豐滿流域墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王進(jìn) 錢昊 張永鑫 宿磊 李光躍 于承越 王海懿 張孝斌

摘要土壤墑情對(duì)作物生長(zhǎng)、節(jié)水灌溉、科學(xué)用水等有著非常重要的作用。為了準(zhǔn)確、迅速地掌握豐滿流域土壤墑情信息，選取安仁村、隆興村、萬(wàn)寶溝3個(gè)典型站點(diǎn)，建立固定墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)站。以固定墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的設(shè)計(jì)及應(yīng)用為例，闡述了該墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的背景、設(shè)計(jì)及應(yīng)用情況，并對(duì)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性進(jìn)行測(cè)試與分析。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了豐滿流域土壤墑情監(jiān)測(cè)、信息傳輸?shù)淖詣?dòng)化，可以實(shí)時(shí)掌握土壤墑情狀況，進(jìn)一步為洪水預(yù)報(bào)工作提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞土壤墑情;監(jiān)測(cè);準(zhǔn)確性測(cè)試;設(shè)計(jì)與應(yīng)用

中圖分類號(hào)S126文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A?文章編號(hào)0517-6611（2020）15-0222-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.15.063

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Design and Application of Automatic Monitoring System for Soil Moisture in Fengman River Basin

WANG Jin1， QIAN Hao2， ZHANG Yongxin1 et al

（1.Jilin Fengman Power Plant of Songhuajiang Hydropower Co.， Ltd.， Jilin，Jilin 132000;2.NARI Group Corporation/State Grid Electric Power Research Institute， Nanjing， Jiangsu 211000）

AbstractSoil moisture plays an important role in the use of crop growth， watersaving irrigation and scientific water. In order to accurately and rapidly grasp the soil moisture information in the Fengman Basin， three typical stations， Anren Village， Longxing Village and Wanbaogou Village were selected to establish fixed automatic monitoring stations. Taking the design and application of the fixed moisture automatic monitoring station as an example， the background， design and application of the moisture monitoring system were discussed in detail， and the accuracy of the system monitoring was tested and analyzed. The system realized the automation of soil moisture monitoring and information transmission in Fengman Basin. And it could grasp the soil moisture status in real time and further provide basis for flood forecast.

Key wordsSoil moisture;Monitoring;Accuracy test;Design and application

作者簡(jiǎn)介王進(jìn)（1983—），男，吉林吉榆人，從事水文水資源及水利工程施工、維護(hù)和管理工作。

收稿日期2019-10-25;修回日期2019-11-17

土壤墑情是最重要和最常用的土壤信息，是土壤的重要組成部分，它對(duì)作物的生長(zhǎng)、節(jié)水灌溉、科學(xué)用水等有著非常重要的作用。在土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)誕生前，我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)作物的土壤含水量監(jiān)測(cè)，全靠人工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，人工墑情監(jiān)測(cè)信息遲緩，不能及時(shí)掌握相關(guān)情況，且主要靠經(jīng)驗(yàn)判斷，準(zhǔn)確性難以保證。當(dāng)遇到低溫、干旱等重大氣象災(zāi)害時(shí)，人工監(jiān)測(cè)所帶來(lái)的上述問(wèn)題就會(huì)暴露出來(lái)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速普及和完善，人工監(jiān)測(cè)的方式得以逐漸被自動(dòng)監(jiān)測(cè)取代。土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)站是可以自動(dòng)監(jiān)測(cè)土壤墑情的一種儀器。

