土壤墑情自動測報系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

劉代勇，彭亞蘭

(1.水能資源利用關鍵技術(shù)湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410014；2.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

1 系統(tǒng)開發(fā)背景

隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展、城市化進程加快和社會主義新農(nóng)村建設，人民生活水平不斷的提高，對水資源的需求也在不斷增加；同時，由于全球氣候變暖導致極端氣候事件發(fā)生幾率增加，干旱災害的發(fā)生會愈加頻繁，旱災造成的影響和損失更加嚴重?？茖W有效防旱抗旱，實現(xiàn)由單一抗旱向全面抗旱轉(zhuǎn)變，已成為防汛抗旱各級部門最主要的任務之一，全面、準確、及時地掌握旱情的發(fā)生、發(fā)展過程，是各級防汛抗旱指揮部門業(yè)務工作的重點[1-2]。

目前，我國抗旱減災工作仍存在著旱情信息來源少、監(jiān)測技術(shù)手段落后、自動化程度低等問題，土壤墑情信息大部分是通過人工統(tǒng)計的信息獲取的，抗旱工作仍面臨著前所未有的挑戰(zhàn)和壓力[3-5]。面對新時期抗旱業(yè)務工作的需求，急需建立一套高效、快速、準確的土壤墑情自動測報系統(tǒng)。

隨著自動測報技術(shù)的發(fā)展，目前大部分測站均以遙測站的形式進行建設，為保證土壤墑情能進行長期固定的連續(xù)觀測和采集信息的實時傳輸，本文設計了一套以太陽能進行長期供電、遙測終端機進行數(shù)據(jù)采集、GPRS網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)，通過開展區(qū)域土壤墑情固定監(jiān)測站的建設，可以實現(xiàn)區(qū)域土壤墑情連續(xù)、實時監(jiān)測，為抗旱防旱決策提供準確、及時的技術(shù)資料。

2 系統(tǒng)設計

2.1 功能設計

系統(tǒng)采用測、報、控一體化的結(jié)構(gòu)設計，以土壤水分傳感器和數(shù)據(jù)采集器為核心設備、太陽能為電源模塊、GPRS網(wǎng)絡為傳輸通道，實現(xiàn)墑情信息的自動采集、固態(tài)存儲、實時傳輸以及查詢應答、可編程等測控功能；同時，也支持遠程修改系統(tǒng)參數(shù)，能在雷電、暴雨、冰凍等較惡劣的條件下正常工作。

2.2 主要設備技術(shù)性能

系統(tǒng)主要設備包括土壤水分傳感器、數(shù)據(jù)采集器、通訊設備和供電設備等部分組成，其設備構(gòu)成見圖1。

圖1 系統(tǒng)主要設備構(gòu)成

(1)土壤水分傳感器。土壤水分傳感器是本系統(tǒng)的核心設備之一，應選取技術(shù)成熟、性能可靠的設備。經(jīng)過嚴格設備篩選，本系統(tǒng)采用頻域發(fā)射原理的AZS-2傳感器，該設備是一種可以長期和無損傷原樣測量體積含水量的智能化高精度傳感器，可以安裝或固定在地下，安裝方式多樣(垂直和水平)。同時，AZS-2傳感器參加了水利部水文局組織的兩期土壤水分監(jiān)測儀器對比測試研究，能在0～+50 ℃條件下正常工作，相應時間<5 s。

(2)數(shù)據(jù)采集器。本系統(tǒng)采用中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司自主研發(fā)的ZNY.HDJ-1型墑/旱情自動化系統(tǒng)設備進行土壤墑情采集，該設備采用超低功耗微控制器作為系統(tǒng)主控MCU，具備嚴密的防雷擊防強感應電流措施，能在雷電、暴雨、停電的惡劣條件下正常工作。支持1個全雙工RS232接口、2個可切換RS232接口、1個常規(guī)RS485接口、1個全隔離RS485接口、1個一線制總線(最多可支持64個傳感器接入)，能在-20～+50 ℃的環(huán)境內(nèi)無故障工作25 000 h。通過配置容量匹配的蓄電池與太陽能光板，該設備能夠在連續(xù)無日照的情況下正常工作45 d以上。

(3)通訊設備。本系統(tǒng)通訊設備主要采用高性能嵌入式處理器，提供高速、穩(wěn)定可靠、數(shù)據(jù)終端永遠在線、多種協(xié)議轉(zhuǎn)換的虛擬專用網(wǎng)絡。支持電話、短信、數(shù)據(jù)觸發(fā)上線以及超時自動斷線的功能，同時支持雙數(shù)據(jù)中心備份，以及多數(shù)據(jù)中心同步傳輸?shù)裙δ堋?/p>

