“衡邵干旱走廊”土壤墑情自動監(jiān)測系統(tǒng)研究

胡興藝

（湖南省水文水資源勘測局，湖南 長沙 410007）

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“衡邵干旱走廊”土壤墑情自動監(jiān)測系統(tǒng)研究

胡興藝

（湖南省水文水資源勘測局，湖南 長沙 410007）

摘 要：旱災(zāi)是湖南省各類自然災(zāi)害中最主要的自然災(zāi)害之一，基于湖南省抗旱體系不完善，旱情信息來源少、監(jiān)測技術(shù)手段落后等問題，確定以湖南省常年旱情較為嚴(yán)重的“衡邵干旱走廊”為典型研究區(qū)域，對土壤墑情自動監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行研究。在研究過程中，采用現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集技術(shù)，成功解決土壤墑情信息的自動采集、傳輸、存儲和處理等關(guān)鍵技術(shù)問題。在土壤水分傳感器性能綜合比選、墑情站設(shè)計和實施方面積累寶貴經(jīng)驗，為今后抗旱減災(zāi)工作提供技術(shù)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：干旱；土壤墑情；自動監(jiān)測；傳感器

0　引言

干旱是湖南省最主要的自然災(zāi)害之一，旱災(zāi)對農(nóng)業(yè)的影響在各類自然災(zāi)害中所占比重也最大，解決湖南省的干旱問題已迫在眉睫。

“衡邵干旱走廊”位于雪峰山脈以南，五嶺山脈以北，是以湘江、資水流域分水嶺為中軸線分布的廣大丘陵地區(qū)，是湖南省糧食主產(chǎn)區(qū)，也是湖南省水資源量最少的地區(qū)?！昂馍鄹珊底呃取碧幱诟睙釒Ц邏褐行?，同時又受東面的衡山山脈、天光山及南面的五峰山影響，雨量顯著減少，極易出現(xiàn)夏旱或夏秋連旱［1］。據(jù)統(tǒng)計，平均 1.2年就發(fā)生 1 次旱災(zāi)，平均 3～5年大旱 1 次，大旱、特大旱災(zāi)發(fā)生頻繁，歷來就是著名的干旱區(qū)。由于降雨時空分布不均，水利工程薄弱，山體巖石裸露，植被涵養(yǎng)水源能力較差，水資源開發(fā)利用程度不一，工程調(diào)控水資源能力不強(qiáng)，水質(zhì)惡化較嚴(yán)重，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理等原因，加之全球氣候變化影響，導(dǎo)致“衡邵干旱走廊”區(qū)域干旱問題越來越凸顯。近 20年來，累計受旱面積超過 7×107hm2，干旱已成為制約該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、民生改善、生態(tài)安全的最大瓶頸。

旱情監(jiān)測是開展防旱減災(zāi)工作的重要基礎(chǔ)，是制定科學(xué)抗旱決策的重要依據(jù)［2］。目前，湖南省的抗旱體系還不完善，旱情信息來源少、監(jiān)測技術(shù)手段落后；旱情信息采集基礎(chǔ)較為薄弱、站網(wǎng)布設(shè)不足，自動化程度低。國家防汛抗旱指揮部于 2008年12月完成了對全國旱情監(jiān)測的統(tǒng)一規(guī)劃［3-4］，湖南省也將進(jìn)行大規(guī)模的旱情監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)。

2013年夏季，湖南省自 7月初旱情出現(xiàn)后，受持續(xù)晴熱高溫和降水嚴(yán)重偏少影響，旱情持續(xù)蔓延，農(nóng)林牧業(yè)損失嚴(yán)重。面對如此嚴(yán)重旱情，中南勘測設(shè)計研究院和湖南省水文水資源勘測局迅速做出反應(yīng)，確定以湖南省常年旱情較為嚴(yán)重的“衡邵干旱走廊”為典型研究區(qū)域，大力開展土壤墑情自動監(jiān)測技術(shù)研究及站網(wǎng)建設(shè)工作，建立了“衡邵干旱走廊”土壤墑情自動監(jiān)測系統(tǒng)，為科學(xué)抗旱提供數(shù)據(jù)來源和決策依據(jù)服務(wù)。

1　系統(tǒng)建設(shè)情況分析

1.1建設(shè)范圍及規(guī)模

旱情自動監(jiān)測技術(shù)研究項目以“衡邵干旱走廊”為典型研究區(qū)域，土壤墑情監(jiān)測站網(wǎng)主要分布于衡陽、邵陽、婁底 3 個地市。考慮到旱情監(jiān)測范圍與應(yīng)用研究需求，站網(wǎng)規(guī)模定為 23 個固定監(jiān)測站，廣泛分布于衡陽、邵陽、婁底的每個縣級行政單元，站網(wǎng)信息如表 1 所示（受篇幅限制，僅列舉部分站點）。

