原状土、传感器安装、土柱吊装、仪器调试、现场培训等工作，整个安装调试过程进展顺利。目前，土壤溶质运移观测系统地表区域已经种植了玉米，并开始试应用和试验研究工作。 4.2 巴伐利亚国家水管理局在河漫滩安装土壤水热溶质耦合运移观测系统来研究水通量及溶质的运移 巴伐利亚国家水管理局Michael Gierig教授在位于慕尼黑南40公里处的河漫滩安装了8套土壤水热溶质耦合运移观测系统，规格均为1米直径，2米深。主要研究目的是在实际条件下测量污染区域的污染物如何渗透到地下水中去的，此调查涉及的污染物范围较为广泛，包括重金属（如砷、铅、铬、镉、铊）和多环芳烃等。

1 引言包气带是指位于地表面以下、潜水面以上的地质介质。在包气带中发生的各种物理、化学和生物过程尤为复杂，它既是大气水、植物水、土壤水和地下水相互联系与转化的枢纽， 又是各种化学物质(如在地表施加的农药、化肥， 来自于地表渗滤液和地下水的各种溶质)运移和反应的载体。目前， 包气带物质和能量迁移转化过程日益得到人们的重视，成为农田施肥管理、土壤学、水文学、环境学、生态学等学科的重要研究内容之一。在包气带水分和溶质的迁移转化过程中，各种来源的污染物，如过度施肥的产物硝态氮、垃圾渗滤液中的有机污染物和各种重金属是土壤污染、地下水污染等问题的主要原因。广泛开展包气带污染物溶质运移实验室土柱模拟试验研究， 能够充分了解污染物在包气带中的迁移速率和浓度的时空分布规律，为深入研究包气带水分溶质运移机理、完善基于多孔介质水和溶质运移的数值模型提供科学基础，对于合理施肥、盐渍化土壤治理、土壤污染控制、地下水污染控制、生态环境恢复和改善等应用有着重要的指导意义。 2 观测系统设计2.1 目标包气带中污染物运移由于地下水的耦合作用，是一个非常复杂的动态过程，在实验室土柱模拟研究中，如何把地下水的作用耦合到数值模型中，如何精确测定包气带土壤含水量、基质势等水分参数，以及如何精确测定污染物的浓度梯度等溶质运移参数是研究的难点和重点。AZ-ES100包气带污染物运移试验模拟研究系统采用某一特定高度的微型土柱，填装原状土样，沿土体剖面埋设高精度土壤水分、土壤水势传感器，数据采集器自动采集数据，从而精确测量土壤水分的变化梯度；在土柱体底部安装有陶土盘，用于渗漏水的取样和土体张力模拟，能够有效控制土柱体底部的水势，并测量排水量。沿土体剖面埋设土壤溶液自动取样器，利用全自动离子分析单元或便携重金属分析单元进行污染物溶质浓度分析。 2.2 样品采集及传感器布设 根据研究需要，采集直径300mm、高度为300mm或600mm或1200mm的原状土，或用进行了预处理的特定类型土壤，装填入模拟土柱。300mm高的土柱沿土体剖面按3个层次、600mm高的土柱沿土体剖面按4个层次、1200mm高的土柱沿土体剖面按5个层次分别安装土壤水分、土壤水势传感器和土壤溶液取样器。土壤水分和土壤水势的数据采集时间间隔可通过数采进行统一设置为1、5、10、30s，或1、5、10、30min，或1、2、4、12、24h，也可每个 通道单独设定合适的采集时间间隔。 2.3 观测指标 包气带土壤水参数：土壤水分、土壤水势梯度值。包气带污染物参数：氨、氯化物、六价铬、氰化物、可溶性铁、亚硝酸盐、硝酸盐、硝酸盐＋亚硝酸盐、联氨、正磷酸盐、挥发酚、硅酸盐、总磷、总氮、硫酸盐等溶质浓度梯度；或Ti， V， Cr， Mn， Fe， Co， Ni， Cu， Zn， W， Hf， Ta， Re， Pb， Bi， Zr， Nb， Mo， Ag， Sn， Sb等重金属元素的浓度梯度。 2.4 观测系统组成 AZ-ES100包气带污染物运移试验模拟研究系统由微型实验室土柱、土壤水分水势测量传感器、土壤溶液取样器、全自动土壤离子分析单元或便携重金属分析单元共同组成。 3 数据处理 包气带中污染物浓度的变化是由于污染物在地下水和土壤水的协同作用下在包气带中经过土壤孔隙运移、土壤颗粒的吸附以及土壤微生物的降解等多种因素共同影响的结果。