一种水分监测装置及利用该装置确定作物蒸散量的方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种水分监测装置，包括水分传感器、第一数据处理器、第二数据处理器和第三数据处理器，水分传感器、第一数据处理器、第二数据处理器、第三数据处理器依次电连接。本发明专利技术还公开了一种利用水分监测装置确定作物蒸散量的方法。本发明专利技术水分监测装置能够准确得到连续时间内土壤总储水量数据，能够适应于复杂地形，省时省力，结构简单，生产和使用成本低，通用性强。本发明专利技术方法简便，计算精度高，实现了复杂环境下作物蒸散的连续监测，通过在较短时间间隔内计算作物蒸散量得到作物整体蒸散情况，计算方法较为准确，整体误差较小，为干旱地区作物提供了合理有效的水分管理基础。

【技术实现步骤摘要】
一种水分监测装置及利用该装置确定作物蒸散量的方法
本专利技术涉及土壤水分测定
，尤其涉及一种水分监测装置及利用该装置确定作物蒸散量的方法。
技术介绍
陆地水分循环是维持陆地生态系统的基本要素，其主要是由降雨、水面蒸发、土壤蒸发、植物蒸腾等过程构成，其中土壤蒸发和植物蒸腾合称为作物蒸腾。作物蒸散是制定作物灌溉制度和区域灌溉需水量计划的基本依据，是区域水量平衡、农田灌溉、水资源管理等众多领域需要必须考虑的，是水文循环的重要环节，准确测量作物蒸散对科学研究和生产具有极大的意义。但是，在实测作物蒸散量过程中，往往有很多影响因素难以控制，因此需要研究作物蒸散量的估算方法。目前，国内外测量作物蒸散主要有以下方法：水量平衡法、大型蒸渗仪法、微型蒸渗仪与热扩散式茎流计法、涡度相关法、波文比法以及彭曼公式法。水量平衡法应用最为普遍，简便，不受气象条件的限制；但是取样频繁，每次取样点均不相同，取样带来的误差不能忽略；其次，在水量平衡法中水分运动下边界难以确定，导致由于取样深度不确定从而带来很大误差；其三，水量平衡法中的各个分量，如降水量、蒸散量难以准确分开，其误差会集中到蒸发量的计算；其四，水量平衡法测定时间相对较长，无法观测到动态变化规律。蒸渗仪法是经典的标准方法，能够测定1h以内的蒸散量，但存在以下不足：第一，设计复杂，破坏了土壤原来的结构，隔断了作物生长土壤与深层土壤之间的水分联系；第二，器内植株的代表性对蒸发测定有影响，器内水分调节有困难；第三，需要大型设备，属于固定式设备，机动性很差，而且成本昂贵。前边两项不足，使得试验条件与真实情况有差异；第三项不足使得该方法不能广泛使用。此外，微型蒸渗仪与热扩散式茎流计法、涡度相关法、波文比法以及彭曼公式法等，上述这四种方法在复杂地形上的应用存在较大难度。因此，如何针对上述现有技术所存在的缺点进行研发改良，实为相关业界所需努力研发的目标，本申请设计人有鉴于此，乃思及创作的意念，遂以多年的经验加以设计，经多方探讨并试作样品试验，及多次修正改良，乃推出本申请。例如申请号为200810239422.9的中国专利公开了一种确定参考作物蒸散量的方法，包括下列步骤：计算m个气象站点在n年内每年72个候的蒸散量pET0和hET0；进而计算pET0/hET0；然后计算该比值基于候的平均值Ks和各个候内的该比值基于年的平均值Ksj；通过空间插值方法，得到目标区域内任何位置上的Ks，Ksj；针对目标区域内的目标位置计算hET0；根据ET0＝K×hET0计算目标位置的参考作物蒸散量，所述K＝Ks或Ksj。但是该方法计算复杂，需要设置多个气象站点，仅能得到目标区域内的蒸散量作物参考蒸散量，作物蒸散量不精确。