DZN2型自動土壤水分儀數據錯誤原因分析

朱亞宗 董德保 張廣元

摘要? ? 土壤水分觀測儀是一種較為先進的土壤水分自動化測量儀器，其產生的土壤水分自動化觀測資料可為農業、水利、氣象等部門和公眾提供土壤墑情等決策服務材料，指導農業生產和災害評估。本文針對自動土壤水分觀測儀周邊觀測環境變化以及站址遷移等問題導致自動土壤水分數據錯誤的原因進行了分析，并提出相關解決方案，以期提升觀測數據的準確性。

關鍵詞? ? 自動土壤水分觀測;數據錯誤;原因分析

中圖分類號? ? TH567? ? ? ? 文獻標識碼? ? A? ? ? ? 文章編號? ?1007-5739（2019）12-0187-02

Abstract? ? Soil moisture monitor is a kind of fairly advanced automatic measuring instrument for soil moisture. The data can be used to provide decision-making service materials，such as soil moisture content，for agriculture，water conservancy and meteorology departments and the public，so as to guide agricultural production and disaster assessment. This paper analyzed the causes of errors in soil moisture data due to observations of environmental changes and site migration，and proposed solutions，so as to improve the accuracy of observation data.

Key words? ? soil moisture observation;data error;reason analysis

自動土壤水分觀測儀是一種測定土壤體積含水量的自動化測量儀器，可方便、快速地在同一地點進行不同層次土壤水分觀測，獲取具有代表性、準確性和可比較性的土壤水分連續觀測資料[1]。安徽省氣象部門從2009年在全省布設DZN2型土壤水分站點，大大減輕了傳統的人工觀測勞動量、提高了觀測數據的時空密度[2-3]。在觀測網長期運行過程中，由于觀測環境變化以及站址遷移、站點日常維護中的一些問題，近年來常出現自動土壤水分觀測數據質量下降、觀測數據與土壤特征實際狀況偏差較大等問題。例如，安徽省中北部尤其黏土、壤黏土地區持續旱情導致的土壤表層龜裂使觀測數據明顯偏小，田間長時間積水未及時排出導致土壤持續過濕等情況時有發生，成為安徽省自動土壤水分數據日常業務應用的一大難題。本文針對以上問題導致的自動土壤水分數據錯誤的原因進行了分析，并給出建議[4]。

1? ? 分析資料與方法

本文所用資料為2017年9月1—30日合肥長豐土壤水分站和2018年10月1日至2019年1月1日淮南壽縣土壤水分站點的數據。為了反映土壤水分與頻率的關系，建立了土壤體積含水量計算公式[5]：θv=a（sf-c）b。式中，sf為歸一化頻率，a、b、c均為擬合參數。歸一化頻率sf=■，其中 fa為傳感器在空氣中的頻率， fw為傳感器在水中的頻率， fs為傳感器在土壤中測得的頻率。各地由于土壤類型、密度和鹽分等不同，參數有所差異。

業務上使用的土壤水分觀測儀的機測土壤體積含水量必須進行修訂，修訂方程為θv′=a（sf-c）b+d。其中，a、b、c為已知參數，d為修訂參數。安徽省所有自動土壤水分站機測值全部通過d值來修訂。布設在安徽省氣象信息中心的省級中心站服務器中土壤水分數據計算流程如圖1。

2? ? 數據錯誤站點個例分析

在安徽省自動土壤水分觀測站網考核中，將人工觀測與器測土壤水分體積含水量之差的多次平均值大于5%的站點進行了對比分析。圖2為合肥長豐站數據標定前后的對比圖。中國氣象局業務主管部門規定自動土壤水分觀測儀機測值體積含水量不應大于60%。通過分析該站自動土壤水分儀傳感器的頻率值均在正常范圍內，修訂前體積含水量為43%，布設在安徽省氣象信息中心服務器中的標定d值為17%，因而標定后的機測值會超過60%，定義為數據錯誤。

圖3為淮南壽縣站試驗日期前該站體積含水量機測值。由圖中可以看出淺層10～20 cm土壤水分體積含水量機測值均低于20%，此時土壤相對濕度小于50%。根據土壤相對濕潤度（R）的干旱等級指標，該地段土壤為中度偏重度干旱。

3? ? 站點資料分析和整改方案

3.1? ? 合肥長豐站對比資料分析

在對該站實地勘查時發現，之前該站由于探測環境受到破壞被迫進行站址遷移，導致站址遷移前后人工標定值差值較大。經數據分析得出，省信息中心服務器中該站修訂參數d值偏大，原始測量值在正確范圍內，但是加上d值后，土壤體積含水量機測值超出業務規定范圍。

整改方案：通過在現站址開展人工取土，重新標定d值。圖4為重新標定后穩定運行一段時間后該站20 cm體積含水量，已處于正常值范圍內。

3.2? ? 淮南壽縣站試驗前后數據對比分析

試驗前，淺層（10～20 cm）土壤相對濕度的機測值顯示該地段為中度偏重度干旱。但經現場勘查，機測值偏低是由于土壤水分觀測儀傳感器周邊土壤龜裂導致。土壤龜裂是由于黏土的水化膨脹作用引起的[6]。當濕潤土壤的水分快速蒸發時，由于護管和土壤的排異性，護管周圍的土壤會收縮，從而形成龜裂。隨著蒸發蒸騰作用的加劇，裂縫會繼續向深處發展，因而關鍵是防止表面開裂。

整改方案：開展原狀土試驗時發現裂縫處為土盒周圍，PVC護管周圍正常。于是產生了將PVC護管一定范圍內土壤隔開使得傳感器周圍保持原狀的思路。設計加工了一套亞克力材質的圓桶，尺寸為高20 cm、內徑25 cm，上下中空。將PVC護管安裝至圓桶中心處（圖5）。

亞克力材質圓桶安裝后開展了田間人工取土試驗。由相應的土壤水分瀏覽軟件可以看出，試驗修復后，該站土壤水分相對濕度機測值特別是淺層與人工值相關性很好，取得了一定效果。由于未經歷連續干旱少雨天氣，該方法是否能很好地解決傳感器周邊土壤龜裂問題還需驗證。

4? ? 結語

土壤水分自動化觀測站網布設完成后，在土壤墑情監測方面起到了積極作用。后續的新建、搬遷站點開展業務化考核工作必不可少，特別應針對因觀測環境變化、站址遷移等導致誤差顯著甚至數據錯誤的站點進行現場勘查并找出原因進行整改，以確保土壤水分觀測的準確性。

5? ? 參考文獻

[1] 中國氣象局綜合觀測司.自動土壤水分觀測規范（試行）[S].北京：中國氣象局，2010.

[2] 王曉東，楊太明，吳必文，等.安徽省自動觀測土壤水分質量控制方法[J].氣象科技，2015（6）：399-404.

[3] 陳金華，楊再強，楊太明等.安徽省土壤水分監測預測系統[J].應用氣象學報，2011（4）：249-255.

[4] 張國華，關彥華，郭艷嶺.氣象探測環境現狀及保護措施的探討[J].氣象與環境學報，2012（6）：65-70.

[5] 冶林茂，吳志剛，牛素軍，等.GStar型電容式土壤水分監測儀設計與應用[J].氣象與環境科學，2011（4）：249-255.

[6] 李文杰，張展羽，王策，等.干濕循環過程中壤質黏土干縮裂縫的開閉規律[J].農業工程學報，2015（8）：134-140.