土壤墑情自動測報(bào)系統(tǒng)建設(shè)思路

鄒文安 章樹安 楊建青

近年，我國干旱災(zāi)害發(fā)生頻繁，對經(jīng)濟(jì)社會造成的影響不斷加劇，旱情監(jiān)測作用日益突出。然而我國墑情自動測報(bào)建設(shè)起步較晚，目前墑情監(jiān)測工作相對薄弱，土壤水分信息采集手段較落后，土壤墑情自動測報(bào)系統(tǒng)存在建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、建設(shè)內(nèi)容不規(guī)范、建設(shè)成果千差萬別等問題，不利于墑情工作管理和運(yùn)行維護(hù)。本文從生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，根據(jù)多年工作經(jīng)驗(yàn)，在有關(guān)項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)和有關(guān)技術(shù)規(guī)范制定成果基礎(chǔ)上，系統(tǒng)闡述了土壤墑情自動測報(bào)系統(tǒng)建設(shè)的基本思路與做法，為土壤墑情工程設(shè)計(jì)、站網(wǎng)建設(shè)、監(jiān)測與評價(jià)、運(yùn)行管理等提供借鑒和參考。

系統(tǒng)組成

土壤墑情自動測報(bào)系統(tǒng)主要由信息采集系統(tǒng)、信息傳輸系統(tǒng)、信息接收處理系統(tǒng)和輔助設(shè)備設(shè)施組成。

其中，信息采集系統(tǒng)以固定埋設(shè)自動墑情站建設(shè)為主。主要環(huán)節(jié)為信息監(jiān)測、記錄與存儲，需要的設(shè)備有傳感器、數(shù)據(jù)線、固態(tài)存儲器等。

信息傳輸系統(tǒng)主要完成信息傳輸控制，并通過通信設(shè)備、信道完成數(shù)據(jù)傳輸，需要的設(shè)備有遙測終端設(shè)備、通信模塊、電源和天饋線等。

信息接收處理系統(tǒng)主要完成節(jié)點(diǎn)信息接收和存儲、信息處理、信息服務(wù)等工作內(nèi)容，需配置通信接收設(shè)備、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、信息接收處理軟件、數(shù)據(jù)管理軟件、監(jiān)視管理軟件和信息服務(wù)軟件等。

輔助設(shè)備設(shè)施是指固定埋設(shè)自動墑情站建設(shè)時(shí)配置的必要設(shè)施、設(shè)備，主要有蓄電池、太陽能板、圍欄、避雷設(shè)備、立桿、儀器箱等。

儀器設(shè)備安裝

1.傳感器

探針式傳感器分為固定埋設(shè)和便攜式兩類。其中，固定埋設(shè)是指傳感器安裝在固定監(jiān)測地塊，并長期埋設(shè)于地下的監(jiān)測方式，以水平式插入土壤中為主；便攜式是指利用便攜式土壤水分采集儀（以巡測的方式）自動監(jiān)測土壤含水量，以垂直式插入土壤中為主。

導(dǎo)管式傳感器安裝分為有護(hù)管安裝和無護(hù)管安裝兩種。安裝時(shí)，應(yīng)保證護(hù)管垂直，護(hù)管與土壤間要保持嚴(yán)密接觸，不應(yīng)有縫隙。

（具體安裝步驟與要求，應(yīng)參閱相應(yīng)的產(chǎn)品說明書。）

2.立桿支架

⑴雙桿支架。土壤有凍脹的北方高寒地區(qū)、野外無人值守管理模式的固定自動墑情站，宜選用雙桿支架結(jié)構(gòu)。架桿材質(zhì)要求堅(jiān)硬穩(wěn)固，不易生銹變形，抗凍脹耐腐蝕，能抗雨雪、風(fēng)沙侵蝕。立桿需設(shè)置支架平臺，用于擱置和固定儀器設(shè)備箱，平臺距地面高度不低于2.5m。支架平臺應(yīng)選用堅(jiān)硬穩(wěn)固、不易生銹變形、經(jīng)過熱鍍鋅處理的金屬材質(zhì)。

