土壤墒情监测中的潮汐现象探析

胡兴艺

（湖南省水文水资源勘测局，湖南 长沙 410007）

土壤墒情监测中的潮汐现象探析

胡兴艺

（湖南省水文水资源勘测局，湖南 长沙 410007）

潮汐现象是沿海地区的一种常见的自然现象，受太阳和月亮等天体引潮力的作用，地球的岩石圈，水圈和大气圈都会产生周期性变化。作为覆盖在地球陆地表面的土壤，在引潮力作用下，不同土层含水量也会发生周期性变化，这种周期性变化在干旱地区往往难以观测，在土壤相对湿润的环境条件下，使用高灵敏度的土壤墒情监测设备可以捕捉到该现象。阐述潮汐现象的相关理论，建立土壤墒情潮汐模型，分析土壤墒情潮汐现象，利用频域反射原理传感器对土壤墒情进行多年监测实验，从大量的采集数据分析，发现疑似土壤墒情潮汐现象，为避免该现象对土壤墒情监测的影响提供一定的理论依据。文中试验结果并不深入，方法、仪器、地点、环境都可能对试验结果有影响，仅供参考。

潮汐；潮汐力；土壤水分；土壤水分监测；土壤墒情

0 引言

潮汐是指海水的一种周期性涨落现象，到一定时间海水推波助澜，迅速上涨；过一段时间，上涨的海水又自行消退，如此循环，永不停息。潮汐现象与人类活动关系密切，如海港工程、航运交通、军事活动等，尤其对农业、渔业和生产影响深刻。

潮汐是因为海面受到引潮力影响而发生的周期性涨落现象。引潮力是潮汐的原动力，主要是天体对地球上不同地点的引力差异而产生的，这些天体中月球影响最大，太阳影响程度约为月球的 46%，其他天体则非常微弱。

除海洋外，月球和太阳的引潮力也会使固体的地壳产生周期性变化，相对液态的海洋潮汐而言，固态的地壳潮汐现象不容易被人们觉察，而作为地壳中的游离态的液态水对引潮力将产生敏感的反应，具体表现为覆盖在地壳表层的土壤中的含水量纵向随着引潮力的发生而呈周期性变化。土壤墒情是指土壤含水量，土壤中的液态水在重力作用下可以发生转移，即土壤表层的液态水会向土壤底层方向下渗。从地球潮汐理论可知，土壤中的液态水发生转移并非只是受到重力的作用，实际上受到的是引潮力作用，并且会产生类似于海面水位上升下降过程，从而对不同土层的土壤含水量产生周期性的复杂变化。为更好地监测土壤墒情，有必要对土壤墒情监测中的潮汐现象进行探究和分析。

1 土壤墒情潮汐模型

根据潮汐原理建立的土壤墒情潮汐模型如图1所示，假设地球为理想刚性球体，地壳不会因引潮力发生形变，土壤中的水可以看作是吸附在地壳内壁的游离液态水。由于月球距地球比太阳近，月球与太阳引潮力之比为 11∶5，月球引潮力比太阳引潮力显著，模型中只考虑月球引潮力的作用，在地球和月球连线方向，引潮力最大且背离地球球心方向，下层土壤中的液态水会向上层土壤转移，形成水质点分布密集区；在地球和月球连线垂直方向，引潮力最小且指向地球球心方向，上层土壤中的液态水重新回到下层土壤，形成水质点分布稀少区，由于液态水与土壤之间的摩擦力，液态水在层土中运动与实际潮汐产生的时间将存在一定延时。

图1 土壤墒情潮汐模型

从水质点受力情况分析，设引潮力 ƒy是月球引力与地球体上各水质点惯性离心力的合力，摩擦力ƒm是土壤中水质点与土壤产生的摩擦力， ƒm与 ƒy始终大小相同，方向相反。土壤中水质点运动方向与引潮力 ƒy方向相同，运动大小随 ƒy变化而变化。

假设在土壤类型和土质结构相同的条件下，将土壤划分成 A，B，C 3 层，且各层土壤含水量分布均匀，在一个涨潮和落潮周期过程中，土壤含水量的分布情况分析如下：

1）当处于平衡状态时，土壤 A，B，C 3 层中的水质点受力到的引潮力 ƒy= 0，水质点位置保持不变，如图2所示。

图2 初始状态（ƒy= 0）

2）由于地球自转，引潮力 ƒy由 0 开始变大，方向不断发生改变，当水质点随地球自转到地球和月球连线方向时，引潮力 ƒy最大，且方向背离地心，在此过程中，土壤 B 层中的水分向 A 层迁移，土壤C 层中的水分向 B 层迁移，土壤 A 层获得水分，土壤 C 层失去水分，土壤 B 层获得的水分和失去的水分相当，如图3所示。

