日照市土壤墒情自动监测站网建设实践

彭 涛 时 伟 张凤旺

日照市土壤墒情自动监测站网建设实践

彭 涛1时 伟1张凤旺2

一、引言

近年来，随着极端、异常天气事件的突发、频发，山东省日照市干旱形势呈增长趋势，呈现的特点是发生频度增加、持续时间长，造成的危害不断扩大。据资料统计，1949～1990年42年间，干旱年份20年，出现频次47.6%；1991～2014年24年间，干旱年份占16年，出现频次达66%，尤其是2010年以来，干旱灾害每年发生，影响程度均较为严重。

为积极应对旱情和最大限度减少干旱灾害造成的损失，及时为各级防汛抗旱指挥部门指挥抗旱工作提供科学依据，日照市水利局决定在农作物种植重点区域建设土壤墒情自动监测站网，以实时监测和掌握重点地块土壤墒情变化情况和农业抗旱工作成效。

二、环境概况

1.地理概貌

日照市属鲁东丘陵地带，其中丘陵占38.7%，平原占22.7%，山地占总面积的35.8%。全市土壤分为棕壤、褐土、潮土、水稻土、砂姜黑土、盐土、风砂土7个土类，总面积630.5万亩，占全市总面积的79.2%。以棕壤土面积最大，共有495.3万亩，占全市可利用土地面积的78.6%，占全市总面积的62.2%。

2.气象水文

日照市属暖温带半湿润季风区大陆性气候，四季分明，冷热季、干湿季差别明显。春季干旱少雨，回暖迟；夏季湿重，无酷热，雨水集中易成涝；秋季凉爽，晚秋旱；冬季干燥，无严寒，雨雪少。形成了春旱、夏涝、晚秋又旱，旱涝不均的气候特点。

全市多年平均气温12.6℃，东部沿海高，北及西北部低，极端最高气温43℃，极端最低气温-18.9℃。多年平均无霜期226天左右，多年平均日照时数2530h，多年平均相对湿度72%。全年除夏季外，多为北风或偏北风，夏季盛行东南风，多年平均最大风速11.0m/s。水汽来源主要是西太平洋低纬度暖湿气团的侵入和台风、台风倒槽及东风波输送的大量水汽。

据1960～2010年降水资料分析，全市多年平均降水量为817.6mm。受大气环流和地形等因素影响，降水的时空分布差异很大，总的分布趋势是自东南向西北递减，雨量中心位于日照水库附近。多年平均降水量从东南沿海的873.8mm，降至西北部内陆山区的723.6mm。年内降水多集中于汛期（6～9月），占全年降水总量的72.7%。

三、土壤墒情监测站网建设

在充分利用现有先进的成熟技术和已有成果资源的基础上，建立一个墒情信息自动采集、传输的监测网络系统，为日照市的抗旱测报工作提供及时、准确的土壤基础数据。开发墒情监测中心应用软件系统，整合现有雨量遥测、山洪监测预警系统的降雨、水情、工程数据，实现数据的实时查询。并将查询、分析的结果以点分布图、等值线、面分布图、统计图表、过程线等方式生动直观地显示出现，为各级防汛抗旱指挥机构决策和指导抗旱救灾提供依据。

日照市土壤墒情自动监测站网主要由固定式土壤墒情监测站、监测信息传输和辅助系统、监测中心接收处理系统组成，如图1所示。

1.固定式土壤墒情监测站

日照市土壤墒情信息采集采用固定式土壤墒情监测站。信息采集的过程包括墒情信息监测、记录和存储，主要设备包括传感器、数据线、存储器等。固定式土壤墒情监测站安装地选择在所监测区域内具有代表性的地点。如果所选监测区域面积较大，为了能较全面和直观地反映区域内土壤墒情的状况，一般要建立多个固定式墒情监测站。固定式墒情站利用墒情信息采集传感器和中心站数据接收监控系统进行数据采集、存储和传送，采用的传感器为土壤水分空间分布快速测试仪。每天按照设定时间采集四次20cm、40cm两个不同深度的土壤含水量，并通过GPRS网络上传到日照市水利局中心站，每天的信息采集次数和采集时间可以根据实际工作需要进行设定。监测站采用太阳能、蓄电池供电，续航时间长，可以长期在无人值守的状态下自动工作。

图1 日照市土壤墒情自动监测站网图

固定式土壤墒情监测站的布设，主要是根据《土壤墒情监测规范》（SL364-2006）中关于墒情站点选择密度的有关规定，按照日照市的行政区划和单站所能控制的耕地面积相结合的方式来选择，同时还适当考虑监测站点布设区域内地貌、土壤、气象和种植作物分布情况，监测站点位置的选择具有区域土壤特性和农作物类型的代表性。该系统在日照市所属6个区县共建设了25个土壤墒情信息监测站。

