提高便攜式土壤水分自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的方法研究

李劍輝

(遼寧省水文局，遼寧 沈陽(yáng) 110003)

提高便攜式土壤水分自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的方法研究

李劍輝

(遼寧省水文局，遼寧 沈陽(yáng) 110003)

土壤水分；便攜式；自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀；數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度；代表性；方法

便攜式土壤水分自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀可根據(jù)旱情發(fā)展增加監(jiān)測(cè)頻次和監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，使用方便靈活，但在實(shí)際操作過(guò)程中受人為因素影響較多，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度和代表性普遍不高。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)儀器性能特點(diǎn)和使用方法的研究，結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，從監(jiān)測(cè)地點(diǎn)的選擇、監(jiān)測(cè)儀器狀態(tài)、插入土壤方式、測(cè)量方法和重新建立監(jiān)測(cè)儀器公式等方面提出了降低測(cè)量誤差、提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度和代表性的方法。

土壤墑情是水循環(huán)規(guī)律研究、農(nóng)牧業(yè)灌溉、水資源合理利用及抗旱救災(zāi)的基本信息。加強(qiáng)土壤墑情監(jiān)測(cè)工作，提高土壤墑情信息的時(shí)效性，對(duì)社會(huì)提供及時(shí)、準(zhǔn)確、可靠的土壤墑情信息，可以為抗旱減災(zāi)決策和水資源配置等提供科學(xué)依據(jù)，滿足防汛抗旱、水資源管理和建設(shè)節(jié)水型社會(huì)的需要。

土壤墑情信息主要依靠人工監(jiān)測(cè)站、固定自動(dòng)墑情站和移動(dòng)自動(dòng)墑情站收集[1]。當(dāng)前移動(dòng)自動(dòng)墑情站使用的便攜式土壤水分自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀多為介電法類(lèi)儀器[2]，此類(lèi)儀器在使用中受到的干擾因素較多，主要表現(xiàn)在操作方法、建立公式[3]、監(jiān)測(cè)位置選擇等方面，造成墑情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，代表性較差。本研究針對(duì)便攜式土壤水分自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器的特點(diǎn)，提出降低測(cè)量誤差，提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度和代表性的方法。

1 監(jiān)測(cè)儀器的基本組成和特點(diǎn)

便攜式土壤水分自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀一般由傳感器和數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、傳輸?shù)仍O(shè)備構(gòu)成。傳感器主要有探針式和導(dǎo)管式兩種類(lèi)型[4]，見(jiàn)圖1。

圖1 常用的兩種傳感器類(lèi)型

便攜式監(jiān)測(cè)儀器具有體積小、重量輕、便于攜帶、操作方便、使用靈活等特點(diǎn)，具備監(jiān)測(cè)站定位、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)和傳輸?shù)裙δ?，可將存?chǔ)數(shù)據(jù)發(fā)送至指定的存儲(chǔ)終端，可直接在農(nóng)田環(huán)境下進(jìn)行監(jiān)測(cè)，還可根據(jù)旱情發(fā)展隨時(shí)增設(shè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)或增加監(jiān)測(cè)頻次。

2 提高監(jiān)測(cè)儀器數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的方法

2.1 檢驗(yàn)監(jiān)測(cè)儀器公式

便攜式監(jiān)測(cè)儀器內(nèi)存儲(chǔ)有不同土壤質(zhì)地或不同站點(diǎn)的公式，監(jiān)測(cè)儀器測(cè)量時(shí)反饋的電信號(hào)通過(guò)公式換算出含水量數(shù)據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中，可能存在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常情況，因此使用前應(yīng)對(duì)監(jiān)測(cè)儀器公式進(jìn)行檢驗(yàn)，以判斷儀器工作狀態(tài)是否正常。具體判斷方法為：根據(jù)監(jiān)測(cè)儀器內(nèi)存儲(chǔ)公式的數(shù)學(xué)模型，設(shè)置一個(gè)簡(jiǎn)化公式存儲(chǔ)在監(jiān)測(cè)儀器內(nèi)，作為監(jiān)測(cè)儀器的檢驗(yàn)公式，然后將監(jiān)測(cè)儀器放置在空氣和水中進(jìn)行模擬測(cè)量，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)判斷監(jiān)測(cè)儀器的工作狀態(tài)。例如：對(duì)于多項(xiàng)式結(jié)構(gòu)的公式，可簡(jiǎn)化成通過(guò)原點(diǎn)的直線方程，將公式的一次方系數(shù)設(shè)為0.01(還原監(jiān)測(cè)儀器顯示時(shí)乘以的100%)，其他系數(shù)設(shè)為0，用此檢驗(yàn)公式測(cè)量含水量數(shù)據(jù)，測(cè)量的結(jié)果等于監(jiān)測(cè)儀器輸出的電信號(hào)值。當(dāng)監(jiān)測(cè)儀器在空氣中的測(cè)量數(shù)據(jù)顯示為0、儀器完全沒(méi)入水中的測(cè)量數(shù)據(jù)顯示為儀器電信號(hào)的上限時(shí)，說(shuō)明監(jiān)測(cè)儀器工作狀態(tài)正常。

