豐滿流域墑情自動監(jiān)測系統(tǒng)的設計與應用

王進 錢昊 張永鑫 宿磊 李光躍 于承越 王海懿 張孝斌

摘要土壤墑情對作物生長、節(jié)水灌溉、科學用水等有著非常重要的作用。為了準確、迅速地掌握豐滿流域土壤墑情信息，選取安仁村、隆興村、萬寶溝3個典型站點，建立固定墑情自動監(jiān)測站。以固定墑情自動監(jiān)測站的設計及應用為例，闡述了該墑情監(jiān)測系統(tǒng)的背景、設計及應用情況，并對系統(tǒng)監(jiān)測的準確性進行測試與分析。該系統(tǒng)實現(xiàn)了豐滿流域土壤墑情監(jiān)測、信息傳輸?shù)淖詣踊梢詫崟r掌握土壤墑情狀況，進一步為洪水預報工作提供依據(jù)。

關鍵詞土壤墑情;監(jiān)測;準確性測試;設計與應用

中圖分類號S126文獻標識碼A?文章編號0517-6611（2020）15-0222-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.15.063

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Design and Application of Automatic Monitoring System for Soil Moisture in Fengman River Basin

WANG Jin1， QIAN Hao2， ZHANG Yongxin1 et al

（1.Jilin Fengman Power Plant of Songhuajiang Hydropower Co.， Ltd.， Jilin，Jilin 132000;2.NARI Group Corporation/State Grid Electric Power Research Institute， Nanjing， Jiangsu 211000）

AbstractSoil moisture plays an important role in the use of crop growth， watersaving irrigation and scientific water. In order to accurately and rapidly grasp the soil moisture information in the Fengman Basin， three typical stations， Anren Village， Longxing Village and Wanbaogou Village were selected to establish fixed automatic monitoring stations. Taking the design and application of the fixed moisture automatic monitoring station as an example， the background， design and application of the moisture monitoring system were discussed in detail， and the accuracy of the system monitoring was tested and analyzed. The system realized the automation of soil moisture monitoring and information transmission in Fengman Basin. And it could grasp the soil moisture status in real time and further provide basis for flood forecast.

Key wordsSoil moisture;Monitoring;Accuracy test;Design and application

作者簡介王進（1983—），男，吉林吉榆人，從事水文水資源及水利工程施工、維護和管理工作。

收稿日期2019-10-25;修回日期2019-11-17

土壤墑情是最重要和最常用的土壤信息，是土壤的重要組成部分，它對作物的生長、節(jié)水灌溉、科學用水等有著非常重要的作用。在土壤墑情自動監(jiān)測系統(tǒng)誕生前，我國傳統(tǒng)農(nóng)作物的土壤含水量監(jiān)測，全靠人工現(xiàn)場調查，人工墑情監(jiān)測信息遲緩，不能及時掌握相關情況，且主要靠經(jīng)驗判斷，準確性難以保證。當遇到低溫、干旱等重大氣象災害時，人工監(jiān)測所帶來的上述問題就會暴露出來。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的迅速普及和完善，人工監(jiān)測的方式得以逐漸被自動監(jiān)測取代。土壤墑情自動監(jiān)測站是可以自動監(jiān)測土壤墑情的一種儀器。

目前，國內外自動墑情監(jiān)測的方法主要分為3種[1-3]。一是固定墑情站自動監(jiān)測技術。可以用來測定固定點的墑情，先在多個固定點連續(xù)測定墑情，然后利用空間插值法計算監(jiān)測區(qū)域內墑情[4]。二是移動墑情自動監(jiān)測技術。通過利用移動便攜式儀表在不同采樣點進行不定期、不定點墑情測定，通過數(shù)理和地統(tǒng)計分析得到區(qū)域墑情[5-6]。三是遙感墑情監(jiān)測技術。利用衛(wèi)星和機載傳感器從高空遙感探測地面土壤水分[7]，可以及時發(fā)現(xiàn)旱情、動態(tài)跟蹤旱情變化、預測旱情發(fā)展趨勢、評估抗旱成效的基礎數(shù)據(jù)，快速準確地獲取田間土壤墑情信息[8]。固定墑情監(jiān)測站具有成本低、時效性強、準確性高等優(yōu)點，因此可得到廣泛應用。

筆者針對固定墑情自動監(jiān)測方法來闡述其設計方法及實際應用，并進行監(jiān)測準確性分析。

1系統(tǒng)背景

豐滿流域氣候，夏季主要由太平洋季節(jié)風、冬季主要由西伯利亞高壓所控制，嚴寒而漫長;夏季受東南季風影響，濕熱同季，南來氣旋活動頻繁多暴雨天氣。流域多年平均降水量為500～1 020 mm，降水量年內分配極不平均，6—9月降水量占全年降水量的70%～80%。