目前，國(guó)內(nèi)外自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)的方法主要分為3種[1-3]。一是固定墑情站自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)?？梢杂脕?lái)測(cè)定固定點(diǎn)的墑情，先在多個(gè)固定點(diǎn)連續(xù)測(cè)定墑情，然后利用空間插值法計(jì)算監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)墑情[4]。二是移動(dòng)墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)。通過(guò)利用移動(dòng)便攜式儀表在不同采樣點(diǎn)進(jìn)行不定期、不定點(diǎn)墑情測(cè)定，通過(guò)數(shù)理和地統(tǒng)計(jì)分析得到區(qū)域墑情[5-6]。三是遙感墑情監(jiān)測(cè)技術(shù)。利用衛(wèi)星和機(jī)載傳感器從高空遙感探測(cè)地面土壤水分[7]，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)旱情、動(dòng)態(tài)跟蹤旱情變化、預(yù)測(cè)旱情發(fā)展趨勢(shì)、評(píng)估抗旱成效的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，快速準(zhǔn)確地獲取田間土壤墑情信息[8]。固定墑情監(jiān)測(cè)站具有成本低、時(shí)效性強(qiáng)、準(zhǔn)確性高等優(yōu)點(diǎn)，因此可得到廣泛應(yīng)用。

筆者針對(duì)固定墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法來(lái)闡述其設(shè)計(jì)方法及實(shí)際應(yīng)用，并進(jìn)行監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性分析。

1系統(tǒng)背景

豐滿流域氣候，夏季主要由太平洋季節(jié)風(fēng)、冬季主要由西伯利亞高壓所控制，嚴(yán)寒而漫長(zhǎng);夏季受東南季風(fēng)影響，濕熱同季，南來(lái)氣旋活動(dòng)頻繁多暴雨天氣。流域多年平均降水量為500～1 020 mm，降水量年內(nèi)分配極不平均，6—9月降水量占全年降水量的70%～80%。

以前豐滿流域土壤墑情信息化基礎(chǔ)普遍薄弱，主要采用人工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的方式。在墑情信息獲取方面，一般采用人工鋁盒取土烘干法及快速測(cè)墑儀觀測(cè)獲取土壤墑情數(shù)據(jù)[9]，尚未建立信息采集的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系，數(shù)據(jù)的實(shí)效性、代表性無(wú)法滿足防汛抗旱管理工作的要求。因此，土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)的推廣及應(yīng)用迫在眉睫。建設(shè)豐滿流域土壤墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，合理布設(shè)土壤墑情監(jiān)測(cè)站，以承擔(dān)有關(guān)各類數(shù)據(jù)和旱澇情調(diào)查工作，有利于掌握土壤墑情變化動(dòng)態(tài)，為洪水預(yù)報(bào)工作提供依據(jù)。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1站網(wǎng)規(guī)劃

墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)站網(wǎng)的規(guī)劃需要依據(jù)豐滿流域現(xiàn)狀和測(cè)站布設(shè)原則進(jìn)行。依據(jù)《土壤墑情監(jiān)測(cè)規(guī)范》[10]關(guān)于站網(wǎng)布設(shè)的要求，“進(jìn)行墑情監(jiān)測(cè)的代表性地塊的選擇應(yīng)考慮其地貌、土壤、氣象和水文地質(zhì)條件以及種植作物的代表性”，固定土壤墑情信息采集站的布設(shè)遵照既能反映區(qū)域內(nèi)旱情分布情況又節(jié)省資金的原則進(jìn)行，相對(duì)較干旱區(qū)域土壤墑情信息采集站點(diǎn)適當(dāng)加密，較濕潤(rùn)區(qū)域相對(duì)稀疏。綜合考慮以上各布網(wǎng)要素，此次豐滿流域墑情采集系統(tǒng)共建立3個(gè)典型固定墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，安仁村的地理位置為125°49′E、42°02′N，隆興村的地理位置為126°00′E、42°12′N，萬(wàn)寶溝的地理位置為126°14′E、42°18′N。

2.2通信組網(wǎng)

墑情采集系統(tǒng)包括墑情信息自動(dòng)采集部分和自動(dòng)報(bào)送部分。如圖1所示，墑情信息通過(guò)傳感器采集，由測(cè)站的遙測(cè)終端（RTU）存儲(chǔ)并轉(zhuǎn)發(fā)至測(cè)站所屬分中心。測(cè)站與分中心之間的通信采用無(wú)線通信方式，雙信道備份。此次系統(tǒng)設(shè)計(jì)以移動(dòng)GPRS VPDN為主信道，電信CDMA VPDN為備用信道，且在主信道和備用信道分別安裝有移動(dòng)SIM卡和電信SIM卡各1張。測(cè)站系統(tǒng)主信道長(zhǎng)期值守，備份信道待命。當(dāng)主信道不通時(shí)，起用備份信道，備份信道值守至主信道恢復(fù)后繼續(xù)待命。

