菏泽市墒情自动监测系统人工率定分析与对策建议

白 强，史鲁豪，韦爱菊

（菏泽市水文局，山东 菏泽 274000）

土壤墒情是分析判断农业旱情最直接和必要的指标，土壤墒情信息采集站是旱情信息采集系统的关键组成部分[1]。随着社会的发展，人工墒情站存在监测仪器、手段落后,墒情信息监测的采集、传输速度慢，效率低的问题。为了探求墒情变化规律,为各级抗旱部门指导抗旱减灾提供科学依据，菏泽市水文系统自1962 年起，在全市范围内开始布设墒情站网，开展墒情监测工作，先后在全市布设了10 处人工墒情监测站点。近年来,菏泽市水文系统充分利用符合墒情自动监测站选址要求的现有人工监测站点建设了国家防汛抗旱指挥系统二期工程菏泽市墒情信息自动采集系统。本文对墒情检测系统人工定率进行分析。

1 菏泽市自动墒情监测现状

菏泽市墒情信息自动采集系统包括9 个固定墒情监测站、9 套移动墒情监测设备（建设45 个移动墒情监测点，5 个移动墒情监测点配1 套移动墒情监测设备）和1 套墒情采集标定设备[2～4]。由于移动墒情站和固定墒情站的参数率定步骤和程序是一致的，本次墒情自动监测系统人工率定选择探头固定且连续监测的9 处固定墒情站进行参数的率定分析。菏泽市固定墒情监测站基本情况见表1。

表1 菏泽市固定墒情监测站基本情况表

2 自动监测和人工比测

根据《土壤墒情监测规范》（SL364-2015）的要求，人工取样监测严格按照人工取土烘干法的监测步骤和程序测定土壤含水量，在各固定站探头附近人工野外采集土样，在实验室对土样称重，烘干土样再称重，通过比较原始土样和烘干后土样的重量差计算土壤的重量含水率和干容重，换算得到土壤体积含水率。同样按照规范附录F 土壤水分自动监测仪器率定与比测方法的要求，与取样时刻固定站终端机显示的体积含水率进行对比。

菏泽市墒情自动监测系统固定站安装完毕后，进行了四次比测，分别为 2016 年 6 月 1 日、2017 年 9 月 11 日、2017 年 9月 22 日和 2017 年 10 月 21 日。2016 年 6 月 1 日和 2017 年 9月22 日取样比测后对监测设备进行了参数率定、修正。误差统计见表2。

表2 各比测日期体积含水率人工与遥测绝对误差统计表

3 误差评价

从单站的绝对误差分析来看，2017 年10 月21 日监测数据曹县李庙站、鄄城箕山站误差最大，分别达到11.4、11.2，且随着参数率定，比测误差不但没有减小，反而有增加的趋势；单县黄寺误差最小，为1.3；其它墒情站误差在2.1～5.1 之间。根据《土壤墒情监测规范》[5（]SL364-2015）绝对误差在4%范围内的要求，准确性评估结果为66.7%。见表2。

从各站绝对误差的均值分析，总体来看各站的绝对误差均值随着设备参数的不断率定和修正而呈逐步减小的趋势，2016 年6 月1 日安装后初值是-8.4，按照比测结果参数调整后，2017 年9 月11 日和9 月22 日比测绝对误差均值是-3.8、-2.5。根据9 月22 日比测结果和观测时刻传感器电压对参数进行最后一次调整后，10 月21 日又进行了一次验证性比测，受个别测站误差较大的影响，绝对误差均值上升到了4.7。见表3。

表3 各站人工与遥测绝对误差均值表

4 误差原因分析

通过对比分析影响遥测、人工观测精度等各方面因素，得出产生误差的原因主要为：

（1）设备安装方式。固定站在设计与厂家设备安装时，为减少对耕作的影响，主要设置在代表性地块的一侧，并设置3 m×3 m 不锈钢围栏观测场，为防止耕作时受到碰撞、破坏，土壤水份传感器全部安装在观测场内，与墒情遥测终端机RTU 有线连接，安装条件要求高且复杂。一般田间耕作层为一年两耕或一年一耕，而土壤水份传感器安装在观测场内，虽然能保证监测的连接性和稳定性，但由于轮耕次数的差异，造成土壤干容重相差较大，即便是人工比测时土壤重量含水率一致，但换算得到的体积含水率与自动监测设备监测值也可能有较大差异，而失去了代表性。2017 年10 月21 日对曹县李庙闸固定站进行第四次比测时，由于历次人工取样比测扰动面积超出观测场的范围，而改在耕作地块取样，换算得到的体积含水率误差超出了10%。

（2）公式率定形式。根据《土壤墒情监测规范》（SL364-2015）要求，人工比测宜覆盖不同季节和不同土壤湿度等级，一般在经过一次较大的降水后，在自然干燥过程中测得不同含水量数据对应的监测仪器信号值，参与拟合率定公式的数据一般不少于10 组，数据点在公式曲线上均匀分布，能并涵盖含水量从高到低变化范围。厂家在安装完毕后在2016 年6 月1 日仅进行了一次比测就以这次比测成果进行了公式的率定，虽然在正式试用前又进行了两次比测并据此调整了公式参数，但从2017年10 月21 日第四次比测结果显示，仍然达不到规范规定的绝对误差小于等于4%的要求。当前仪器的公式率定方法甚至连厂家技术人员都讲不清楚，无法对现场技术人员作公式率定方面的针对性培训。

（3）人工墒情取样和监测误差。为避免人工比测取样误差，在取测过程中取样人员严格按照规范规定，在同一监测点的同一采集点深度重复取样3 次，以重量含水率小于等于1%为误差控制标准，但在取样过程仍然会有个别土样超出1%的误差范围。取样和监测人员操作熟练程度和对人工取样监测规范的遵守程度也是造成比测误差的重要原因。

（4）监测设备因素。墒情设备在各种土壤类型、干旱程度等前提下，工作原理没有针对性，虽然测量土壤水分的体积百分比，与土壤本身的机理无关，但设备自动监测值是通过土壤导电性以及与土壤墒情值建立函数关系的，监测设备精度也存在一定的误差。

5 结论及建议

5.1 结论

（1）自动墒情监测站布设基本合理，菏泽市七县二区的所有行政区内均有墒情自动监测站布设。

（2）大部分站的绝对误差随着设备参数的不断率定和修正而呈逐步减小的趋势，但曹县李庙站.鄄城箕山站误差增大，土壤体积含水率绝对误差在4%范围内准确性评估结果为66.7%；曹县李庙闸误差增大，分析原因为人工取样在耕作地块取样，没有按要求在自动监测观测场的范围内取样。

5.2 建议

（1）对现有固定站进行改建，对土壤水份传感器探头安装进行必要的再培训，并尽可能将传感器与墒情遥测终端机RTU 间改造成无线连接，每年在小麦春灌前将探头埋入耕作田块并及时人工取样率定、修正公式，提高墒情监测的代表性；

（2）简化参数率定方法，由厂家提供不同土壤类型的仪器标准公式拟合率定曲线，培训现场技术人员能够根据人工比测结果与标准公式率定曲线系统性偏离情况对率定公式进行率定、修改；

（3）加强人工取样人员培训，在详细掌握人工取样、监测规程的基础上，为尽可能避免重复取样误差超限（重量含水率小于等于1%），可将重复取样点由3 个增加到4 个；

（4）督促和引导设备厂家提高设备监测精度，加强现有设备的后期管理和维护。