表1　“衡邵干旱走廊”土壤墑情監(jiān)測站信息表

1.2通信方式與工作體制

監(jiān)測站點均采用移動 GPRS 通信信道，當(dāng) GPRS信道發(fā)送不成功時，本地存儲該條報文，直到下次GPRS 成功上線后，會自動補(bǔ)報之前遺漏的數(shù)據(jù)。采用定時自報和召測兼容的混合工作體制。

設(shè)計依據(jù)如下：SL 61—2015《水文自動測報系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》；SL 247—2012《水文資料整編規(guī)范》；SL 364—2015《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》；SL 651—2014《水文監(jiān)測數(shù)據(jù)通信規(guī)約》。

1.3建設(shè)目標(biāo)

根據(jù)旱情監(jiān)測應(yīng)用研究需求，確定項目建設(shè)目標(biāo)如下：1）建設(shè) 23 個土壤墑情監(jiān)測站；2）通過監(jiān)測站建設(shè)，實現(xiàn)土壤墑情信息自動采集、固態(tài)存儲、自動傳輸?shù)裙δ埽?）通過建設(shè)監(jiān)測站至中心站的數(shù)據(jù)傳輸通信網(wǎng)，確保監(jiān)測站的數(shù)據(jù)傳輸通信的暢通，提高土壤墑情信息傳輸?shù)目煽啃院蜁r效性。

1.4中心站布置

中心站布置在湖南省水文水資源勘測局中心機(jī)房，設(shè)備包括通信設(shè)備、電源系統(tǒng)、前置機(jī)、網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備及相關(guān)外設(shè)。中心站不新增硬件設(shè)備，只需在前置機(jī)上配置添加相應(yīng)測站信息即可。監(jiān)測站采用 GPRS 通信信道將采集的土壤墑情信息傳輸?shù)街行恼竞?，由前置機(jī)統(tǒng)一接收，通過安裝在前置機(jī)上的水情測報通訊控制系統(tǒng)軟件即可看到監(jiān)測到的土壤墑情相關(guān)信息。

1.5監(jiān)測站建設(shè)

監(jiān)測站建設(shè)采用邊勘查邊安裝的方式進(jìn)行，經(jīng)技術(shù)人員現(xiàn)場勘查符合安裝要求后，安裝人員進(jìn)行測站安裝調(diào)試；對不符合測站選址要求的立刻重新勘查，尋找合適的監(jiān)測站安裝位置。

1.5.1測站選址

監(jiān)測站選址是土壤墑情監(jiān)測站網(wǎng)建設(shè)的重中之重，測站選址必須要求具有較好的代表性，能夠反映當(dāng)?shù)氐钠毡榍闆r。選址要求如下：1）固定站選址，測站盡可能選擇在非耕作的旱地上；2）土質(zhì)應(yīng)有代表性，避免選擇在灌溉區(qū)或易受灌溉影響的區(qū)域，力求不受水塘、水渠、水溝等影響，以盡可能反映天然情況；3）周邊地形地勢要相對平緩，不宜在較高的大山腳下及較陡的山腳下選擇場地；4）交通較方便，距公路不要太遠(yuǎn)，也不宜太靠近公路；5）1 個縣有多個監(jiān)測站時，選址應(yīng)考慮對大范圍的分布控制，不要相距太近；6）盡量靠近現(xiàn)有的雨量或水文站，便于設(shè)備維護(hù)與測站管理［5］。

此外，各站點所在地應(yīng)交通較方便，基本有道路相通，大部分站點車輛均可直接到達(dá)。

1.5.2測站結(jié)構(gòu)

監(jiān)測站的建設(shè)采用監(jiān)測、報警、控制一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，以遙測終端為核心，實現(xiàn)墑情信息的采集、存儲、傳輸，以及查詢應(yīng)答、可編程等測控功能。一體化監(jiān)測站主要由土壤水分傳感器、遙測終端、通信和供電設(shè)備等組成［6-7］。