图3 地球和月球连线方向时水质点运动方向

3）随着地球继续自转，引潮力 ƒy由大变小，方向不断发生改变，当水质点随地球自转到地球和月球连线垂直方向时，引潮力 ƒy最小，且方向指向地心，土壤 B 层中的水分向 C 层迁移，土壤 A 层中的水分向 B 层迁移，土壤 C 层获得水分，土壤 A 层失去水分，土壤 B 层获得的水分和失去的水分相当，如图4所示。

图4 地球和月球连线垂直方向时水质点运动方向

因此，在潮汐发生过程中，土壤 A 和 C 层中的含水量会随潮汐的变化而发生变化，土壤 B 层中的含水量基本保持不变，但由于降水、蒸发和下渗的影响，土壤 B 层中的含水量会发生一定变化。

从分析可以看出，在土壤墒情监测过程中，为了避免土壤含水量潮汐现象的干扰，选择土壤 B 层观测土壤含水量比较理想。

虽然潮汐现象在自然界中普遍存在，但不是所有土壤都会产生土壤墒情潮汐现象，潮汐现象的产生不但取决于液态水在土壤中运动的摩擦系数，还与土壤类型、密度、空隙等物理量有着密切的关系，相对保湿性好、松软的土壤，土壤墒情潮汐现象比较明显。

2 土壤墒情潮汐实验验证

为了验证土壤墒情中的潮汐现象，利用土壤墒情监测仪器对湖南冷水江站土壤墒情进行监测实验。

2.1 系统搭建

实验采用基于GPRS 传输方式的土壤墒情采集系统，采集周期为 1 h，实时数据通过无线自动发送到远程数据中心，如图5所示。

实验所测量的土壤含水量数据是指土壤的容积含水量，因为这样可以不考虑土样的容重。土壤的容积含水量是容积土壤中水分容积与土壤容积的比例，容积含水量 θν定义为 θν= ( Vw/ Vs) × 100%，式中：Vw为土样中水的体积；Vs为土样的总体积。

图5 系统搭建

2.2 实验场地选取

根据土壤墒情潮汐发生的特点，选取了有代表性的地块，避开了有农业灌溉对观测结果产生的影响，传感器探头采用固定埋设法，仪器周围设置了保护围栏。

实验分别采用 10，20，40 cm 处的 3个土层采集土壤含水量，传感器埋设时在垂直方向上错开，为了避免监测误差，相邻层水平间距错开 30 cm 左右。

实验地点确定后，测定土壤质地和干容重，对传感器参数进行率定。

2.3 传感器选用

实验选用 AZS-2 型土壤水分传感器，如图6所示，该仪器采用频域反射 FDR（Frequency-Domain Reflectometry）原理测量土壤中水分的含量，频域反射技术是一种较为常用的测量介电常数的方法，介电常数变化被转换成直流电压，直流电压在广泛的工作范围内与土壤含水量直接相关。

2.4 数据分析

根据土壤墒情潮汐模型理论，由于土层 10 和20 cm 处土壤含水量分布相对比较均匀，受地下水和引潮力影响较小；而土层 40 cm 处正好位于饱和含水量土层与非饱和含水量土层临界处，受地下水和引潮力影响较大。因此，当潮汐发生时，受引潮力影响，土层 40 cm 处传感器能监测到土壤含水量周期性的突变现象，埋设在 10 和 20 cm 处的传感器采集到的土壤含水量数据无此变化规律。

图7 列出 40 cm 处传感器 2015年 12 月 10 日0 时至 16 日 0 时共 168 h 的连续土壤含水量数据（受篇幅限制，仅列举部分数据）。图中数据显示 40 cm 处土壤含水量跳变范围在 0.15～0.45 之间，且大部分时间处于0.45 左右的土壤饱和含水量值附近。从大量采集数据分析发现，40 cm 处的传感器采集到的土壤含水量发生有规律的跳变，跳变间隔约为 12 h 左右，与海洋潮汐从高潮到下一个高潮相隔 12 h 25 min基本吻合。

