杆式土壤水分温度电导率监测系统-系统介绍

1.概述

杆式土壤水分温度电导率观测系统是采用传感器管式插入式接触测量的方式获得土壤指标，常见的杆式的土壤水分观测属于FDR（频域反射）方法。美国Campbell公司新研发的SoilVUE10 TDR 管式土壤三参数传感器则采用的TDR时域反射法。

首先我们先了解一下土壤水分的几个量：

土壤中水分形态为固态水和气态水

田间持水率是指土壤中不受地下水影响的条件下，土壤中悬着毛管水达到*大量时的土壤含水率.

土壤含水量一般是指土壤优良含水量，即100g烘干土中含有若干克水分，也称土壤含水率.

这些指标和土壤的类型息息相关，土壤的大致类型如下：

典型土壤水分含量：

土壤水的运动和存储：

2.土壤含水量的测量方法：

TDR(时域反射法）

TDR是根据探测器发出的电磁波在不同介电常数物质中的传输时间的不同,而计算出被测物含水量。电磁波的传播速度与传播媒体的介电常数有密切关系,而土壤基质、水和空气的介电常数有很大差异(20℃时,水的介电常数为80,空气的介电常数为1,干燥土壤的介电常数介于3～7)。故土壤含水量的变化对介电常数有明显的影响,由此电磁波的传播速度,便可确定其含水量。

FDR(频域反射法）

FDR型土壤水分监测仪是一种利用LC电路的振荡，根据电磁波在不同介质中振荡频率的变化来测定介质的介电常数ε，进而通过一定的对应关系反演出土壤水分θv的仪器。

3. EnviroPro 杆式土壤水分温度电导率传感器EP100G

土壤水分分辨率: 0.01%

土壤盐分分辨率: 0.001 dS/m

土壤温度分辨率: 0.01 °C

土壤水分精度: +/- 2% @ 0% VWC to 50% VWC

土壤盐分测量范围: 0 to 6 dS/m*2

土壤盐分精度: +/- 5% @ 0 to 4 dS/m

+/- 5% @ 10% to 30% VWC

土壤温度精度: +/- 1 °C @ 25 °C

信号输出: SDI-12

供电: +6 to +15 VDC

工作温度: -20 to +60 °C

功耗： 0.1mA 静态 1mA 测量/单个测点

测点间距：每10cm一层

型号选择：EP100G-04（4个测点）；EP100G-08（8个测点）；EP100G-12（12个测点）；EP100G-16（16个测点）

4.Stevenswater 杆式土壤水分温度传感器 GroPoint Profile

土壤水分：

测量范围：0%-99%

精度：0.5%

土壤温度：

测量范围：-20°C to +70°C

工作温度：-40°C to +85°C

精度：±0.5 °C

信号输出：SDI-12(RS-485)

供电：6 - 14 VDC, *大18 VDC

防水：IP66/IP68

传感器测量间距：每15cm一层

型号选择：

GroPoint Profile 2（2层测点）

GroPoint Profile 3（3层测点）

GroPoint Profile 4（4层测点）

GroPoint Profile 5（5层测点）

GroPoint Profile 6（6层测点）

GroPoint Profile 8（8层测点）

5.SOILVUE10-管式TDR土壤水分传感器

SoilVUE™10是美国Campbell公司研发的一体式剖面TDR土壤水分传感器，采用TrueWave™TDR技术，专为环境研究人员及环境监测网络而设计，可同时测量一个剖面多个测点的土壤水分、温度、电导率。对于有相似需求的科研人员来说，SoilVUE™10的出现是一个值得关注的优选。

坎贝尔科学公司专有的TrueWave™TDR技术，采用较佳的波形上升时间和先进的波形分析技术来测定高频脉冲的真实行程时间。这一过程实现了高分辨率，能得到平滑的测量信号，优于其他TDR测量技术，并非所有基于TDR的传感器都能获得同样好的测量结果。

技术特点及优势

l 一个传感器可同时测量9层（1米规格）或6层（0.5米规格）土壤水分、介电常数、电导率和土壤温度。

l 简易快速的安装。

l 1.4版本SDI-12输出信号，兼容大部分数据采集器。

l 专为长期户外安装设计。

详细说明

SOILVUE™10由TDR电路组成，连接到六或九个螺旋波导，构成整个螺纹设计的一部分。螺纹设计中内置的单个传感器改善了传感器与土壤的接触，减少空气间隙照成的潜在误差。TDR电路产生用于螺旋波导的短上升时间电磁脉冲，利用外加脉冲经过的双向行程时间来计算周围介质的介电常数，并用混合模型确定体积含水量。

土壤水分剖面传感器可以用标准的5cm直径手钻打孔来安装。不需要挖掘机械或昂贵的定制工具。

电缆和传感器之间采用防水等级IP67的航空插头连接，方便更换。

6.土壤水分站站点应用：

数据质量控制与合理性检查的重要保障

实现数据统一管理

方便各级用户使用管理

不需要固定计算机,不需要安装特殊软件

节省现场收集,数据管理的人力物力

工作原理导图：

• 在底层搭建基础数据平台

• 在WebGIS（天地图）平台基础上搭建应用系统

• 将应用系统划分前后台，前台（首页+中心站页+地方站页）用于应用展示，后台用于维护管理

• 支持PC或者手机（android浏览器，手机UC浏览器）在任何有网络的地方在线浏览

土壤水分站管理平台：

无线传输功能：

界面显示

登陆后的界面：有首页，数据，预警，公告，管理，帮助等选项。可以直接查询某一时间，某一站点，样地的数据信息。

进入“数据"选项，界面左侧为站点。样地下拉选项，右侧为时间选项，能够详细观测某时某站点样地的数据列表、折线图、统计数据等信息，并可导出已选时间、样地的.csv文件。

数据折线图:

数据列表：

土壤水分观测系统 数据管理平台

数据传输与管理

界面显示：

进入“预警"界面，能够清楚的看到通讯异常的站点、样地。

“管理"界面，首页左侧有“用户管理"“阈值管理"“监测站信息"“历史数据"“公告管理"“数据上报管理"选项，首页右侧为所有“系统管理员"和“台站用户信息"

在“监测站信息"界面，系统管理员可以对站点、样地信息进行修改，查看。

在“公告管理"界面里，系统管理员可以添加公告和查看公告信息

数据信息可按照年份，时间段批次上报。系统管理员可以对上报的数据信息进行查看、删除等管理。

7.参考文献：

1.半干旱黄土丘陵区土壤水分生长季动态分析-徐志尧 ， 张钦弟 ， 杨磊

2.不同土质土壤水分运移规律研究-王苏玉

3.基于有效*大含水量的土壤水分监测优化布设方法-王珊， 胡振华

4.土壤水分时间稳定性研究进展-蔺鹏飞 ， 朱喜 ， 何志斌

5.土壤水分波动对高寒草甸生态系统CO2和N2O排放的影响-王瑞， 王平 ， 高永恒