1.5.3測站設(shè)備配置

土壤墑情固定站單站設(shè)備配置如圖 1 所示。

圖1　土壤墑情固定站單站設(shè)備配置圖

2　系統(tǒng)監(jiān)測方法和數(shù)據(jù)分析

2.1監(jiān)測方法

因為土壤的容積含水量是單位土壤總?cè)莘e中水分所占的容積分?jǐn)?shù)，故可以不考慮土樣的容重。土壤的容積含水量定義為

式中：Vw為土樣中水的體積；Vs為土樣的總體積。

自動監(jiān)測系統(tǒng)選用 AZS-2 型土壤水分傳感器測量土壤的容積含水量，該儀器采用頻域反射（FDR）原理測量土壤中水分的含量。頻域反射技術(shù)是一種較為常用的測量介電常數(shù)的方法，介電常數(shù)變化被轉(zhuǎn)換成直流電壓，直流電壓在廣泛的工作范圍內(nèi)與土壤含水量直接相關(guān)。表 2 給出了 AZS-2土壤水分傳感器的輸出電壓與土壤含水量的對應(yīng)關(guān)系（按 0～1 000 mV 輸出）。

表2　AZS-2輸出電壓與土壤含水量的對應(yīng)關(guān)系

為避開農(nóng)業(yè)灌溉對觀測結(jié)果產(chǎn)生的影響，傳感器探頭采用固定埋設(shè)法，儀器周圍設(shè)置保護(hù)圍欄。

系統(tǒng)分別監(jiān)測離地面 10，20 和 40 cm 處的 3 個土層的土壤含水量，傳感器埋設(shè)時在垂直方向上要錯開，為了避免監(jiān)測誤差，相鄰層水平間距錯開 30 cm左右。

2.2數(shù)據(jù)分析

通過對系統(tǒng)站點數(shù)據(jù)采集和自動監(jiān)測，表 3 列舉了衡東站 2015年6月16—26日每天 8 時離地面10，20 和 40 cm 處采集到的土壤體積含水量數(shù)據(jù)。

土壤墑情監(jiān)測對農(nóng)業(yè)種植而言是一項非常重要的工作，特別在干旱季節(jié)尤為重要。由于受監(jiān)測儀器精度限制，土壤墑情自動監(jiān)測一直以來被忽略。從衡東站 10，20 和 40 cm 處 3 個傳感器傳回的土壤墑情數(shù)據(jù)分析，20 cm 處土層含水量低于 10 和 40 cm處，主要原因是由于受前期降水影響，早期降水下滲至 40 cm 處，近期降水還來不及下滲至 20 cm 處造成的。由此看出，不同土層和時段，土壤含水量分布都存在一定差異，通過研究該區(qū)域土壤墑情，對合理選擇農(nóng)業(yè)灌溉時機(jī)和提高作物產(chǎn)量具有重要意義。

表3　衡東站不同土層土壤體積含水量表　m3/m3

3　結(jié)語

“衡邵干旱走廊”土壤墑情自動監(jiān)測系統(tǒng)于2013年8月開始實施安裝調(diào)試工作，歷時 45 天完成23 個固定監(jiān)測站點的安裝調(diào)試，調(diào)試成功后，所有站點自報數(shù)據(jù)基本正常。

通過土壤墑情監(jiān)測站網(wǎng)建設(shè)的研究，成功解決了土壤墑情信息的自動采集、傳輸、接收、存儲、管理等關(guān)鍵技術(shù)問題［8］，在土壤水分傳感器性能綜合比選、墑情站安裝與維護(hù)等方面積累了寶貴經(jīng)驗，同時為“衡邵干旱走廊”區(qū)域的抗旱減災(zāi)工作提供了技術(shù)指導(dǎo)。

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Study on Soil Moisture Automatic Monitoring System in “Heng Shao Drought Corridor”

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

Abstract:Drought is one of the main natural disasters of Hunan Province. Because drought relief system is not perfect，drought information source is little，monitoring technical means is backward in Hunan province，the article chooses "Heng Shao drought corridor" which is more serious drought perennial of Hunan Province as a typical research area，and studies the soil moisture automatic monitoring system. In the course of the study，it adopts modern data acquisition technology，successfully solves key technology problems of automatic collection，transmission，storage and processing in the soil moisture information. It accumulates valuable experience in the aspects of soil moisture sensor performance comprehensive selection，moisture station design and implementation and provides technical guidance for drought relief work in the future.

Key words:drought；soil moisture；automatic monitoring；sensor

中圖分類號：S157

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-9405（2016）03-0044-04

DOI:10.19364/j.1674-9405.2016.03.010

收稿日期：2016-03-17

作者簡介：胡興藝（1973-），男，湖南汨羅人，高級工程師，主要從事水文、土壤墑情和監(jiān)測儀器應(yīng)用等工作。