《時域反射法土壤水分監(jiān)測儀器》編制說明

編制說明

一、工作簡況

1、任務(wù)來源

本標(biāo)準(zhǔn)由天津特利普爾科技有限公司牽頭，于2020年3月向中

國水利學(xué)會提交立項申請，5月通過中國水利學(xué)會立項論證會并公示，

8月中國水利學(xué)會正式批復(fù)立項。

2、主、參編單位

本標(biāo)準(zhǔn)牽頭單位：天津特利普爾科技有限公司。

天津特利普爾科技有限公司是專業(yè)從事水文儀器研發(fā)、制造，信

息傳輸、軟件和信息技術(shù)服務(wù)的國家高新技術(shù)企業(yè)。自主研發(fā)的

SFCW-TDR技術(shù)及墑情監(jiān)測儀器已獲多項發(fā)明專利、實用新型專利及

軟件著作權(quán)等。在墑情監(jiān)測領(lǐng)域的研制開發(fā)處于國內(nèi)領(lǐng)先水平，相關(guān)

技術(shù)和產(chǎn)品達(dá)到國際先進水平，已在國內(nèi)多地安裝使用。

參與編制的單位有：水利部信息中心、水利部水文儀器及巖土工

程儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心、江蘇南水科技有限公司、河南安宏信

息科技有限公司、遼寧省河庫管理服務(wù)中心（遼寧省水文局）、河南

省水文水資源局、山東省水文局、黃河水土保持西峰治理監(jiān)督局。

2、主要工作過程

2019年10月，成立編制組。召開了第一次標(biāo)準(zhǔn)編制組工作會議，

重點圍繞標(biāo)準(zhǔn)編制背景、目的和必要性、標(biāo)準(zhǔn)主要技術(shù)內(nèi)容和適用范

圍、標(biāo)準(zhǔn)章節(jié)主要框架及內(nèi)容等問題進行了深入討論和研究，明確了

任務(wù)分工和進度計劃安排。

2020年3月，編制組完成了《時域反射法土壤水分監(jiān)測儀器》

初稿。天津特利普爾科技有限公司向中國水利學(xué)會提交《中國水利學(xué)

會標(biāo)準(zhǔn)制修訂立項申請書》及《時域反射法土壤水分監(jiān)測儀器》初稿。

2020年3月31日至4月8日，中國水利學(xué)會組織專家對《時域

反射法土壤水分監(jiān)測儀器》初稿開展了立項論證，采用函審方式進行。

會議成立了專家組，各專家就標(biāo)準(zhǔn)立項背景、必要性、可行性、已有

工作基礎(chǔ)及其于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)關(guān)系、標(biāo)準(zhǔn)的框架結(jié)構(gòu)及主要內(nèi)容進

行了審查。專家組同意該標(biāo)準(zhǔn)立項并提出了審查意見。

2020年04月至12月，根據(jù)專家組修改建議，編制組多次討論

研究、補充試驗，完成了各章節(jié)統(tǒng)稿，形成《時域反射法土壤水分監(jiān)

測儀器》標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿。

2021年1月提交征求意見稿和編制說明

3、主要起草人及其所做的工作

本標(biāo)準(zhǔn)主編陸明董事長，全面負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)編制工作。水利部水文及

巖土工程儀器質(zhì)檢中心徐海峰高工負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)稿及標(biāo)準(zhǔn)程序性流程

工作。主要起草人及其分工見下表。

序號姓名職務(wù)/職稱工作單位主要編寫分工

天津特利普爾科技有限公

1陸明董事長全面負(fù)責(zé)

司

水利部水文及巖土工程儀

2何生榮正高技術(shù)協(xié)調(diào)與組織

器質(zhì)檢中心

3章樹安正高水利部信息中心技術(shù)指導(dǎo)

遼寧省河庫管理服務(wù)中心

4王興澤高工技術(shù)指導(dǎo)

（遼寧省水文局）

天津特利普爾科技有限公技術(shù)內(nèi)容、土壤制備

5盧玉高工

司和試驗方法編寫

天津特利普爾科技有限公

6劉惠斌高工技術(shù)內(nèi)容編寫

司

7章雨乾高工中國水權(quán)交易所技術(shù)指導(dǎo)

8何俊霞高工河南省水文水資源局用戶要求編寫

河南安宏信息科技有限公

9李根峰用戶要求編寫

司

天津特利普爾科技有限公

10王晨光高工資料收集與整理

司

黃河水土保持西峰治理監(jiān)

11郜文旺用戶要求編寫

督局

12劉薇高工山東省水文局用戶要求編寫

技術(shù)內(nèi)容、土壤制備

天津特利普爾科技有限公

13蔣澤民高工和試驗方法、用戶要

司

求。

天津特利普爾科技有限公

14陸之平高工資料收集與整理

司

河南安宏信息科技有限公

15張敦銀高工技術(shù)指導(dǎo)

