土壤水分自动监测与人工测试数据对比分析

2013-11-20智永明张松明邓英春张永兵

水利信息化 2013年5期

智永明，邵军，张松明，王伟，邓英春，张永兵

（1.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏南京 210012；2.安徽阜阳水文水资源局，安徽阜阳 236000）

0 引言

土壤水分是分析判断农业旱情、实施节水灌溉、进行水文预报最直接和必要的指标。人工采集取土测量水分的方法，既费时费工，数据差异性也较大，且时效性不强，信息准确性不高，数据采集点数量少，不能满足目前防汛抗旱管理工作的需要。因此，在我国建设土壤水分在线监测系统是防汛抗旱决策支持系统的关键组成部分。

国家防汛抗旱指挥系统一期工程中，在安徽、河北、吉林、黑龙江、重庆5个省市进行抗旱管理系统建设试点工作，其中墒情自动测报系统是旱情分中心建设的关键。这些试点建成的自动监测站，从监测精度和可靠性等方面比较，部分自动监测站的监测效果较差。为提高土壤水分监测仪器的准确性、可靠性和灵敏性，建立土壤水分监测仪器准入制度是十分必要的[1]。为此，国家防汛抗旱总指挥办公室（简称国家防办）会同水利部水文局组织制订了《土壤水分监测仪器通用技术条件》（试行），在实施国家防汛抗旱指挥系统二期工程和开展土壤墒情监测系统建设时试行。

土壤水分在线监测，是通过在土壤中埋设在线式土壤水分传感器，并将测得的土壤水分数据实时（每小时上传1次）上传至后台管理服务器，实现土壤水分的在线实时监测。土壤水分在线监测系统由在线式土壤水分传感器（可测 10，20，40cm 土层）、数据采集器箱（含土壤水分采集器、GPRS 通信模块、太阳能电池控制器、蓄电池等）、供电系统（太阳能电池板等）、后台服务器、墒情管理软件、通信网络等设备组成。系统为4层架构，传感器应用层由插管式土壤水分传感器构成，包含铜环式传感器、通信模块、塑料固定支架、PVC 套管结构件，主要实现各层土壤水分数据的获取；数据采集层由采集器箱构成，将传感器获取的土壤水分数据采集到土壤水分采集器；信息传输层采用 GPRS 无线网络，将现场处理好的数据通过网络传送到中心接收站；信息应用层由接收硬件设备及相应软件组成，实现远程信息接收、处理、存储、应用等功能。

针对防汛抗旱指挥系统一期工程中存在的问题，水利部南京水利水文自动化研究所和安徽阜阳水文水资源局共同组织在农业大田里进行比测试验，选址原则为当地代表性土壤，所种作物为当地主要作物，最后确定阜阳插花站、阚町站和亳州大寺站为本次比测试验站点。自动监测数据与人工采集数据比测的意义是，揭示土壤水分传感器在不同土壤中的率定公式，为自动监测“数据测得准”提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验站概况

试验站分布于安徽阜阳插花、阚町和亳州大寺，插花和阚町试验站选址在小麦田里，小麦为当地主要种植作物，土壤类型为砂姜黑土；亳州大寺试验站选址在中药地里，中药为白芍是当地主要种植药材，土壤类型为潮土。试验站设备安装时间为2012年12月，试验站为开放式布置，如图1所示，土壤水分传感器直接埋设在种植有农作物的农田里，可真实反映农田的土壤水分变化规律。

图1 阚町试验站

1.2 比测试验

从 2013年1月1日开始，以5d 以上（含5d）为1个取土间隔周期，取土时间为早上8点整，取土位置为埋设土壤水分传感器周围的田间，用土壤环刀取土后，迅速放入铝盒供试验烘干用，取土层为 10，20，40cm 土层。

1.2.1 烘干法

在 105～110℃ 条件下，将土壤烘干至恒重时，所失去的水分质量和达恒重后干土质量的比值，以百分数表示，是直接测量土壤水分的一种方法，也是测定土壤含水量的标准方法[2]2，也称称重法。

1.2.2 比测标准

本次比测试验依据《土壤水分监测仪器通用技术条件》（试行）“附录 A 土壤水分自动监测系统野外试验”中 A.3.2准确性评估要求，进行如下评估：与烘干法相比，统计绝对误差在 ±4% 范围内的数据测次；准确性评估，绝对误差在 ±4% 范围内的数据测次/人工监测的测次 ×100%，其值应不小于80%；对绝对误差超过 ±4% 的数据进行分析，分析是偶然误差还是系统误差造成的[2]13。

