土壤质量含水率的测量方法及装置[发明专利]

*CN103115836A*

(10)申请公布号(10)申请公布号 CN 103115836 A(43)申请公布日 2013.05.22

(12)发明专利申请

(21)申请号 201310028048.9(22)申请日 2013.01.24

(71)申请人中国农业大学

地址100193 北京市海淀区圆明园西路2号(72)发明人雷廷武 马玉莹

(74)专利代理机构北京路浩知识产权代理有限

公司 11002

代理人王莹(51)Int.Cl.

G01N 5/02(2006.01)

权利要求书1页 说明书6页 附图3页权利要求书1页 说明书6页 附图3页

()发明名称

土壤质量含水率的测量方法及装置(57)摘要

本发明公开了一种土壤质量含水率的测量方法及装置，该方法包括步骤S1：将待测土壤样本装入容器中，利用称重装置测量得到土壤样本的初始质量m；S2：向所述容器中加水，得到体积为v’的土壤样本与水的混合物，利用称重装置测量得到所述混合物的质量m’；S3：根据所述土壤样本的初始质量m、所述混合物的体积v’、所述混合物的质量m’，利用已知的土壤样本中的土壤颗粒密度ρs和水密度ρw，计算得出土壤质量含水率。所述装置包括计算机、电子秤、盛土容器、供水管和数据线。本发明的土壤质量含水率的测量方法及装置，可适用于土壤质量含水率的直接测量，操作过程简单、方便，且稳定性良好。CN 103115836 ACN 103115836 A

权 利 要 求 书

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1.一种土壤质量含水率的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：将待测土壤样本装入容器中，利用称重装置测量得到土壤样本的初始质量m；S2：向所述容器中加水，得到体积为v’的土壤样本与水的混合物，利用称重装置测量得到所述混合物的质量m’；

S3：根据所述土壤样本的初始质量m、所述混合物的体积v’、所述混合物的质量m’，利用已知的土壤样本中的土壤颗粒密度ρs和水密度ρw，计算得出土壤质量含水率。

2.如权利要求1所述的土壤质量含水率的测量方法，其特征在于，所述步骤S3通过公式

来计算得出土壤质量含水率，其中所述

所述

3.如权利要求1所述的土壤质量含水率的测量方法，其特征在于，所述步骤S1中的容器容积为v’，所述步骤S2在向所述容器加水时，加满整个容器。

4.如权利要求3所述的土壤质量含水率的测量方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括以下步骤：

S21：向所述容器中加水，当水位接近容器上沿时，向容器继续缓慢逐滴加水；S22：直到液面与容器上沿保持水平时停止加水，保证土壤颗粒和水共同充满容器的空间，此时的土样达到充分饱和状态，通过称重装置测量得到所述土壤样本与水的混合物的质量m’。

5.如权利要求1、2、3或4所述的土壤质量含水率的测量方法，其特征在于，所述步骤S3通过向计算机中输入土壤样本的初始质量m、所述混合物的体积v’、所述混合物的质量m’、土壤颗粒密度ρs和水密度ρw，利用计算机和控制软件计算土壤质量含水率。

6.一种土壤质量含水率的测量装置，其特征在于，包括计算机、电子秤、盛土容器、供水管和数据线，所述数据线用于连接电子秤和计算机，所述供水管用于向盛土容器中注水。

7.如权利要求6所述的测量装置，其特征在于，所述计算机中运行有用于计算土壤质量含水率的控制软件。

8.如权利要求6所述的测量装置，其特征在于，所述盛土容器的体积为v’。

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说 明 书

土壤质量含水率的测量方法及装置

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技术领域

[0001]

本发明涉及土壤环境测量技术领域，尤其涉及一种土壤质量含水率的测量方法及

装置。背景技术

土壤水分是许多科学研究与工程应用的基础，在建筑基础、土壤力学、道路建设、

作物栽培、农田灌溉、生态环境等研究和实践中都有重要的意义。土壤含水率的测定和控制对保证基础和道路建设的质量至关重要，在陆地水循环、全球气候、地表物质和能量与大气间的交换中起着重要的作用。土壤水制约养分和溶质在土壤中的溶解、转移，进而影响土壤肥力和土壤性质，影响微生物的活动，也是生态系统中植被生长和退化生态系统中植被恢复的主要影响因素。土壤剖面中土壤含水率分布是表征一定深度土层干湿程度的物理量，是陆地植物生长的一项重要参数。所以，土壤水分测定是土壤水分管理的基础，准确地获取土壤含水率信息极为重要。