2.3遙測(cè)站設(shè)備結(jié)構(gòu)與功能

遙測(cè)站設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)，如圖2所示，主要由數(shù)據(jù)采集器、配置單元、通信單元、供電單元和傳感器單元組成。傳感器單元由3只Hydra Probe Ⅱ-NAIWCH型插針式土壤水分傳感器組成，采用三點(diǎn)法布設(shè)（地表以下10、20、40 cm 3層水平）;配置單元選用人工置數(shù)儀設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)站碼輸入和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)現(xiàn)地讀取的功能;供電單元主要由蓄電池和太陽(yáng)能板組成，太陽(yáng)能板通過(guò)穩(wěn)壓模塊對(duì)蓄電池進(jìn)行持續(xù)浮充，由蓄電池完成對(duì)ACS500型數(shù)據(jù)采集器的供電;通信單元分別采用HD7710 GPRS模塊和HD7710 CDMA模塊對(duì)遙測(cè)終端數(shù)據(jù)進(jìn)行主備信道上傳，雙信道有效確保了數(shù)據(jù)上傳通道的暢通。

3系統(tǒng)應(yīng)用

3.1現(xiàn)場(chǎng)率定

依據(jù)《土壤墑情監(jiān)測(cè)規(guī)范》要求：“對(duì)不同類型的傳感器在使用前均應(yīng)按常規(guī)的率定方法來(lái)率定檢驗(yàn)。土壤含水量的量測(cè)誤差應(yīng)為|δ|≤2.5%”，土壤墑情監(jiān)測(cè)傳感器在監(jiān)測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)安裝前需進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室率定，在通過(guò)水利部水文儀器及巖土工程儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心的儀器檢測(cè)后方可進(jìn)場(chǎng)安裝。在現(xiàn)場(chǎng)安裝完成后，仍需要對(duì)監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)率定，以保證監(jiān)測(cè)儀器實(shí)際運(yùn)行測(cè)試滿足精度要求[11]?，F(xiàn)場(chǎng)率定方法主要包括測(cè)定土壤干容重、率定數(shù)據(jù)要求、人工取樣烘干、擬合率定公式、驗(yàn)證等。

由于此次項(xiàng)目中選用的Hydra Probe Ⅱ-NAIWCH型插針式土壤水分傳感器輸出的信號(hào)為土壤導(dǎo)電率，因此需擬合人工烘干法計(jì)算出的土壤體積含水量值與監(jiān)測(cè)儀器輸出值之間的關(guān)系曲線，得出率定公式。在監(jiān)測(cè)站現(xiàn)場(chǎng)，采用人工取土烘干法與自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行對(duì)比監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析，率定計(jì)算方法如下：

（1）測(cè)定土壤干容重：

式中，γ0為干容重，單位為g/cm3;

Wg為干土質(zhì)量，單位為g;

V為原狀土樣體積，單位為cm3。

（2）土壤重量含水量計(jì)算：

式中，ω為重量含水量，單位為%;

m盒+濕土為鋁盒加濕土重量，單位為g;

m盒+干土為鋁盒加干土重量，單位為g;

m盒為鋁盒重量，單位為g。

（3）根據(jù)土壤干容重和土壤重量含水量，計(jì)算出土壤體積含水量：

式中，θ為土壤體積含水量;

ω為土壤重量含水量;

γ0為土壤干容重，單位為g/cm3。

（4）擬合率定公式：

式中，θ為土壤體積含水量;x為監(jiān)測(cè)儀器輸出值或換算值;n為階數(shù)（一般為 3 階），此次項(xiàng)目率定公式選用3階;A0、A1、A2、An為常數(shù)。

