土壤水分自動監(jiān)測與人工測試數(shù)據(jù)對比分析

智永明，邵 軍，張松明，王 偉，鄧英春，張永兵

（1.水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012；2.安徽阜陽水文水資源局，安徽 阜陽 236000）

0 引言

土壤水分是分析判斷農(nóng)業(yè)旱情、實施節(jié)水灌溉、進行水文預報最直接和必要的指標。人工采集取土測量水分的方法，既費時費工，數(shù)據(jù)差異性也較大，且時效性不強，信息準確性不高，數(shù)據(jù)采集點數(shù)量少，不能滿足目前防汛抗旱管理工作的需要。因此，在我國建設土壤水分在線監(jiān)測系統(tǒng)是防汛抗旱決策支持系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。

國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)一期工程中，在安徽、河北、吉林、黑龍江、重慶5個省市進行抗旱管理系統(tǒng)建設試點工作，其中墑情自動測報系統(tǒng)是旱情分中心建設的關(guān)鍵。這些試點建成的自動監(jiān)測站，從監(jiān)測精度和可靠性等方面比較，部分自動監(jiān)測站的監(jiān)測效果較差。為提高土壤水分監(jiān)測儀器的準確性、可靠性和靈敏性，建立土壤水分監(jiān)測儀器準入制度是十分必要的[1]。為此，國家防汛抗旱總指揮辦公室（簡稱國家防辦）會同水利部水文局組織制訂了《土壤水分監(jiān)測儀器通用技術(shù)條件》（試行），在實施國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)二期工程和開展土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)建設時試行。

土壤水分在線監(jiān)測，是通過在土壤中埋設在線式土壤水分傳感器，并將測得的土壤水分數(shù)據(jù)實時（每小時上傳1次）上傳至后臺管理服務器，實現(xiàn)土壤水分的在線實時監(jiān)測。土壤水分在線監(jiān)測系統(tǒng)由在線式土壤水分傳感器（可測 10，20，40cm 土層）、數(shù)據(jù)采集器箱（含土壤水分采集器、GPRS 通信模塊、太陽能電池控制器、蓄電池等）、供電系統(tǒng)（太陽能電池板等）、后臺服務器、墑情管理軟件、通信網(wǎng)絡等設備組成。系統(tǒng)為4層架構(gòu)，傳感器應用層由插管式土壤水分傳感器構(gòu)成，包含銅環(huán)式傳感器、通信模塊、塑料固定支架、PVC 套管結(jié)構(gòu)件，主要實現(xiàn)各層土壤水分數(shù)據(jù)的獲取；數(shù)據(jù)采集層由采集器箱構(gòu)成，將傳感器獲取的土壤水分數(shù)據(jù)采集到土壤水分采集器；信息傳輸層采用 GPRS 無線網(wǎng)絡，將現(xiàn)場處理好的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳送到中心接收站；信息應用層由接收硬件設備及相應軟件組成，實現(xiàn)遠程信息接收、處理、存儲、應用等功能。

針對防汛抗旱指揮系統(tǒng)一期工程中存在的問題，水利部南京水利水文自動化研究所和安徽阜陽水文水資源局共同組織在農(nóng)業(yè)大田里進行比測試驗，選址原則為當?shù)卮硇酝寥?，所種作物為當?shù)刂饕魑?，最后確定阜陽插花站、闞町站和亳州大寺站為本次比測試驗站點。自動監(jiān)測數(shù)據(jù)與人工采集數(shù)據(jù)比測的意義是，揭示土壤水分傳感器在不同土壤中的率定公式，為自動監(jiān)測“數(shù)據(jù)測得準”提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗站概況

試驗站分布于安徽阜陽插花、闞町和亳州大寺，插花和闞町試驗站選址在小麥田里，小麥為當?shù)刂饕N植作物，土壤類型為砂姜黑土；亳州大寺試驗站選址在中藥地里，中藥為白芍是當?shù)刂饕N植藥材，土壤類型為潮土。試驗站設備安裝時間為2012年12月，試驗站為開放式布置，如圖1所示，土壤水分傳感器直接埋設在種植有農(nóng)作物的農(nóng)田里，可真實反映農(nóng)田的土壤水分變化規(guī)律。

