菏澤市墑情自動監(jiān)測系統(tǒng)人工率定分析與對策建議

白 強，史魯豪，韋愛菊

（菏澤市水文局，山東 菏澤 274000）

土壤墑情是分析判斷農(nóng)業(yè)旱情最直接和必要的指標，土壤墑情信息采集站是旱情信息采集系統(tǒng)的關鍵組成部分[1]。隨著社會的發(fā)展，人工墑情站存在監(jiān)測儀器、手段落后,墑情信息監(jiān)測的采集、傳輸速度慢，效率低的問題。為了探求墑情變化規(guī)律,為各級抗旱部門指導抗旱減災提供科學依據(jù)，菏澤市水文系統(tǒng)自1962 年起，在全市范圍內(nèi)開始布設墑情站網(wǎng)，開展墑情監(jiān)測工作，先后在全市布設了10 處人工墑情監(jiān)測站點。近年來,菏澤市水文系統(tǒng)充分利用符合墑情自動監(jiān)測站選址要求的現(xiàn)有人工監(jiān)測站點建設了國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)二期工程菏澤市墑情信息自動采集系統(tǒng)。本文對墑情檢測系統(tǒng)人工定率進行分析。

1 菏澤市自動墑情監(jiān)測現(xiàn)狀

菏澤市墑情信息自動采集系統(tǒng)包括9 個固定墑情監(jiān)測站、9 套移動墑情監(jiān)測設備（建設45 個移動墑情監(jiān)測點，5 個移動墑情監(jiān)測點配1 套移動墑情監(jiān)測設備）和1 套墑情采集標定設備[2～4]。由于移動墑情站和固定墑情站的參數(shù)率定步驟和程序是一致的，本次墑情自動監(jiān)測系統(tǒng)人工率定選擇探頭固定且連續(xù)監(jiān)測的9 處固定墑情站進行參數(shù)的率定分析。菏澤市固定墑情監(jiān)測站基本情況見表1。

表1 菏澤市固定墑情監(jiān)測站基本情況表

2 自動監(jiān)測和人工比測

根據(jù)《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》（SL364-2015）的要求，人工取樣監(jiān)測嚴格按照人工取土烘干法的監(jiān)測步驟和程序測定土壤含水量，在各固定站探頭附近人工野外采集土樣，在實驗室對土樣稱重，烘干土樣再稱重，通過比較原始土樣和烘干后土樣的重量差計算土壤的重量含水率和干容重，換算得到土壤體積含水率。同樣按照規(guī)范附錄F 土壤水分自動監(jiān)測儀器率定與比測方法的要求，與取樣時刻固定站終端機顯示的體積含水率進行對比。

菏澤市墑情自動監(jiān)測系統(tǒng)固定站安裝完畢后，進行了四次比測，分別為 2016 年 6 月 1 日、2017 年 9 月 11 日、2017 年 9月 22 日和 2017 年 10 月 21 日。2016 年 6 月 1 日和 2017 年 9月22 日取樣比測后對監(jiān)測設備進行了參數(shù)率定、修正。誤差統(tǒng)計見表2。

表2 各比測日期體積含水率人工與遙測絕對誤差統(tǒng)計表

3 誤差評價

從單站的絕對誤差分析來看，2017 年10 月21 日監(jiān)測數(shù)據(jù)曹縣李廟站、鄄城箕山站誤差最大，分別達到11.4、11.2，且隨著參數(shù)率定，比測誤差不但沒有減小，反而有增加的趨勢；單縣黃寺誤差最小，為1.3；其它墑情站誤差在2.1～5.1 之間。根據(jù)《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》[5（]SL364-2015）絕對誤差在4%范圍內(nèi)的要求，準確性評估結(jié)果為66.7%。見表2。

從各站絕對誤差的均值分析，總體來看各站的絕對誤差均值隨著設備參數(shù)的不斷率定和修正而呈逐步減小的趨勢，2016 年6 月1 日安裝后初值是-8.4，按照比測結(jié)果參數(shù)調(diào)整后，2017 年9 月11 日和9 月22 日比測絕對誤差均值是-3.8、-2.5。根據(jù)9 月22 日比測結(jié)果和觀測時刻傳感器電壓對參數(shù)進行最后一次調(diào)整后，10 月21 日又進行了一次驗證性比測，受個別測站誤差較大的影響，絕對誤差均值上升到了4.7。見表3。