由于污染物质主要是沿垂向运移，所以其运移模型常按垂向一维问题处理。一般认为水在土层中运移符合推流模式，若仅考虑弥散、吸附、降解作用，则污染物质在土层中垂直向下迁移的基本方程为 式中：c — 水中污染物浓度值(mg/ L) x — 垂向运移距离(m) D — 弥散系数(m2/ d) v —x 方向渗透速度(m/ d) s — 包气带土壤中污染物吸附浓度(mg/ mg) ρ— 土层干容重(g/ cm3) η— 有效空隙度。 4 参考文献 [1] 周睿，赵勇胜，任何军，等。不同龄渗滤液及其在包气带中的迁移转化研究，环境工程学报，2008，2（9）：1189-1193。.[2] 刘期凤，廖家莉，张东，等。包气带土壤对Eu( Ⅲ) 的吸附，核化学与放射化学，2005，27（4）：210-215。[3] 杨建锋，万书勤，邓伟，等。地下水浅埋条件下包气带水和溶质运移数值模拟研究述评，农业工程学报，2005，21（6）：158-165。.[4] 高太忠，黄群贤，刘野，等。有机污染物在包气带中迁移转化试验研究，环境污染治理技术与设备，2004，5（2）：42-45。.[5] 张云， 张胜， 刘长礼，等。包气带土层对氮素污染地下水的防护能力综述与展望，农业环境科学学报，2006，25(增刊)：339-346。[6] 宋国慧，史春安。铬在包气带的垂直污染机理研究，西安工程学报，2001，23（2）：56-58。

冻土活动层土壤水热监测系统SWHMS 冻土活动层土壤水热监测系统SWHMS由数据记录仪、土壤监测传感器、支架及安装配件等组成。数据记录仪的主要功能是测量、扫描、采集、存储数据等功能，可采集到土壤温度、土壤水分、土壤电导率、土壤热导率、土壤热通量，土壤皮层温度等，这些特征是用于活动层监测系统研究的主要监测指标。 【应用领域】： 冻土水分运动监测 气象土壤监测 区域生态监测 植物生长及环境监测 荒漠化治理监测 农业合理化灌溉 系统工作流程图【建设依据】《冻土活动层观测规范》《气象仪器和观测方法指南》《土壤水动力观测规范》《土壤微环境观测规范》《土壤观测规范》冻土活动层土壤水热监测系统SWHMS传感器 HTP03温湿压传感器是我公司研制低成体传感器，温度传感器采用精密的PT1000，湿度采用精密的陶瓷测量元件，气压采用MEMS精密测量元件，传感器一体化设计，没有其它附件，广泛应用于气象、农业、生态和科研领域。技术指标：温度量程：-40~+85℃ 分辨率：0.01℃ 精度：±0.1℃（-30-70℃时）相对湿度量程：0~100.00% RH 分辨率：0.04% RH 精度：±1.8% (0~80%RH) ； ±3% (80%RH)气压量程：300~1100hpa 分辨率：0.02hpa 精度：±1hpa电源：6-17VDC电流：8mA@12VDC时信号输出：SDI-12工作环境：-40~+85℃；0~95% RH重量：320g (无线缆)尺寸：Φ16mm* H 100mm线缆长度：5m TDR315H土壤水分监测系统专门为科研气象监测设计，针对科学研究量身定做了一系列标准的高品质传感器。因此，为了获取到可靠的数据，传感器和塔架本身必须做特殊处理，同时还要考虑设备免受雷电的冲击。TDR315H土壤水分监测系统可以监测土壤水分、土壤温度、土壤盐分、土壤介电常数、土壤热通量，可扩展气象监测和土壤氧气、土壤二氧化碳等指标。传感器部分 TDR315H是美国Acclima公司在2019年5月7日推出的新产品，此产品代替了TDR315L，它是一个集成的时域反射计，结合了超快速的波形生成和数字化功能，以及精密的5ps皮秒分辨率时基和高度复杂的波形数字化及分析固件，提供土壤传播波形的实时时域分析。它在TDR315L的基础上改进了响应时间、产品功耗和盐性土壤的稳定性。