申请号为200810239423.3的中国专利公开了一种原位确定作物蒸散量的方法，包括下列步骤：原位实时测量5层以上不同深度土层的土壤水势和土壤体积含水量数据，其中至少一层在作物根层以下；在作物根层以下存在零通量面的情况下获得根层以下零通量面以上各个土层的多个非饱和导水率-体积含水量数据对；进而获得各个土层的非饱和导水率-体积含水量数学关系；在此基础上获得根层以下各土层的水分通量，进而根据水量平衡法确定蒸散量。但是该方法成本较高，不适合大面积推广使用。再如申请号为201010602193.X的中国专利公开了一种基于作物蒸散量模型的智能化滴灌控制系统及其方法，该方法通过数据采集模块采集作物的温度t、湿度U和光辐射信号Rn，经过相应的多个A/D转换模块后送入控制器中；其次、控制器计算出单株作物的灌溉量，乘以与作物相应个数的滴头得到总灌溉量，根据水泵的出水流速得出灌溉的时间；最后、控制器通过驱动电路操作执行机构进行灌溉。该方法为波文比能量平衡法在复杂地形上的应用存在较大难度。综上，有必要设计一种在不破坏土壤的情况下原位精确计算出作物蒸散量、监测到作物蒸散量的实时动态变化、相邻时间点的时间间隔可以根据实际需要设定、使用成本低、适应范围广的水分监测装置及利用该装置确定作物蒸散量的方法。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术公开了一种水分监测装置，包括水分传感器、第一数据处理器、第二数据处理器和第三数据处理器，所述水分传感器、第一数据处理器、第二数据处理器和第三数据处理器依次电连接，所述水分传感器用于获取土壤水分含量信号并将所述土壤水分含量信号发送给所述第一数据处理器；所述第一数据处理器用于接收所述土壤水分含量信号并对所述土壤水分含量信号进行处理，得到土壤体积含水量；所述第二数据处理器用于接收所述土壤体积含水量，并将所述土壤体积含水量代入土壤总储水量公式中计算，得到每个时间点的土壤总储水量；所述第三数据处理器用于对相邻时间点的土壤总储水量进行相减计算，得到相邻时间点内土壤总储水量的增加量。进一步地，所述水分监测装置还包括第四数据处理器，所述第四数据处理器用于对土壤总储水量的增加量进行累加计算。进一步地，所述水分传感器均平行于土壤表面并间隔设置于同一竖直线上，相邻两个所述水分传感器之间的距离沿土壤表面至作物根部方向增大。进一步地，所述水分监测装置还包括控制器，所述控制器与第二数据处理器和灌溉装置连接，所述控制器用于根据每个时间点的土壤总储水量控制灌溉装置的启动或关闭。相应地，本专利技术还公开了一种利用水分监测装置确定作物蒸散量的方法，包括如下步骤：S1、在作物待测点布设所述水分自动监测装置，将n个水分传感器依次按照距离土壤表面h1、h2......hn深度插入作物根区的土壤中；S2、使用第n个水分传感器获取hn深度的土壤水分含量信号并将其发送给所述第一数据处理器；S3、使用所述第一数据处理器接收hn深度的土壤水分含量信号并对其进行处理，得到hn深度的土壤体积含水量；S4、使用所述第二数据处理器接收hn深度的土壤体积含水量，并将其代入下列公式中计算，得到每个时间点hn深度的土壤总储水量；其中，n为水分传感器的数量，n≥1；0代表土壤表面；hn为第n个水分传感器距离土壤表面的深度，hn单位为cm；SWS为土壤表面到hn深度土壤层面的土壤总储水量，SWS单位为cm；θn为hn深度的土壤体积含水量，θn单位为cm3cm-3；S5、使用所述第三数据处理器对相邻时间点的土壤总储水量进行相减计算，得到相邻时间点内土壤总储水量的增加量ΔSWS。进一步地，若相邻两个时间点内土壤总储水量的增加量ΔSWS>0，则判定该相邻两个时间点内有降雨产生，ΔSWS为该相邻两个时间点内的降雨入渗量；若相邻两个时间点内土壤总储水量的增加量ΔSWS<0，则判定该相邻两个时间点内无降雨产生，ΔSWS的绝对值|ΔSWS|即为该相邻两个时间点内的作物蒸散量。