司

水利部水文及巖土工程儀

16徐海峰高工統(tǒng)稿和工作程序

器質(zhì)檢中心

水利部水文及巖土工程儀技術(shù)內(nèi)容、土壤制備

17鄧超高工

器質(zhì)檢中心和試驗方法編寫

遼寧省河庫管理服務(wù)中心

18吳喜軍高工用戶要求編寫

（遼寧省水文局）

二、主要內(nèi)容說明及來源依據(jù)

1．技術(shù)綜述

時域反射技術(shù)是一種電子測量技術(shù)，應(yīng)用于土壤水分測量實質(zhì)上

是通過測量土壤的相對介電常數(shù)實部實現(xiàn)，其基于如下的基本理論：

a)水作為介質(zhì)，在一定頻率范圍的電磁場作用下，其相對介電

常數(shù)的實部較為穩(wěn)定

介質(zhì)的相對介電常數(shù)?在電磁學(xué)理論中通常用無量綱的復(fù)數(shù)表示：

?=?′+??"

其實部?′描述了其對于電磁能量的存儲能力和極化能力，不同頻

率的電磁場作用下會激發(fā)不同性質(zhì)的極化，從而造成該物質(zhì)介電常數(shù)

實部的不同衰變，分別稱為α衰變（空間極化）、β衰變（轉(zhuǎn)向極化）、

γ衰變（離子極化）及δ衰變（電子極化），因而?′是一個有關(guān)頻率

的函數(shù)。

由圖1可見，當(dāng)施加的電磁波頻率在約為1MHz～2GHz的范圍內(nèi)，

水分子處于空間極化和轉(zhuǎn)向極化之間，其介電常數(shù)實部相對穩(wěn)定，因

而時域反射法測量土壤水分多利用這一頻段的電磁信號。

圖1水的電磁極化介電頻譜

b)土壤相對介電常數(shù)的實部主要由其所含水分決定

土壤是由空氣（氣相）、礦物質(zhì)顆粒（固相）和水（液相）組成

的三相混合體，空氣相對介電常數(shù)的實部為1，礦物質(zhì)顆粒在2～4

之間，而水在20℃時相對介電常數(shù)的實部高達(dá)81.2，隨著溫度下降，

該值略有升高，反之下降，但在75～88之間變化，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它各

相。因此土壤相對介電常數(shù)的實部主要依賴于土壤含水率。

由于水在凍結(jié)為冰后，相對介電常數(shù)的實部會急劇下降至3左右，

因此時域反射法無法測量凍土的土壤水分。

c)在足夠高頻率的電磁波作用下，土壤的表觀介電常數(shù)近似于

其相對介電常數(shù)的實部

電磁波在介質(zhì)中的傳輸速度?滿足以下的關(guān)系：

1/2

1+(1+tan2?)1/2

?=??{?′?}（1）

2

其中?為光速，?′為介質(zhì)介電常數(shù)的實部，而tan?={?"+

(????2???0)}/?′被稱為損耗因子，其中?為電磁波的頻率，???是介

?12

質(zhì)的直流電導(dǎo)率，?"是介質(zhì)相對介電常數(shù)的虛部，?0=8.85×10西

門子/米為真空絕對介電常數(shù)。

土壤基本屬于同向線性均勻媒質(zhì)，其滿足：?"??′，當(dāng)所施加

′

的電磁波頻率足夠高時???/(2???0?)?1成立（根據(jù)對電導(dǎo)率較低

的土質(zhì)沙土的計算，這一頻率應(yīng)達(dá)到1GHz以上，處于微波頻段），因

而有：

?2

?′≈()(2)

?

d)結(jié)合本標(biāo)準(zhǔn)5.1條，可見時域反射法測量土壤水分原理的實

質(zhì)是通過測量土壤相對介電常數(shù)的實部，因而其測量結(jié)果受

電導(dǎo)率等的影響較小，這也是TDR對田間可耕作土壤可以實

現(xiàn)盲測的根本原因。

2.部分關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)和參數(shù)的說明

2.1時域測量跡線

TDR儀器本質(zhì)上是一個高解析率的高頻示波器，其測量結(jié)果是通

過對顯示的不同波形跡線進行分析而實現(xiàn)的。由于測量針對的土壤成

分及結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，經(jīng)常會產(chǎn)生意外的噪音信號，造成內(nèi)置算法無法

自動識別，從而影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

實際案例：

某實際監(jiān)測點某次上報的10cm、20cm、40cm的監(jiān)測數(shù)據(jù)分別為

35.4%、22.4%和2.81%，通過橫向與歷史數(shù)據(jù)及縱向與其它各層數(shù)據(jù)

干擾峰正確峰

值值

圖2發(fā)生誤判的實際測量跡線

比較，可以判斷40cm層所報為錯誤結(jié)果。經(jīng)調(diào)取同期監(jiān)測曲線發(fā)現(xiàn)，

40cm層測量跡線（藍(lán)色）出現(xiàn)了一個明顯的干擾波峰，造成了數(shù)據(jù)

的錯報，通過調(diào)節(jié)內(nèi)部算法的閾值，保障了上傳數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

