王景才 ，夏自強(qiáng) ，楊建青 ，黃燕紅 ，楊桂蓮

（1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.水利部水文局，北京 100053；3.水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012）

0 引言

干旱災(zāi)害是影響我國經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展的主要自然災(zāi)害之一，尤其是隨著全球氣候變化和人類活動的影響，干旱災(zāi)害和影響范圍有逐步擴(kuò)張的趨勢，因此旱情監(jiān)測和干旱定量分析越來越受到氣象水文工作者的重視，并開展了一系列的研究工作[1]。干旱涉及多個學(xué)科和監(jiān)測要素，諸如降水、氣溫、蒸發(fā)、土壤墑情、地下水，以及河道流量、水庫蓄水狀況等等，其中土壤墑情更是在干旱監(jiān)測與研究、農(nóng)業(yè)灌溉排水制度制定，以及水文學(xué)研究等方面具有重要的作用[2]。有關(guān)土壤水分測量的技術(shù)和儀器的研究由來已久，目前測定土壤水分的方法主要有[2-3]：烘干法（GM）、中子儀法、張力儀法、電阻塊法、干濕計(jì)法及介電傳感器法等。以上方法均有廣泛而深入的研究和應(yīng)用，其中介電傳感器法因獲取數(shù)據(jù)比較直觀、方便、快捷、可持續(xù)觀測，以及可與數(shù)據(jù)發(fā)送模塊集成等優(yōu)勢，得到了較快的發(fā)展應(yīng)用。介電傳感器法包括 TDR（Time Domain Reflectometry）、FDR（Frequency Domain Reflectometry）等，通過測定土壤的介電常數(shù)，并利用土壤介電常數(shù)與含水率之間存在的確定性單值多項(xiàng)式關(guān)系轉(zhuǎn)化為土壤含水量[4]。

介電傳感器法在國內(nèi)外得到了廣泛的實(shí)驗(yàn)研究和應(yīng)用[5-10]，雖然其優(yōu)點(diǎn)已得到有效驗(yàn)證，但測量的精度水平還有待繼續(xù)改進(jìn)與提高。為促進(jìn)和提高土壤水分傳感器的穩(wěn)定性和可靠性，以及服務(wù)于水利部門旱情監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)需要，本文依托水利部水文局開展的土壤水分傳感器性能對比測試工作項(xiàng)目，對初步征集的分屬不同工作原理和類別的 15 種型號的土壤水分傳感器，進(jìn)行了長時間野外田間埋設(shè)條件下的實(shí)驗(yàn)研究。墑情自動采集數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn) 6 h/ 頻次，每日共計(jì) 4 次的測報(bào)，并結(jié)合人工烘干法，以檢驗(yàn)各型號傳感器在野外長時間無人值守情況下的測量結(jié)果是否穩(wěn)定、靈敏和準(zhǔn)確，以及是否會發(fā)生故障等問題，從而對各類傳感器的性能和質(zhì)量展開分析評價，希望能對土壤水分傳感器比測工作和評估體系的完善、大范圍實(shí)踐應(yīng)用，以及旱情監(jiān)測系統(tǒng)的建立起到參考作用。文中將所使用到的傳感器型號按 S1～S15 進(jìn)行編號，其中 S10 屬于時域反射儀，其他 14 種屬于頻域反射儀。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理

野外田間實(shí)驗(yàn)在安徽六安淠史杭蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)站（116°31′E，31°45′N）進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)站面積 30 m×35 m，代表性土壤為褐黃色沙壤土兼有膨脹土，該區(qū)隸屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。本研究基于天然降水過程，沒有任何的人工灌溉過程。實(shí)驗(yàn)時間從 2011 年 7 月16 日開始，12 月 30 日完成數(shù)據(jù)收集。

在實(shí)驗(yàn)場地開挖 1 個長、寬、深分別為 150，50，50 cm 的直溝，將每種型號的 3 個傳感器分別按埋深 10，20，40 cm 垂向布置，插入溝道側(cè)面并推緊，每種型號傳感器之間水平間隔 1 m。安裝完畢后回填土，表面覆蓋草皮。回填過程中注意不要留下空隙，并且注意不要讓傳感器發(fā)生偏移。將收集的 3 層傳感器探頭的連接線匯總并接入 RTU（遠(yuǎn)程終端單元），通過太陽能面板供電使之工作。本地 GSM 模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送，異地 GSM 模塊接收并接入到 PC 機(jī)上，在 PC 機(jī)上利用 Visual Basic 6.0 語言和 Access 2003 數(shù)據(jù)庫接收數(shù)據(jù)，并將之轉(zhuǎn)換為土壤體積含水量。自動采集數(shù)據(jù)每 6 h 發(fā)送 1 次。

