一种利用热脉冲分布式光纤估算设施作物耗水量的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用热脉冲分布式光纤估算设施作物耗水量的方法，该方法利用热脉冲分布式光纤测定设施大棚地下滴灌下不同土层深度的土壤水分，并通过捕捉高时空分辨率的土壤水分动态来计算土壤储水量的变化，从而利用水量平衡法估算设施蔬菜的耗水量。本发明专利技术的有益效果是：本发明专利技术通过结合分布式光纤温度传感技术和热脉冲探针技术，可以高空间分辨率捕捉多个设施大棚的土壤水分动态，从而提高土壤储水量的估算精度，并显著提高设施蔬菜耗水量的估算精度。本发明专利技术对农业精准灌溉的实施以及提高作物水分利用效率具有重要意义。本发明专利技术可为设施蔬菜的水分管理和灌溉决策提供科学依据。设施蔬菜的水分管理和灌溉决策提供科学依据。设施蔬菜的水分管理和灌溉决策提供科学依据。

【技术实现步骤摘要】
一种利用热脉冲分布式光纤估算设施作物耗水量的方法


[0001]本专利技术涉及一种热脉冲领域，具体为一种利用热脉冲分布式光纤估算设施作物耗水量的方法。

技术介绍

[0002]过量灌溉不仅浪费水资源，还会导致养分流失和地下水污染。因此，需要制定高效的灌溉制度，以提高设施蔬菜的水分利用效率。作物的耗水量（ET）由土壤蒸发和植物蒸腾两部分组成，对于优化农业水分管理和灌溉决策至关重要。目前，常用的方法是采用联合国粮农组织（FAO）推荐的FAO
‑
56模型来估算作物的耗水量，该模型通过作物系数乘以参考作物的需水量来计算。然而，作物系数会随作物品种和灌溉方式的变化，另外，参考作物需水量通过大气参数计算，而设施大棚的小气候与露天气候存在巨大差异，因此FAO
‑
56模型很难应用于设施蔬菜的耗水量估算。涡度相关法是估算作物耗水量较为成熟的方法，但是存在能量平衡不闭合的情况，导致使用该方法时作物的耗水量被低估。水量平衡法被认为是估算作物耗水量的标准方法，可以通过灌溉量（作为设施大棚内土壤水分的唯一补给来源）和前后两个时段土壤储水量的变化来计算。
[0003]土壤水分动态监测是获取储水量的关键。传统的方法如时域反射技术法、中子仪法或电容法用于获取土壤储水量存在不确定性，因为土壤水分在空间上具有很强的变异性。宇宙射线中子仪法可以估算半径为400米范围内的田间作物耗水量，但是大棚每个小区的作物需水量也存在较大的变异性，并且该方法的土壤水分监测深度会随土壤湿度的变化而改变，因此利用基于该方法测定的土壤水分估算作物耗水量会产生较大误差。近年来，发展起来的分布式光纤温度传感技术可以高时空分辨率（0.25米）监测几十千米的土壤温度，而土壤水分与温度改变有着紧密的关系，将热脉冲探针技术与分布式光纤传感技术结合热脉冲技术可实现几十千米高空间分辨率的土壤水分监测，进而极大地提高土壤储水量的计算精度。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在提供一种利用热脉冲分布式光纤估算设施作物耗水量的方法，该方法结合分布式光纤温度传感技术和热脉冲探针技术，通过专利技术一种3000m光纤的适用于大棚环境的布设方法，实现对大棚蔬菜田间土壤水分动态的高空间分辨率（0.25m）捕捉，从而提高土壤储水量的估算精度，并显著提升作物耗水量的估算精度。
[0005]本专利技术采用的技术方案如下：一种利用热脉冲分布式光纤估算设施作物耗水量的方法，包括以下步骤：步骤S1：在大棚内布设光缆，光缆埋设在大棚每垄中心的不同深度土壤中，光缆的结构由外向内包括绝缘护套、金属层和光纤；步骤S2：对长度为L的光缆金属层在预设时间内进行通电产生焦耳热，其加热功率通过金属层的电阻R和实时记录的电压U求得；具体的计算公式为Q=U2/R，那么金属层单位
长度的加热功率q=Q/L；步骤S3：利用光信号解调模块DTS，采集待测土壤中沿光纤不同空间点位的升温值ΔT随时间t的变化；采用滑动平均滤波法去除光信号解调模块DTS受到的噪音干扰，通过公式（1）得到降噪后的升温值ΔT
´
；光信号解调模块DTS测定升温值ΔT由于受环境噪音的干扰，导致升温值ΔT随呈现一定的波动，增加升温值ΔT的不确定性给测量带来误差；（1）；式中，ΔT
´
为降噪后的升温值，分别为t
‑
1时刻、t时刻和t+1时刻的升温值；单位为℃；计算沿光纤不同空间点位的累积升温值，再通过公式（2）计算得到归一化的累积升温值；（2）；式中，为待测土壤中沿光纤不同空间点位的累积升温值，t
e
为停止加热时间，此处取600s；为待测土壤中的沿光纤不同空间点位的归一化的累积升温值，q
t
为第t个时刻光纤单位长度的加热功率，单位为W
·
m
‑1；步骤S4：在待测土壤中的光纤预设距离内布设时域反射仪TDR，以监测光纤附近的土壤水分θ，建立土壤水分θ与待测土壤中的沿光纤不同空间点位的归一化的累积升温值函数关系；步骤S5：通过不同深度的待测土壤中沿光纤不同空间点位的归一化的累积升温值推求光纤不同空间点位的土壤水分θ；步骤S6：通过光纤监测的不同空间点位的土壤水分计算土壤储水量，利用水量平衡法计算设施作物耗水量。
