墑情監測站網體系構建存在問題及應對策略研究

胡淑紅 王欽釗 歐陽千林 楊溢

摘要：針對研究區域江西省現有墑情監測站網體系建設中監測站網布設密度、監測能力不足、旱情評價體系不全、監測信息服務平臺功能單一、運維模式不能完全滿足現階段防旱抗旱需求等問題，剖析原因并提出了應對策略：優化墑情自動站網監測體系；建設旱情監測服務管理平臺；加強墑情監測評估體系研究；優化運維管理。相關經驗可供類似地區墑情監測借鑒。

關 鍵 詞：

墑情監測站網； 旱情預警評估； 運維方式； 應對策略

中圖法分類號： P237

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.S2.054

0 引 言

土壤墑情是作物根系層的土壤含水量狀況［1］，是反映干旱程度的重要指標之一，土壤墑情監測是水循環規律研究、農牧業灌溉、水資源管理利用、防旱抗旱減災決策的重要基礎工作［2］。墑情站是觀測土壤含水量變化的水文測站［3］，截至2020年底，中國共建有墑情站4 218處［4］。鑒于全球氣候環境變化，極端天氣事件發生頻次增加等因素影響［5］，中國現有墑情監測站網體系構建已不能完全滿足極端干旱事件防御及防旱抗旱減災決策需求。墑情站網布設方面，SL364-2015《土壤墑情監測規范》規定了墑情站網布設原則、布設密度［6］；孫凱［7］利用聚類分析方法、Davies Bouldin index，分析研究區域內布設固定墑情監測站的位置與數目問題；張成才等［8］在抗旱規劃的基礎上，優先考慮河南省糧食核心區以及旱災易發區的分區布設原則；吳迪等［9］運用 ArcGIS 技術，綜合考慮山西省地形地貌、農業氣候、土壤類型等自然地理屬性，以及灌溉和雨養農業區、糧食主產區、易旱區等空間分布特點，提出了基于多源信息的土壤墑情站網規劃布設原則和方法；姜波等［10］綜合考慮農業氣候、地形地貌、土壤類型、農業灌溉和易旱程度等特點，分區規劃了吉林省墑情站網；黃艷艷［11］提出了遙感數據主導的地面固定墑情站網的優化布局方法，以及考慮了遙感信息的地面墑情站網布設。但目前中國墑情監測站網體系仍存在站網密度不足、覆蓋不全，監測能力不足，旱情評價體系不全等問題。鑒于此，本文選取屬亞熱帶濕潤季風氣候區、降水豐沛但時空分布不均、干旱災害多發頻發的江西省為研究區域，分析墑情監測站網體系現狀及存在問題，研究應對策略，為健全完善中國墑情監測站網體系提供參考。

1 墑情監測站網體系

1.1 站 網

目前，江西省范圍內共建有墑情自動監測固定站106處。其中一期68站分別于2004年建成30處、2009年建成38處（含墑情試驗站2處），已建成投產十多年，部分站點周邊環境發生改變，墑情監測失去代表性，部分站點傳感器等設備嚴重老化。2020年9月完成一期68處站點升級改造。二期墑情自動監測站于2016年建成38處，2020～2022年8月底分批完成了二期站點改造。江西省墑情自動監測固定站網分布見圖1。

2016年11月建成墑情移動人工監測站點397處，未安裝固定設備，僅供臨時取土分析。

1.2 墑情監測信息服務平臺

墑情監測信息服務平臺主要設置“實時墑情”“墑情簡報”“查詢服務”“數據維護”四大功能，通過“實時墑情”中墑情信息、土壤相對濕度、區域旱情三大板塊，可了解各墑情站點具體干旱程度；可查詢各站日、月、年報表數據，為旱情分析統計提供支持；異常數據可報警人工維護，平臺初步實現墑情在線監測，能夠有效地反映土壤旱情的分布情況及干旱程度。

1.3 2022年防旱抗旱服務情況

自8月16日起，有效運用106處固定墑情站監測成果，首次全面開展全省397處移動墑情站數據監測分析，完成人工墑情數據采集2 392次，細化表征了全省各區域墑情變化情況。