經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)后使用便攜式監(jiān)測(cè)儀器測(cè)量時(shí)，應(yīng)仔細(xì)核對(duì)儀器當(dāng)前選用的公式是否與監(jiān)測(cè)站土壤質(zhì)地條件和對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)深度相符。

2.2 監(jiān)測(cè)孔位選擇

在農(nóng)田監(jiān)測(cè)地塊中，監(jiān)測(cè)孔位應(yīng)選擇在地勢(shì)較平坦處。要求對(duì)監(jiān)測(cè)孔位表面進(jìn)行處理，鏟除表層植被，防止雨水、露水沿剖面或鉆孔下滲影響測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。監(jiān)測(cè)孔位距離上次監(jiān)測(cè)孔位水平距離應(yīng)不小于0.5 m，以避免因上次監(jiān)測(cè)孔位附近含水量異常而造成本次測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。監(jiān)測(cè)結(jié)束后應(yīng)對(duì)監(jiān)測(cè)孔位填補(bǔ)平整，減小開(kāi)挖剖面或鉆孔對(duì)監(jiān)測(cè)地塊農(nóng)作物和土壤結(jié)構(gòu)造成的破壞，保持監(jiān)測(cè)地塊土壤天然孔隙度不發(fā)生較大變化，為下次監(jiān)測(cè)創(chuàng)造有利條件。

2.3 探針式監(jiān)測(cè)儀器使用

監(jiān)測(cè)儀器插入土壤的方式是否正確，對(duì)監(jiān)測(cè)儀器數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度有至關(guān)重要的影響。探針式監(jiān)測(cè)儀器分水平插入和垂直插入兩種監(jiān)測(cè)方式[1]。無(wú)論水平插入還是垂直插入，均要求將探針均勻用力緩慢插入，使探針完全沒(méi)入被測(cè)土壤中，避免晃動(dòng)造成探針與原狀土接觸不嚴(yán)密，影響測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度。每完成一次測(cè)量，應(yīng)將探針表面清理干凈，清除探針間夾帶的土壤，避免探針間附著土壤影響再次測(cè)量的數(shù)據(jù)。

探針式監(jiān)測(cè)儀器水平插入時(shí)，要求開(kāi)挖的土壤垂直監(jiān)測(cè)剖面平整，在監(jiān)測(cè)剖面刻畫(huà)需要監(jiān)測(cè)的深度記號(hào)，將傳感器軸心(中間探針)對(duì)正監(jiān)測(cè)深度插入，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能代表該監(jiān)測(cè)深度的含水量，見(jiàn)圖2。

圖2 探針式監(jiān)測(cè)儀水平插入土壤

探針式監(jiān)測(cè)儀垂直插入時(shí)，要求采用平頭鉆開(kāi)挖鉆孔，確保鉆孔底部平整無(wú)虛土。鉆孔直徑應(yīng)略大于監(jiān)測(cè)儀器直徑。監(jiān)測(cè)儀器放入鉆孔時(shí)要垂直地面慢放，不得刮擦鉆孔壁，避免將鉆孔壁周邊土壤碰落，確保鉆孔底部為原狀土，見(jiàn)圖3。

圖3 探針式監(jiān)測(cè)儀垂直插入土壤

鉆孔深度應(yīng)根據(jù)監(jiān)測(cè)深度和探針長(zhǎng)度確定，公式為

(1)

式中：h為鉆孔深度；H為監(jiān)測(cè)深度；L為探針長(zhǎng)度。

2.4 導(dǎo)管式監(jiān)測(cè)儀器使用

導(dǎo)管式監(jiān)測(cè)儀只有垂直插入方式，要求鉆孔應(yīng)垂直于地面，鉆孔直徑略小于監(jiān)測(cè)儀器直徑。這樣既能保證傳感器插入后與土壤緊密結(jié)合，又能保證傳感器插入時(shí)不過(guò)度擠壓周邊土壤，可將監(jiān)測(cè)儀器對(duì)周邊土壤孔隙度的影響減至最低。

導(dǎo)管式監(jiān)測(cè)儀器分為有護(hù)管、無(wú)護(hù)管兩種類(lèi)型[1]。對(duì)于有監(jiān)測(cè)護(hù)管的監(jiān)測(cè)儀器，可以預(yù)先在各監(jiān)測(cè)地點(diǎn)埋設(shè)護(hù)管。需要測(cè)量時(shí)，打開(kāi)上蓋，放入監(jiān)測(cè)儀器測(cè)量，測(cè)量完畢取出監(jiān)測(cè)儀器，擰緊上蓋即可。預(yù)先埋設(shè)護(hù)管的方法可保證護(hù)管與土壤接觸程度良好，護(hù)管安裝一次可長(zhǎng)期使用，減小多次鉆孔的人為誤差和鉆孔工作量。護(hù)管埋設(shè)后不取出，護(hù)管與土壤接觸程度均勻一致，可有效提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度。

