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TDR测定土壤含水量原理分析

来源: 本站  类别:技术文章  更新时间:2010-4-22 15:11:51  阅读

地表土壤水分是陆地和大气能量交换过程中的重要因子, 并对陆地表面蒸散、水分运移和碳循环有很强的控制作用, 在水文、气象和农业科学领域土壤水分含量测定是必不可少的基本资料. TDR( Time Domain Reflectomet ry , 时域反射仪) 法是近年来普遍采用的一种较精确测定土壤含水量的方法, 具有不破坏样本、快速和容易操作等优点, 并可做到讯息转换而达到数据自动采集的目的, 因而很快为人们所接受[1 ] . Topp 等[2 ] 使用TDR 对不同类型土壤的介电常数进行大量测定, 建立了土壤介电常数与土壤体积含水量的关系, 证明介电常数与许多土壤类型的土壤含水量之间具有较好的相关性. 这为通过TDR 测定土壤含水量奠定了基础.
  本研究依托于黑河流域遥感2地面观测同步试验与综合模拟平台建设项目中的子课题“黑河流域上游寒区水文遥感2地面同步观测试验”, 使用Del2ta TDR 和Stevens TDR 两种便携式TDR 测定土壤中的含水量. TDR 在测定精度要求较低时一般不需要标定, 但当误差要求很很高时, 需进行标定或校正[1 ] . 为了更加准确地测定土壤含水量, 我们对这两种TDR 仪器进行了室内试验标定, 并认为所采用的标定方法值得借鉴. 通过标定[3 ] , 一方面可以确定在特定的土壤质地下其适用的含水量范围; 另一方面还可确定其实际的测量精度, 避免采用通用标定曲线的误差估计其实际的误差. TDR测定土壤含水量的标定其目的旨在为黑河遥感项目提供精确的地面土壤水分数据, 为遥感反演和验证提供基础数据, 所得到的标定结果对于具有相同土质的黑河中游土壤具有参考价值.
TDR 测量原理
  TDR 测量土壤水分是基于土壤表观介电常数的测量. TDR 发射的电磁脉冲波, 经由同轴电缆传入探头内, 然后进入介质中, 通过测量电磁波沿导波探头在土壤介质中的传播并在其末端反射的时间(电磁波在各点的反射很明确, 可以很准确地测出t求得理论上的介电常数. 当频率在1 MHz~1 GHz时电磁波的传播速度与传播媒体的介电常数呈如下关系:
k = ( c/ v) 2 = ( ct/ 2L) 2 (1)
式中: k 为介质的介电常数; c 为光速(3 ×108 m ·s - 1 ) ; v 为电磁波的传播速度; t 为电磁波的在探头内的传播时间( s) ; L 为TDR 探头长度.
水的介电常数是80 (20 ℃时) , 而土壤固体介电常数是2~5 , 空气的介电常数为1. 水的介电常数比空气或土壤的介电常数大的多, 因此, 土壤的介电常数主要受土壤水分含量的影响. 可以通过测量土壤介电常数K 来推测土壤含水量(θ) , 表1 为主要土壤成分的介电常数. Topp 等[2 ] 用TDR 对大部分土壤体积含水量进行了测定, 给出了土壤体积含水量和介电常数之间关系的经验公式[ 2 ] :
式中: K 为土壤的介电常数; θ为土壤的体积含水量.
自从Topp 等[2 ] 对TDR 做出关键性的发展后,便开始了大量使用TDR 测定土壤水分的时期[5 - 6 ] .Topp 最早发展TDR 法时曾认为此法不受土壤质地、容重、温度等物理因素的影响[2 ] , 但后来的研究表明[7 ] , 在测量精度要求较低时这一结论是正确的. 对矿质土壤, 当其误差要求为0. 05 cm ·cm- 1时, 可用同一的标定曲线确定各种土壤的含水量关系, 但当要求误差更小时, 它们的关系受质地、容重以至温度等物理因素的影响. 对于质地粘土占较大比重的土壤, 当含水量较高时, 由于输入电磁波的能量耗散较大, 导致反射讯息模糊, 容易造成失准. 因此, 对于待测土壤, 预先标定其含水量与介电常数的关系仍然是必要的。

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