由此可見測試跡線的提供對于時域反射法測量土壤水分的儀器

是必要的。

2.2上升沿時間

目前投入市場的宣稱為TDR技術(shù)的水分監(jiān)測儀器種類有多種，原

理不盡相同。從發(fā)射的電磁波信號種類就有無載頻脈沖的階躍波、步

進頻率的調(diào)頻連續(xù)波、單頻正弦波以及具有快速上升沿的針狀脈沖波

等。依本說明前述公式1，對于所采用的電磁波頻率應(yīng)有一定的要求，

但對于階躍波及針狀脈沖波，其考察的主頻分量要通過復(fù)雜的傅里葉

變換確定，因此為對各種技術(shù)綜合考察，采用了統(tǒng)一的信號上升沿時

間作為標(biāo)準(zhǔn)。

3.關(guān)于公式

介電法測量土壤水分，通常都是通過對所測土壤的介電參數(shù)與土

壤含水量建立的經(jīng)驗公式實現(xiàn)，由于時域反射技術(shù)測量依據(jù)的介電常

數(shù)實部相對穩(wěn)定，受到土壤的其它因素干擾較少，特別是受土壤電導(dǎo)

率的影響較少，因而得以使用單一的公式。1980年，加拿大學(xué)者

G.C.TOPP在大量實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，擬合得到描述體積含水率與表

觀介電常數(shù)之間關(guān)系的經(jīng)驗公式：

?63?42?2

??=4.3×10???5.5×10×??+2.92×10×???5.3

×10?2

該公式被稱為TOPP公式，是目前最有效也是應(yīng)用最廣泛的公

式之一，也是大多數(shù)時域反射法儀器預(yù)置的基本公式。我們經(jīng)過大量

的實驗和野外實際應(yīng)用對比證明，對于體積含水率低于40%，干容重

1.2～1.6之間的耕作土壤，TOPP公式能夠滿足絕對測量誤差平均值

低于2%的測量準(zhǔn)確度要求。

4、主要指標(biāo)試驗驗證情況

4.1、驗證試驗對象

SOILTOP-200型土壤墑情測定儀

SOILTOP-200-IM型智能墑情監(jiān)測系統(tǒng)

SOILTOP-300型土壤墑情智能監(jiān)測儀

SOILTOP-300（4G）型土壤墑情智能監(jiān)測儀

4.2、驗證試驗機構(gòu)

水利部水文儀器及巖土工程儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心。

4.3、主要驗證試驗儀器、儀表、設(shè)備

（1）高低溫交變濕熱試驗箱。

（2）輸出信號檢測的儀器。主要包括：專用測試裝置（具有電

壓顯示、專門接口等），或者四位半數(shù)字萬用表；電源：輸出電壓應(yīng)

滿足土壤墑情測定儀的需要。

（3）振動試驗臺。

（4）跌落試驗臺。

（5）電子天平，0.1g。

（6）分析天平，0.01g。

（7）電熱恒溫箱。

（8）絕緣電阻測試儀。

（9）溫度計，0.1℃。

（10）外殼防護試驗臺。

（11）電導(dǎo)率儀。

（12）規(guī)約測試平臺

4.4、驗證試驗主要性能參數(shù)

按標(biāo)準(zhǔn)正文中“要求”一章的所有項目進行驗證。

4.5、驗證試驗方法

按標(biāo)準(zhǔn)正文中“試驗方法”一章規(guī)定進行試驗驗證。

5、試驗結(jié)果

見附件。

三、專利情況說明

1、在征求意見稿及下一階段的送審稿封面上，寫上專利通

知性的文字：“請將您發(fā)現(xiàn)的有關(guān)專利信息及支持性文件隨

意見一并反饋”。

2、在標(biāo)準(zhǔn)的前言中對專利的處置進行了聲明：

“本文件的發(fā)布機構(gòu)對于專利的范圍、有效性和驗證資

料不提出任何看法。專利持有人應(yīng)向本文件的發(fā)布機構(gòu)保證，

他愿意同任何申請人在合理和非歧視的條款和條件下，就使

用授權(quán)許可證進行談判。自本文件發(fā)布實施之日起，專利持

有人未在本文件發(fā)布機構(gòu)進行專利許可備案的，因使用本文

件而發(fā)生專利侵權(quán)的，本文件發(fā)布機構(gòu)不應(yīng)承擔(dān)任何責(zé)任?！?/p>

四、與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系分析

1、與國際、國外同類標(biāo)準(zhǔn)水平的對比情況，或與測試的國

外樣品、樣機的有關(guān)數(shù)據(jù)對比情況。

標(biāo)準(zhǔn)檢索未見國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可對比。

2、與國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)性分析。

本標(biāo)準(zhǔn)中涉及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的引用信息，均進行了協(xié)調(diào)一致

性的校核。

五、重大分歧或重難點的處理經(jīng)過和依據(jù)

無

六、預(yù)期效益

對助推土壤水分測量技術(shù)的發(fā)展具有一定的引領(lǐng)