基于106處固定墑情站和397處移動墑情站監測成果，江西水文根據相關氣象信息，利用土壤墑情預報模型，首創開展10天預報、10天預測、10天展望“三個10天”的墑情滾動預報，預警預報全省旱情演變情況。

墑情平臺提供了實時墑情監測信息、土壤相對濕度變化分析、省市區域土壤相對濕度分布圖、墑情簡報、墑情業務報表數據的查詢統計等服務支撐（見圖2）。

2 存在的主要問題

2.1 站網布設密度、監測能力不足

（1） 站網布設密度不足。江西省位于中國地形的第三級階梯中，整體地形地貌以丘陵地貌為主，現有固定墑情站106處，墑情站網密度約為1.07站/縣、1 575 km2/站，遠未達到相關最低站網密度布設要求。根據SL365-2015《土壤墑情監測規范》以及SL34-2013《水文站網規劃技術導則》中布設最低密度要求，江西省作為國家糧食主產區、易旱地區，墑情站網最低密度要求為“一般地區2～3站/縣，國家糧食主產區、水資源短缺地區、易旱地區3～5站/縣”“丘陵區，單站控制耕作面積100～500 km2”。依據《全國抗旱規劃》（2011年）中布設要求，固定站按全國受旱縣每縣5處，其他縣每縣3處進行布設。站網密度尚未能控制區域內代表作物土壤含水量時空變化特征，南坡和北坡、坡上和坡下土壤含水量變化不同，無法等同于大田管理尺度平均根區土壤含水量。

（2） 監測能力不足。江西省現有墑情站點503處，但自動化監測未能全覆蓋，章貢區、安源區、東湖區、信州區、廬山市、九江縣等12個縣（市區）無固定自動監測墑情站點。固定站點監測數據未與遙感等大尺度監測數據融合，區域墑情數據代表性不足。移動人工監測站點需采用人工鉆孔取土烘干的監測方式，費時費力，時間、交通成本較高，時效性滯后。

（3） 因人類活動致使站點位置功能變化，部分自動監測站點失去代表性。如上饒市鉛山縣湖坊站、撫州市宜黃縣棠陰站所處位置原為旱地現已改為水田，贛州市定南縣天九站原壤土現改建為停車場，墑情監測數據已無參考價值。

2.2 信息服務平臺功能單一，旱情評價體系不全

旱情監測評估作為旱災防御工作的重要支撐，能夠有效降低災害損失。旱情評估的重要手段之一是干旱指標的確定和融合。江西省目前構建的平臺實現了土壤墑情在線監測和依據土壤墑情進行旱情評價，但平臺缺乏耕地作物分布、提灌工程等基礎信息；缺少與氣象干旱、水文干旱、農業干旱、經濟社會干旱、河流的斷流情況、水資源的儲蓄情況及水資源的風險調度與精細管理等要素相應的關聯；缺少結合耕地作物、提灌工程以及降水分布、地表水、地下水、氣溫等水文氣象因子進行綜合旱情評估功能［12］；缺少針對當前土壤干旱情況，結合未來幾天的氣候狀況對江西省的旱情進行預警預報的功能；缺少定性量化的旱情評價指標率定，難以形成閉合完整的旱情監測服務體系。

2.3 總包式運維方式不能完全滿足新時期防旱抗旱需求

目前江西省墑情站點運維方式是江西省水文監測中心總包式運維模式，未充分發揮各流域中心的能動性。江西省水文監測中心簽約運維公司運行維護基本響應及時，但2022年特大干旱期間少數站點數據異常報修后，受疫情影響未能及時響應，需技術人員插補修正以保證數據質量與時效。