2 结果与分析

2.1 比测数据

2.1.1 插花试验站

插花试验站的试验比测时间为 2013年1月1日到 6月1日，烘干法和机测法比测数据如表1所示，覆盖从冬季、春季到初夏的小麦主要生长阶段。结合插花站降雨量[3]因素分析，土壤水分传感器对降雨的反应非常灵敏，降雨量的不同，影响到的土层（10，20，40cm）也不同，土壤水分传感器可以完整记录不同土层的土壤水分连续变化趋势，对于不同土层，烘干法和机测法比测曲线如图2所示，从图中可能看出，经过现场率定后机测的数据曲线与人工烘干法测得数据曲线比较，重合度很高，水分变化趋势一致。

2.1.2 阚町试验站

阚町试验站的试验比测时间为2013年1月1日到6月1日，比测数据如表2所示，覆盖从冬季、春季到初夏的小麦主要生长阶段。结合阚町站降雨量[3]因素分析，土壤水分传感器对降雨的反应非常灵敏。对于不同土层，烘干法和机测法比测曲线如图3所示，从图中可能看出，经过现场率定后机测的数据曲线与人工烘干法测得数据曲线比较，水分变化趋势一致，图3中b和c在4月中旬到5月初，2条曲线重合度不高，初步分析为阚町站 3—5月有效降水不多，结合砂姜黑土的土壤特性，20和40cm土层无有效水分补充，土壤出现开裂现象，导致机测数据与人工数据比对超差。

2.1.3 大寺试验站

大寺试验站的试验比测时间为 2013年1月1日到 7月26日，比测数据如表3所示，覆盖从冬季、春季到夏季的白芍生长阶段。土壤水分传感器对降雨的反应灵敏，对应于不同土层，烘干法和机测法比测的体积含水量的曲线如图4所示。大寺站的土壤类型为潮土，质地比较均匀，经过现场率定后机测的数据曲线与人工烘干法测得数据曲线比较，重合度很高，水分变化趋势一致，图4a 中 1月11日机测数据与人工烘干法测得数据差异明显，初步分析为10cm 土层出现冻土现象，导致机测数据异常。

表1 插花试验站烘干法与机测法测试数据%

2.2 数据分析

本次比测试验，于 2013年1月1日开始，7月26日结束，阜阳插花站、阜阳阚町站、亳州大寺站3个站共312个数据，经率定后绝对误差在 ±4% 范围内的数据有269个，占比为 86.22%；绝对误差超过 ±4% 范围的有43个数据，占比为 13.78%，初步分析认为超差数据产生的原因主要如下：野外取土位置误差所致；亳州大寺试验站表层土壤出现冻土；土样操作误差；土壤开裂等。本次比测数据为全部数据，包括异常和无效数据，为还原在野外田间土壤水分自动测试系统数据的真实情况，人工取土烘干测试由阜阳水文局当地水文站的人员按日常操作进行。

2.3 比测结果

图2 烘干法与机测法比测曲线

《土壤水分监测仪器通用技术条件》（试行）中规定：准确性评估，与烘干法相比，绝对误差在±4% 范围内的数据测次/人工监测的测次 ×100%，其值应不小于 80%[2]2。

本次比测率定后机测数据合格率为 86.22%，优于 80% 的要求。机测土壤水分数据对有效降水量反应灵敏，可准确反应土壤水分变化趋势，研制的土壤水分监测传感器系统经过9个月野外应用，系统运行稳定可靠，数据无丢失，传感器野外安装工序规范，土壤水分自动监测系统测得的数据可以替代人工抄报数据。

图3 烘干法与机测法比测曲线

3 结语

从3个试验站率定前直接机测的数据和人工数据比对可知，用出厂设置的参数直接测量不同站点的土壤水分值与人工数据比对失真严重，未经率定的机测数据不能反映站点的真实土壤水分数值，对于特定土壤，传感器的输出特性是有所不同的[4]，因此，土壤水分传感器野外使用时必须经过现场率定才能使用。

表2 阚町试验站烘干法与机测法测试数据%

土壤水分传感器现场率定方法是难点，土壤差异性很大，不同土壤对应不同的率定曲线，在工程实践中，如何在施工期内将土壤水分传感器率定准确，是生产单位必须要解决的。从3个野外站历时半年的比测情况看，已在土壤水分传感器现场率定技术方面取得了突破，解决了土壤水分自动监测系统“数据测得准”的技术问题，可以进行工程应用。

土壤水分自动监测站的站址选择必须符合SL364-2006《土壤墒情监测规范》[5]的规定，土壤水分传感器在埋设前必须进行埋设点土壤水分试验测试，如有异常现象出现，必须更换埋设点，保证正常输出土壤水分数据。