鄭鑫，張興宇，李波，陶夏新

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶　163319；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院）

溫度對(duì)TDR法測量土含水量影響的試驗(yàn)研究與誤差修正

鄭鑫1，張興宇1，李波1，陶夏新2

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶163319；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院）

為了研究溫度對(duì)TDR法快速測量土壤含水量的影響，本文在分析TDR法測量土壤水分的基礎(chǔ)上，利用JL-01型土壤水分測定儀分別測定不同溫度下重塑粉質(zhì)粘土含水量，并與烘干法測量結(jié)果進(jìn)行了比較，擬合得到了TDR法測量土壤含水量誤差隨溫度變化的公式，并給出了修正后的土壤含水量。試驗(yàn)及分析結(jié)果表明，雖然正低溫對(duì)TDR法測量土壤含水量的結(jié)果影響在一定的范圍之內(nèi)，但經(jīng)過溫度修正的測量值會(huì)有效降低測量誤差。

TDR法；土的含水量；誤差修正；溫度；試驗(yàn)研究

在巖土工程及農(nóng)業(yè)水土工程的研究中，含水量是一個(gè)重要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，是土承載能力研究分析中不可缺少的基本資料，也是農(nóng)田土灌溉控制的重要參數(shù)。土的含水量及其測定方法，已經(jīng)越來越受到科研工作者的重視，許多科研人員從不同的途徑，不斷探索準(zhǔn)確、高效的含水量測定方法。

現(xiàn)在常用的測定土壤水分的方法有烘干法、電容或電阻法、張力計(jì)法、核技術(shù)方法和時(shí)域反射儀法等［1-2］。烘干法一直被認(rèn)為是最經(jīng)典準(zhǔn)確的，是其他方法的基準(zhǔn)，其測試原理簡單，但測試耗時(shí)長、便攜性差，實(shí)際測試過程中多有不便。

時(shí)域反射儀法（time domain reflectometer）簡稱TDR法，是新近發(fā)展起來的一種主要用于測定土壤水分及電導(dǎo)率的方法，并可做到信息轉(zhuǎn)換而達(dá)到數(shù)據(jù)自動(dòng)采集的目的。具有不破壞樣本、快速、容易操作、無輻射污染、可長期在線監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)，因而很快為人們所接受［3-4］。TDR法能快速測得土的含水量，其基本原理是產(chǎn)生的階躍電壓信號(hào)通過在同軸電纜進(jìn)入到探頭，通過電磁波的反射傳回，測得土壤含水量［5-7］。人們在使用此方法時(shí)往往忽略了溫度的影響，但實(shí)踐表明，TDR儀器讀取的數(shù)據(jù)在不同溫度下存在著不同程度的誤差，尤其在0～15℃之間時(shí)測試含水量誤差比較明顯［8］。為找出正低溫（0～15℃）情況下TDR法測量土壤含水量的誤差，利用清勝電子科技有限公司產(chǎn)品JL-01型TDR土壤水分測定儀進(jìn)行試驗(yàn)研究，以烘干法測得的含水量作為準(zhǔn)確值，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果給出考慮溫度影響的TDR法測量土壤含水量修正公式。

1　JL-01型土壤水分測定儀簡介

JL-01型土壤水分測定儀是時(shí)域反射儀（TDR）中一個(gè)常見的型號(hào)，它又稱多點(diǎn)土壤溫濕度記錄儀，其特點(diǎn)是可以在測量土的含水量的同時(shí)測量其內(nèi)部溫度。全程跟蹤記錄被測環(huán)境中的溫度、濕度數(shù)據(jù)，記錄時(shí)間長。本試驗(yàn)采用的單臺(tái)記錄儀接入8路溫度探頭及10路濕度探頭，可以同時(shí)測量多個(gè)點(diǎn)的溫度及土壤濕度。其溫度測量精度為±＜0.2℃，濕度測量精度為±3%［9］，溫濕度測量范圍在0～25℃。JL-01型土壤水分測定儀示意圖見圖1。

圖1　JL-01型土壤水分測定儀示意圖Fig. 1JL-01 soil water meter

2　試驗(yàn)過程

2.1土樣制備

根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123-1999）［10］制備試樣及試驗(yàn)，試驗(yàn)土樣為大慶地區(qū)粉質(zhì)粘土，粒徑為0.005～0.05 mm的約占50%，粒徑小于0.005 mm的土含量約為35%。在0～20℃范圍內(nèi)每間隔2℃設(shè)定一個(gè)溫度控制值（即0，2，4，…，20℃），共11個(gè)溫度組，每個(gè)溫度組下制備選定9個(gè)相同含水量土樣，按照擾動(dòng)土制備方法制作重塑粘土土樣，然后立即用雙層保鮮塑料薄膜緊密封好、包扎，密封，并填寫試樣標(biāo)簽，對(duì)試樣進(jìn)行編號(hào)。

2.2溫度控制并讀取TDR法測定的含水量值

利用黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院智能人工氣候?qū)嶒?yàn)室的JSN-PC型號(hào)恒溫控制箱（見圖2）進(jìn)行設(shè)定溫度的恒溫控制，設(shè)定溫度24 h后，恒溫控制箱內(nèi)溫度逐漸穩(wěn)定，達(dá)到設(shè)定溫度值后，將試驗(yàn)土樣放入到恒溫控制箱內(nèi)，為保證試驗(yàn)土樣里外溫度一致，持續(xù)24 h后讀取試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖2　智能人工氣候?qū)嶒?yàn)室的JSN-PC型號(hào)恒溫控制箱Fig.2JSN-PC temperature control box of intelligent artificial climate laboratory