2.5 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理

水平插入的監(jiān)測(cè)儀器，應(yīng)在監(jiān)測(cè)剖面同一監(jiān)測(cè)深度測(cè)量2～3次，計(jì)算各次測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值，作為該監(jiān)測(cè)深度的平均含水量。

垂直插入的監(jiān)測(cè)儀器，應(yīng)布設(shè)2～3個(gè)鉆孔，計(jì)算各鉆孔同一監(jiān)測(cè)深度測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值，作為該監(jiān)測(cè)深度的平均含水量。

發(fā)現(xiàn)偏差較大的數(shù)據(jù)可舍去重新測(cè)量，通過(guò)多點(diǎn)或多孔測(cè)量計(jì)算平均值的方法可以有效消除單次測(cè)量的偶然誤差，提高監(jiān)測(cè)儀器測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度。

2.6 監(jiān)測(cè)儀器公式

便攜式監(jiān)測(cè)儀可預(yù)存儲(chǔ)多個(gè)監(jiān)測(cè)站或多個(gè)土壤質(zhì)地的公式。在使用前，應(yīng)準(zhǔn)確測(cè)定監(jiān)測(cè)地塊的土壤質(zhì)地和干容重等，建立監(jiān)測(cè)儀器各站點(diǎn)或各土壤質(zhì)地的公式備用。

為減小監(jiān)測(cè)儀器公式誤差，監(jiān)測(cè)儀器公式在使用1～2年后必須與人工烘干法數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，若偏差大于規(guī)范要求，則應(yīng)重新建立公式替換原公式。

參與建立公式的數(shù)據(jù)應(yīng)不少于10組[3]，可使用指數(shù)函數(shù)或多項(xiàng)式等數(shù)學(xué)模型來(lái)建立公式，并使高、中、低含水量數(shù)據(jù)在公式曲線上呈均勻分布，涵蓋含水量從高到低變化范圍。要求各數(shù)據(jù)點(diǎn)與擬合曲線不能有較大偏離(R2≥0.99)，對(duì)于偏差較大的異常數(shù)據(jù)應(yīng)剔除，不得人為加入零點(diǎn)(監(jiān)測(cè)儀器電信號(hào)和含水量均為0)數(shù)據(jù)。示例見(jiàn)圖4。

監(jiān)測(cè)站干容重?cái)?shù)據(jù)對(duì)直讀體積含水量的監(jiān)測(cè)儀器建立公式有較大影響，應(yīng)參照人工取土烘干法，每個(gè)監(jiān)測(cè)深度用環(huán)刀采集2～3個(gè)土樣， 計(jì)算監(jiān)測(cè)站干容重平均值，以保證監(jiān)測(cè)站土壤干容重?cái)?shù)據(jù)準(zhǔn)確。

圖4 朝陽(yáng)牛營(yíng)子站質(zhì)量含水量與傳感器電壓關(guān)系

3 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)便攜式土壤水分自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀的特點(diǎn)，提出了儀器使用中從監(jiān)測(cè)地點(diǎn)的選擇、監(jiān)測(cè)儀器狀態(tài)、傳感器插入土壤方式、測(cè)量方法和重新建立監(jiān)測(cè)儀器公式等方面提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的方法，對(duì)便攜式土壤水分監(jiān)測(cè)儀的使用有積極的指導(dǎo)作用。當(dāng)監(jiān)測(cè)儀器工作狀態(tài)正常、使用方式得當(dāng)、公式準(zhǔn)確時(shí)，可有效提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和代表性，為國(guó)家防汛抗旱指揮系統(tǒng)二期工程旱情信息采集系統(tǒng)建設(shè)提供有力支撐。

[1] 水利部國(guó)家防汛抗旱指揮系統(tǒng)工程項(xiàng)目建設(shè)辦公室.NFCS2-ICS-ST-06土壤墑情監(jiān)測(cè)站儀器安裝調(diào)試辦法:辦計(jì)〔2014〕58號(hào)[S].北京:水利部,2014:1,4.

[2] 國(guó)家防汛抗旱總指揮部辦公室.土壤水分監(jiān)測(cè)儀器通用技術(shù)條件(試行):辦旱一〔2012〕32號(hào)[S].北京:水利部,2012:1-4.

[3] 水利部國(guó)家防汛抗旱指揮系統(tǒng)工程項(xiàng)目建設(shè)辦公室.NFCS2-ICS-ST-05土壤墑情監(jiān)測(cè)儀器現(xiàn)場(chǎng)率定方法:辦計(jì)〔2014〕58號(hào)[S].北京:水利部,2014:2-3.

[4] 水利部國(guó)家防汛抗旱指揮系統(tǒng)工程項(xiàng)目建設(shè)辦公室.NFCS2-ICS-ST-07移動(dòng)土壤墑情監(jiān)測(cè)技術(shù)要求:辦計(jì)〔2014〕58號(hào)[S].北京:水利部,2014:2.

(責(zé)任編輯 徐素霞)

S152.7

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1000-0941(2017)02-0044-03

李劍輝(1975—)，女，遼寧本溪市人，高級(jí)工程師，學(xué)士，主要從事水文工作。

2015-07-17