一种加热光纤分布式同步测定土壤水热参数的方法技术

本发明专利技术公开了一种加热光纤分布式同步测定土壤水热参数的方法，其步骤为：将光缆埋设于待测土壤中，用于感应周围土壤的温度；对光缆内的金属层进行短时间通电产生焦耳热；测定周围土壤的温度增量及随时间的变化；建立土壤水分与测定的热导率的函数关系；通过光纤不同空间点位测定的热导率测定沿光纤不同点位的土壤水分；采用均方根误差

【技术实现步骤摘要】
一种加热光纤分布式同步测定土壤水热参数的方法


[0001]本专利技术涉及一种土壤数据处理测定领域，具体为一种加热光纤分布式同步测定土壤水热参数的方法
。

技术介绍

[0002]土壤热参数包括热导率
、
热扩散率和体积热容，影响着土壤的温度变化和能量运移，它和土壤含水率之间相互作用并共同控制着土壤中的水热交换和平衡
。
准确测定水热参数对于陆面模型模拟和指导农田精准灌溉至关重要
。
因此，对土壤的热参数和含水率进行同步测定十分关键
。
当前热脉冲探针法是测量土壤水热性质最受青睐的方法，但该方法只能对点尺度的土体进行测定
。
然而土壤水热参数具有强烈的空间变异性，所测数据对田间大面积土壤的代表性不强
。
因此，针对土壤热性质和含水率在测定尺度
(
大
、
小尺度
)
与应用尺度
(
田间中尺度
)
不一致的现状，亟需开发能在田间尺度同步测定土壤水热参数的新技术和方法
。
分布式光纤温度传感技术
(DTS)
的快速发展为田间尺度土壤水热参数同步测定提供了新思路
。
[0003]分布式光纤温度传感技术
DTS
是一种基于拉曼散射效应测量温度并通过光的时域反射技术定位的温度传感器，通过背向散射的反斯托克斯光和斯托克斯光强比可以得到沿光纤的温度分布
。
光纤测定土壤含水率的原理可分为两类：被动加热光纤法和主动加热光纤法
。
被动加热光纤法是通过监测不同土壤深度的土壤温度反演热扩散率，再通过热扩散率推求含水率该方法的缺陷是光纤深度存在较大的不确定性，导致热扩散率的求解存在很大误差
。
因此，被动加热法在田间应用推广缺乏可行性
。
[0004]主动加热光纤法
(AHFO
‑
DTS)
是基于热脉冲探针原理，给光纤金属层短时间通电加热，通过解析加热和冷却阶段温度的变化推求土壤含水率，可以进行任意时间任意土壤深度的测量，相对于被动加热光纤法应用更为广泛
。
其中基于双探针热脉冲的分布式光纤传感法
(DPHP
‑
DTS)
能同时测量土壤热导率
、
热扩散率和比热容，并利用比热容推求含水率，但测量精度受光纤间距的影响极大，导致其应用受限
。
单探针热脉冲的分布式光纤传感法
(SPHP
‑
DTS)
仅需埋设1条光纤，避免了上述缺点，得到了更多的青睐
。
该方法利用单探针热脉冲线性热源理论，把光纤上某一段看成一根单探针，光纤可看成由无数个单探针串联而成，因此可以实现土壤水分的高时空分辨率监测
。
该方法可以直接利用热脉冲温度随时间的变化信息，如最大升温值
(
Δ
T
max
)、
累积升温值
(
Δ
T
cum
)
与土壤含水率的函数关系来推求含水率，也可通过间接测定土壤热导率
(
λ
)
推求土壤含水率
。
[0005]由于光纤特性与探针存在很大差异，因此光纤法不满足无限线性热源的假设
。
这导致目前光纤法测定土壤热导率和土壤水分的误差较大，并且两者还未实现精准同步测定
。
本专利技术通过对加热光纤法和探针法测定土壤水热参数进行对比验证，分析了加热光纤法和探针法测定差异的内在原因，明确了加热光纤法和探针法测量土壤水热参数的精度效果
。
此外，本专利技术还建立了加热光纤法的热导率校正模型，从而提高了加热光纤法的土壤水热参数测定精度
。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种加热光纤分布式同步测定土壤水热参数的方法，对未来优化光纤法，提升土壤水热参数测定精度具有重要意义，对生态系统中土壤水热等环境因子的千米级尺度监测具有重要价值
。
[0007]本专利技术采用的技术方案如下：一种加热光纤法测定土壤水热参数的方法，利用加热光纤法实现土壤水热参数同步测定，包括以下步骤：
[0008]步骤
S11
：将光缆埋设于待测土壤中，光缆由外向内包括绝缘护套
、
金属层和光纤，绝缘护套包裹金属层和光纤，金属层包裹光纤，光纤用于感应待测土壤周围的温度；
[0009]步骤
S12
：对光缆内的金属层进行短时间通电产生焦耳热，加热功率通过金属层的电阻
R