图6 AZS-2 型土壤水分传感器

3 结语

图7 土壤含水量监测曲线

土壤墒情监测是旱情分析的重要依据，特别是在旱灾发生季节尤为重要。由于受监测仪器精度限制，土壤墒情潮汐现象对土壤含水量的影响一直以来被忽略。通过介绍潮汐现象及成因，以引潮力理论为基础，建立了土壤墒情潮汐模型，利用精密的传感器在冷水江实验站对土壤墒情数据进行了多年监测，捕获到土壤墒情潮汐的周期变化现象。通过对实验场地破土调研，发现传感器埋设点 2 m 深处为不透水岩石层，该地质结构对土壤墒情潮汐现象的产生是否有一定关联还有待进一步考证。目前对土壤含水量与潮汐的关系研究只是一个起步，今后还有大量工作需要去探究，尽早摸清土壤墒情潮汐现象存在规律，对土壤墒情监测选址及农业灌溉具有重要意义。此实验也许还并不深入，方法、仪器、地点、环境都可能对试验结果有影响，仅供参考。

[1] 王成兴. 中国古代潮汐的认识[J]. 信阳师范学院学报（自然科学版），1999，23 (5): 43-47.

[2] 许厚泽. 固体地球潮汐[M]. 武汉：湖北科学技术出版社，2010.

[3] 苏芳珍，潮汐现象的物理本质[J]. 延安大学学报（自然科学版），2006，20 (2): 47-49.

[4] 郑定国. 潮汐的平衡理论[J]. 大学物理，1996，15 (10): 21-23.

[5] 胡兴艺，李正最，李炳辉. RC 阻容模型在土壤墒情动态分析中的应用[J]. 土壤与作物，2014 (3): 99-104.

[6] 张卫华，魏朝富，靳军英. 水文土壤学理论及其应用研究进展[J]. 水利水电技术，2008，39 (10): 1-4.

[7] 张瑞瑞，陈立平，郭建华. 农田土壤监测无线传感器网络通信平台[J]. 农业工程学报，2008，24 (2): 81-84.

[8] 常玉宏. 土壤墒情（旱情）监测系统[J]. 中国水利，2007 (13): 69-69.

[9] 杨建青，王吉星，章树安，等. 土壤水分监测仪器野外对比测试分析研究[J]. 水文，2012，32 (5): 57-61.

[10] 张昭栋，王尤培，张教祥. 地震地下水潮汐研究综述[J].防灾减灾工程学报，1991 (3): 29-35.

[11] 胡兴艺. 广义线性水库模型及其 RC（阻容）网络模拟[J]. 长江科学院院报，2009 (5): 18-21.

[12] 胡兴艺. 水情信息采集系统 GSM 通信信道的设计考虑[J] 水文，2007，27 (1): 59-61.

[13] 胡兴艺. 水情信息采集系统可靠性模型分析[J]. 水文，2002 (5): 47-50.

[14] HG Scherneck. A Parametrized Solid Earth Tide Model and Ocean Tide Loading Effects for Global Geodetic Baseline Measurements[J]. Geophysical Journal International, 1991, 106 (3): 677-694.

[15] FW Klein Earthquake Swarms and the Semidiurnal Solid Earth Tide[J]. Geophysical Journal International, 2007, 45 (2): 245-295.

[16] TF Baker，DJ Curtis，AH Dodson. A new Test of Earth Tide Models in Central Europe[J]. Geophysical Research Letters, 1996, 23 (24): 3559-3562.

Exploration and Analysis of Tidal Phenomena in Soil Moisture Monitoring

HU Xingyi
(Hydrology and Water Resources Survey Bureau of Hunan Province, Changsha 410007, China)

The tide phenomenon is a common natural phenomenon in the coastal area, under the action of the sun and the moon and other celestial tidal force, the earth's lithosphere, hydrosphere and atmosphere produce periodic change. As the soil covered of the earth's land surface, different soil moistures will occur periodically. Under the tidal force, the periodic change is often difficult to observation in arid regions, in relatively moist soil conditions, soil moisture monitoring equipment with high sensitivity can capture the phenomenon. This paper expounds the related theory of tide phenomenon, a soil moisture tidal model, analyzes the soil moisture tide phenomenon, the soil moisture sensor on the frequency domain reflection principle for monitoring experiment, large amounts of data collected, finds a suspected soil moisture tide phenomenon after analyzing, provides a theoretical basis in order to avoid the effect of the phenomenon of soil moisture monitoring. The test results are not in depth, methods, equipment, location, the environment may have an impact on the results of the test, just for reference.

tide； tidal force； soil moisture； soil moisture monitoring； soil moisture

S152

A

1674-9405(2016)06-0010-04

10.19364/j.1674-9405.2016.06.003

2016-08-10

胡兴艺（1973-），男，湖南汨罗人，高级工程师，主要从事土壤墒情监测和水文仪器应用等工作。