李劍輝

(遼寧省水文局，遼寧 沈陽 110003)

提高便攜式土壤水分自動監(jiān)測儀數(shù)據(jù)準確度的方法研究

李劍輝

(遼寧省水文局，遼寧 沈陽 110003)

土壤水分；便攜式；自動監(jiān)測儀；數(shù)據(jù)準確度；代表性；方法

便攜式土壤水分自動監(jiān)測儀可根據(jù)旱情發(fā)展增加監(jiān)測頻次和監(jiān)測站點，使用方便靈活，但在實際操作過程中受人為因素影響較多，數(shù)據(jù)準確度和代表性普遍不高。通過對監(jiān)測儀器性能特點和使用方法的研究，結(jié)合實際工作經(jīng)驗，從監(jiān)測地點的選擇、監(jiān)測儀器狀態(tài)、插入土壤方式、測量方法和重新建立監(jiān)測儀器公式等方面提出了降低測量誤差、提高監(jiān)測數(shù)據(jù)準確度和代表性的方法。

土壤墑情是水循環(huán)規(guī)律研究、農(nóng)牧業(yè)灌溉、水資源合理利用及抗旱救災(zāi)的基本信息。加強土壤墑情監(jiān)測工作，提高土壤墑情信息的時效性，對社會提供及時、準確、可靠的土壤墑情信息，可以為抗旱減災(zāi)決策和水資源配置等提供科學(xué)依據(jù)，滿足防汛抗旱、水資源管理和建設(shè)節(jié)水型社會的需要。

土壤墑情信息主要依靠人工監(jiān)測站、固定自動墑情站和移動自動墑情站收集[1]。當(dāng)前移動自動墑情站使用的便攜式土壤水分自動監(jiān)測儀多為介電法類儀器[2]，此類儀器在使用中受到的干擾因素較多，主要表現(xiàn)在操作方法、建立公式[3]、監(jiān)測位置選擇等方面，造成墑情監(jiān)測數(shù)據(jù)不準確，代表性較差。本研究針對便攜式土壤水分自動監(jiān)測儀器的特點，提出降低測量誤差，提高監(jiān)測數(shù)據(jù)準確度和代表性的方法。

1 監(jiān)測儀器的基本組成和特點

便攜式土壤水分自動監(jiān)測儀一般由傳感器和數(shù)據(jù)采集、存儲、傳輸?shù)仍O(shè)備構(gòu)成。傳感器主要有探針式和導(dǎo)管式兩種類型[4]，見圖1。

圖1 常用的兩種傳感器類型

便攜式監(jiān)測儀器具有體積小、重量輕、便于攜帶、操作方便、使用靈活等特點，具備監(jiān)測站定位、數(shù)據(jù)采集存儲和傳輸?shù)裙δ?，可將存儲?shù)據(jù)發(fā)送至指定的存儲終端，可直接在農(nóng)田環(huán)境下進行監(jiān)測，還可根據(jù)旱情發(fā)展隨時增設(shè)監(jiān)測站點或增加監(jiān)測頻次。

2 提高監(jiān)測儀器數(shù)據(jù)準確度的方法

2.1 檢驗監(jiān)測儀器公式

便攜式監(jiān)測儀器內(nèi)存儲有不同土壤質(zhì)地或不同站點的公式，監(jiān)測儀器測量時反饋的電信號通過公式換算出含水量數(shù)據(jù)。在實際應(yīng)用中，可能存在監(jiān)測數(shù)據(jù)異常情況，因此使用前應(yīng)對監(jiān)測儀器公式進行檢驗，以判斷儀器工作狀態(tài)是否正常。具體判斷方法為：根據(jù)監(jiān)測儀器內(nèi)存儲公式的數(shù)學(xué)模型，設(shè)置一個簡化公式存儲在監(jiān)測儀器內(nèi)，作為監(jiān)測儀器的檢驗公式，然后將監(jiān)測儀器放置在空氣和水中進行模擬測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)判斷監(jiān)測儀器的工作狀態(tài)。例如：對于多項式結(jié)構(gòu)的公式，可簡化成通過原點的直線方程，將公式的一次方系數(shù)設(shè)為0.01(還原監(jiān)測儀器顯示時乘以的100%)，其他系數(shù)設(shè)為0，用此檢驗公式測量含水量數(shù)據(jù)，測量的結(jié)果等于監(jiān)測儀器輸出的電信號值。當(dāng)監(jiān)測儀器在空氣中的測量數(shù)據(jù)顯示為0、儀器完全沒入水中的測量數(shù)據(jù)顯示為儀器電信號的上限時，說明監(jiān)測儀器工作狀態(tài)正常。