和实时记录的电压
U
求得，计算公式为
Q
＝
U2/R
；
Q
为金属层单位长度的加热功率；
[0010]步骤
S13
：利用光信号解调模块
DTS
采集步骤
S11
中沿光纤不同空间点位测定待测土壤周围的温度增量
Δ
T
及随时间
t
的变化；通过公式
(1)
计算得到沿光纤不同空间点位的待测土壤热导率
λ
FO
；
[0011][0012]其中，
Δ
T
为沿光纤不同空间点位测定的待测土壤周围的温度增量；
λ
FO
为沿光纤不同空间点位的待测土壤热导率；
t
为时间；
t0为加热时间；
t
′
为校正时间；
[0013]步骤
S14
：在待测土壤内光纤的不同空间点位附近埋设土壤水分探头
TDR
，土壤水分探头
TDR
用于监测光纤附近的土壤水分
θ
，将光纤的不同空间点位土壤水分
θ
与沿光纤不同空间点位的待测土壤热导率
λ
FO
通过公式
(2)
的
Lu Sen
模型拟合得到，建立土壤水分
θ
与沿光纤不同空间点位的待测土壤热导率
λ
FO
的函数关系；
[0014][0015]其中，
λ
sat
、
λ
dry
分别为待测土壤饱和热导率和干燥热导率；
exp
为指数函数；
α
为形状指数；
θ
sat
为待测土壤饱和含水率；
[0016]步骤
S15
：通过土壤水分
θ
与沿光纤不同空间点位的待测土壤热导率
λ
FO
的函数关系，得到土壤水分
θ
；
[0017]步骤
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种加热光纤分布式同步测定土壤水热参数的方法，利用加热光纤法实现土壤水热参数同步测定，其特征在于：包括以下步骤：步骤
S11
：将光缆埋设于待测土壤中，光缆由外向内包括绝缘护套
、
金属层和光纤，绝缘护套包裹金属层和光纤，金属层包裹光纤，光纤用于感应待测土壤周围的温度；步骤
S12
：对光缆内的金属层进行短时间通电产生焦耳热，加热功率通过金属层的电阻
R
和实时记录的电压
U
求得，计算公式为
Q
＝
U2/R
；
Q
为金属层单位长度的加热功率；步骤
S13
：利用光信号解调模块
DTS
采集步骤
S11
中沿光纤不同空间点位测定待测土壤周围的温度增量
Δ
T
及随时间
t
的变化；通过公式
(1)
计算得到沿光纤不同空间点位的待测土壤热导率
λ
FO
；其中，
Δ
T
为沿光纤不同空间点位测定的待测土壤周围的温度增量；
λ
FO
为沿光纤不同空间点位的待测土壤热导率；
t
为时间；
t0为加热时间；
t
′
为校正时间；步骤
S14
：在待测土壤内光纤的不同空间点位附近埋设土壤水分探头
TDR
，土壤水分探头
TDR
用于监测光纤附近的土壤水分
θ
，将光纤的不同空间点位土壤水分
θ
与沿光纤不同空间点位的待测土壤热导率
λ
FO
通过公式
(2)
的
Lu Sen
模型拟合得到，建立土壤水分
θ
与沿光纤不同空间点位的待测土壤热导率
λ
FO
的函数关系；其中，
λ
sat
、
λ
dry
分别为待测土壤饱和热导率和干燥热导率；
exp
为指数函数；
α
为形状指数；
θ
sat
为待测土壤饱和含水率；步骤
S15
：通过土壤水分
θ
与沿光纤不同空间点位的待测土壤热导率
λ
FO
的函数关系，得到土壤水分
θ
；步骤
S16
：采用均方根误差
RMSE
评价光纤法的土壤水分
θ
的测定精度，均方根误差
RMSE
是指土壤水分探头
TDR
的水分观测值与光纤法的土壤水分
θ
测定值偏差的平方和观测次数
n
比值的平方根，均方根误差
RMSE
越小，表示测量精度越高，均方根误差
RMSE
的计算如公式
(3)
：其中，
RMSE
为均方根误差，
X
obs,i
是第
i
个土壤水分探头
TDR
的水分观测值；
X
pre,i
是第
i
个光纤法的土壤水分
θ
测定值，
n
为观测次数
。2.
根据权利要求1所述的一种加热光纤分布式同步测定土壤水热参数的方法，其特征在于：提升加热光纤法的土壤水热参数的测定精度，包括以下步骤：步骤
S21
：将热探针埋设在光纤附近，热探针包括一根内置电阻为
R
HP
的电阻丝的加热探针和一根内置热敏电阻的感应探针，内置电阻为
R
HP
...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡优，汤崇军，陈晓安，孔琼菊，张杰，刘吕刚，
申请(专利权)人：江西省水利科学院江西省大坝安全管理中心，
类型：发明
国别省市：