固定式土壤墒情监测站建设效果如图2所示。设备采用双杆支架，太阳能电池板固定在外部，遥测终端机和太阳能充电控制器置于设备箱内，并做好防水防尘处理，传感器电源和信号连接线通过PVC保护套管埋入土壤中，在顶端安装避雷器。

2.墒情监测信息传输和辅助系统

墒情监测信息的传输系统主要用于信息传输和控制，并通过通信传输设备和通信信道完成数据的传递，主要设备包括遥测终端设备（RTU）、通信模块、电源和天线等。墒情信息接收处理系统，主要为完成监测站点墒情信息的接收存储、信息处理和信息分析服务等内容，主要配置有墒情监测信息接收软件、计算机、网络通信设备、数据库软件、监视管理软件和信息分析服务软件等。相关的辅助设备设施主要包括免维护蓄电池、太阳能板、水泥围栏、避雷设备、水泥立杆、仪器设备箱等。

图2 固定式土壤墒情监测站建设效果图

3.墒情信息接收系统

在项目建设实施过程中设计开发了“日照市土壤墒情信息查询系统”，方便客户远程查询设备监测数据。通过登录“查询系统”可以以图表形式查询实时监测数据和历史监测数据，并可以表格形式保存于本地电脑。

实时数据：设备当前的监测数据包括监测时间、20cm处含水率、40cm处含水率等，以及对于特定时段内的数据进行统计分析结果（如当天最低值、最高值、平均值等）。

历史数据：根据开始时间和结束时间，查询时间段内的监测数据，并且可以删除数据和导出数据到本地。

历史曲线：查看各个墒情监测站点有关监测通道监测值的曲线图，可以直观了解监测值的变化走势。

建立各监测站点档案，包括墒情监测站代码、站址、行政区划码、经度、纬度、管理单位名称、设站时间、墒情观测项目情况介绍等，并可对基本信息进行完善或更改。

四、土壤墒情率定

1.率定的主要任务

由于受传感器设备精度及固定墒情监测站边界条件影响，土壤墒情自动监测设备的监测数据与农田土壤墒情的实际状况存在不可避免的误差，为保证监测数据的精度符合《土壤墒情监测规范》（SL364-2006）和《农田土壤墒情监测技术规范》（NY/T1782-2009）要求，在土壤墒情自动监测站网建成后又专门对自动监测设备的精度进行率定，组织实施了日照市土壤墒情监测系统率定项目。

2.率定的主要技术要求

通过现场取样和实验室测定与自动监测站网站点监测设备测量的数据进行比对，通过长系列数据分析，测定存在的误差值和误差范围。

土壤墒情监测站墒情信息率定，利用取土烘干法进行监测站土壤墒情信息的对比率定，率定时间选择在了3～11月份，结合墒情自动监测站的施工进度，墒情监测站联网传输相对稳定的墒情信息后开始标定。

若误差值超过《土壤墒情监测规范》（SL364-2006）和《农田土壤墒情监测技术规范》（NY/T1782-2009）要求，则要建立实验室监测数据和自动监测设备测报数据的相关关系，并确定对自动监测设备的数据修正系数。

3.推定监测站墒情与对应大田墒情的关联系数

分别在监测站和对应农田取样测定土壤墒情，通过测定的墒情数据进行数理分析推定监测站墒情观测数据与对应农田墒情的相关系数。

每月10日、25日作为常规测次取样测定土壤墒情；取样日遇到降雨时，增加取样检测次数，当日降雨量小于25mm，雨后3天取样测定墒情；当日降雨量大于25mm，雨后5天取样测定墒情；取样日前后遇连续降雨则取样时间向后顺延，时间选择暂定的3～11月份。

五、结束语

日照市土壤墒情自动监测站网建设成功运行以来，能实时监测和记录土壤墒情信息，系统运行稳定，数据完整性好，能及时准确地监控土壤墒情信息，在可靠性和实用性上达到了设计要求。该系统的成功应用进一步完善了日照市土壤墒情监测的技术手段，对于防止日照市农业旱情的延续、指导农业抗旱减灾和进行适时适量灌溉具有重要的作用。同时，实施日照市土壤墒情监测系统率定项目，测定了土壤墒情监测站自动监测的数据与农田土壤墒情的实际状况之间的误差，通过对墒情数据进行数理分析修正，修正了土壤墒情监测站测定数值与对应大田作物墒情之间的相关系数，使测量的墒情数据准确性大大提高，对于类似系统的建设有着很好的借鉴意义

（作者单位：1.山东省日照市水利局276826 2.山东省日照市计量测试所276826）