另外，人工采集數(shù)據(jù)也在田間同期進(jìn)行，每 5 d采集 1 次，包括人工烘干法和操作儀器測量。人工操作儀器測量每次采集需記錄 3 次，剔除異常值后取平均值；然后采用環(huán)刀法取回人工操作儀器測量點(diǎn)周圍 0～5 cm 的 3 個土樣帶回實(shí)驗(yàn)室，利用烤箱恒溫 105 ℃ 條件下連續(xù)烘烤 14～15 h，將得到的 3 個烘干法值剔除異常值后取平均值，以便做準(zhǔn)確性的分析。7—12 月的逐日降水量也被收集，以做對降雨的靈敏性的分析。

2 評價指標(biāo)與方法

2.1 穩(wěn)定率

穩(wěn)定性是衡量傳感器質(zhì)量的重要指標(biāo)。穩(wěn)定性主要看數(shù)據(jù)表現(xiàn)是否正常，如果不存在振蕩、異常跳躍或測量間斷則定為正常時間段，以 3 層傳感器正常時間段占總時間段的比重來計(jì)算，以穩(wěn)定率 α 表示，數(shù)值范圍為 0～1，公式如下：

式中：d 為正常時間段；D 為總時間段。

2.2 靈敏率

傳感器對降水的靈敏性反應(yīng)也是考核傳感器質(zhì)量的指標(biāo)。因?yàn)?10，20，40 cm 埋深的不同，以及考慮降雨強(qiáng)度及下滲蒸發(fā)的影響，此處對 3 層傳感器分別按權(quán)重系數(shù) 0.5，0.3，0.2 進(jìn)行計(jì)算，用靈敏率 β 表示，數(shù)值范圍為 0～1，靈敏率 β 公式如下：

式中：i 為傳感器的編號；Ni1，Ni2，Ni3分別為 10，20，40 cm 埋深的第 i 編號傳感器對單日或連續(xù)多日降水量 ＞10 mm 在試驗(yàn)中測量到的次數(shù)；N1，N2，N3分別為 10，20，40 cm 埋深的第 i 編號傳感器對單日或連續(xù)多日降水量 ＞10 mm 理論上應(yīng)該能測量到的次數(shù)。

2.3 準(zhǔn)確率

儀器測量的準(zhǔn)確性也是傳感器質(zhì)量好壞的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。烘干法一直被公認(rèn)為最經(jīng)典和精確的測定土壤含水量的方法，因此將烘干法所得土壤含水量作為驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)值，檢驗(yàn)測得數(shù)據(jù)在烘干法值附近一定誤差允許范圍內(nèi)（本文選擇的誤差允許范圍為：絕對誤差 ±4 %）的比重，比重值越高則說明儀器測量的精度越高，這里用準(zhǔn)確率 r 來表示，數(shù)值范圍為 0～1，計(jì)算公式如下：

式中：Msk為傳感器第 k 次測得的土壤體積含水量； Mgk為烘干法第 k 次測得的土壤體積含水量；n 為樣本總量；s(xk) 為符號函數(shù)。

如果傳感器性能優(yōu)越，α，β，γ 應(yīng)該接近于 1。

2.4 賦分排序法

鑒于穩(wěn)定率、靈敏率、準(zhǔn)確率這 3 項(xiàng)指標(biāo)在傳感器性能及土壤墑情-旱情監(jiān)測中的重要程度不同，分別對穩(wěn)定率、靈敏率、準(zhǔn)確率賦予 4，2，4 分的分值，最后按 15 種編號的傳感器的綜合得分情況 S 進(jìn)行排序，作為選優(yōu)的 1 個參考依據(jù)，計(jì)算公式如下：

Si= 4 αi＋ 2 βi＋ 4 γi( i = 1, 2, …, 15) （4）

3 分析結(jié)果

經(jīng)過一段時間的田間埋設(shè)環(huán)境之后，傳感器逐步與周圍的土壤融為一體。評估傳感器是否優(yōu)越，主要看它的工作狀況是否正常穩(wěn)定，對一些外界因素是否有靈敏反應(yīng)，以及測量的數(shù)值是否準(zhǔn)確可靠。這里以編號為 S8 的傳感器為例，利用式（1）～（3）展開分析，自動采集數(shù)據(jù)分析從 8 月 1 日起至 12 月 30 日止，人工烘干數(shù)據(jù)分析從 7 月 21 日起至 12 月 26 日止，其他型號傳感器照此進(jìn)行。編號 S8 的傳感器 10，20，40 cm 埋深自動采集的土壤體積含水量時間序列過程如圖 1 所示。

圖1 編號 S8 的傳感器 10，20，40 cm 埋深自動采集的土壤體積含水量時間序列過程

從圖 1 可以看出，傳感器工作狀況穩(wěn)定，各埋深數(shù)據(jù)表現(xiàn)穩(wěn)定正常，沒有異常跳躍或振蕩。其中10 月 12 日 2:00 至 10 月 13 日 14:00，11 月 26 日20:00 至 12 月 2 日 14:00 因傳輸網(wǎng)絡(luò)欠費(fèi)導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)缺漏，但這不影響整體的實(shí)驗(yàn)分析。另外從各層傳感器對降雨的反應(yīng)情況看，3 層傳感器均表現(xiàn)良好。編號 S8 的傳感器測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的程度如圖 2 所示，傳感器數(shù)據(jù)基本在烘干法值附近上下波動，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在實(shí)際測得的 30 個數(shù)據(jù)點(diǎn)中共有 27 個數(shù)據(jù)點(diǎn)落在 [-4 %，4 %] 區(qū)間內(nèi)，準(zhǔn)確率為 0.90。