技术指标：土壤体积含水量：0～100％ VWC分辨率：0.1％ VWC重复性（RMS偏差）：0.07%准确度：±1％ (粗中介质)；±2.5％ (细纹理介质)土壤温度：-40～+60℃分辨率：0.1℃重复性（RMS偏差）：0.1%准确度：±0.25℃介电常数范围：1～80分辨率：0.1重复性（RMS偏差）：0.07准确度：±1％(粗中介质)；±2％(细纹理介质)土壤体积电导率：0～5000μS/cm孔隙水电导率：0~55000μS/cm分辨率：1 μS/cm重复性（RMS偏差）：3 μS/cm准确度：±25 μS/cm@0~1000μS/cm；±2.5%@1000~2000μS/cm；± 5%@2000~5000μS/cm响应时间：0.25秒供电：3.5～15V DC信号输出：SDI-12探针长度：15cm；探针直径：0.35cm尺寸：21.15cm*5.3cm*1.9cm 重量：440g(不含电缆) Soil -5MTE土壤水分温度电导传感器是北京博伦经纬公司根据客户需求设计研发的一款土壤水分测量探头，传感器采用震荡频率为100MHz。通过测定土壤的介电常数来确定含水量。三叉状探针基部的热敏电阻测定土温，材质为阻燃环氧树脂和防腐电极，可以长期测量土壤中水分、温度和电导，提供SDI12信号输出，广泛应用于气象、农业、土壤、花奔和园艺等领域。 技术指标：介电常数范围：1（空气）~80（水）分辨率：0.1准确度：±1%@1~40；其它±10%土壤水分范围：0~100 m3/m3或% VWC分辨率：0.1% @0~60 m3/m3或% VWC准确度：±2.5%@0~60 m3/m3或% VWC土壤温度范围：-40~ +60℃分辨率：0.1℃准确度：±0.2℃@23℃；其它±0.5℃土壤盐分范围：0-23ds/m； 0~ 23000us/cm分辨率：0.1ds/m ；10us/cm准确度：±5%@ 7ds/m 其它±10%电源：4.5~26V DC电流：闲时 7mA , 典型 13mA信号输出：SDI12防护等级：IP68材质：阻燃环氧树脂和防腐电极工作环境：-50℃~+80℃ ；0-99.99%RH 土壤热通量传感器HFP01提供了一种测量热通量的解决方法。特别设计用于墙内和土内使用。HFP01 一种是传统的土壤热性能测试仪，用于测量流过其附和的主体中的热。HFP01中的实际探头是一个热电偶。 该热电偶测量 HFP01塑料体上下的差温。完全被动工作，产生一微小的、与该差温正比于的电压输出。假定热通量是稳定的，而塑料体的热导率是常数，且其对热流类型的影响可以忽略，则HFP01的信号与该地热通量成正比。性能指标: 标称灵敏度：50μV/W/㎡ 温度范围:-30℃～+70℃ 传感器热阻: 6.25 10-3 k㎡ /W 测量范围:-2000～+2000W/㎡ 校准样本可追溯性:NPL, ISO 8302 / ASTM C177 精度:土壤:+5%/-15 建筑墙体:+5%/-5% 防护等级：IP67工作环境：-30～+70℃线缆长度：5m TP01是荷兰Hukseflux公司生产用于长期监测土壤热导率传感器。使用TP01进行测量也可用于估算土壤热扩散率和体积热容量，从而更好地了解土壤的动态（可变热通量）热行为。TP01设计用于在一个测量位置长期使用。TP01应用于气象表面通量测量系统，改进了土壤中热传递和所谓储存期的估算。 TP01测量土壤热导率。它专为长期现场操作而设计，埋在土壤中。其额定工作范围为0.3至4 W /（m?K），涵盖大多数无机土壤类型。TP01内部的传感器是由2个热电堆组成的温差传感器。它测量加热丝周围的径向温差，具有很高的灵敏度。电热丝和传感器都装在一个非常薄的塑料薄膜中。它可以直接连接到常用的数据记录系统。 TP01的低热质量也使其适用于测量热扩散率。TP01应该包含在用户的测量和控制系统中。通常每6小时，TP01加热器开启以执行测量。导热系数λ，TP01的测量功能为：λ= SQ / U. 在校准参考条件下获得的工厂确定的灵敏度S在其产品证书上提供有TP01。从逐步加热的时间响应估计热扩散率和体积热容量。这些测量是可选的。