表3 各站人工與遙測絕對誤差均值表

4 誤差原因分析

通過對比分析影響遙測、人工觀測精度等各方面因素，得出產(chǎn)生誤差的原因主要為：

（1）設備安裝方式。固定站在設計與廠家設備安裝時，為減少對耕作的影響，主要設置在代表性地塊的一側(cè)，并設置3 m×3 m 不銹鋼圍欄觀測場，為防止耕作時受到碰撞、破壞，土壤水份傳感器全部安裝在觀測場內(nèi)，與墑情遙測終端機RTU 有線連接，安裝條件要求高且復雜。一般田間耕作層為一年兩耕或一年一耕，而土壤水份傳感器安裝在觀測場內(nèi)，雖然能保證監(jiān)測的連接性和穩(wěn)定性，但由于輪耕次數(shù)的差異，造成土壤干容重相差較大，即便是人工比測時土壤重量含水率一致，但換算得到的體積含水率與自動監(jiān)測設備監(jiān)測值也可能有較大差異，而失去了代表性。2017 年10 月21 日對曹縣李廟閘固定站進行第四次比測時，由于歷次人工取樣比測擾動面積超出觀測場的范圍，而改在耕作地塊取樣，換算得到的體積含水率誤差超出了10%。

（2）公式率定形式。根據(jù)《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》（SL364-2015）要求，人工比測宜覆蓋不同季節(jié)和不同土壤濕度等級，一般在經(jīng)過一次較大的降水后，在自然干燥過程中測得不同含水量數(shù)據(jù)對應的監(jiān)測儀器信號值，參與擬合率定公式的數(shù)據(jù)一般不少于10 組，數(shù)據(jù)點在公式曲線上均勻分布，能并涵蓋含水量從高到低變化范圍。廠家在安裝完畢后在2016 年6 月1 日僅進行了一次比測就以這次比測成果進行了公式的率定，雖然在正式試用前又進行了兩次比測并據(jù)此調(diào)整了公式參數(shù)，但從2017年10 月21 日第四次比測結(jié)果顯示，仍然達不到規(guī)范規(guī)定的絕對誤差小于等于4%的要求。當前儀器的公式率定方法甚至連廠家技術人員都講不清楚，無法對現(xiàn)場技術人員作公式率定方面的針對性培訓。

（3）人工墑情取樣和監(jiān)測誤差。為避免人工比測取樣誤差，在取測過程中取樣人員嚴格按照規(guī)范規(guī)定，在同一監(jiān)測點的同一采集點深度重復取樣3 次，以重量含水率小于等于1%為誤差控制標準，但在取樣過程仍然會有個別土樣超出1%的誤差范圍。取樣和監(jiān)測人員操作熟練程度和對人工取樣監(jiān)測規(guī)范的遵守程度也是造成比測誤差的重要原因。

（4）監(jiān)測設備因素。墑情設備在各種土壤類型、干旱程度等前提下，工作原理沒有針對性，雖然測量土壤水分的體積百分比，與土壤本身的機理無關，但設備自動監(jiān)測值是通過土壤導電性以及與土壤墑情值建立函數(shù)關系的，監(jiān)測設備精度也存在一定的誤差。

5 結(jié)論及建議

5.1 結(jié)論

（1）自動墑情監(jiān)測站布設基本合理，菏澤市七縣二區(qū)的所有行政區(qū)內(nèi)均有墑情自動監(jiān)測站布設。

（2）大部分站的絕對誤差隨著設備參數(shù)的不斷率定和修正而呈逐步減小的趨勢，但曹縣李廟站.鄄城箕山站誤差增大，土壤體積含水率絕對誤差在4%范圍內(nèi)準確性評估結(jié)果為66.7%；曹縣李廟閘誤差增大，分析原因為人工取樣在耕作地塊取樣，沒有按要求在自動監(jiān)測觀測場的范圍內(nèi)取樣。

5.2 建議

（1）對現(xiàn)有固定站進行改建，對土壤水份傳感器探頭安裝進行必要的再培訓，并盡可能將傳感器與墑情遙測終端機RTU 間改造成無線連接，每年在小麥春灌前將探頭埋入耕作田塊并及時人工取樣率定、修正公式，提高墑情監(jiān)測的代表性；

（2）簡化參數(shù)率定方法，由廠家提供不同土壤類型的儀器標準公式擬合率定曲線，培訓現(xiàn)場技術人員能夠根據(jù)人工比測結(jié)果與標準公式率定曲線系統(tǒng)性偏離情況對率定公式進行率定、修改；

（3）加強人工取樣人員培訓，在詳細掌握人工取樣、監(jiān)測規(guī)程的基礎上，為盡可能避免重復取樣誤差超限（重量含水率小于等于1%），可將重復取樣點由3 個增加到4 個；

（4）督促和引導設備廠家提高設備監(jiān)測精度，加強現(xiàn)有設備的后期管理和維護。