土壤墑情人工監(jiān)測(cè)與自動(dòng)監(jiān)測(cè)的對(duì)比分析

李　楊（安徽省滁州水文水資源局，安徽　滁州　239000）

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土壤墑情人工監(jiān)測(cè)與自動(dòng)監(jiān)測(cè)的對(duì)比分析

李楊（安徽省滁州水文水資源局，安徽滁州239000）

土壤含水率是抗旱決策的重要依據(jù)，由于人才，財(cái)力，物力有限，很難做到每個(gè)墑情站點(diǎn)都采用人工監(jiān)測(cè)的方式。部分站點(diǎn)需采用自動(dòng)采集與無(wú)線傳輸實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤墑情，改變傳統(tǒng)的測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)土壤墑情監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化。通過(guò)實(shí)測(cè)資料對(duì)比分析，說(shuō)明該裝置不論在測(cè)量精度上，還是遙測(cè)傳輸上，都有令人滿意的結(jié)果。

土壤墑情；含水率；烘干法；自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1　前言

土壤墑情，指土壤含水率。一般用土壤含水量與土壤重量相比，用百分比來(lái)表示。土壤墑情是反映土壤干旱程度的主要指標(biāo)之一。土壤墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠全面、科學(xué)、真實(shí)的反映監(jiān)測(cè)區(qū)的土壤含水量的變化，可及時(shí)準(zhǔn)確的提供各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的墑情狀況，為減災(zāi)抗旱提供了基礎(chǔ)信息。土壤墑情監(jiān)測(cè)可以提高農(nóng)牧業(yè)抗旱管理水平，快速掌握土地旱情動(dòng)態(tài)，避免或減少旱災(zāi)造成的損失，逐步建立起廣泛覆蓋的土壤墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)成為相應(yīng)管理部門(mén)的重要任務(wù)之一。

2　人工監(jiān)測(cè)的方法及原理

土壤含水量垂直測(cè)點(diǎn)分布應(yīng)根據(jù)監(jiān)測(cè)目的、地質(zhì)條件、土層的厚度而確定。安徽省滁州市土壤墑情監(jiān)測(cè)站點(diǎn)統(tǒng)一采用三點(diǎn)（地表表層下10cm、20cm、40cm），采取旬測(cè)的方式監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)人工取樣采用環(huán)刀對(duì)地表表層下10cm、20cm、40cm三個(gè)土層進(jìn)行垂直取樣，每個(gè)土層取3個(gè)土樣，以烘干稱(chēng)重法計(jì)算其含水量。

烘干法是土樣從現(xiàn)場(chǎng)采取后放入鋁盒中，對(duì)其進(jìn)行編號(hào)，天平稱(chēng)重（感量0.01g）記錄數(shù)據(jù)。烘箱或微波爐進(jìn)行烘干，烘箱溫度設(shè)制在105℃±2℃，持續(xù)恒溫8h，烘干結(jié)束，冷卻后天平稱(chēng)重記錄數(shù)據(jù)。土壤含水量可采用以下公式計(jì)算：

式中：ω——土壤重量含水量；

ω1——濕土+盒重；

ω2——干土+盒重；

ω0——鋁盒的重量。

人工采集樣本烘干法是屬于直接測(cè)量土壤含水量，是公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)方法，也是使用最廣泛的監(jiān)測(cè)方法。

3　自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)的方法及原理

實(shí)驗(yàn)區(qū)采用的是YY-RTU-2000型遙測(cè)終端機(jī)，配制YY-C0906人工置數(shù)器。其特點(diǎn)是體積小，操作簡(jiǎn)單。

根據(jù)監(jiān)測(cè)要求，可采用1路土壤水份傳感器實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)墑情檢測(cè)；也可采用多路土壤水份傳感器，并將傳感器分布在不同的深度，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的剖面墑情監(jiān)測(cè)。因自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)點(diǎn)分散分布，不易布線的特點(diǎn)，建議選用太陽(yáng)能用作供電自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備。自動(dòng)采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)利用GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸，監(jiān)測(cè)中心自動(dòng)接收，并存儲(chǔ)到土壤墑情數(shù)據(jù)庫(kù)中。其監(jiān)測(cè)方法符合土壤墑情的規(guī)范SL364-2006（見(jiàn)圖1）。

圖1　

4　實(shí)測(cè)資料誤差分析

4.1比測(cè)資料的回歸分析

土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置于2013年花山墑情站點(diǎn)進(jìn)行安裝試用，并與人工監(jiān)測(cè)比較對(duì)照，繪制比測(cè)資料的點(diǎn)據(jù)，根據(jù)對(duì)比分析圖的分布情況（如圖2），采用直線相關(guān)的回歸方程進(jìn)行分析。10cm、20cm、40cm土壤的相關(guān)系數(shù) r依次為0.8306、0.7612、0.7415，從理論上講，樣本相關(guān)系數(shù)r的絕對(duì)值越大，剩余平方和就越小，回歸線與點(diǎn)據(jù)配合得越密切，相關(guān)關(guān)系也就越好。每層土樣的r值表明其比測(cè)的資料相關(guān)關(guān)系是較密切的、較顯著的。

