提高便携式土壤水分自动监测仪数据准确度的方法研究

李剑辉

(辽宁省水文局，辽宁 沈阳 110003)

提高便携式土壤水分自动监测仪数据准确度的方法研究

李剑辉

(辽宁省水文局，辽宁 沈阳 110003)

土壤水分；便携式；自动监测仪；数据准确度；代表性；方法

便携式土壤水分自动监测仪可根据旱情发展增加监测频次和监测站点，使用方便灵活，但在实际操作过程中受人为因素影响较多，数据准确度和代表性普遍不高。通过对监测仪器性能特点和使用方法的研究，结合实际工作经验，从监测地点的选择、监测仪器状态、插入土壤方式、测量方法和重新建立监测仪器公式等方面提出了降低测量误差、提高监测数据准确度和代表性的方法。

土壤墒情是水循环规律研究、农牧业灌溉、水资源合理利用及抗旱救灾的基本信息。加强土壤墒情监测工作，提高土壤墒情信息的时效性，对社会提供及时、准确、可靠的土壤墒情信息，可以为抗旱减灾决策和水资源配置等提供科学依据，满足防汛抗旱、水资源管理和建设节水型社会的需要。

土壤墒情信息主要依靠人工监测站、固定自动墒情站和移动自动墒情站收集[1]。当前移动自动墒情站使用的便携式土壤水分自动监测仪多为介电法类仪器[2]，此类仪器在使用中受到的干扰因素较多，主要表现在操作方法、建立公式[3]、监测位置选择等方面，造成墒情监测数据不准确，代表性较差。本研究针对便携式土壤水分自动监测仪器的特点，提出降低测量误差，提高监测数据准确度和代表性的方法。

1 监测仪器的基本组成和特点

便携式土壤水分自动监测仪一般由传感器和数据采集、存储、传输等设备构成。传感器主要有探针式和导管式两种类型[4]，见图1。

图1 常用的两种传感器类型

便携式监测仪器具有体积小、重量轻、便于携带、操作方便、使用灵活等特点，具备监测站定位、数据采集存储和传输等功能，可将存储数据发送至指定的存储终端，可直接在农田环境下进行监测，还可根据旱情发展随时增设监测站点或增加监测频次。

2 提高监测仪器数据准确度的方法

2.1 检验监测仪器公式

便携式监测仪器内存储有不同土壤质地或不同站点的公式，监测仪器测量时反馈的电信号通过公式换算出含水量数据。在实际应用中，可能存在监测数据异常情况，因此使用前应对监测仪器公式进行检验，以判断仪器工作状态是否正常。具体判断方法为：根据监测仪器内存储公式的数学模型，设置一个简化公式存储在监测仪器内，作为监测仪器的检验公式，然后将监测仪器放置在空气和水中进行模拟测量，根据测量数据判断监测仪器的工作状态。例如：对于多项式结构的公式，可简化成通过原点的直线方程，将公式的一次方系数设为0.01(还原监测仪器显示时乘以的100%)，其他系数设为0，用此检验公式测量含水量数据，测量的结果等于监测仪器输出的电信号值。当监测仪器在空气中的测量数据显示为0、仪器完全没入水中的测量数据显示为仪器电信号的上限时，说明监测仪器工作状态正常。

经过检验后使用便携式监测仪器测量时，应仔细核对仪器当前选用的公式是否与监测站土壤质地条件和对应的监测深度相符。

2.2 监测孔位选择

在农田监测地块中，监测孔位应选择在地势较平坦处。要求对监测孔位表面进行处理，铲除表层植被，防止雨水、露水沿剖面或钻孔下渗影响测量数据的准确性。监测孔位距离上次监测孔位水平距离应不小于0.5 m，以避免因上次监测孔位附近含水量异常而造成本次测量数据不准确。监测结束后应对监测孔位填补平整，减小开挖剖面或钻孔对监测地块农作物和土壤结构造成的破坏，保持监测地块土壤天然孔隙度不发生较大变化，为下次监测创造有利条件。

2.3 探针式监测仪器使用

监测仪器插入土壤的方式是否正确，对监测仪器数据的准确度有至关重要的影响。探针式监测仪器分水平插入和垂直插入两种监测方式[1]。无论水平插入还是垂直插入，均要求将探针均匀用力缓慢插入，使探针完全没入被测土壤中，避免晃动造成探针与原状土接触不严密，影响测量数据准确度。每完成一次测量，应将探针表面清理干净，清除探针间夹带的土壤，避免探针间附着土壤影响再次测量的数据。

探针式监测仪器水平插入时，要求开挖的土壤垂直监测剖面平整，在监测剖面刻画需要监测的深度记号，将传感器轴心(中间探针)对正监测深度插入，确保监测数据能代表该监测深度的含水量，见图2。