[0003] 烘干称质量法作为一种长期存在的实验室测量含水率方法，为所有其他测量仪器，如时域反射仪法、伽马射线法、中子仪、电阻/电容传感仪等提供校准的基础，而传统测量含水率的烘干法比较费时，根据土壤的质地不同，将土样彻底烘干时间长短有很大差异，很难为普通使用者应用。除此之外，烘干称质量法还需要干燥箱及电源，消耗能源且不适合野外作业。在一些工程实践中，人们为了快速测量得到土壤含水率，常采用酒精燃烧法，作为烘干称质量法的替代方法。采用这种方法往往需要搅拌土样、反复多次燃烧土样，耗时耗能，且容易在搅拌的过程中掉落土粒，并且不能保证完全烧干土壤中的水分，从而引起测量误差。而其他间接测量方法必须采用上述两种直接测量方法之一进行校准和标定，同时存在价格昂贵、不易操作、可能对人体危害较大等多方面的缺陷。因此，简单、快捷、准确的直接测量含水率的方法非常重要。

[0002]

发明内容

[0004] （一）要解决的技术问题

[0005] 本发明要解决的技术问题是：提供一种能够简单、方便地测量土壤质量含水率，并且能够利用计算机直接控制测量过程，实现自动连续测量土壤质量含水率的测量方法及装置。

[0006] （二）技术方案

[0007] 为解决上述问题，本发明一方面提供了一种土壤质量含水率的测量方法，包括以下步骤：

[0008] S1：将待测土壤样本装入容器中，利用称重装置测量得到土壤样本的初始质量m；S2：向所述容器中加水，得到体积为v’的土壤样本与水的混合物，利用称重装置测量得到所述混合物的质量m’；[0010] S3：根据所述土壤样本的初始质量m、所述混合物的体积v’、所述混合物的质量

[0009]

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说 明 书

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m’，利用已知的土壤样本中的土壤颗粒密度ρs和水密度ρw，计算得出土壤质量含水率。

[0011]

优选地，所述步骤S3通过公式来计算得出土壤质量含水率，其

中所述

[0012]

，所述

优选地，所述步骤S1中的容器容积为v’，所述步骤S2在向所述容器加水时，加满整个容器。

[0013] 更为优选的是，所述步骤S2进一步包括以下步骤：[0014] S21：向所述容器中加水，当水位接近容器上沿时，向容器继续缓慢逐滴加水；[0015] S22：直到液面与容器上沿保持水平时停止加水，保证土壤颗粒和水共同充满容器的空间，此时的土样达到充分饱和状态，通过称重装置测量得到所述土壤样本与水的混合物的质量m’。

[0016] 更为优选的是，所述步骤S3通过向计算机中输入土壤样本的初始质量m、所述混合物的体积v’、所述混合物的质量m’、土壤颗粒密度ρs和水密度ρw，利用计算机和控制软件计算土壤质量含水率。

[0017] 本发明另一方面提出了一种土壤质量含水率的测量装置，该装置包括计算机、电子秤、盛土容器、供水管和数据线，所述数据线用于连接电子秤和计算机，所述供水管用于向盛土容器中注水。[0018] 优选地，所述计算机中运行有用于计算土壤质量含水率的控制软件。[0019] 优选地，所述盛土容器的体积为v’。[0020] （三）有益效果

[0021] 本发明的土壤质量含水率的测量方法及装置，可适用于土壤质量含水率的直接测量，操作过程简单、方便，并且测量稳定性良好，克服了长期以来测量土壤含水率的传统烘干称质量法、酒精燃烧法等存在的费时耗力、浪费资源等问题，具有很好的应用前景。附图说明

图1为本发明实施例的土壤质量含水率的测量方法的流程图；

[0023] 图2为本发明实施例的土壤质量含水率的测量方法的步骤S2的流程图；

[0022] [0024]

图3为本发明实施例的加满水后的容器中混合物的组成成分示意图；

[0025] 图4为本发明实施例的土壤质量含水率的测量装置结构示意图；

[0026] 图5为本发明实施例的20份待测土壤样本分别通过本发明的方法和传统烘干称质量法测量得到的土壤含水率的结果比较示意图。

具体实施方式

[0027] 下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明如下。[0028] 本发明提出的土壤质量含水率的测量方法及装置，可适用质地相对细致的任何土壤。