(4)供電設備。由于本系統(tǒng)均采用較低功耗的設備，配置12 W太陽能板和17 Ah蓄電池即可保證系統(tǒng)正常工作。太陽能光板的開路電壓為18 V，工作電壓為10～14 V，短路電流1.1 A，工作電流0.6～1 A。蓄電池供電電壓12V，能在-35～+45 ℃環(huán)境內(nèi)正常工作，使用壽命長達8～10 a，深放電恢復性能好，側(cè)倒90°仍能使用。

2.3 附屬設備設計

附屬設備主要包括托舉支架、避雷設施等，其中托舉支架包括雙桿支架式、單桿支架式和直立矮樁式，直流電源供電設備避雷則采用直接安裝避雷針的方式。

(1)雙桿支架式設計。太陽能光板固定在一根單桿上，在另一根單桿支架頂端安裝避雷針，數(shù)據(jù)采集遙測終端、供電系統(tǒng)和通信模塊等主體設備放置在遙測機箱內(nèi)，機箱固定在兩根單桿之間的鋼支架平臺上，平臺周圍設置圍欄，保證儀器箱及檢查人員的安全；土壤水分傳感器埋入土壤中，數(shù)據(jù)線通過PVC管貫穿接入機箱中，其立面設計見圖2。該結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，在北方尤其是極寒地區(qū)應用較多。

圖2 雙桿支架式墑情站立面示意

(2)單桿支架式設計。數(shù)據(jù)采集遙測終端、供電系統(tǒng)和通信模塊等主體設備放置在遙測機箱內(nèi)，機箱通過設備箱支架固定在單桿上，土壤水分傳感器埋入土壤中，數(shù)據(jù)線通過PVC管貫穿線孔接入機箱中，太陽能光板通過光板支架固定在儀器箱頂部，其立面設計見圖3。該結(jié)構(gòu)簡單，在南方應用較多。

圖3 單桿支架式墑情站立面示意

(3)直立矮樁式設計。采用單管圓鋼架托舉儀器箱的設計方式，數(shù)據(jù)采集遙測終端、供電系統(tǒng)和通信模塊等主體設備放置在遙測機箱內(nèi)；機箱通過設備箱支架固定在單桿上，土壤水分傳感器埋入觀測場土壤中，數(shù)據(jù)線通過PVC管貫穿線孔接入機箱中；太陽能光板通過光板支架固定在儀器箱頂部，其立面設計見圖4。該結(jié)構(gòu)防盜效果較差，適用于有人值守的試驗站內(nèi)。

圖4 直立矮樁式墑情站立面示意

3 依托工程應用情況

研究成果分別在“旱情自動監(jiān)測技術(shù)研究” “基于土壤含水量實時監(jiān)測的水文預報模型應用研究”兩個科技開發(fā)項目中得到了應用。其中，前者以湖南省衡邵干旱走廊為典型研究區(qū)域，采用單桿支架設計方式，在衡陽、邵陽、婁底3個地市建設了23個站點；后者以湖南省瀏陽市寶蓋洞流域為試驗區(qū)域，采用直立矮樁設計方式，建設了7個站點。所有站點均在2015年度完成了建設并投入運行，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)準確可靠、應用情況良好，為2個科技開發(fā)項目的順利驗收提供了重要的數(shù)據(jù)支撐。

4 總 結(jié)

土壤墑情自動測報系統(tǒng)的建成，解決了監(jiān)測技術(shù)手段落后、自動化程度低等問題，實現(xiàn)土壤墑情自動監(jiān)測與傳輸?shù)墓δ?，將測驗人員從繁瑣的人工取樣、實驗室檢測工作中解放出來，極大地促進了傳統(tǒng)水文技術(shù)的進步和水利信息化的發(fā)展，使資源得到合理配置，達到優(yōu)化管理模式、降低勞動強度、提高工作效率的目的。同時，依據(jù)獲得的各類旱情信息數(shù)據(jù)，可快速確定受旱范圍、面積以及旱情發(fā)生的具體行政地區(qū)。結(jié)合水雨情、地下水及水利工程蓄水情況，可判定旱情發(fā)生區(qū)域的干旱等級；結(jié)合未來天氣發(fā)展趨勢和河道水情信息，可以預測未來旱情發(fā)展的趨勢和旱災風險，為區(qū)域科學防旱抗旱提供決策依據(jù)，并有力的促進了水利信息化建設。