⑵單桿支架。適用于南方地區(qū)、野外無人值守管理模式的固定自動墑情站。架桿材質(zhì)要求堅(jiān)硬穩(wěn)固，不易生銹變形，抗風(fēng)雨侵蝕，埋入土壤部分支架需加固。立桿需設(shè)置直角型金屬支架，用于擱置和固定儀器設(shè)備箱，支架距地面高度不低于2.5m。支架應(yīng)選用堅(jiān)硬穩(wěn)固、不易生銹變形、經(jīng)過熱鍍鋅處理的金屬材質(zhì)。

⑶直立矮樁式支架。適用于有人值守、庭院式管理模式的固定自動墑情站。支架應(yīng)選用抗凍脹、耐腐蝕、不易生銹變形的金屬材質(zhì)。支架頂端應(yīng)設(shè)置支架平臺，用于擱置和固定儀器設(shè)備箱，平臺距地面高度宜為0.7～1m。支架平臺應(yīng)選用堅(jiān)硬穩(wěn)固、不易生銹變形、經(jīng)過熱鍍鋅處理的金屬材質(zhì)。

3.儀器箱

儀器箱用于存放遙測終端設(shè)備、蓄電池等，需長期設(shè)置在固定自動墑情站監(jiān)測現(xiàn)場。儀器箱應(yīng)按照購置的遙測終端設(shè)備、蓄電池等尺寸統(tǒng)一訂做，宜采用不易生銹變形的金屬材質(zhì)，具有防雨、防潮、防盜等功能。

儀器箱兩側(cè)應(yīng)設(shè)有百葉式通風(fēng)口，設(shè)置拉門，安裝暗鎖。為防止積水腐蝕儀器箱頂蓋，頂蓋宜采用斜面散雨結(jié)構(gòu)。機(jī)箱底部設(shè)有螺栓，用于連接、固定支架平臺使用。儀器箱應(yīng)固定在立桿支架平臺上。

4.太陽能極板

為方便檢修和維護(hù)，太陽能極板宜安裝在設(shè)備箱頂部，或安裝在立桿支架上；安裝時(shí)，按當(dāng)?shù)鼐暥?，選擇太陽能極板安裝朝向和方向角。太陽能極板與儀器箱內(nèi)設(shè)備連接電線應(yīng)設(shè)有外殼保護(hù)，防止磨損、漏電。

5.避雷設(shè)備

避雷針應(yīng)設(shè)置在架桿頂部，通過帶狀金屬引線連接接地體。

接地體包括水平接地體和垂直接地體兩部分。

接地體應(yīng)距離建筑物3～5m，當(dāng)?shù)胤绞芟迺r(shí)可適當(dāng)減小。

水平和垂直接地體應(yīng)埋入地下不低于0.5m，垂直接地體長2m，每隔3～5m設(shè)置一個(gè)垂直接地體。

垂直接地體可選用不易生銹、不易彎曲變形的金屬材質(zhì)，水平接地體則選用不易生銹帶狀金屬材質(zhì)。

回填土必須是導(dǎo)電狀態(tài)較好的新黏土，土壤導(dǎo)電性能差時(shí)采用敷設(shè)降阻劑法，使接地電阻R≤10Ω。

通信信道與數(shù)據(jù)規(guī)約

通信信道設(shè)計(jì)思路：①土壤墑情監(jiān)測站到地市水情分中心（或省水情中心）可采用公網(wǎng)的通信資源進(jìn)行傳輸；②在公網(wǎng)信號不好的情況下，可采用備用通信信道；③地市水情分中心到省水情中心之間通過國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)廣域網(wǎng)（NFCnet）傳輸。

系統(tǒng)應(yīng)滿足20min內(nèi)完成一次全國實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集、處理和轉(zhuǎn)發(fā)的要求。系統(tǒng)規(guī)模過大時(shí)，可增設(shè)分中心或集合轉(zhuǎn)發(fā)站進(jìn)行分級處理。

主要通信方式的數(shù)據(jù)傳輸信道誤碼率應(yīng)低于1×10-6。

數(shù)據(jù)采集通信規(guī)約應(yīng)符合SL 651規(guī)定。

信息接收與存儲

?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）水情中心或地市水情分中心是墑情監(jiān)測信息接收節(jié)點(diǎn)，需配置通信接收設(shè)備、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，以及信息接收處理軟件、數(shù)據(jù)管理軟件、監(jiān)視管理軟件和信息服務(wù)軟件等。