[0029] 如图1所示，本发明一方面的土壤质量含水率的测量方法的实施例包括以下步

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说 明 书

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骤：

S1：将待测土壤样本装入容器中，利用称重装置测量得到土壤样本的初始质量m；

[0031] S2：向所述容器中加水，得到体积为v’的土壤样本与水的混合物，利用称重装置测量得到所述混合物的质量m’；[0032] S3：根据所述土壤样本的初始质量m、所述混合物的体积v’、所述混合物的质量m’，利用已知的土壤样本中的土壤颗粒密度ρs和水密度ρw，计算得出土壤质量含水率。

[0030] [0033]

所述步骤S3可通过公式来计算得出土壤质量含水率，其中所

述

[0034]

所述

所述步骤S1中可选用容积固定为v’的容器，这样的话步骤S2在向所述容器加水时，加满整个容器，此种方法便于操作且测量准确。[0035] 如图2所示，当步骤S1中的容器体积为v’时，所述步骤S2进一步包括以下步骤：[0036] S21：向所述容器中加水，当水位接近容器上沿时，向容器继续缓慢逐滴加水；[0037] S22：直到液面与容器上沿保持水平时停止加水，保证土壤颗粒和水共同充满容器的空间，此时的土样达到充分饱和状态，通过称重装置测量得到所述土壤样本与水的混合物的质量m’。

[0038] 上述方法的测量原理如下：[0039] 湿润土壤是由土壤固体颗粒、水分和气体组成的三相混合体。土壤质量主要由土壤固体颗粒质量和水分的质量决定，空气所占的质量很小，在计算中可以忽略不计。而土壤颗粒和其中所含水分的质量可以通过称质量确定。采用一个体积和质量已知的容器，装入一定量的待测土壤样本，测量得到湿土的质量。然后，将装有土样的容器注满水，称质量得到加满水后容器内土样与水的总质量。此时，如图3所示，容器中混合物的质量包括土壤颗粒（无水分）质量、土样初始含水质量以及补充水分的质量之和。在向土样中注水的过程是将土样和容器中的空气置换出来，使得土样浸没在水中，达到充分饱和状态。补充的水分的质量已知，原有的充气空隙即为被注入的水置换的体积。由已知容器的体积和注入水的体积，即可计算得到待测土壤初始含水和土壤颗粒的体积。进而根据土壤初始质量、计算得到的初始含水和土壤颗粒的体积、土壤颗粒密度和水的密度计算得到待测土样的质量含水率。

而土壤颗粒密度大小与土壤的化学与矿物组成有关，一般土壤的颗粒密度多在

2.6～2.8g/cm3范围内。细粒土（黏性土）一般在2.70～2.75g/cm3，砂土一般在2.65g/cm3左右。计算时通常可采用的土壤颗粒密度值为2.65g/cm3。在标准大气压下，当试验温度为室温时，水的密度约为1.00g/cm3。在本发明中可设定常规土壤颗粒的密度为2653kg/m3，水的密度为1000kg/m3，根据体积、质量、密度关系可以直接测量计算土壤质量含水率。[0041] 具体计算方法如下：

[0042] 待测土壤样本中的空气质量可以忽略不计，待测土壤样本的初始体积为土壤颗粒的体积、初始含水的体积和土中气体的体积之和，待测土壤样本的初始质量为土壤颗粒的质量和初始含水的质量之和。用如下计算公式计算：

[0040]

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说 明 书

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v=vs+vw+va （1）

[0044] m=ms+mw （2）[0045] 其中m、mw、ms分别为待测土壤样本的初始质量、待测土壤样本中的初始含水质量、土壤固体颗粒质量；v、vs、vw、va分别为待测土壤样本的初始体积、土壤颗粒的体积、初始含水的体积和土壤样本中气体的体积。

根据质量、体积、密度关系，式（2）变为：

[0047] ρs×vs+ρw×vw=m （3）[0048] 其中，ρs为土壤颗粒密度，一般取为2.653g/cm3；ρw为水的密度，1.000g/cm3。[0049] 而后，将装有土样的容器注满水，称质量得到加满水后容器内土样与水的总质量为m’，此时，容器中物质的质量包括土壤颗粒（无水分）质量、土样初始含水质量以及补充水分的质量之和，如图1所示，mr为补充的水分质量，则质量关系表达式为：[0050] m'=ms+mw+mr （4）

[0051] 对于给定的任意固定容器的体积v’，根据体积关系，计算初始土壤含水和土壤颗粒的体积之和，为容器的体积与补充水分的体积之差。如下列关系式：[0052] vs+vw=v'-(m'-m)/ρw （5）[0053] 联立公式（3）和（5）可以求出土样中土壤颗粒体积和初始含水的体积：

[0046] [00]

[0055] [0056] [0057] [0058] [0059]