4.2誤差結(jié)果統(tǒng)計(jì)

根據(jù)人工實(shí)測(cè)資料與自動(dòng)測(cè)量資料進(jìn)行誤差分析。分析發(fā)現(xiàn)：10cm土壤含水量年平均絕對(duì)誤差0.12，20cm土壤含水量年平均絕對(duì)誤差3.59，40cm土壤含水量年平均絕對(duì)誤差0.29；10cm土壤含水量年平均相對(duì)誤差1.31%，20cm土壤含水量年平均相對(duì)誤差17.49%，40cm土壤含水量年平均相對(duì)誤差0.93%（見(jiàn)表1）。

表1　對(duì)比觀測(cè)資料誤差年平均統(tǒng)計(jì)

對(duì)比測(cè)資料進(jìn)行10cm、20cm、40cm土壤含水量的絕對(duì)誤差統(tǒng)計(jì)，進(jìn)行頻率計(jì)算。求得：P=50%、P=75%、P=100%含水量的絕對(duì)誤差，具體誤差頻率數(shù)值見(jiàn)表2。

表2　對(duì)比觀測(cè)資料誤差統(tǒng)計(jì)

從誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果可見(jiàn)：10cm土壤含水量（P=50%）平均誤差1.9；最大（P=100%）誤差0.1；20cm土壤含水量（P=50%）平均誤差 3.2；最大（P=100%）誤差0.0；40cm土壤含水量（P= 50%）平均誤差2.1；最大（P=100%）誤差0.0，即該系統(tǒng)觀測(cè)的10cm、40cm含水量接近人工觀測(cè)值，20cm含水量較差點(diǎn)。

5　產(chǎn)生誤差原因分析

從實(shí)測(cè)資料中可以看到觀測(cè)資料中誤差比較大的是20cm土壤含水量。從人工與自動(dòng)監(jiān)測(cè)資料對(duì)比中發(fā)現(xiàn)，誤差較大的都是自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)偏小的問(wèn)題。從自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)分析：①電信號(hào)測(cè)量的誤差，即由儀器的電磁波在介質(zhì)中傳播得到的介電常數(shù)轉(zhuǎn)化為電壓/電流產(chǎn)生的誤差；②由電信號(hào)轉(zhuǎn)換為土壤含水量的誤差，即由儀器廠家野外采集土樣，在實(shí)驗(yàn)室里率定出來(lái)的系數(shù)，該過(guò)程人為因素影響較大，地區(qū)差異大；③儀器本身的故障誤差，人工置數(shù)器在實(shí)際工作中比較常見(jiàn)，已被應(yīng)用多年技術(shù)較成熟。人工置數(shù)器容易產(chǎn)生斷電和死機(jī)的情況。如果不正常就存在通信問(wèn)題，查看各設(shè)備的連線是否松動(dòng)，設(shè)備采集時(shí)間是否達(dá)到要求。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)定期保養(yǎng)、維護(hù)，發(fā)現(xiàn)有故障及時(shí)維修、更換，確保自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集的正確性，收發(fā)正常。

6　結(jié)束語(yǔ)

人工烘干法雖然是公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)方法，也是使用最廣泛的監(jiān)測(cè)方法。烘干法雖能得到較精確觀測(cè)結(jié)果，但是比較費(fèi)工耗時(shí)，信息的時(shí)效性較差。近些年來(lái)，隨著科技的進(jìn)步，時(shí)代的發(fā)展，在部分地區(qū)建設(shè)土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，提高了土壤墑情監(jiān)測(cè)信息的實(shí)時(shí)性。土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)傳感器對(duì)土壤進(jìn)行間接測(cè)定，可以使墑情資料連續(xù)性、時(shí)效性，減少人力資源，儀器安裝操作簡(jiǎn)單，為了提高數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)的一體化，降低成本，減少人力并可以同其它水文設(shè)備共同建設(shè)，實(shí)現(xiàn)水文自動(dòng)化，為防汛抗旱做好工作。

［1］《土壤墑情監(jiān)測(cè)規(guī)范》（SL364-2006）.

［2］金光炎.水文統(tǒng)計(jì)原理與方法［M］.北京：中國(guó)工業(yè)出版社，1964.

［3］關(guān)于土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)精度的探討［J］.水文，2013，33（5）：7～9.

李 楊（1985-），女，安徽淮南人，助理工程師，主要從事水文測(cè)驗(yàn)工作。

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2095-2066（2016）11-0019-02

2016-3-8