圖1 闞町試驗站

1.2 比測試驗

從 2013年1月1日開始，以5d 以上（含5d）為1個取土間隔周期，取土時間為早上8點整，取土位置為埋設土壤水分傳感器周圍的田間，用土壤環(huán)刀取土后，迅速放入鋁盒供試驗烘干用，取土層為 10，20，40cm 土層。

1.2.1 烘干法

在 105～110℃ 條件下，將土壤烘干至恒重時，所失去的水分質(zhì)量和達恒重后干土質(zhì)量的比值，以百分數(shù)表示，是直接測量土壤水分的一種方法，也是測定土壤含水量的標準方法[2]2，也稱稱重法。

1.2.2 比測標準

本次比測試驗依據(jù)《土壤水分監(jiān)測儀器通用技術(shù)條件》（試行）“附錄 A 土壤水分自動監(jiān)測系統(tǒng)野外試驗”中 A.3.2準確性評估要求，進行如下評估：與烘干法相比，統(tǒng)計絕對誤差在 ±4% 范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)測次；準確性評估，絕對誤差在 ±4% 范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)測次/人工監(jiān)測的測次 ×100%，其值應不小于80%；對絕對誤差超過 ±4% 的數(shù)據(jù)進行分析，分析是偶然誤差還是系統(tǒng)誤差造成的[2]13。

2 結(jié)果與分析

2.1 比測數(shù)據(jù)

2.1.1 插花試驗站

插花試驗站的試驗比測時間為 2013年1月1日到 6月1日，烘干法和機測法比測數(shù)據(jù)如表1所示，覆蓋從冬季、春季到初夏的小麥主要生長階段。結(jié)合插花站降雨量[3]因素分析，土壤水分傳感器對降雨的反應非常靈敏，降雨量的不同，影響到的土層（10，20，40cm）也不同，土壤水分傳感器可以完整記錄不同土層的土壤水分連續(xù)變化趨勢，對于不同土層，烘干法和機測法比測曲線如圖2所示，從圖中可能看出，經(jīng)過現(xiàn)場率定后機測的數(shù)據(jù)曲線與人工烘干法測得數(shù)據(jù)曲線比較，重合度很高，水分變化趨勢一致。

2.1.2 闞町試驗站

闞町試驗站的試驗比測時間為2013年1月1日到6月1日，比測數(shù)據(jù)如表2所示，覆蓋從冬季、春季到初夏的小麥主要生長階段。結(jié)合闞町站降雨量[3]因素分析，土壤水分傳感器對降雨的反應非常靈敏。對于不同土層，烘干法和機測法比測曲線如圖3所示，從圖中可能看出，經(jīng)過現(xiàn)場率定后機測的數(shù)據(jù)曲線與人工烘干法測得數(shù)據(jù)曲線比較，水分變化趨勢一致，圖3中b和c在4月中旬到5月初，2條曲線重合度不高，初步分析為闞町站 3—5月有效降水不多，結(jié)合砂姜黑土的土壤特性，20和40cm土層無有效水分補充，土壤出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，導致機測數(shù)據(jù)與人工數(shù)據(jù)比對超差。

2.1.3 大寺試驗站

大寺試驗站的試驗比測時間為 2013年1月1日到 7月26日，比測數(shù)據(jù)如表3所示，覆蓋從冬季、春季到夏季的白芍生長階段。土壤水分傳感器對降雨的反應靈敏，對應于不同土層，烘干法和機測法比測的體積含水量的曲線如圖4所示。大寺站的土壤類型為潮土，質(zhì)地比較均勻，經(jīng)過現(xiàn)場率定后機測的數(shù)據(jù)曲線與人工烘干法測得數(shù)據(jù)曲線比較，重合度很高，水分變化趨勢一致，圖4a 中 1月11日機測數(shù)據(jù)與人工烘干法測得數(shù)據(jù)差異明顯，初步分析為10cm 土層出現(xiàn)凍土現(xiàn)象，導致機測數(shù)據(jù)異常。

