提高便攜式土壤水分自動監測儀數據準確度的方法研究

李劍輝

(遼寧省水文局，遼寧 沈陽 110003)

提高便攜式土壤水分自動監測儀數據準確度的方法研究

李劍輝

(遼寧省水文局，遼寧 沈陽 110003)

土壤水分；便攜式；自動監測儀；數據準確度；代表性；方法

便攜式土壤水分自動監測儀可根據旱情發展增加監測頻次和監測站點，使用方便靈活，但在實際操作過程中受人為因素影響較多，數據準確度和代表性普遍不高。通過對監測儀器性能特點和使用方法的研究，結合實際工作經驗，從監測地點的選擇、監測儀器狀態、插入土壤方式、測量方法和重新建立監測儀器公式等方面提出了降低測量誤差、提高監測數據準確度和代表性的方法。

土壤墑情是水循環規律研究、農牧業灌溉、水資源合理利用及抗旱救災的基本信息。加強土壤墑情監測工作，提高土壤墑情信息的時效性，對社會提供及時、準確、可靠的土壤墑情信息，可以為抗旱減災決策和水資源配置等提供科學依據，滿足防汛抗旱、水資源管理和建設節水型社會的需要。

土壤墑情信息主要依靠人工監測站、固定自動墑情站和移動自動墑情站收集[1]。當前移動自動墑情站使用的便攜式土壤水分自動監測儀多為介電法類儀器[2]，此類儀器在使用中受到的干擾因素較多，主要表現在操作方法、建立公式[3]、監測位置選擇等方面，造成墑情監測數據不準確，代表性較差。本研究針對便攜式土壤水分自動監測儀器的特點，提出降低測量誤差，提高監測數據準確度和代表性的方法。

1 監測儀器的基本組成和特點

便攜式土壤水分自動監測儀一般由傳感器和數據采集、存儲、傳輸等設備構成。傳感器主要有探針式和導管式兩種類型[4]，見圖1。

圖1 常用的兩種傳感器類型

便攜式監測儀器具有體積小、重量輕、便于攜帶、操作方便、使用靈活等特點，具備監測站定位、數據采集存儲和傳輸等功能，可將存儲數據發送至指定的存儲終端，可直接在農田環境下進行監測，還可根據旱情發展隨時增設監測站點或增加監測頻次。

2 提高監測儀器數據準確度的方法

2.1 檢驗監測儀器公式

便攜式監測儀器內存儲有不同土壤質地或不同站點的公式，監測儀器測量時反饋的電信號通過公式換算出含水量數據。在實際應用中，可能存在監測數據異常情況，因此使用前應對監測儀器公式進行檢驗，以判斷儀器工作狀態是否正常。具體判斷方法為：根據監測儀器內存儲公式的數學模型，設置一個簡化公式存儲在監測儀器內，作為監測儀器的檢驗公式，然后將監測儀器放置在空氣和水中進行模擬測量，根據測量數據判斷監測儀器的工作狀態。例如：對于多項式結構的公式，可簡化成通過原點的直線方程，將公式的一次方系數設為0.01(還原監測儀器顯示時乘以的100%)，其他系數設為0，用此檢驗公式測量含水量數據，測量的結果等于監測儀器輸出的電信號值。當監測儀器在空氣中的測量數據顯示為0、儀器完全沒入水中的測量數據顯示為儀器電信號的上限時，說明監測儀器工作狀態正常。

經過檢驗后使用便攜式監測儀器測量時，應仔細核對儀器當前選用的公式是否與監測站土壤質地條件和對應的監測深度相符。

2.2 監測孔位選擇

在農田監測地塊中，監測孔位應選擇在地勢較平坦處。要求對監測孔位表面進行處理，鏟除表層植被，防止雨水、露水沿剖面或鉆孔下滲影響測量數據的準確性。監測孔位距離上次監測孔位水平距離應不小于0.5 m，以避免因上次監測孔位附近含水量異常而造成本次測量數據不準確。監測結束后應對監測孔位填補平整，減小開挖剖面或鉆孔對監測地塊農作物和土壤結構造成的破壞，保持監測地塊土壤天然孔隙度不發生較大變化，為下次監測創造有利條件。

2.3 探針式監測儀器使用

監測儀器插入土壤的方式是否正確，對監測儀器數據的準確度有至關重要的影響。探針式監測儀器分水平插入和垂直插入兩種監測方式[1]。無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，使探針完全沒入被測土壤中，避免晃動造成探針與原狀土接觸不嚴密，影響測量數據準確度。每完成一次測量，應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量的數據。