以前豐滿流域土壤墑情信息化基礎普遍薄弱，主要采用人工現(xiàn)場調查的方式。在墑情信息獲取方面，一般采用人工鋁盒取土烘干法及快速測墑儀觀測獲取土壤墑情數(shù)據(jù)[9]，尚未建立信息采集的系統(tǒng)網(wǎng)絡體系，數(shù)據(jù)的實效性、代表性無法滿足防汛抗旱管理工作的要求。因此，土壤墑情自動監(jiān)測的推廣及應用迫在眉睫。建設豐滿流域土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)，合理布設土壤墑情監(jiān)測站，以承擔有關各類數(shù)據(jù)和旱澇情調查工作，有利于掌握土壤墑情變化動態(tài)，為洪水預報工作提供依據(jù)。

2系統(tǒng)設計

2.1站網(wǎng)規(guī)劃

墑情自動監(jiān)測站網(wǎng)的規(guī)劃需要依據(jù)豐滿流域現(xiàn)狀和測站布設原則進行。依據(jù)《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》[10]關于站網(wǎng)布設的要求，“進行墑情監(jiān)測的代表性地塊的選擇應考慮其地貌、土壤、氣象和水文地質條件以及種植作物的代表性”，固定土壤墑情信息采集站的布設遵照既能反映區(qū)域內旱情分布情況又節(jié)省資金的原則進行，相對較干旱區(qū)域土壤墑情信息采集站點適當加密，較濕潤區(qū)域相對稀疏。綜合考慮以上各布網(wǎng)要素，此次豐滿流域墑情采集系統(tǒng)共建立3個典型固定墑情自動監(jiān)測站，安仁村的地理位置為125°49′E、42°02′N，隆興村的地理位置為126°00′E、42°12′N，萬寶溝的地理位置為126°14′E、42°18′N。

2.2通信組網(wǎng)

墑情采集系統(tǒng)包括墑情信息自動采集部分和自動報送部分。如圖1所示，墑情信息通過傳感器采集，由測站的遙測終端（RTU）存儲并轉發(fā)至測站所屬分中心。測站與分中心之間的通信采用無線通信方式，雙信道備份。此次系統(tǒng)設計以移動GPRS VPDN為主信道，電信CDMA VPDN為備用信道，且在主信道和備用信道分別安裝有移動SIM卡和電信SIM卡各1張。測站系統(tǒng)主信道長期值守，備份信道待命。當主信道不通時，起用備份信道，備份信道值守至主信道恢復后繼續(xù)待命。

2.3遙測站設備結構與功能

遙測站設備采用模塊化設計，如圖2所示，主要由數(shù)據(jù)采集器、配置單元、通信單元、供電單元和傳感器單元組成。傳感器單元由3只Hydra Probe Ⅱ-NAIWCH型插針式土壤水分傳感器組成，采用三點法布設（地表以下10、20、40 cm 3層水平）;配置單元選用人工置數(shù)儀設備，能夠實現(xiàn)站碼輸入和監(jiān)測數(shù)據(jù)現(xiàn)地讀取的功能;供電單元主要由蓄電池和太陽能板組成，太陽能板通過穩(wěn)壓模塊對蓄電池進行持續(xù)浮充，由蓄電池完成對ACS500型數(shù)據(jù)采集器的供電;通信單元分別采用HD7710 GPRS模塊和HD7710 CDMA模塊對遙測終端數(shù)據(jù)進行主備信道上傳，雙信道有效確保了數(shù)據(jù)上傳通道的暢通。

3系統(tǒng)應用

3.1現(xiàn)場率定

依據(jù)《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》要求：“對不同類型的傳感器在使用前均應按常規(guī)的率定方法來率定檢驗。土壤含水量的量測誤差應為|δ|≤2.5%”，土壤墑情監(jiān)測傳感器在監(jiān)測點現(xiàn)場安裝前需進行實驗室率定，在通過水利部水文儀器及巖土工程儀器質量監(jiān)督檢驗測試中心的儀器檢測后方可進場安裝。在現(xiàn)場安裝完成后，仍需要對監(jiān)測儀器進行現(xiàn)場率定，以保證監(jiān)測儀器實際運行測試滿足精度要求[11]。現(xiàn)場率定方法主要包括測定土壤干容重、率定數(shù)據(jù)要求、人工取樣烘干、擬合率定公式、驗證等。