表1 插花試驗站烘干法與機測法測試數(shù)據(jù)%

2.2 數(shù)據(jù)分析

本次比測試驗，于 2013年1月1日開始，7月26日結(jié)束，阜陽插花站、阜陽闞町站、亳州大寺站3個站共312個數(shù)據(jù)，經(jīng)率定后絕對誤差在 ±4% 范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)有269個，占比為 86.22%；絕對誤差超過 ±4% 范圍的有43個數(shù)據(jù)，占比為 13.78%，初步分析認為超差數(shù)據(jù)產(chǎn)生的原因主要如下：野外取土位置誤差所致；亳州大寺試驗站表層土壤出現(xiàn)凍土；土樣操作誤差；土壤開裂等。本次比測數(shù)據(jù)為全部數(shù)據(jù)，包括異常和無效數(shù)據(jù)，為還原在野外田間土壤水分自動測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)的真實情況，人工取土烘干測試由阜陽水文局當?shù)厮恼镜娜藛T按日常操作進行。

2.3 比測結(jié)果

圖2 烘干法與機測法比測曲線

《土壤水分監(jiān)測儀器通用技術(shù)條件》（試行）中規(guī)定：準確性評估，與烘干法相比，絕對誤差在±4% 范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)測次/人工監(jiān)測的測次 ×100%，其值應不小于 80%[2]2。

本次比測率定后機測數(shù)據(jù)合格率為 86.22%，優(yōu)于 80% 的要求。機測土壤水分數(shù)據(jù)對有效降水量反應靈敏，可準確反應土壤水分變化趨勢，研制的土壤水分監(jiān)測傳感器系統(tǒng)經(jīng)過9個月野外應用，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)無丟失，傳感器野外安裝工序規(guī)范，土壤水分自動監(jiān)測系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)可以替代人工抄報數(shù)據(jù)。

圖3 烘干法與機測法比測曲線

3 結(jié)語

從3個試驗站率定前直接機測的數(shù)據(jù)和人工數(shù)據(jù)比對可知，用出廠設置的參數(shù)直接測量不同站點的土壤水分值與人工數(shù)據(jù)比對失真嚴重，未經(jīng)率定的機測數(shù)據(jù)不能反映站點的真實土壤水分數(shù)值，對于特定土壤，傳感器的輸出特性是有所不同的[4]，因此，土壤水分傳感器野外使用時必須經(jīng)過現(xiàn)場率定才能使用。

表2 闞町試驗站烘干法與機測法測試數(shù)據(jù)%

土壤水分傳感器現(xiàn)場率定方法是難點，土壤差異性很大，不同土壤對應不同的率定曲線，在工程實踐中，如何在施工期內(nèi)將土壤水分傳感器率定準確，是生產(chǎn)單位必須要解決的。從3個野外站歷時半年的比測情況看，已在土壤水分傳感器現(xiàn)場率定技術(shù)方面取得了突破，解決了土壤水分自動監(jiān)測系統(tǒng)“數(shù)據(jù)測得準”的技術(shù)問題，可以進行工程應用。

土壤水分自動監(jiān)測站的站址選擇必須符合SL364-2006《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》[5]的規(guī)定，土壤水分傳感器在埋設前必須進行埋設點土壤水分試驗測試，如有異?，F(xiàn)象出現(xiàn)，必須更換埋設點，保證正常輸出土壤水分數(shù)據(jù)。

表3 大寺試驗站烘干法與機測法測試數(shù)據(jù)%

圖4 烘干法與機測法比測曲線

在實際工程應用中建議設置不合格數(shù)據(jù)條件，將不合格的數(shù)據(jù)去除，對合格數(shù)據(jù)整編入庫，保證數(shù)據(jù)的有效性和準確性。

[1] 國家防汛抗旱總指揮辦公室.辦旱一[2012]32號 關(guān)于印發(fā)土壤水分監(jiān)測儀器通用技術(shù)條件（試行）的通知[R].北京：國家防汛抗旱總指揮辦公室，2012: 1.

[2] 國家防汛抗旱總指揮辦公室，水利部水文局.土壤水分監(jiān)測儀器通用技術(shù)條件（試行）[S].北京：中華人民共和國水利部，2012.

[3] 安徽省水文局.安徽省水文遙測信息網(wǎng)[EB/OL].[2013-09-25].http://yc.wswj.net/ahyc/.

[4] 鄧英春，許永輝.土壤水分測量方法研究綜述[J].水文，2007,27（4）: 24.

[5] 中華人民共和國水利部.SL364-2006土壤墑情監(jiān)測規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，2007: 5.