体积热容是土壤含水量的线性函数，TP01可用于监测土壤含水量的变化趋势。与许多其他土壤含水量传感器相反，TP01对盐的污染不敏感，并且测量仍然在导电盐水或受精土壤中起作用。技术参数：测量：土壤热导率测量范围（λ）：0.3~5 W/m.K温度依赖性： 0.1 %/°C时间常数：19s年稳定性： 1 %/yr可选测量变量：热扩散率和容积热容可选配合土壤趋势监测：土壤含水量额定操作环境：土壤工作温度范围：-30~+80 °C传感器箔表面尺寸（60 x 20）x 10-3 m传感器厚度：0.15 x 10-3 m连接模块尺寸（43 x 24 x 10）x 10-3 m热电堆传感器数量：40对热电堆传感器电阻范围：20~50Ω加热时间间隔：180 s（3min）加热功耗：1 ~2 VDC, 0.4 A日平均耗：电量：0.007 W所需端口单元：2个差分电压，1个SW电压控制电压要求的不确定性（k = 2）：10 x 10-6 V @ 10-3 V；5 x 10-3 V @ 2 V标准电缆长度 ：5m ST-SDI12土壤温度传感器采用瑞士制造的高精度PT1000的测量元件，其壳体采用抗紫外线树脂和玻璃纤维组成，提供-60~+120℃的宽量程测量范围和较高的分辨率，广泛应用于气象、农业、土壤温度和能量交换的测量。技术指标： 测量范围：-60~+120℃ 分辨率：0.001℃ 精度：±0.1℃ 电源：6~16V DC 电流：Max 10mA 信号输出：SDI-12 工作环境：-60~+80℃ 材质：紫外线树脂和玻璃纤维 重量：0.42kg含5m线缆 SI-111-SS是高精度红外温度传感器，具有电压输出。 该传感器具有22°半角视野，响应时间为0.6秒。 传感器包括距头部30 cm的IP68船用级不锈钢电缆连接器，以简化传感器的拆卸和更换，以进行维护和重新校准。热电堆和热敏电阻都输出了我们大多数数据记录仪可以测量的毫伏信号。 数据记录器使用Stefan-Boltzman方程来校正传感器体温对目标温度的影响。 校正后的读数在-10°至+ 65°C范围内的优良精度为±0.2°C。 典型应用：用于植物水状态估计的植物冠层温度测量，确定结冰条件的路面温度测量以及能量平衡研究中的地面（土壤，植被，水，雪）温度测量。 技术指标 测量范围：-60~+110℃ 分辨率：0.01℃ 准确性：±0.2°C（-10~+ 65°C） ±0.5°C（-40~+ 70°C） 均匀度：±0.1°C（-10~+ 65°C） ±0.3°C（-40~+ 70°C） 重复性：±0.05°C（-10~+ 65°C） ±0.1°C（-40~+ 70°C） 输入功率：2.5 V激励（用于热敏电阻） 响应时间：6 s（目标温度变化） 目标温度输出信号与传感器主体的每°C差异为60μV 输出信号：0~2500 mV 波长范围：8至14μm（对应于大气窗口） 视场（FOV）：22°半角 工作环境：温度：-55~+ 80°C；湿度范围：0~100.00％RH 尺寸：直径：2.3cm*长度：6cm 重量：190克 含线缆：4.5米CR1000X数据采集器是美国CSI公司集多年数据采集器应用成果推出的一款核心产品，它能够为各种应用场景提供稳定的数据测量与系统控制服务。其优异的可靠性和环境适应性，使CR1000X数据采集器成为远程无人值守自动气象站、中尺度观测研究、风能太阳能监测系统、环境监测站和水文水质测量等众多环境监测系统的理想选择。参数*大扫描速率：100kHz模拟输入：16个单端通道（8个差分）脉冲通道：2个控制端子: 数字I/O，RS232/RS485，半/全双工CPU: 32bit，FPU，100Hz，1MB运存内存: 128MB，可通过MicroSD卡扩展8GB时钟精度: ±3分钟/年；10μm（选配GPS）测量分辨率: 0.02μV RMS模拟精度: ±（0.04%读数+漂移）工作温度: -40~70℃外形尺寸: 23.8cm×10.1cm×6.2cm重量 :约0.86kg