土壤墑情人工監測與自動監測的對比分析

李　楊（安徽省滁州水文水資源局，安徽　滁州　239000）

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土壤墑情人工監測與自動監測的對比分析

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，由于人才，財力，物力有限，很難做到每個墑情站點都采用人工監測的方式。部分站點需采用自動采集與無線傳輸實現實時監測土壤墑情，改變傳統的測量方法，實現土壤墑情監測的自動化。通過實測資料對比分析，說明該裝置不論在測量精度上，還是遙測傳輸上，都有令人滿意的結果。

土壤墑情；含水率；烘干法；自動墑情監測系統

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，用百分比來表示。土壤墑情是反映土壤干旱程度的主要指標之一。土壤墑情監測系統能夠全面、科學、真實的反映監測區的土壤含水量的變化，可及時準確的提供各監測點的墑情狀況，為減災抗旱提供了基礎信息。土壤墑情監測可以提高農牧業抗旱管理水平，快速掌握土地旱情動態，避免或減少旱災造成的損失，逐步建立起廣泛覆蓋的土壤墑情監測系統已經成為相應管理部門的重要任務之一。

2　人工監測的方法及原理

土壤含水量垂直測點分布應根據監測目的、地質條件、土層的厚度而確定。安徽省滁州市土壤墑情監測站點統一采用三點（地表表層下10cm、20cm、40cm），采取旬測的方式監測。監測點人工取樣采用環刀對地表表層下10cm、20cm、40cm三個土層進行垂直取樣，每個土層取3個土樣，以烘干稱重法計算其含水量。

烘干法是土樣從現場采取后放入鋁盒中，對其進行編號，天平稱重（感量0.01g）記錄數據。烘箱或微波爐進行烘干，烘箱溫度設制在105℃±2℃，持續恒溫8h，烘干結束，冷卻后天平稱重記錄數據。土壤含水量可采用以下公式計算：

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量土壤含水量，是公認的標準方法，也是使用最廣泛的監測方法。

3　自動墑情監測的方法及原理

實驗區采用的是YY-RTU-2000型遙測終端機，配制YY-C0906人工置數器。其特點是體積小，操作簡單。

根據監測要求，可采用1路土壤水份傳感器實現單點墑情檢測；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，實現監測點的剖面墑情監測。因自動墑情監測點分散分布，不易布線的特點，建議選用太陽能用作供電自動監測設備。自動采集到的實時數據利用GPRS無線網絡進行遠程無線傳輸，監測中心自動接收，并存儲到土壤墑情數據庫中。其監測方法符合土壤墑情的規范SL364-2006（見圖1）。

圖1　

4　實測資料誤差分析

4.1比測資料的回歸分析

土壤墑情自動監測裝置于2013年花山墑情站點進行安裝試用，并與人工監測比較對照，繪制比測資料的點據，根據對比分析圖的分布情況（如圖2），采用直線相關的回歸方程進行分析。10cm、20cm、40cm土壤的相關系數 r依次為0.8306、0.7612、0.7415，從理論上講，樣本相關系數r的絕對值越大，剩余平方和就越小，回歸線與點據配合得越密切，相關關系也就越好。每層土樣的r值表明其比測的資料相關關系是較密切的、較顯著的。

4.2誤差結果統計

根據人工實測資料與自動測量資料進行誤差分析。分析發現：10cm土壤含水量年平均絕對誤差0.12，20cm土壤含水量年平均絕對誤差3.59，40cm土壤含水量年平均絕對誤差0.29；10cm土壤含水量年平均相對誤差1.31%，20cm土壤含水量年平均相對誤差17.49%，40cm土壤含水量年平均相對誤差0.93%（見表1）。

表1　對比觀測資料誤差年平均統計

對比測資料進行10cm、20cm、40cm土壤含水量的絕對誤差統計，進行頻率計算。求得：P=50%、P=75%、P=100%含水量的絕對誤差，具體誤差頻率數值見表2。

表2　對比觀測資料誤差統計

從誤差統計結果可見：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，即該系統觀測的10cm、40cm含水量接近人工觀測值，20cm含水量較差點。

5　產生誤差原因分析

從實測資料中可以看到觀測資料中誤差比較大的是20cm土壤含水量。從人工與自動監測資料對比中發現，誤差較大的都是自動監測數據偏小的問題。從自動監測裝置的結構分析：①電信號測量的誤差，即由儀器的電磁波在介質中傳播得到的介電常數轉化為電壓/電流產生的誤差；②由電信號轉換為土壤含水量的誤差，即由儀器廠家野外采集土樣，在實驗室里率定出來的系數，該過程人為因素影響較大，地區差異大；③儀器本身的故障誤差，人工置數器在實際工作中比較常見，已被應用多年技術較成熟。人工置數器容易產生斷電和死機的情況。如果不正常就存在通信問題，查看各設備的連線是否松動，設備采集時間是否達到要求。經過實驗分析，自動墑情監測設備應定期保養、維護，發現有故障及時維修、更換，確保自動監測數據采集的正確性，收發正常。

6　結束語

人工烘干法雖然是公認的標準方法，也是使用最廣泛的監測方法。烘干法雖能得到較精確觀測結果，但是比較費工耗時，信息的時效性較差。近些年來，隨著科技的進步，時代的發展，在部分地區建設土壤墑情自動監測站，提高了土壤墑情監測信息的實時性。土壤墑情自動監測系統通過傳感器對土壤進行間接測定，可以使墑情資料連續性、時效性，減少人力資源，儀器安裝操作簡單，為了提高數據采集和存儲的一體化，降低成本，減少人力并可以同其它水文設備共同建設，實現水文自動化，為防汛抗旱做好工作。

［1］《土壤墑情監測規范》（SL364-2006）.

［2］金光炎.水文統計原理與方法［M］.北京：中國工業出版社，1964.

［3］關于土壤墑情自動監測精度的探討［J］.水文，2013，33（5）：7～9.

李 楊（1985-），女，安徽淮南人，助理工程師，主要從事水文測驗工作。

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2095-2066（2016）11-0019-02

2016-3-8