圖2 給出了人工烘干法與 15 種編號的傳感器人工操作采集的土壤含水量的對比圖，可以看出，相對于其他型號傳感器測量結(jié)果，S15 偏離烘干法值太大，S11 前期測量結(jié)果嚴(yán)重偏低，自第 9 測次之后，其數(shù)值漸與烘干法值接近。而在總測次中，S6，S8，S9 均發(fā)生 1 次故障，S12 發(fā)生 2 次故障，S5 發(fā)生 10 次故障，但后續(xù)操作仍然可用。在評估準(zhǔn)確性的時候，故障視為測得結(jié)果為 0 值，采用公式（3）來計(jì)算。

圖3 給出了根據(jù) 3 項(xiàng)主要的評價指標(biāo)得出的 15種編號的土壤水分傳感器性能評估結(jié)果，可以看出，穩(wěn)定率除 S11（0.345），S15（0.659）外，其他型號傳感器均在 0.990 以上；對于靈敏率，絕大部分傳感器對降水反應(yīng)良好；對于準(zhǔn)確率，S6，S8，S9，S10 均在 0.80 以上，S4，S7，S12，S14在 0.60～0.80 之間，S5，S11 在 0.40～0.60 之間，S13，S1，S2，S3 在 0.15～0.40 之間，S15 為 0.03。關(guān)于準(zhǔn)確率的分布情況，也可以從圖 2 反映出來。

采用式（4）計(jì)算的 15 種傳感器的綜合得分值如圖 4 所示，可以看出，S6～S10 的分值在 9 分以上，表現(xiàn)優(yōu)異；S4，S5，S12，S14 在 8.2～8.7 分之間；S2，S13 在 7.1～7.3 分之間；S1，S3 在 6.4～6.7 分之間，S11 為 5.1 分，S15 為 4.8 分。

部分傳感器在穩(wěn)定率和靈敏率中有較好的表現(xiàn)，如 S2 和 S13，但在人工操作儀器測量時，準(zhǔn)確率卻不高；另外，S15 的穩(wěn)定率和靈敏率可以，但是準(zhǔn)確率卻僅有 0.030；再者，如 S11，數(shù)據(jù)層發(fā)生了振蕩不穩(wěn)定，以上情況可能與傳感器率定工作不夠或者本身質(zhì)量有關(guān)，期待后續(xù)能加強(qiáng)研究。

4 結(jié)語

經(jīng)過土壤水分傳感器田間比測實(shí)驗(yàn)的研究，發(fā)現(xiàn)大部分傳感器穩(wěn)定率較好，絕大部分傳感器對降水反應(yīng)也良好。但是準(zhǔn)確率卻有很大差別，除部分傳感器（S6、S8～S10）在 0.80 以上外，大部分傳感器與烘干法對比精度不是很高?？梢姕?zhǔn)確率是本次土壤水分傳感器比測實(shí)驗(yàn)中需要重視和加強(qiáng)的方面。這可能與土壤水分傳感器率定工作不足或傳感器產(chǎn)品質(zhì)量有關(guān)。

圖2 人工烘干法與 15 種編號土壤水分傳感器人工采集的土壤含水量的對比圖

圖3 15種編號土壤水分傳感器穩(wěn)定率、靈敏率、準(zhǔn)確率的指標(biāo)圖

圖4 15種編號土壤水分傳感器的綜合得分

一個好的土壤水分傳感器，應(yīng)具有工作狀況穩(wěn)定、對降水敏感、測得數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的特點(diǎn)。文中提到的評估方法與指標(biāo)，簡單、可行、計(jì)算方便，具有一定的科學(xué)意義，可以作為土壤水分傳感器野外工作性能評估的參考指標(biāo)，對土壤水分傳感器評估體系的完善也具有一定的參考意義；賦分排序法可以對土壤水分傳感器的整體性能給出客觀評價，對產(chǎn)品優(yōu)選具有一定的參考價值。

本次田間實(shí)驗(yàn)，時域反射儀具有狀況穩(wěn)定、測量數(shù)據(jù)相對較好的優(yōu)點(diǎn)，但其價格偏高，限制了部分生產(chǎn)實(shí)踐應(yīng)用，目前部分生產(chǎn)商正在研究如何降低成本，以便于此類傳感器的大規(guī)模應(yīng)用；頻域反射儀測量數(shù)據(jù)相對可靠，雖然比時域反射儀精度稍差，但因其價格相對較低，在生產(chǎn)實(shí)踐應(yīng)用上相對具有優(yōu)勢。應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)土壤水分傳感器的研發(fā)研制工作，以降低成本、提高精度，為土壤墑情監(jiān)測自動化、大范圍實(shí)踐應(yīng)用及旱情監(jiān)測系統(tǒng)的建立起到積極作用。

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