經(jīng)過檢驗后使用便攜式監(jiān)測儀器測量時，應(yīng)仔細核對儀器當(dāng)前選用的公式是否與監(jiān)測站土壤質(zhì)地條件和對應(yīng)的監(jiān)測深度相符。

2.2 監(jiān)測孔位選擇

在農(nóng)田監(jiān)測地塊中，監(jiān)測孔位應(yīng)選擇在地勢較平坦處。要求對監(jiān)測孔位表面進行處理，鏟除表層植被，防止雨水、露水沿剖面或鉆孔下滲影響測量數(shù)據(jù)的準確性。監(jiān)測孔位距離上次監(jiān)測孔位水平距離應(yīng)不小于0.5 m，以避免因上次監(jiān)測孔位附近含水量異常而造成本次測量數(shù)據(jù)不準確。監(jiān)測結(jié)束后應(yīng)對監(jiān)測孔位填補平整，減小開挖剖面或鉆孔對監(jiān)測地塊農(nóng)作物和土壤結(jié)構(gòu)造成的破壞，保持監(jiān)測地塊土壤天然孔隙度不發(fā)生較大變化，為下次監(jiān)測創(chuàng)造有利條件。

2.3 探針式監(jiān)測儀器使用

監(jiān)測儀器插入土壤的方式是否正確，對監(jiān)測儀器數(shù)據(jù)的準確度有至關(guān)重要的影響。探針式監(jiān)測儀器分水平插入和垂直插入兩種監(jiān)測方式[1]。無論水平插入還是垂直插入，均要求將探針均勻用力緩慢插入，使探針完全沒入被測土壤中，避免晃動造成探針與原狀土接觸不嚴密，影響測量數(shù)據(jù)準確度。每完成一次測量，應(yīng)將探針表面清理干凈，清除探針間夾帶的土壤，避免探針間附著土壤影響再次測量的數(shù)據(jù)。

探針式監(jiān)測儀器水平插入時，要求開挖的土壤垂直監(jiān)測剖面平整，在監(jiān)測剖面刻畫需要監(jiān)測的深度記號，將傳感器軸心(中間探針)對正監(jiān)測深度插入，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)能代表該監(jiān)測深度的含水量，見圖2。

圖2 探針式監(jiān)測儀水平插入土壤

探針式監(jiān)測儀垂直插入時，要求采用平頭鉆開挖鉆孔，確保鉆孔底部平整無虛土。鉆孔直徑應(yīng)略大于監(jiān)測儀器直徑。監(jiān)測儀器放入鉆孔時要垂直地面慢放，不得刮擦鉆孔壁，避免將鉆孔壁周邊土壤碰落，確保鉆孔底部為原狀土，見圖3。

圖3 探針式監(jiān)測儀垂直插入土壤

鉆孔深度應(yīng)根據(jù)監(jiān)測深度和探針長度確定，公式為

(1)

式中：h為鉆孔深度；H為監(jiān)測深度；L為探針長度。

2.4 導(dǎo)管式監(jiān)測儀器使用

導(dǎo)管式監(jiān)測儀只有垂直插入方式，要求鉆孔應(yīng)垂直于地面，鉆孔直徑略小于監(jiān)測儀器直徑。這樣既能保證傳感器插入后與土壤緊密結(jié)合，又能保證傳感器插入時不過度擠壓周邊土壤，可將監(jiān)測儀器對周邊土壤孔隙度的影響減至最低。

導(dǎo)管式監(jiān)測儀器分為有護管、無護管兩種類型[1]。對于有監(jiān)測護管的監(jiān)測儀器，可以預(yù)先在各監(jiān)測地點埋設(shè)護管。需要測量時，打開上蓋，放入監(jiān)測儀器測量，測量完畢取出監(jiān)測儀器，擰緊上蓋即可。預(yù)先埋設(shè)護管的方法可保證護管與土壤接觸程度良好，護管安裝一次可長期使用，減小多次鉆孔的人為誤差和鉆孔工作量。護管埋設(shè)后不取出，護管與土壤接觸程度均勻一致，可有效提高監(jiān)測數(shù)據(jù)準確度。