[0006]进一步的，步骤S1中在大棚内布设光缆，具体为：采用人工挖沟的方法布设光缆；在大棚内，沿着每垄地块开挖一条1m深的沟；在沟的两头插入铁棒，并用铁丝将光缆固定在铁棒上；将光缆用力拉直盖上土壤压实，每个土壤层的光缆从下往上布设；光缆结构为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；不同大棚的光纤用熔接机连接起来，形成一个光通道。
[0007]进一步的，建立土壤水分θ与待测土壤中的沿光纤不同空间点位的归一化的累积升温值函数关系，具体为：用一个指数方程公式（3）来建立函数关系；（3）；式中，A与B为参数，A和B直接从下限条件和上限条件导出；下限条件：
且；上限条件：且；其中，为干土的归一化的累积升温值；θ
sat
为土壤饱和含水率；为饱和土的归一化的累积升温值；公式（3）改写为：（4）；式中，干土的归一化的累积升温值通过室内干土试验测得，饱和土的归一化的累积升温值和土壤饱和含水率θ
sat
通过饱和土试验测得。
[0008]进一步的，步骤S6中计算土壤储水量；具体为： (5)；式中，为土壤储水量，为光纤的第i个位置第j层土壤的含水率，为第j层土壤的厚度，n为每垄地块每个土层光纤测定的土壤水分数量，通过公式（6）表示大棚每垄的平均土壤储水量； (6)。
[0009]进一步的，步骤S6中利用水量平衡法计算设施作物耗水量；具体为： (7)；式中，为时间t内的设施作物耗水量，R为保存在土壤计划湿润层的有效降雨量，大棚内该项为0；I为时间t内的灌水量；F为地表径流，该项为0；为时间t内土壤储水量的变化；S为时间t内耕作层下边界的地下水补给量或深层渗漏量，该项为0；在大棚内公式（7）简化为： (8)； (9)；式中，为时间t+1的土壤储水量；为时间t的土壤储水量。本专利技术的有益效果是：本专利技术通过结合分布式光纤温度传感技术和热脉冲探针技术，可以以高空间分辨率（0.25m）捕捉多个设施蔬菜的土壤水分动态，从而提高土壤储水量的估算精度，并显著提高设施蔬菜耗水量的估算精度。本专利技术对农业精准灌溉的实施以及提高作物水分利用效率具有重要意义。
[0010]本专利技术利用热脉冲分布式光纤传感技术监测地下滴灌设施大棚中不同土层深度的土壤水分，通过捕捉高时空分辨率的大棚蔬菜的土壤水分动态，计算土壤储水量的变化，再利用水量平衡法估算作物的耗水量。该专利技术能够显著提高设施蔬菜耗水量的估算精度，可为设施大棚蔬菜的水分管理和灌溉决策提供科学依据。
附图说明
[0011]图1为本专利技术3000 m光缆与时域反射仪TDR布设示意图。
[0012]图2为本专利技术不同土层土壤水分与归一化累积升温值的关系图。
[0013]图3为本专利技术不同土层光纤测定土壤本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用热脉冲分布式光纤估算设施作物耗水量的方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤S1：在大棚内布设光缆，光缆埋设在大棚每垄中心的不同深度土壤中，光缆的结构由外向内包括绝缘护套、金属层和光纤；步骤S2：对长度为L的光缆金属层在预设时间内进行通电产生焦耳热，其加热功率通过金属层的电阻R和实时记录的电压U求得；步骤S3：利用光信号解调模块DTS，采集待测土壤中沿光纤不同空间点位的升温值ΔT随时间t的变化；通过公式（1）得到降噪后的升温值ΔT
´
；（1）；式中，ΔT
´
为降噪后的升温值，和分别为t
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1时刻、t时刻和t+1时刻的升温值；单位为℃；计算沿光纤不同空间点位的累积升温值，再通过公式（2）计算得到归一化的累积升温值；（2）；式中，为待测土壤中沿光纤不同空间点位的累积升温值，t
e
为停止加热时间，为待测土壤中的沿光纤不同空间点位的归一化的累积升温值，q
t
为第t个时刻光纤单位长度的加热功率，单位为W
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m
‑1；步骤S4：在待测土壤中的光纤预设距离内布设时域反射仪TDR，以监测光纤附近的土壤水分θ，建立土壤水分θ与待测土壤中的沿光纤不同空间点位的归一化的累积升温值函数关系；用一个指数方程公式（3）来建立函数关系；（3）；式中，A与B为参数，参数A和参数B直接从下限条件和上限条件导出；步骤S5：通过不同深度的待测土壤中沿光纤不同空间点位的归一化的累积升温值推求光纤不同空间点位的土壤水分θ；步骤S6：通过光纤监测的不同空间点位的土壤水分计算土壤储水量，利用水量平衡法计算设施作物耗水量。2.根据权利要求1所述的一种利用热脉冲分布式光纤估算设施作物耗水量的方法，其特征在于：步骤S1中在大棚内布设光缆，具体为：采用人工挖沟的方法布...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡优，刘吕刚，汤崇军，邓升，
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，江西省水资源管理中心，
类型：发明
国别省市：