根据定义，土壤质量含水率由下式计算：

继而根据公式（6）、（7）、（8）求出土壤质量含水率。

为了实现方便的运算和数据保存，所述步骤S3可以通过向计算机中输入土壤样本的初始质量m、所述混合物的体积v’、所述混合物的质量m’、土壤颗粒密度ρs和水密度ρw，利用计算机和控制软件计算土壤质量含水率。[0061] 如图4所示，本发明另一方面提出的实施例的土壤质量含水率的测量装置包括计算机1、电子秤2、盛土容器3、供水管4和数据线5，所述数据线5用于连接电子秤2和计算机1，所述供水管4用于向盛土容器3中注水。所述计算机1中运行有用于计算土壤质量含水率的控制软件。所述盛土容器3的体积已知为v’，测量时将待测土壤样本放入盛土容器3中，电子秤2作为称重装置，利用本发明提出的上述方法可测量待测土壤样本的质量含水率。

[0062] 为了检验本发明的土壤质量含水率的测量方法及装置的精确度，本发明采用4种

[0060]

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说 明 书

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土壤样本（简称“土样”），分别为采自陕西杨凌的黏黄土、北京的粉壤土、吉林的黑土和江西的黏红土（以下分别称为T1、T2、T3、T4），来进行测量比较。[0063] T1、T2、T3、T4分别预制成5种体积含水率：10%、15%、20%、25%、30%。4种土壤共制成20份土样。将预配置好含水率的4种土壤的20份土样分别用作两部分，一部分用本发明的测量方法及装置测量含水率，另一部分采用传统的烘干称质量法测含水率，用来对比说明本发明测量方法及装置测量的精准性。

[00] 将由本发明测量方法及装置测量得到的土壤质量含水率与传统烘干称质量法测量得到的结果进行对比，并用下列公式（10）进行拟合，测量结果如图5所示。5（a）、5（b）、5（c）、5（d）所示分别为陕西杨凌的黏黄土、北京的粉壤土、江西的黏红土和吉林的黑土。[0065] y=B×x+A （10）[0066] 其中，y为用本发明方法及装置测得的土壤质量含水率；x为传统烘干称质量法测得的土壤质量含水率；A、B为回归系数。[0067] 式（10）中，参数B表征用本发明方法及装置测得的结果与传统烘干称质量法测量结果间一一对应的程度；参数A表征两种测量方法测量得到的含水率之间可能存在系统误差。

[0068] 图5可以说明，对于每种土壤，拟合参数B值均很接近1，说明用本发明测得的土壤质量含水率与传统烘干称质量法得出的结果具有很好的一一对应关系，说明了这种测量方法的合理性。同时，参数A都大于零，说明由本发明测得的土壤质量含水率总大于由传统烘干法测得的结果。可能的原因是，用传统烘干称质量法在烘干8h（即8小时）后将土样取出测量时，根据土壤质地不同，土样中可能仍有或多或少的水分残留。根据土工测量规范，传统方法烘干8～12h后便停止，所产生的这部分不确定性误差往往被测量者忽略，导致测量得到的含水率比真实含水率值偏小。[0069] 对于每一种土样，用传统称质量方法烘干48h后计算得到的土壤质量含水率与用仪器测得的结果进行比较，最大误差在1～2%左右，具体结果如表1所示：[0070] 表1本发明与烘干法测得的含水率误差比较（%）

[0071]

含水率10%15%20%25%30%

[0072]

陕西杨凌黏黄土0.9821.5961.5700.9951.563

北京粉壤土1.5841.6281.2211.3501.4

江西黏红土1.1900.9861.4041.1131.043

吉林黑土1.5101.4021.7491.1561.316

表1中的数据是由同一个土样，用两种测量方法，即本发明方法和传统烘干48h后称质量的方法，测量得到土壤质量含水率的2个结果进行相减所得到的值。[0073] 根据本发明的测量原理可知，由本发明方法得到的土壤质量含水率比烘干法测量

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说 明 书

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的结果偏大，而由前述分析，传统烘干称质量法在烘干8h后计算得到的含水率有可能偏小于实际值。土样烘干48h后干土质量才几乎稳定不变，而本发明测得的土壤质量含水率较传统烘干称质量方法测量的含水率高1～2%左右，表明这种方法有较高的测量精度。由此可以看出，本发明的测量过程简单、省时省力，并且具有较高的精度，可以应用于土壤质量含水率的直接测量。

[0074] 以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

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说 明 书 附 图

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图1

图2

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说 明 书 附 图

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图3

图4

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说 明 书 附 图

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图5

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