2.5 監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

水平插入的監(jiān)測儀器，應(yīng)在監(jiān)測剖面同一監(jiān)測深度測量2～3次，計算各次測量數(shù)據(jù)的平均值，作為該監(jiān)測深度的平均含水量。

垂直插入的監(jiān)測儀器，應(yīng)布設(shè)2～3個鉆孔，計算各鉆孔同一監(jiān)測深度測量數(shù)據(jù)的平均值，作為該監(jiān)測深度的平均含水量。

發(fā)現(xiàn)偏差較大的數(shù)據(jù)可舍去重新測量，通過多點或多孔測量計算平均值的方法可以有效消除單次測量的偶然誤差，提高監(jiān)測儀器測量數(shù)據(jù)準確度。

2.6 監(jiān)測儀器公式

便攜式監(jiān)測儀可預(yù)存儲多個監(jiān)測站或多個土壤質(zhì)地的公式。在使用前，應(yīng)準確測定監(jiān)測地塊的土壤質(zhì)地和干容重等，建立監(jiān)測儀器各站點或各土壤質(zhì)地的公式備用。

為減小監(jiān)測儀器公式誤差，監(jiān)測儀器公式在使用1～2年后必須與人工烘干法數(shù)據(jù)進行對比分析，若偏差大于規(guī)范要求，則應(yīng)重新建立公式替換原公式。

參與建立公式的數(shù)據(jù)應(yīng)不少于10組[3]，可使用指數(shù)函數(shù)或多項式等數(shù)學(xué)模型來建立公式，并使高、中、低含水量數(shù)據(jù)在公式曲線上呈均勻分布，涵蓋含水量從高到低變化范圍。要求各數(shù)據(jù)點與擬合曲線不能有較大偏離(R2≥0.99)，對于偏差較大的異常數(shù)據(jù)應(yīng)剔除，不得人為加入零點(監(jiān)測儀器電信號和含水量均為0)數(shù)據(jù)。示例見圖4。

監(jiān)測站干容重數(shù)據(jù)對直讀體積含水量的監(jiān)測儀器建立公式有較大影響，應(yīng)參照人工取土烘干法，每個監(jiān)測深度用環(huán)刀采集2～3個土樣， 計算監(jiān)測站干容重平均值，以保證監(jiān)測站土壤干容重數(shù)據(jù)準確。

圖4 朝陽牛營子站質(zhì)量含水量與傳感器電壓關(guān)系

3 結(jié) 語

根據(jù)便攜式土壤水分自動監(jiān)測儀的特點，提出了儀器使用中從監(jiān)測地點的選擇、監(jiān)測儀器狀態(tài)、傳感器插入土壤方式、測量方法和重新建立監(jiān)測儀器公式等方面提高監(jiān)測數(shù)據(jù)準確度的方法，對便攜式土壤水分監(jiān)測儀的使用有積極的指導(dǎo)作用。當(dāng)監(jiān)測儀器工作狀態(tài)正常、使用方式得當(dāng)、公式準確時，可有效提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確度和代表性，為國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)二期工程旱情信息采集系統(tǒng)建設(shè)提供有力支撐。

[1] 水利部國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)工程項目建設(shè)辦公室.NFCS2-ICS-ST-06土壤墑情監(jiān)測站儀器安裝調(diào)試辦法:辦計〔2014〕58號[S].北京:水利部,2014:1,4.

[2] 國家防汛抗旱總指揮部辦公室.土壤水分監(jiān)測儀器通用技術(shù)條件(試行):辦旱一〔2012〕32號[S].北京:水利部,2012:1-4.

[3] 水利部國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)工程項目建設(shè)辦公室.NFCS2-ICS-ST-05土壤墑情監(jiān)測儀器現(xiàn)場率定方法:辦計〔2014〕58號[S].北京:水利部,2014:2-3.

[4] 水利部國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)工程項目建設(shè)辦公室.NFCS2-ICS-ST-07移動土壤墑情監(jiān)測技術(shù)要求:辦計〔2014〕58號[S].北京:水利部,2014:2.

(責(zé)任編輯 徐素霞)

S152.7

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李劍輝(1975—)，女，遼寧本溪市人，高級工程師，學(xué)士，主要從事水文工作。

2015-07-17