墑情信息接收和管理軟件應(yīng)具有以下基本功能：①實(shí)現(xiàn)對土壤墑情監(jiān)測站遠(yuǎn)程參數(shù)修改、電壓檢測、遙測、召測；②實(shí)現(xiàn)對采集信息的自動接收，并解析成內(nèi)部數(shù)據(jù)格式；③實(shí)現(xiàn)對墑情采集信息的匯總、審核、存儲、檢索查詢；④實(shí)現(xiàn)對各類信息的發(fā)放功能和顯示；⑤實(shí)現(xiàn)對墑情信息向上級管理部門的實(shí)時(shí)傳送。

各節(jié)點(diǎn)接收到的信息應(yīng)及時(shí)存儲到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)及標(biāo)識符應(yīng)符合SL 437有關(guān)規(guī)定。

系統(tǒng)調(diào)試

（1）建設(shè)系統(tǒng)所需的設(shè)備配齊，土建工程竣工后，方可進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)備的安裝和調(diào)試。

（2）設(shè)備進(jìn)場安裝前，應(yīng)對土建工程進(jìn)行一次全面檢查，并根據(jù)檢查結(jié)果提出應(yīng)進(jìn)行的補(bǔ)充工作，擬定詳細(xì)的設(shè)備安裝計(jì)劃。應(yīng)對各項(xiàng)設(shè)備及附件的機(jī)械和電氣性能進(jìn)行全面檢查、測試和聯(lián)試，做好安裝準(zhǔn)備。

（3）傳感器的輸出線應(yīng)按規(guī)定連接固定，嚴(yán)防插頭座進(jìn)水。傳感器功能應(yīng)正常，并應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場準(zhǔn)確度考核（擬參數(shù)變化），若準(zhǔn)確度達(dá)不到要求，應(yīng)檢查原因，加以排除，否則不得投入系統(tǒng)運(yùn)行。

（4）傳輸設(shè)備的安裝應(yīng)注意如下事項(xiàng)：

①檢查遙測終端設(shè)備與各種電纜的連接，防止因漏水或沿電纜、電源線入口進(jìn)水造成故障。②檢查蓄電池的密封性，連接線路極性是否正確。③測量太陽能電池的開路電壓、短路電流，并保證接線正確。④注意檢查天饋線接頭是否上緊，天線和饋線是否緊固，防水措施是否可靠，并用功率計(jì)測試其輸出功率及系統(tǒng)駐波系數(shù)，檢查其工作是否正常。⑤檢查避雷針、接地設(shè)備等防雷裝置的安裝是否正確，接地電阻是否滿足要求。⑥完成一個(gè)站點(diǎn)的設(shè)備安裝后，應(yīng)使用多功能測試儀等輔助設(shè)備，對測站設(shè)備工作是否正常做一次全面檢查。⑦在整個(gè)系統(tǒng)安裝結(jié)束后，應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)和性能測試。

（5）系統(tǒng)聯(lián)調(diào)和性能測試主要包括：監(jiān)測信息遠(yuǎn)程接收、存儲，遠(yuǎn)程參數(shù)修改、遙測、召測，信息傳輸時(shí)效，監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、入庫等。

(6)安裝過程中出現(xiàn)的問題和處理結(jié)果應(yīng)詳做記錄備查。

運(yùn)行維護(hù)

①固定埋設(shè)自動墑情站應(yīng)定期進(jìn)行維護(hù)，常規(guī)檢測維護(hù)每年至少1次。②當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行1～2年，應(yīng)進(jìn)行土壤水分自動監(jiān)測儀器公式率定；當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常或監(jiān)測數(shù)據(jù)偏差較大時(shí)，應(yīng)及時(shí)維護(hù)與率定。③埋設(shè)類傳感器的報(bào)廢年限應(yīng)不低于5年。④傳感器等易損設(shè)備可按建設(shè)數(shù)量10%的比例備品。