2.3烘干法測定含水量

記取TDR法測定的含水量值后隨即取出土樣現(xiàn)場稱其濕重，并按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/ T50123-1999）進(jìn)行烘干試驗(yàn)，試驗(yàn)儀器采用黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)土木工程實(shí)驗(yàn)室的DGG-9070B型烘干儀及SL2002N型電子天平。

3　試驗(yàn)結(jié)果

利用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)對(duì)比方法，分析烘干法和JL-01型TDR儀器測出的0～20℃范圍內(nèi)11組土樣平均含水量的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差，計(jì)算公式如公式（1）和（2），結(jié)果如表1所示，99個(gè)土樣的誤差分布如圖3所示。

含水量絕對(duì)誤差公式：

含水量相對(duì)誤差公式：

式中：ωi為TDR測定含水量；ωj為烘干法含水量。

表1　JL-01儀器和烘干法測量平均含水量及對(duì)比Table 1 Comparison of water content of JL-01 and oven drying method

圖3　TDR法含水量誤差隨溫度分布圖Fig.3Content error analysis of JL-01 meter and drying moisture

從表1和圖3中可以看出：平均含水量絕對(duì)誤差范圍值在-3.6～3.42%，相對(duì)誤差范圍值在-0.214～0.199。16℃以下，JL-01儀器測定結(jié)果和烘干法結(jié)果誤差波動(dòng)性較大，無明顯趨勢性；16℃以上，二者誤差減小，接近于零，表現(xiàn)出收斂性。

4　結(jié)果分析與誤差修正公式

通過上述分析，采用傳統(tǒng)的最小二乘法擬合出TDR含水量及烘干法含水量誤差非線性函數(shù)修正公式，如式（2）及圖4。

圖4　JL-01型土壤水分測定儀溫度誤差修正曲線Fig.4Temperature error analysis of JL-01 type soil moisture meter

由擬合曲線可得：

式中：t為儀器測定時(shí)的溫度值。

為了方便儀器測量結(jié)果修正，將公式（3）轉(zhuǎn)換為：

經(jīng)過公式（4）可得出圖5和表2的數(shù)據(jù)。

圖5　JL-01儀器修正值和烘干法結(jié)果誤差Fig. 5Result error of water content of JL-01 corrected value and oven drying method

從圖5可以看出，修正后含水量的相對(duì)誤差保持在0.01%左右。

從圖5、表2可以看出，修正后的JL-01儀器平均含水量的絕對(duì)誤差范圍-2.39%～2.50%，相對(duì)誤差范圍-0.142～0.146。為了更清楚的分析擬合效果，將修正后的含水量相對(duì)誤差擬合線性曲線，結(jié)果是曲線在零點(diǎn)范圍平直延伸，說明公式（4）修正效果好。與圖3、表1對(duì)比分析，誤差范圍縮小了，比未修正之前明顯收斂；誤差正負(fù)最大者很接近，說明誤差在震蕩均勻?？傮w看來，修正公式達(dá)到預(yù)期效果。

表2　修正后JL-01儀器和烘干法測量平均含水率對(duì)比表Table 2Comparison of revised water content using JL-01 and oven drying method

5　結(jié)論

雖然JL-01型土壤水分測定儀在出廠時(shí)已經(jīng)進(jìn)行了校正，但在對(duì)大慶地區(qū)粉質(zhì)粘土進(jìn)行的針對(duì)溫度變化對(duì)土含水量測量值影響的對(duì)比試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，TDR法受溫度影響較大，存在一定誤差。研究給出了非線性擬合修正方法，修正后的偏差范圍很小，說明校正效果較好。修正方法對(duì)其他類型的土利用這類儀器測量的溫度校正也具有很好的借鑒意義。

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Experiment Research and Error Correction of the Influence of Temperature on Soil Water Content Using TDR Method

Zheng Xin，Zhang Xingyu，Li Bo，Tao Xiaxin
（1.College of Engineering，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319；2.School of Civil Engineering，Harbin Institute of Technology）

TDR method was used to study the influence of temperature on water content of soil，then the water content of remolded silty clay was measured under different temperature by using JL-01 Soil Water Content Analyzer.These data were compared with the results of water content using oven drying method.Then the formula of water content of soil using TDR method along with the temperature was obtained by curve fitting.Finally，the revised soil water content was given.It showed that although the influence of plus low temperature on water content of soil using TDR method was not very high，the error of revised water content of soil after considering temperature was effectively reduced.

TDR method；water content of soil；error correction；temperature；experiment

TV41

A

1002-2090（2016）02-0093-04

10.3969/j.issn.1002-2090.2016.02.019

2015-06-25

黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)成、引進(jìn)人才科研啟動(dòng)計(jì)劃（XDB2013-44）；黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)研究生創(chuàng)新科研項(xiàng)目（YJSCX2014-Y14）。

鄭鑫（1974-），男，副教授，哈爾濱工業(yè)大學(xué)畢業(yè)，現(xiàn)主要從事農(nóng)業(yè)水土工程、巖土地震工程方向的研究工作。