3 應對策略

3.1 優化墑情站網體系建設

（1） 增設墑情自動監測站網。依據《全國抗旱規劃》《江西省水文基礎設施建設

“十四五”規劃》，按照綜合考慮江西省農業氣候、地形地貌、土壤類型、糧食主產區、易旱區等因素的布設原則，統籌規劃，分步實施，實現墑情自動監測站網的全覆蓋。

一期建設遵照“每個有耕地的縣（市區）至少布設一個基本墑情站”“國家糧食主產區、水資源短缺地區和易旱地區最低布設密度要求”等布設原則，擬于2025年前新建固定自動監測站2處，改造建設有代表性的88 處移動站為固定自動監測站。建成后，填補12個縣市區無自動墑情站點空白，自動監測站點將達到196處，基本符合一般地區2～3站/縣的要求，全省布設密度為852 km2/站。

二期建設按照江西省糧食主產區分布在36個縣（市區），水資源短缺地區5個縣區（萍鄉市所屬縣區）［13］，易旱地區有35個縣（市區），其中重復20個縣（市區），結合“國家糧食主產區、水資源短缺地區和易旱地區最低布設密度要求3～5站/縣”的布設原則，及利用聚類分析方法、Davies Bouldin 指標準則［14］，該區域擬增設2站/縣，共112處固定自動墑情站，該區域站點增設后基本符合《土壤墑情監測規范》最低布設要求，站點數量能實現最大程度的真實刻畫出臨近最廣區域的墑情狀況［7］，全省布設密度為 542 km2/站。

（2） 配置人工便攜式自動墑情監測（移動自動墑情監測）設備。按照GB/T 28418－2012《土壤水分（墑情）監測儀器基本技術條件》等有關要求，購置移動自動墑情監測設備18套，每套含墑情監測儀器、通信設備和接收設備3部分［15］，設備均按土壤水分傳感器、藍牙采集儀、手持終端PDA、采集APP軟件、取土鉆、便攜式設備箱等設備統一標準配置。

（3） 遷移失去代表性的自動監測站點。依據站點遷移原則，遷移站點選擇地塊應為代表性耕作地塊，宜選取地形較為平坦區域，首選附近布設的移動墑情站點，移動站點不符合設站要求時，在附近地塊再綜合考慮土壤質地、農作物種植結構、地形地貌和水文地質等代表性條件，另選適宜地塊。

3.2 建設旱情監測預警服務管理平臺

全球氣候變化背景下，干旱發生頻率及旱災損失程度呈顯著增強的趨勢［16-17］，建設“江西省旱情監測預警服務管理平臺”是補齊旱情監測預警服務信息化短板［18-19］的具體行動。

（1） 平臺功能。平臺擬基于氣象、水文、墑情、遙感等多元信息，利用現代化監測信息技術手段，通過防旱抗旱系統基礎數據庫、水文氣象數據庫、地理信息數據庫、遙測信息數據庫等數據庫設計開發，系統功能界面設計，實現水文干旱、氣象干旱、遙感旱情監測，實現旱情信息報送、查詢、分析、統計、管理及預警預測評估等功能，提高干旱信息的質量與時效，提供自動化、對象化、定制化、標準化的旱情產品服務。平臺總體架構見圖3。

（2） 旱情評估系統。鑒于墑情只是單一要素，氣象干旱與實際旱情不相符等狀況，旱情評估系統應融合多源數據，如氣象干旱、水文干旱、農業干旱、經濟社會干旱和地表河流的斷流、地下水情況及土壤、作物、灌溉等下墊面條件，構建面向不同區域、不同對象、不同時期的閉合的智能化多維度旱情監測預警評估系統，實現綜合旱情等不同指標監測結果的對比分析，編繪省、市級旱情監測一張圖［20］、旱情預警評估一張圖［21］，為江西省防旱抗旱決策提供科學參考。

3.3 加強墑情監測評估體系研究

墑情站網建設是國民經濟發展和水利建設中的基礎性工作，受國民經濟發展程度和布局的影響很大，站網建設、監測技術、旱情評估等方面長期的科學研究實踐很有必要。

（1） 頂層設計墑情自動監測站網建設。以“整體布局、優化站網、需求牽引、急用先行”為原則，按照相關布設密度要求，根據氣候類型、地形地貌、土壤類型、作物種類、糧食主產區、易旱區等影響因素，選擇有代表性的區域，布設墑情站點。