由于此次項目中選用的Hydra Probe Ⅱ-NAIWCH型插針式土壤水分傳感器輸出的信號為土壤導電率，因此需擬合人工烘干法計算出的土壤體積含水量值與監(jiān)測儀器輸出值之間的關系曲線，得出率定公式。在監(jiān)測站現(xiàn)場，采用人工取土烘干法與自動監(jiān)測儀器進行對比監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，率定計算方法如下：

（1）測定土壤干容重：

式中，γ0為干容重，單位為g/cm3;

Wg為干土質量，單位為g;

V為原狀土樣體積，單位為cm3。

（2）土壤重量含水量計算：

式中，ω為重量含水量，單位為%;

m盒+濕土為鋁盒加濕土重量，單位為g;

m盒+干土為鋁盒加干土重量，單位為g;

m盒為鋁盒重量，單位為g。

（3）根據(jù)土壤干容重和土壤重量含水量，計算出土壤體積含水量：

式中，θ為土壤體積含水量;

ω為土壤重量含水量;

γ0為土壤干容重，單位為g/cm3。

（4）擬合率定公式：

式中，θ為土壤體積含水量;x為監(jiān)測儀器輸出值或換算值;n為階數(shù)（一般為 3 階），此次項目率定公式選用3階;A0、A1、A2、An為常數(shù)。

在現(xiàn)場率定期間，共完成11組人工監(jiān)測數(shù)據(jù)和機測數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)點盡量在土壤含水量相對較低到飽和范圍內均勻分布。全部3個固定站點都開展了現(xiàn)場率定工作，率定效果的總體情況良好，量測誤差均符合《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》要求。 ???安仁村站地表以下40 cm層率定曲線和公式如圖3所示。

3.2站點設備安裝依照《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》，結合現(xiàn)場的實際情況，固定墑情自動監(jiān)測站的現(xiàn)場布設如圖6所示。插針式土壤水分傳感器平行于地面安裝，開挖剖面與四周相鄰物體間距不小于1 m，傳感器在開挖剖面上按采集深度分層埋設，各層傳感器水平間距不小于80 cm，有效減少傳感器測量被干擾;安裝時應保持探針水平，均勻用力將探針完全插入到原狀土內，防止探針與原狀土接觸不實，影響測量精度;在設備周圍安裝圍欄，保護設備不被人為破壞。

4準確性測試與分析

根據(jù)《國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)工程項目土壤墑情監(jiān)測驗收測試辦法》和《國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)工程項目土壤墑情監(jiān)測儀器現(xiàn)場率定方法》的要求，需采用人工取土烘干法與監(jiān)測儀器采用新率定公式后測得數(shù)據(jù)進行驗證測試，即稱為比測驗證。針對此次豐滿流域墑情監(jiān)測系統(tǒng)的比測驗證，共采集10組驗證數(shù)據(jù)，采集土壤避開降雨日及大雨后地表積水日，在測站圍欄外1～2 m范圍內同類農(nóng)作物田地處取樣。

安仁村站地表以下40 cm層比測數(shù)據(jù)如表1所示，比測數(shù)據(jù)比較結果如圖7所示。

根據(jù)《國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)工程項目土壤墑情監(jiān)測儀器現(xiàn)場率定方法》中關于準確性評估的標注：絕對誤差在±4%范圍內的數(shù)據(jù)測次/人工監(jiān)測的測次×100%，其值≥80%，判為率定公式驗證通過;其值<80%，則判定為率定公式驗證不通過，應分析原因或重新率定。

針對固定墑情監(jiān)測站的比測數(shù)據(jù)進行分析，可以發(fā)現(xiàn)全部3個站點，每個站點每層土壤監(jiān)測結果在11次比測中的誤差超過±4%范圍的數(shù)據(jù)最多為2個，準確率均超過80%，因此判為率定公式驗證通過。固定墑情監(jiān)測站的比測結果匯總如表1所示。

5結論

豐滿流域自然狀況多變且復雜，迫切需要建設土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)，以承擔有關各類數(shù)據(jù)和洪水預報的前提工作。基于此，建立安仁村、隆興村、萬寶溝3個典型的固定墑情自動監(jiān)測站，實現(xiàn)墑情自動監(jiān)測。經(jīng)過一段時間的試運行和準確性測試與分析，墑情采集系統(tǒng)在實用性和可靠性上基本達到了要求。系統(tǒng)的建成將實現(xiàn)上述站點墑情信息自動測報、涉及數(shù)據(jù)通信和信息共享。

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