在現(xiàn)場(chǎng)率定期間，共完成11組人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和機(jī)測(cè)數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)點(diǎn)盡量在土壤含水量相對(duì)較低到飽和范圍內(nèi)均勻分布。全部3個(gè)固定站點(diǎn)都開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)率定工作，率定效果的總體情況良好，量測(cè)誤差均符合《土壤墑情監(jiān)測(cè)規(guī)范》要求。 ???安仁村站地表以下40 cm層率定曲線和公式如圖3所示。

3.2站點(diǎn)設(shè)備安裝依照《土壤墑情監(jiān)測(cè)規(guī)范》，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，固定墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)如圖6所示。插針式土壤水分傳感器平行于地面安裝，開(kāi)挖剖面與四周相鄰物體間距不小于1 m，傳感器在開(kāi)挖剖面上按采集深度分層埋設(shè)，各層傳感器水平間距不小于80 cm，有效減少傳感器測(cè)量被干擾;安裝時(shí)應(yīng)保持探針?biāo)剑鶆蛴昧⑻结樛耆迦氲皆瓲钔羶?nèi)，防止探針與原狀土接觸不實(shí)，影響測(cè)量精度;在設(shè)備周圍安裝圍欄，保護(hù)設(shè)備不被人為破壞。

4準(zhǔn)確性測(cè)試與分析

根據(jù)《國(guó)家防汛抗旱指揮系統(tǒng)工程項(xiàng)目土壤墑情監(jiān)測(cè)驗(yàn)收測(cè)試辦法》和《國(guó)家防汛抗旱指揮系統(tǒng)工程項(xiàng)目土壤墑情監(jiān)測(cè)儀器現(xiàn)場(chǎng)率定方法》的要求，需采用人工取土烘干法與監(jiān)測(cè)儀器采用新率定公式后測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試，即稱為比測(cè)驗(yàn)證。針對(duì)此次豐滿流域墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的比測(cè)驗(yàn)證，共采集10組驗(yàn)證數(shù)據(jù)，采集土壤避開(kāi)降雨日及大雨后地表積水日，在測(cè)站圍欄外1～2 m范圍內(nèi)同類農(nóng)作物田地處取樣。

安仁村站地表以下40 cm層比測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示，比測(cè)數(shù)據(jù)比較結(jié)果如圖7所示。

根據(jù)《國(guó)家防汛抗旱指揮系統(tǒng)工程項(xiàng)目土壤墑情監(jiān)測(cè)儀器現(xiàn)場(chǎng)率定方法》中關(guān)于準(zhǔn)確性評(píng)估的標(biāo)注：絕對(duì)誤差在±4%范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)測(cè)次/人工監(jiān)測(cè)的測(cè)次×100%，其值≥80%，判為率定公式驗(yàn)證通過(guò);其值<80%，則判定為率定公式驗(yàn)證不通過(guò)，應(yīng)分析原因或重新率定。

針對(duì)固定墑情監(jiān)測(cè)站的比測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)全部3個(gè)站點(diǎn)，每個(gè)站點(diǎn)每層土壤監(jiān)測(cè)結(jié)果在11次比測(cè)中的誤差超過(guò)±4%范圍的數(shù)據(jù)最多為2個(gè)，準(zhǔn)確率均超過(guò)80%，因此判為率定公式驗(yàn)證通過(guò)。固定墑情監(jiān)測(cè)站的比測(cè)結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

5結(jié)論

豐滿流域自然狀況多變且復(fù)雜，迫切需要建設(shè)土壤墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以承擔(dān)有關(guān)各類數(shù)據(jù)和洪水預(yù)報(bào)的前提工作?；诖?，建立安仁村、隆興村、萬(wàn)寶溝3個(gè)典型的固定墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，實(shí)現(xiàn)墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的試運(yùn)行和準(zhǔn)確性測(cè)試與分析，墑情采集系統(tǒng)在實(shí)用性和可靠性上基本達(dá)到了要求。系統(tǒng)的建成將實(shí)現(xiàn)上述站點(diǎn)墑情信息自動(dòng)測(cè)報(bào)、涉及數(shù)據(jù)通信和信息共享。

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