进一步地，所述第四数据处理器用于累加一个时间段内所有大于0的ΔSWS，所有大于0的ΔSWS的累加值为该时间段内的降雨入渗量；所述第四数据处理器用于累加一个时间段内所有小于0的ΔSWS的绝对值|ΔSWS|，所有小于0的ΔSWS的绝对值|ΔSWS|的累加值为该时间段内的作物蒸散量。进一步地，距离土壤表面深度最大的水分传感器的深度大于作物的最大根深。进一步地，所述相邻两个时间点的时间间隔范围为5-2880min。优选地，所述相邻两个时间点的时间间隔设为10min。实施本专利技术，具有本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水分监测装置，其特征在于，包括水分传感器(1)、第一数据处理器(2)、第二数据处理器(3)和第三数据处理器(4)，所述水分传感器(1)、第一数据处理器(2)、第二数据处理器(3)和第三数据处理器(4)依次电连接，所述水分传感器(1)用于获取土壤水分含量信号并将所述土壤水分含量信号发送给所述第一数据处理器(2)；所述第一数据处理器(2)用于接收所述土壤水分含量信号并对所述土壤水分含量信号进行处理，得到土壤体积含水量；所述第二数据处理器(3)用于接收所述土壤体积含水量，并将所述土壤体积含水量代入土壤总储水量公式中计算，得到每个时间点的土壤总储水量；所述第三数据处理器(4)用于对相邻时间点的土壤总储水量进行相减计算，得到相邻时间点内土壤总储水量的增加量。

【技术特征摘要】
1.一种水分监测装置，其特征在于，包括水分传感器(1)、第一数据处理器(2)、第二数据处理器(3)和第三数据处理器(4)，所述水分传感器(1)、第一数据处理器(2)、第二数据处理器(3)和第三数据处理器(4)依次电连接，所述水分传感器(1)用于获取土壤水分含量信号并将所述土壤水分含量信号发送给所述第一数据处理器(2)；所述第一数据处理器(2)用于接收所述土壤水分含量信号并对所述土壤水分含量信号进行处理，得到土壤体积含水量；所述第二数据处理器(3)用于接收所述土壤体积含水量，并将所述土壤体积含水量代入土壤总储水量公式中计算，得到每个时间点的土壤总储水量；所述第三数据处理器(4)用于对相邻时间点的土壤总储水量进行相减计算，得到相邻时间点内土壤总储水量的增加量。2.根据权利要求1所述的水分监测装置，其特征在于，所述水分监测装置还包括第四数据处理器(5)，所述第四数据处理器(5)用于对土壤总储水量的增加量进行累加计算。3.根据权利要求2所述的水分监测装置，其特征在于，所述水分传感器(1)均平行于土壤表面并间隔设置于同一竖直线上，相邻两个所述水分传感器(1)之间的距离沿土壤表面至作物根部方向增大。4.根据权利要求2所述的水分监测装置，其特征在于，所述水分监测装置还包括控制器(6)，所述控制器(6)与第二数据处理器(3)和灌溉装置连接，所述控制器(5)用于根据每个时间点的土壤总储水量控制灌溉装置的启动或关闭。5.一种利用权利要求2-4中任一项所述的水分监测装置确定作物蒸散量的方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、在作物待测点布设所述水分自动监测装置，将n个水分传感器依次按照距离土壤表面h1、h2......hn深度插入作物根区的土壤中；S2、使用第n个水分传感器获取hn深度的土壤水分含量信号并将其发送给所述第一数据处理器；S3、使用所述第一数据处理器接收hn深度的土壤水分含量信号并对其进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵西宁，高晓东，李虹辰，凌强，孙文浩，
申请(专利权)人：西北农林科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61