图2 探针式监测仪水平插入土壤

探针式监测仪垂直插入时，要求采用平头钻开挖钻孔，确保钻孔底部平整无虚土。钻孔直径应略大于监测仪器直径。监测仪器放入钻孔时要垂直地面慢放，不得刮擦钻孔壁，避免将钻孔壁周边土壤碰落，确保钻孔底部为原状土，见图3。

图3 探针式监测仪垂直插入土壤

钻孔深度应根据监测深度和探针长度确定，公式为

(1)

式中：h为钻孔深度；H为监测深度；L为探针长度。

2.4 导管式监测仪器使用

导管式监测仪只有垂直插入方式，要求钻孔应垂直于地面，钻孔直径略小于监测仪器直径。这样既能保证传感器插入后与土壤紧密结合，又能保证传感器插入时不过度挤压周边土壤，可将监测仪器对周边土壤孔隙度的影响减至最低。

导管式监测仪器分为有护管、无护管两种类型[1]。对于有监测护管的监测仪器，可以预先在各监测地点埋设护管。需要测量时，打开上盖，放入监测仪器测量，测量完毕取出监测仪器，拧紧上盖即可。预先埋设护管的方法可保证护管与土壤接触程度良好，护管安装一次可长期使用，减小多次钻孔的人为误差和钻孔工作量。护管埋设后不取出，护管与土壤接触程度均匀一致，可有效提高监测数据准确度。

2.5 监测数据处理

水平插入的监测仪器，应在监测剖面同一监测深度测量2～3次，计算各次测量数据的平均值，作为该监测深度的平均含水量。

垂直插入的监测仪器，应布设2～3个钻孔，计算各钻孔同一监测深度测量数据的平均值，作为该监测深度的平均含水量。

发现偏差较大的数据可舍去重新测量，通过多点或多孔测量计算平均值的方法可以有效消除单次测量的偶然误差，提高监测仪器测量数据准确度。

2.6 监测仪器公式

便携式监测仪可预存储多个监测站或多个土壤质地的公式。在使用前，应准确测定监测地块的土壤质地和干容重等，建立监测仪器各站点或各土壤质地的公式备用。

为减小监测仪器公式误差，监测仪器公式在使用1～2年后必须与人工烘干法数据进行对比分析，若偏差大于规范要求，则应重新建立公式替换原公式。

参与建立公式的数据应不少于10组[3]，可使用指数函数或多项式等数学模型来建立公式，并使高、中、低含水量数据在公式曲线上呈均匀分布，涵盖含水量从高到低变化范围。要求各数据点与拟合曲线不能有较大偏离(R2≥0.99)，对于偏差较大的异常数据应剔除，不得人为加入零点(监测仪器电信号和含水量均为0)数据。示例见图4。

监测站干容重数据对直读体积含水量的监测仪器建立公式有较大影响，应参照人工取土烘干法，每个监测深度用环刀采集2～3个土样， 计算监测站干容重平均值，以保证监测站土壤干容重数据准确。

图4 朝阳牛营子站质量含水量与传感器电压关系

3 结 语

根据便携式土壤水分自动监测仪的特点，提出了仪器使用中从监测地点的选择、监测仪器状态、传感器插入土壤方式、测量方法和重新建立监测仪器公式等方面提高监测数据准确度的方法，对便携式土壤水分监测仪的使用有积极的指导作用。当监测仪器工作状态正常、使用方式得当、公式准确时，可有效提高监测数据的准确度和代表性，为国家防汛抗旱指挥系统二期工程旱情信息采集系统建设提供有力支撑。

[1] 水利部国家防汛抗旱指挥系统工程项目建设办公室.NFCS2-ICS-ST-06土壤墒情监测站仪器安装调试办法:办计〔2014〕58号[S].北京:水利部,2014:1,4.

[2] 国家防汛抗旱总指挥部办公室.土壤水分监测仪器通用技术条件(试行):办旱一〔2012〕32号[S].北京:水利部,2012:1-4.

[3] 水利部国家防汛抗旱指挥系统工程项目建设办公室.NFCS2-ICS-ST-05土壤墒情监测仪器现场率定方法:办计〔2014〕58号[S].北京:水利部,2014:2-3.

[4] 水利部国家防汛抗旱指挥系统工程项目建设办公室.NFCS2-ICS-ST-07移动土壤墒情监测技术要求:办计〔2014〕58号[S].北京:水利部,2014:2.

(责任编辑 徐素霞)

S152.7

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1000-0941(2017)02-0044-03

李剑辉(1975—)，女，辽宁本溪市人，高级工程师，学士，主要从事水文工作。

2015-07-17