（2） 提升墑情監測能力。充分運用現代監測手段，從現階段定點觀測為主向空間大尺度采集技術手段發展。衛星遙感技術具有監測范圍廣、空間分辨率高、信息采集實時性強、業務應用性好等特性［22］，綜合多源遙感的監測已成為重要發展趨勢，尤以微波遙感和光學遙感的結合應用較多［23-24］，有效融合定點觀測、遙感觀測等數據源，提高區域墑情數據的精準性、及時性、代表性。

（3） 墑情預警預報研究。墑情預警預報是農田用水和區域水資源管理的一項基礎工作，墑情預警預報主要是田間土壤含水率的預警預報。基于現有墑情站點數據，融合地球資源衛星（ERS）數據、3S數據、數字等高模型（DEM）數據［25-26］等，利用水量平衡、統計算法、關聯分析等方法，剖析墑情變化特點和規律，構建土壤墑情預警預報模型及系統平臺［27］，獲取土壤墑情短、中、長期預報成果。

（4） 構建旱情評估體系。四大干旱及地下水干旱、生態干旱［28-29］的旱情監測指標多達百種［30］，存在干旱監測指標不確定性、尺度效應和旱情等級劃分標準不一致性；評估方法也包含概率統計、模糊綜合評估、風險評估［31］等各類方法。基于干旱網格分區，定點觀測（墑情、水位、降雨等）與大尺度觀測（微波遙感）多源數據融合，以“監測數據-分析評估-預警預報-決策應用”為主線，由單指標向多指標，單變量向多變量發展，構建指標體系［32-33］，評估不同干旱指標的適用性［34］，研探旱情監測指標閾值率定技術［35］，量化預警評估指標，逐步構建面向農業、林地、草地、生態的旱情綜合監測評估體系，植入江西省旱情監測服務管理平臺，實現旱情風險監測預警評估。

3.4 優化運維管理

（1） 調整運維模式。充分發揮各流域中心、監測大隊的能動性，采用年度運維資金下達各流域中心，實行各流域中心屬地墑情站點的運維管理模式，便于就近管理，及時發現問題，解決問題。

（2） 落實運維責任。① 明確流域中心轄區內站點運維責任。加大屬地站點巡查力度，摸清墑情監測設施設備及周圍環境現狀、存在問題，及時運維。② 強化運維公司履約責任。加強運維公司履約行為約束，及時解決墑情監測設施設備存在問題。③ 省中心加強運維監管督導考核。定期或不定期現場巡檢和查勘，發現問題，提出解決方案，督促整改；制定不同旱情條件下墑情站點運維原則，開展墑情站點運維及監測情況通報，并納入年度考核內容。

4 結 論

本文以江西省為例，系統分析了濕潤地區墑情站網現狀，解析存在問題，研究應對策略，提出現代化墑情監測體系構建、墑情預警預報、干旱評估體系、運維模式等問題解決的技術方法，得出以下結論。

（1） 墑情站網布設應綜合全球氣候變化導致的干旱頻次、干旱程度呈上升趨勢的需求，及經濟社會發展布局影響要求，頂層設計“一區一策”的站網建設，滿足旱情監測預警評估要求。

（2） 墑情監測要運用遙感等高新技術，提升墑情大尺度監測能力，融合多元數據，從定點監測向區域監測發展，提高墑情數據的精準性、時效性及代表性。

（3） 分析濕潤地區墑情變化規律及墑情與其他干旱指標耦合關系，研探墑情預警預報模型及方法；構建適用干旱指標體系，分析應用具有普適性、能廣泛應用的指標，如SPI、旱警水位、土壤含水量等量化指標，率定指標閾值，完善構建旱情評估體系；建設智能化旱情監測預警服務管理平臺；實現旱情風險預警評估。

（4） 墑情監測數據的質量與時效是構建墑情監測站網體系的關鍵，需因地制宜采用運維模式，明晰落實運維責任。

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（編輯：黃文晉）