探針式監測儀器水平插入時，要求開挖的土壤垂直監測剖面平整，在監測剖面刻畫需要監測的深度記號，將傳感器軸心(中間探針)對正監測深度插入，確保監測數據能代表該監測深度的含水量，見圖2。

圖2 探針式監測儀水平插入土壤

探針式監測儀垂直插入時，要求采用平頭鉆開挖鉆孔，確保鉆孔底部平整無虛土。鉆孔直徑應略大于監測儀器直徑。監測儀器放入鉆孔時要垂直地面慢放，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，見圖3。

圖3 探針式監測儀垂直插入土壤

鉆孔深度應根據監測深度和探針長度確定，公式為

(1)

式中：h為鉆孔深度；H為監測深度；L為探針長度。

2.4 導管式監測儀器使用

導管式監測儀只有垂直插入方式，要求鉆孔應垂直于地面，鉆孔直徑略小于監測儀器直徑。這樣既能保證傳感器插入后與土壤緊密結合，又能保證傳感器插入時不過度擠壓周邊土壤，可將監測儀器對周邊土壤孔隙度的影響減至最低。

導管式監測儀器分為有護管、無護管兩種類型[1]。對于有監測護管的監測儀器，可以預先在各監測地點埋設護管。需要測量時，打開上蓋，放入監測儀器測量，測量完畢取出監測儀器，擰緊上蓋即可。預先埋設護管的方法可保證護管與土壤接觸程度良好，護管安裝一次可長期使用，減小多次鉆孔的人為誤差和鉆孔工作量。護管埋設后不取出，護管與土壤接觸程度均勻一致，可有效提高監測數據準確度。

2.5 監測數據處理

水平插入的監測儀器，應在監測剖面同一監測深度測量2～3次，計算各次測量數據的平均值，作為該監測深度的平均含水量。

垂直插入的監測儀器，應布設2～3個鉆孔，計算各鉆孔同一監測深度測量數據的平均值，作為該監測深度的平均含水量。

發現偏差較大的數據可舍去重新測量，通過多點或多孔測量計算平均值的方法可以有效消除單次測量的偶然誤差，提高監測儀器測量數據準確度。

2.6 監測儀器公式

便攜式監測儀可預存儲多個監測站或多個土壤質地的公式。在使用前，應準確測定監測地塊的土壤質地和干容重等，建立監測儀器各站點或各土壤質地的公式備用。

為減小監測儀器公式誤差，監測儀器公式在使用1～2年后必須與人工烘干法數據進行對比分析，若偏差大于規范要求，則應重新建立公式替換原公式。

參與建立公式的數據應不少于10組[3]，可使用指數函數或多項式等數學模型來建立公式，并使高、中、低含水量數據在公式曲線上呈均勻分布，涵蓋含水量從高到低變化范圍。要求各數據點與擬合曲線不能有較大偏離(R2≥0.99)，對于偏差較大的異常數據應剔除，不得人為加入零點(監測儀器電信號和含水量均為0)數據。示例見圖4。

監測站干容重數據對直讀體積含水量的監測儀器建立公式有較大影響，應參照人工取土烘干法，每個監測深度用環刀采集2～3個土樣， 計算監測站干容重平均值，以保證監測站土壤干容重數據準確。

圖4 朝陽牛營子站質量含水量與傳感器電壓關系

3 結 語

根據便攜式土壤水分自動監測儀的特點，提出了儀器使用中從監測地點的選擇、監測儀器狀態、傳感器插入土壤方式、測量方法和重新建立監測儀器公式等方面提高監測數據準確度的方法，對便攜式土壤水分監測儀的使用有積極的指導作用。當監測儀器工作狀態正常、使用方式得當、公式準確時，可有效提高監測數據的準確度和代表性，為國家防汛抗旱指揮系統二期工程旱情信息采集系統建設提供有力支撐。

[1] 水利部國家防汛抗旱指揮系統工程項目建設辦公室.NFCS2-ICS-ST-06土壤墑情監測站儀器安裝調試辦法:辦計〔2014〕58號[S].北京:水利部,2014:1,4.

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

[3] 水利部國家防汛抗旱指揮系統工程項目建設辦公室.NFCS2-ICS-ST-05土壤墑情監測儀器現場率定方法:辦計〔2014〕58號[S].北京:水利部,2014:2-3.

[4] 水利部國家防汛抗旱指揮系統工程項目建設辦公室.NFCS2-ICS-ST-07移動土壤墑情監測技術要求:辦計〔2014〕58號[S].北京:水利部,2014:2.

(責任編輯 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，高級工程師，學士，主要從事水文工作。

2015-07-17